1598005375-fdca24712b4dd3cd0f1922045b94d243 (Преобразование энергии океана. В.А. Коробков, 1986u), страница 3

горячие ис- точники 0,3 ТВт Фотосинтез 40 Твт (0,02%) Разпоженне животных еппопроаодность 32 ТВт Растения (накопитель) Энергия Земли Ископаемое топливо Ядерная тепловая и гравитационная энергии 12 вымя, Со временем, конечно, надежность методов определения энергетических величин увеличивается, оценки становятся все более объективными. Но для энергетики важны не эти абсолютные Ветры, водны, конвекция, океанские течения 370 ТВт (0,2%) Рис. 1Л. Перераспределение первичной энергии в Мировом океане величины мощностей различных источников, а лишь та их часть, которую можно преобразовать в требуемые для хозяйственной деятельности виды энергии.

К трудностям оценки ресурсов добавляются трудности экологического, технического и экономического планов, социально-политического характера. Не вдаваясь в детали, покажем только, как изменились оценки суммарных и допустимых для переработки могцностей различных океанических источников энергии, выполненные сотрудниками океанографического института Скриппса (США) за пять лет — с 1977 по 1982 г. Соответствующие данные приведены на диаграммах рис. 1.3, на которых отмечены два уровня — суммарный и допускающий преобразование (заштрихован).

Более поздние оценки сделаны с учетом целого ряда технологических и экологических факторов. Они, как правило, в части допустимой к использованию энергии оказались ниже. Интересно отметить то арисибаг Течения биомоссс баяно~ Гродоснщ Гдодиснгп аквинские соосносао пимпсрсгпурог бе~про~ Рнс. 1.3. Распредеаенне океанских источников энергии по мощности (правые стодбцы — по оценкам ! 977 г. [891, левые — по оценкам 1982 г.

[811) обстоятельство, что если на первой диаграмме не рассмотрены океанские ветры и биоресурсы, то на второй они занимают важное место. При оценке возможностей приливной энергетики учтено, что работать на полную мошность ПЭС могут только в течение 30% времени. Данные по океанским течениям получены с учетом 1% допустимого замедления скорости течения (на первой диаграмме речь шла о 4%-ном замедлении, но учитывались только Гольфстрим и Куросио). При оценке возможностей энергетического использования продукции океанского фотосинтеза приняты во внимание 50 % эффективности преобразования бурых водорослей в метан и возможность размещения соответствующих ферм в 20% районов естественного апвеллинга ".

Для прибрежных волновых генераторов установлены КПД 50% и время работы 40 % годового бюджета времени, КПД преобразования градиента солености принят равным 3 %, а градиента температур— 5 %, причем в последнем случае считается реальным разместить преобразователи на 2 о', поверхности океана в тропической зоне. Для ветровых станций коэффициент преобразования энергии Ветра принят равным 60 %, и допустимым уровнем изъятия мощ- Апвеалинг — подъем глубинных вод, богатых биогениымн веществами, игРаьзщнми роль удобрений. ности считают 1 ойз мощности ветров, дующих на удалении от берега" [81, 89]. Немаловажны и такие «технологические> свойства океанских ресурсов энергии, как плотность энергии и стабильность источника энергии.

Эти свойства определяют размеры будущих преобразователей, необходимые установленные мощности, режимы использования энергии. В табл. 1.3 эти величины характеризуются Таблнпа 1.3 Сравнительные характеристики океанских источников энергии [4, 21, 81, 89) е 8„- на но Ой Среднетоданая анертня, ~янт ч1тод |оо 1 Средняя плотность ансртпн, ин'т аянн апсптното сто.тйа норс- яоь яо и Внд нсточннна доступная для перерайотнн яссго 40 — 70 600 25 25 ° 10а 250 125 20 ° 1Оа Течения Волны Приливы Перепады температур Перепады соленостей Водоросли Ветер 0,4 25 0,25 400 20 1,25 13 75 90 35 6 25 35 60 75 35 100 75 100 50 30 0,01 — 0,05 1,5 — 5 6 — !4 200 — 300 240 3000 5 — 90 * Указано в тепловых единицах, современное потребление около 80 1О" кВт ч)год.

а* Для гидроэлектростанций характерна величина 50 †1 м вод. ст. В 4.3. Ресурсы тепловой энергии Преобразование тепловой энергии, запасенной океаном, в механическую энергию и далее в электроэнергию требует создания тепловой машины, тем или иным способом использующей естест- " Приведенные цифры определяются техническими, экономическими н экологическими соображениями, которые для каждого типа преобразователя будут раз ьясиены в последующих главах. 14 высотой эквивалентного столба морской воды, обладающего потенциальной энергией, которую может создать 1 кг той же воды [или воздуха для океанских ветроэлектростанций (ОВЭС)), использованный в качестве рабочего тела в преобразователе соответствующего вида ресурса (тепло, соленость, уровень, скоростной напор), и долей времени в процентах, в течение которого мощность источника остается постоянной (осредненные величины).

Использование эквивалентного столба жидкости удобно для сравнения океанских преобразователей энергии с традиционными, например гидроэлектростанциями (ГЭС), обычно работающими при напорах 50 — 100 м (при определении суммарной мощности ГЭС учитываются и напор, и расход жидкости). венный перепад температур между прогретыми поверхностными и охлажденными глубинными слоями вод. В первом приближении доля преобразуемой энергии может быть определена через КПД термодинамического цикла Карно как ТзТ)Т, где ЛТ вЂ” нели- чина перепада температур между нагревателем и холодильником; Т вЂ” абсолютное значение температуры нагревателя (К).

Соответственно для определения реализуемых запасов тепловой энергии необходимы сведения о распределении температур на поверхности океана, толщине прогретого слоя, глубине залегания слоя холодных вод, скорости перемещения водных масс. Первая такая приближенная оценка была выполнена в 1977 г.

[89]. Она базировалась на том, что в среднем по Мировому океану разность температур между поверхностью и глубинами примерно в 400 м составляет 12'С, лишь в некоторых районах вблизи экватора достигая 20 'С. Считая в среднем, что разность температур в 12'С сохраняется на всей свободной ото льда поверхности площадью около 3 10ы и' в слое толщиной 100 м, общую тепловую энергию, присутствующую в океане в любой момент времени, можно оценить как )р'=росрЛТ, где р — плотность воды, кг,'м'1 о — объем нагретых вод; с„— удельная теплоемкость. Полагая с„= 4,19 10' Дж1'(кг К), величина запасенной энергии Ю' = 15 10з' Дж Воды океана находятся в постоянном движении. Средние скорости этого движения невелики и измеряются несколькими сантиметрами в секунду, так что круговорот вод происходит в океане за период, равный 1000 лет.

В таком случае, возобновляемая мощность, которая постоянно должна поступать в океан, чтобы сохранить естественный перепад температур, оказывается равной Р = Е11= 50 ТВт. Но так как КПД цикла Карно для перепада 12' при поверхностной температуре 285 К примерно равен 4о1ю используемая для переработки часть тепловой мощности оказывается равной примерно 2 ТВт (см. рис. 1.3). Более точные оценки требуют знания картины распределения температур и, вообще говоря, обоснованных технических решений, позволяющих реализовать приемлемые с экономической точки зрения коэффициенты преобразования энергии.

Впрочем, при определении потенциальных возможностей теплового источника, вероятно, можно опираться на максимально допустимые значения, даваемые КПД цикла Карно и обеспечиваемые максимальными перепадами температур (около 24'), наблюдаемыми в приэкваториальных районах океана. Такая оценка будет максимальной, так как в ней не учитываются реальные КПД турбин, передаточных механизмов, генераторов, насосов холодной и теплой воды и т. п. [25), О распределении перепадов температур на поверхности Мирового океана дает представление рис. 1.4. Карты показывают, что и;чощадь зоны с постоянным максимальным перепадом температур не так уж велика н составляет примерно 20 млн. км'.

Цезюй снижения КПД идеального цикла на 1 о1о эту зону возможного 15 гго ма' мо' го' га' 17 2 закал га 402 размешення тепловых преобразователей можно увеличить прнмерно в 6 — 7 раз. Постоянство перепада температур в случае изъятия части энергии должно обеспечиваться .притоком энергии за счет пере- мо' гго' уо' го зо' о' го' Рис. 1лп Распределение перепадов температур в привкваториальных зонах Мирового океана 11) (пунктнром отмечены глубины 1000 м) мешения водных масс и поглощения солнечного излучения.

Рис. 1.5 дает представление о том, какими сложными процессами сопровождается обмен энергией в толще океана. В то же время каждый конкретный преобразователь тепловой энергии «собирает» ее с определенной площади в темпе, обеспечить который могут только течения. В. А, Акуличев [1) приводит формулу для определения мощности единичного преобразователя (с линейным размером вдоль течения 4.), забирающего воду с плошади 5 прн скорости течения и и необходимой глубине забора холодной воды Н: Р = ро»~ТКНпнт1к15.

(1.1) В этой формуле помимо КПД идеальной тепловой машины т)л учтен и КПД всех технических систем 44,'«участвуюших» в преобразовании энергии, оцениваемый как 0,1 — 0,5. Вычисления показывают, что даже при минимальном х и перепаде температур, равном 10', между поверхностным слоем и слоем, лежащим на Рис. 1тя планетарный круговорот вод (расход в соответствующих процессах указан в 10' т/год) [91 глубине 1000 м, при 5 = 1 км' и и = 0,1 м/с в принципе можно получить электрическую мощность около 10' МВт. Определение ресурсов тепловой энергии, связанной с океаном, будет не полным, если не учесть потенциальные возможности еше двух температурных перепадов, сушествуюших между приповерхностными слоями воздуха и поверхностными слоями воды и между придонными водами и породами, слагаюшими дно.

Эти ресурсы пока не оценены, однако уже ведутся работы по созданию действуюших моделей преобразователей, использующих первый перепад, который представляет особый интерес для Арктики, где в зимнее время — практическн не менее 8 мес в году — температуры воздуха лежат ниже — 20'С при относительно постоянных температурах воды подо льдом + 2 — + 3'С.