1598005375-fdca24712b4dd3cd0f1922045b94d243 (Преобразование энергии океана. В.А. Коробков, 1986u), страница 16

Действие такой системы в) (Гее Рис. З.т, Схема ОТЭС с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую !аа): и — устройство втдельнвгп блока; б, в — варианты устройства термезлектрическеге преебразователв. ) гз« у) к) Г:~ р,п',р' «' р, и'р;в у у 2 — кслух, 2 — тернсэдектрнвескна гснсрэтпрр у — пслупрпввдннксвые элсыенты с п- н р преввдннпстью; 4 — пвверхнпстнве нзолнрующее покрытие; у — нзелвтвр, 6 — сведнвнтелькые щнны полностью описывается законами термодинамики, справедливыми для обычных ОТЭС. КПД такого преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, достигает 10 е)ю Это значительно больше, чем у систем, работающих по циклу Ренкпна и Клода.

Кроме того, в системах таких ОТЭС к минимуму могут быть сведены потери на собственные нужды станции. Величина термоЭДС для полупроводниковых пар может достигать нескольких милли- вольт на градус (для металлических термопар они примерно в 1000 раз ниже).

Например, постоянная Зеебека для кристаллов теллурида висмута с п- и р-проводимостью равна 3,14 10 — ' В)К. Другое достои)рство полупроводниковых систем — возможность обеспечения достаточно высокой теплоизоляции между нагревателем и холодильником, что сильно влияет на КГ!Д 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 удорожаншо 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 при этом необходимо иметь в виду, что в опытах японских исследователей в качестве носителя энергии использовалась не сама мор- ская вода, а фторуглеродистые соединения. Правда, как отмечают сами исследователи, возможно применение и дистиллированной воды. Таким образом, увеличения съема энергии достигают за счет введения промежуточного подогрева и охлаждения вспомогательного теплоносителя, а это, в свою очередь, снижает эксплуатационные показатели преобразователя и увели швает его материало- емкость. На выходные параметры термоэлектрических преобразователей кроме разности температур влияют условия теплообмена (68).

Полезная мощность оказывается такой функцией условий оотеканнЯ, что ее максимальнаЯ величина Рюзх=п„л /(4Л)йэ), где их х — напряжение, развиваемое на разомкнутых электродах (напряжение холостого хода генератора); Ю вЂ” число термоэлектрических элементов в генераторе; дзэ — эквивалентное сопротивление отдельного термоэлектрического элемента (точнее, эффективное сопротивление, учитывающее свойства обтекающего сиаи потока).

Введение последней величины позволяет анализировать действие термогенератора в зависимости от условий обтекания. Действительно, японскими исследователями показано, что эта величина описывается соотношением и'(Гз|)э..+Гз«Хз х) -4) в. т) э «+ й ( Хз, т + Хэ х) (3.3) 75 где )х — внутреннее сопротивление отдельного термоэлемента; а — постоянная Зеебека, а=(а„(+(ар~; )з., и Х,.х — коэффициенты теплоотдачи от теплой воды элементам и от элементов холодной воде; !2 — теплопроводность через термозлементы.

Таким образом, )гэ зависит от условий обтекания (коэффициенты теплоотдачи являются функцией степени турбулентности потока, определяемой характерным числом Рейнольдса !те), от конструктивного выполнения термоэлектрического модуля (коэффициент й учитывает, что часть поверхности теплообмена А занята сооственно элементами, а часть — изоляторами, отделяющими термоэлементы друг от друга) и, наконец, от свойств полупроводниковых материалов и температуры спаев. Графики, приведенные на рис. 3.8, позвочяют судить об изменениях напряжения холостого хода, максимальной мощности и мощности, выделявшейся на сопротивлении нагрузки в зависимости от перечисленных величин.

Эксперименты, главной целью которых было выявить отличие в работе изолированного и неизолированного от потока термоэлементов, проводились на блоке из 32 пар и- и р-типа теллурида висмута. Каждый кристалл имел площадь 1,) !О-з м' п длину 4,! 10-' м. В качестве изолятора (в опытах с изолированными от потока термоэлементамп) использовались акрил-резиновые пластинки толщиной 1,65 10-' м. На рис. 3.8, а видно, насколько сильно влияет установка защитного слоя. Величины мощности (рис. 3.8, б) рассчитаны по обычному соотношению Р=12Р,„.

В раооте 168] показано, что экспериментальные и расчетные значения величин совпадают с большой о)Р,мог 1О о) Ржах,мог н)кд, .В гоо 138 1ОО бо Рнс. 3.9. Схема устройства 02ЭС на неренаде температур океан †литосфе. т — заборннк холодной воды; 2— насос;  — преобразователь; 4 — пыход отработанной холодной воды;  — насос 1соит>ра подачи горячей воды,  — океанское дио; т — устье. еоа оборудопаиип тармааьиой скиажины,  — скзпжнна; р — система гидродинамнчасхих разыыаоа е толща донньж пород 10 степенью точности.

Графики демонстрируют линейную зависимость ЭДС (напрягкение холостого хода) от величины перепада температур зт и несколько более сложную зависимость максимальной мощности от числа Рейнольдса )?е, Путем интенсификации тепло- обмена можно повысить выходную мощность термоэлектрического преобразователя почти на порядок. Анализ результатов опытов показывает, что, изменяя толщину изолирующей пластинки, можно, по всей вероятности, также улучшить теплообмен (рис. 3.8, 6). Таким образом, в системе термогенератора с изолированными спаями за счет подбора покрытия с хорошими адгезионными О ВООО НООО йе О т га 3О ба й й а бООО ОООО 8 . Рнс.

3.8. Зависимости некоторых параметров термоелектрических преобразователей от режимов обтекания и тока нагрузки (68): а — напряжение холостого хода в зависимости от режима обтекания; б — полезная мощность в записимости от величины нагрузки; и — максимальная мощность в зависимости от режима обтекания свойствами при приемлемо малой толщине можно избежать усложнения схемы термоэлектрической ОТЭС. ОТЭС, созданные на описанном принципе, вероятно, можно применить для обеспечения электроэнергией комплексов подводной добычи полезных ископаемых на океанском дне.

В этом случае можно объединить известную схему геотермальной электростанции с ОТЭС, заставив циркулировать теплоноситель по замкнутому контуру через толщу пород дна подобно тому, как показано на схеме, приведенной на рпс. 3.0, В пользу такого объединения говорят несколько факторов. Прегкде всего, в толще морского (океанского) дна породы, обладающие температурамп 200 — 300'С, залегают на глубинах, значительно меньших, чем на поверхности суши.

Если при бурении геотермальной скважины на суше речь идет о десятках километров, то в океане всего о нескольких километрах от поверхности дна ". Современная технология вполне позволяет пробурить и обустроить такие скважины в толще пород дна, создать каверны необходимого размера н подключить к скважинам заранее смонтированную теплоэнергетическую установку, причем все это может быть сделано дистанционно. В пользу объединения говорит и то обстоятельство, что для наземных а Григорьев Сч Емцев М. Скульптор лика земного. Мо 1977. еоТЭС срок службы скважин лежит в пределах 20 — 30 лет, а это к раз соответствует времени разработки продуктивной толщи удиика с производительностью в несколько миллионов тонн руды год (речь может идти о добыче конкреций, полисульфндных руд, аже о снабжении энергией подводного перерабатывающего предрнятия).

В этом случае отпадает необходимость в сложной океаной пространственной системе плавучая электростанция — каль — донная подстанция, и все электроэнергетические коммуникаии будут идти по океанскому дну. Наконец, отпадает еобходимость в сооружении вертикальных трубопроводов для подачи холодной воды, подача которой может быть реализована по горизонтали. При столь высоком перепаде температур сам расход холодной воды должен существенно сократиться. Сказанное не означает, что у подводной термоэлектрической ОТЭС не будет недостатков и технолопшескнх проолем. Они, конечно, есть и первая проблема — отсутствие приемлемых и по стоимости, и по физическим свойствам полупроводниковых материалов в достаточном количестве.

В качестве второй можно указать возможность отложения в трубопроводах горячего рассола (или другой технологической жидкости) вымываемых из тол~ци пород солей. И, пожалуй, самос серьезное ограничение — возможность разрушения скважин в результате тектонической деятельности. Впрочем, все это требует еще детальной проработки и в плане конструкции подводной ОТЭС на перепаде температур океан — литосфера (может быть ее следует сразу и назвать ЛОТЭС?), и в плане размещения такой станции в конкретном ' районе океанского дна. $3.4.

Методы интенсификации работы ОТЭС Естественное желание разработчиков ОТЭС, подкрепляемое все более ужесточающимися требованиями экономики,— повысить их эффективность. В этих целях проводится проработка и чисто технологических аспектов, и конструкций, применяются последние достижения науки и техники. Все используемые способы можно грубо разделить на улучшпощие показатели существующих конструкций и коренным образом изменяющие конструкции (поиск новых технических решений). 44то дали первые, показывает хотя бы такой пример.