5.2. Тепловая энергия океана

Методика использования тепловой энергии океана

За счет вертикальной разности температур тропического океана, вовлекая в процесс преобразования 5 % энергии от солнечного излучения на площади 4х10¹³м² можно стабильно обеспечить генерирующие мощности на 10 000 ГВт (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Тепловой энергетический потенциал океана

К сожалению, то, что ни в коем случае нельзя допускать, реализовано во всех экспериментальных установках.

Ни в коем случае нельзя поднимать холодную воду к поверхности океана. Подъем воды создает трудно решаемые проблемы, которые сводят на нет все затраченные усилия, что практически и наблюдается.

Первая проблема — большие энергетические затраты для работы насосов, поднимающих воду. Вторая проблема — выделение растворенных газов из глубинных слоев при снятии давления. Третья проблема — обрастание теплообменных узлов, постоянно находящихся в теплой воде. Четвертая проблема — необходимость иметь технические и энергетические стартовые мощности для запуска станции (www.watervigorous.com).

После установки рабочего тела в районе работы, оно в теплообменных узлах автоматически приобретает необходимую температуру. Проблемы обрастания решаются периодическим изменением глубины и температуры работы теплообменных узлов, т. е. теплообменные узлы меняют местами, а периодическая смена условий существования не дает развиваться морским организмам.

В результате решения этих проблем появляется возможность создания электростанций, береговых кондиционеров с дополнительной выработкой пресной воды, скоростных мобильных объектов и т. д.

В этой системе с помощью теплых поверхностных вод, подаваемых на теплообменник — испаритель, рабочее тело (аммиак, пропан и др.), превращается в пар, в результате чего создается повышенное давление. Проходя через турбину и выделив на ней механическую энергию, пар конденсируется на поверхности второго теплообменника, омываемого холодной водой глубинных слоев.

На рис. 5.9 показан термодинамический цикл такой тепловой машины в координатах абсолютная температура-энтропия. Полезная работа, совершаемая паром в турбине, определяется ветвью 1–2, на участке 2–3 происходит конденсация, затем насосом рабочее тело подается в испаритель 3–4, где нагревается (ветвь 4–5) и испаряется (ветвь 5–1).

Рис. 5.9. Термодинамический цикл тепловой машины в координатах абсолютная температура-энтропия

Таким образом, подвод рабочего тела к системе тепла осуществляется на ветви 3-4-5, а отвод — на ветви 2–3. Дополнительную работу приходится затрачивать на закачку конденсата в испаритель (3–4) и на перекачивание воды сквозь нагреватель и холодильник. Максимальный теоретический КПД такой системы определяется разностью температур воды, перекачиваемой через нагреватель и холодильник, как КПД эквивалентного цикла Карно.

Для перепадов температур между поверхностными и глубинными слоями воды в пределах от 15 до 26 °C он, соответственно, изменяется в диапазоне от 5 до 9 %. Реальный КПД, как правило, существенно ниже.

Это связано с конструктивными ограничениями, не позволяющими в реальной установке довести температуру паров и конденсата до температуры теплых и холодных вод, соответственно (на рис. 5.9 это подчеркнуто с помощью разностей температур).

Можно подсчитать, что при теоретическом КПД, равном 7,3 %, на турбине получаем величину примерно в 2 раза меньшую — 3,6 %.

Причем она не учитывает потери на собственные нужды станции, которые сведут КПД до величины, порядка 2,5 %.

Принимая во внимание, что теплообменные узлы являются определяющими по массе, габаритам и стоимости, можно, допустив некоторый резерв, предположить что, водоизмещение станции составит порядка 75 000 т/ГВт.

На рис. 5.10 приведена экспериментальная станция. Основным и наиболее дорогим материалом для строительства станций является титан, ежегодный расход которого при крупномасштабном строительстве может составить порядка 1 миллиона тонн, что может быть легко достигнуто мировой промышленностью.

Рис. 5.10. Тепловая океанская станция

Установка, преобразующая тепловую энергию океана, работающая по открытому циклу

Сам термин «преобразование тепловой энергии океана» (ОТЕС) — «ocean termal energy conversion» — означает преобразование некоторой части этой тепловой энергии в работу и далее в электроэнергию.

Схема установки, работающей по открытому циклу Клода, показана на рис. 5.11. В качестве рабочего тела здесь использована морская вода, подаваемая в испаритель через деаэратор, освобождающий воду от растворенных в ней газов (http://renewables.ru/pdf_doc/lecturel4.pdf).

Рис. 5.11. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу (цикл Клода)

Предварительно из полостей испарителя и конденсатора удаляется воздух, так что давление над поверхностью жидкости определяется только давлением насыщенных паров, которое сильно зависит от температуры. При характерных для ОТЭС температурах этот перепад составляет примерно 1,6 кПа (при замкнутом цикле на аммиаке около 500 кПа), под действием этого перепада пары воды приводят в движение турбину, попадают в конденсатор, где и превращаются в жидкость.

Основное отличие цикла как раз и состоит в малости перепада давлений, что требует использования соответствующих гигантских турбин диаметром в несколько десятков метров. Это, пожалуй, основной технический недостаток систем открытого цикла. Основное же их достоинство — отсутствие гигантских нетехнологичных теплообменников. Кроме того, при работе систем открытого цикла могут быть получены большие количества пресной воды, что немаловажно в жарком поясе планеты.

Использование перепада температур океан-атмосфера

Особенность работы таких станций — так называемый «треугольный» цикл: нагрев и испарение рабочего тела в результате политропного процесса, адиабатное расширение через турбину, изотермическое сжатие при подаче в испаритель с одновременным отводом избыточного тепла в холодильнике.

КПД такого цикла ниже термического КПД цикла Карно примерно в 2 раза. С точностью до 1 % он определяется выражением

η = (T01—Т02)/2Т01,

где T01 — температура теплой подледной воды (275 К); Т02 — температура охлаждающего воздуха (до 233 К).

Удельная мощность, получаемая с 1 м² площади океана, при разности температур воды и воздуха, равной 10 °C, составляет примерно 18 кВт/м² при разности 20 °C — 60 кВт/м², а при разности 30 °C — 125 кВт/м².

В этих оценках величина скорости движения воды принята равной 0,02 м/с — характерная скорость для прибрежных районов Северного Ледовитого океана. Таким образом, при отсутствии ограничении по глубине океана в зоне размещения полярной ОТЭС и мощности в 1 МВт она будет возмущать тепловой режим на площади всего около 20 м².

На рис. 5.12 приведена разработанная А.К. Ильиным и В.В. Тикменовым схема АОТЭС с обдуваемыми воздухом теплообменниками. В ней использован дополнительный контур с промежуточным теплоносителем, позволяющий существенно снизить потери энергии на собственные нужды станции.

Рис. 5.12. Схема арктической ОТЭС на перепаде вода-воздух

Схема напоминает обычные тепловые станции с градирнями для охлаждения отработавшей воды. Но данные градирни действуют в условиях, когда температура наружного воздуха много ниже нуля, а охлаждаемая жидкость имеет температуру всего на несколько градусов выше.

Поэтому в охлаждающем контуре такой станции необходимо использовать рассол с низкой температурой замерзания.

В качестве промежуточного теплоносителя применяется водный раствор хлористого кальция с концентрацией не менее 26 кг на 100 кг воды, который достаточно широко используется в холодильной технике. Рабочим телом в основном контуре станции служит фреон-12, пары которого приводят в движение турбину с электрогенератором.

Промежуточный теплоноситель охлаждается путем разбрызгивания через форсунки оросительного охладителя. Причем важно обеспечить определенное распыление, чтобы, с одной стороны, капли теплоносителя не выносились потоком холодного воздуха, а с другой — успевали охладиться во время падения.

Для того чтобы капля диаметром 1 мм охладилась на 2 °C при движении в воздухе со средней разностью температур 30 °C ей необходимо пролететь в свободном падении чуть более 3 м. Распыляя таким образом раствор хлористого кальция, можно добиться удельного съема энергии более 230 Вт/(м²К).

Такие значения коэффициентов теплоотдачи, конечно, уступают получаемым в настоящее время в конструкциях водо-водяных теплообменников традиционных ОТЭС (до 5 кВт/(м²К)), но превышают примерно в 5 раз характерные величины для простейших воздушных теплообменников станций без промежуточного теплоносителя.

Это позволяет снизить металлоемкость конденсаторов и примерно на 20 % увеличить выработку полезной энергии.

Прямое преобразование тепловой энергии

Схема ОТЭС на термоэлектрических преобразователях показана на рис. 5.13.

Рис. 5.13. Схема ОТЭС с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую:

_{а — устройство отдельного блока; б, в — варианты устройства термоэлектрического преобразователя}

В основе ее действия — явление Зеебека, заключающееся в возникновении разности потенциалов в электрической цепи, составленной из материалов с различной концентрацией носителей заряда, места соединений которых нагреты до разных температур.

Действие такой системы полностью описывается законами термодинамики, справедливыми для обычных ОТЭС. КПД такого преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, достигает 10 %. Это значительно больше, чем у систем, работающих по циклу Ренкина и Клода.

Кроме того, в системах таких ОТЭС к минимуму могут быть сведены потери на собственные нужды станции. Величина термо-ЭДС для полупроводниковых пар может достигать нескольких милливольт на градус (для металлических термопар они примерно в 1000 раз ниже). Например, постоянная Зеебека для кристаллов теллурида висмута с n- и р-проводимостью равна 3,14x10^-4 В/К.

Другое достоинство полупроводниковых систем — возможность обеспечения достаточно высокой теплоизоляции между нагревателем и холодильником, что сильно влияет на КПД систем.

К недостаткам таких систем относятся достаточно высокая стоимость материалов, из которых изготовляются элементы, и необходимость изолировать спаи от непосредственного контакта с морской водой. Происходит шунтирование через воду соседних элементов, обладающих достаточно высоким собственным сопротивлением, и, следовательно, снижение мощности, выдаваемой в цепь нагрузки. В свою очередь, изолирование спаев приводит к удорожанию преобразователей и ухудшению их показателей. Работы, выполненные группой исследователей из университета Осаки (Япония), показывают, что при отсутствии изолятора в несколько раз увеличивается съем полезной мощности. Однако необходимо иметь в виду, что в опытах японских исследователей в качестве носителя энергии использовалась не сама морская вода, а фторуглеродистые соединения.

ОТЭС, созданные на описанном принципе, вероятно, можно применить для обеспечения электроэнергией комплексов подводной добычи полезных ископаемых на океанском дне.