lecture14 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. В.А. Агеев, 2004)

Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)14. Преобразование тепловой энергии океана14.1. Ресурсы тепловой энергии океанаМировой океан – крупнейший естественный коллектор солнечного излучения. В нем между теплыми, поглощающими солнечное излучение поверхностными водами и более холодными придонными достигается разностьтемператур в 20 °С. Это обеспечивает непрерывно пополняемый запас тепловой энергии, которая принципиально может быть преобразована в другие виды.

Сам термин «преобразование тепловой энергии океана» (ОТЕС) – «oceantermal energy conversion» – означает преобразование некоторой части этойтепловой энергии в работу и далее в электроэнергию.Преобразование тепловой энергии, запасенной океаном, в механическую энергию и далее в электроэнергию требует создания тепловой машины,тем или иным способом использующей естественный перепад температурмежду прогретыми поверхностными и охлажденными глубинными слоямивод. В первом приближении доля преобразуемой энергии может быть определена через КПД термодинамического цикла Карно как∆T, где ∆T –Tвеличина перепада температур между нагревателем и холодильником; T –абсолютное значение температуры нагревателя (К). Соответственно для определения реализуемых запасов тепловой энергии необходимы сведения ораспределении 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.

Она базировалась на том, что в среднем по Мировому океану разность температурмежду поверхностью и глубинами примерно в 400 м составляет 12 °С, лишь внекоторых районах вблизи экватора достигая 20°С. Считая в среднем, чторазность температур в 12°С сохраняется на всей свободной ото льда поверхности площадью около 3·1014 м2 в слое толщиной 100 м, общую тепловую©Кафедра теплоэнергетических систем, 20041Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)энергию, присутствующую в океане в любой момент времени, можно оценить какW = ρvc p ∆T ,(14.1.1)где ρ – плотность воды, кг/м3;v – объем нагретых вод, м3;c p – удельная теплоемкость, Дж/(кг·К).Полагаяc p = 4,19кДж/(кг·К),величиназапасеннойэнергииW = 15 ⋅ 10 23 Дж.Более точные оценки требуют знания картины распределения температур.

О распределении перепадов температур на поверхности Мирового океана дает представление рис. 14.1.1. Карты показывают, что площадь зоны спостоянным максимальным перепадом температур не так уж велика и составляет примерно 20 млн. км2. Ценой снижения КПД идеального цикла на 1% эту зону возможного размещения тепловых преобразователей можно увеличить примерно в 6–7 раз.

Постоянство перепада температур в случае изъятия части энергии должно обеспечиваться притоком энергии за счет перемещения, водных масс и поглощения солнечного излучения.Определение ресурсов тепловой энергии, связанной с океаном, будетне полным, если не учесть потенциальные возможности еще двух температурных перепадов, существующих между приповерхностными слоями воздуха и поверхностными слоями воды и между придонными водами и породами,слагающими дно. Эти ресурсы пока не оценены, однако уже ведутся работыпо созданию действующих моделей преобразователей, использующих первый перепад, который представляет особый интерес для Арктики, где в зимнее время – практически не менее 8 месяцев в году – температуры воздухалежат ниже -20 °С при относительно постоянных температурах воды подольдом +2 – +3°С. Расчеты показывают, что при таком перепаде каждый 1 м3морской воды, будучи пропущен за 1 с через преобразователь, позволяет получить около 10 кВт мощности при КПД установки 5%.©Кафедра теплоэнергетических систем, 20042Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Рис. 14.1.1. Распределение перепадов температур в приэкваториальных зонахМирового океана (пунктиром отмечены глубины 1000 м)14.2. Схема ОТЭС, работающей по замкнутому циклуСхема установки, работающей по замкнутому циклу, приведена нарис. 14.2.1. В такой системе с помощью теплых поверхностных вод, прокачи©Кафедра теплоэнергетических систем, 20043Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)ваемых насосом через теплообменник испарителя, превращают в пар какоелибо подходящее рабочее тело (аммиак, фреон, пропан), создают пар повышенного давления, давая ему возможность расшириться через турбину в холодильник, где пар конденсируется при контакте с охлаждаемыми поверхностями второго теплообменника, омываемого водой, закачиваемой из глубинных слоев океана.Рис. 14.2.1.

Схема термальной установки, работающей по замкнутому циклу:1 – насос теплой воды; 2 – испаритель; 3 – насос осушителя парообразногорабочего тела; 4 – осушитель; 5 – турбина с электрогенератором; 6 – конденсатор; 7 – насос для забора холодной воды; 8 – насос для подачи рабочего тела.На рис. 14.2.2 показан термодинамический цикл такой тепловой машины (цикл Ренкина) 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). Таким образом, подвод рабочего тела к системе тепла осуществляется на ветви 3-4-5, аотвод – на ветви 2-3. Дополнительную работу приходится затрачивать на закачку конденсата в испаритель (3-4) и на подачу воды в нагреватель и холодильник.©Кафедра теплоэнергетических систем, 20044Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Рис. 14.2.2. Термодинамический цикл ОТЭС (цикл Ренкина).Максимальный теоретический КПД такой системы определяется разностью температур воды, подаваемой в нагреватель и холодильник, как КПДэквивалентного цикла Карно η K =T01 − T02. Для перепадов температур межT01ду поверхностными и глубинными слоями воды в пределах от 15 до 26 °С онсоответственно изменяется в диапазоне от 5 до 9 %. Реальный КПД, как правило, существенно ниже. Это связано с конструктивными ограничениями, непозволяющими в реальной установке довести температуру паров и конденсата до температуры теплых и холодных вод соответственно (на рис.

14.2.2 этоподчеркнутоспомощьюразностейтемператур∆TН = T01 − T1и∆TК = T2 − T02 . Конкретные температуры приведены на рис. 14.2.1. Можноподсчитать, что при теоретическом КПД, равном 7,3 %, на турбине получаемвеличину примерно в 2 раза меньшую – 3,6%. Причем она не учитывает ещепотерь на собственные нужды станции, которые сведут КПД до величины,меньшей 2,5%.

Это, в свою очередь, означает, что для получения 1 МВт «полезной» мощности через теплообменники такой станции должно пройти неменее 40 МВт тепловой мощности. Именно поэтому ОТЭС требуют огромных расходов теплой и холодной воды, измеряемых в тысячах кубометров всекунду.Для того чтобы представить себе, что же такое реальная промышленная©Кафедра теплоэнергетических систем, 20045Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)ОТЭС, достаточно указать такие ориентировочные цифры: станция мощностью 40 МВт (плавучая) должна иметь водоизмещение примерно 70 тыс. т,диаметр трубопровода холодной воды 10 м и рабочую поверхность теплообменника около 45 тыс. м2.14.3. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклуСхема установки, работающей по открытому циклу Клода, показанана рис.

14.3.3. В качестве рабочего тела здесь использована морская вода, подаваемая в испаритель через деаэратор, освобождающий воду от растворенных в ней газов. Предварительно из полостей испарителя и конденсатораудаляется воздух, так что давление над поверхностью жидкости определяетсятолько 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 вконденсатор, где и превращаются в жидкость.Рис. 14.3.3. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу (цикл Клода): 1 –насос теплой воды; 2 – деаэратор; 3 – вакуумный насос; 4 – испаритель; 5 –турбина с электрогенератором; 6 – конденсатор; 7 – насос для подъема холодной воды.©Кафедра теплоэнергетических систем, 20046Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)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 техническийнедостаток систем открытого цикла. Основное же их достоинство – отсутствие гигантских нетехнологичных теплообменников.

Кроме того, при работесистем открытого цикла могут быть получены большие количества преснойводы, что немаловажно в жарком поясе планеты.14.4. Использование перепада температур океан-атмосфераИдея использования перепада температур между холодным воздухом инезамерзающей (теплой) водой подо льдом Арктики впервые была высказанаво Франции А. Баржо, развившим идею Д’Арсонваля по преобразованию тепловой энергии, запасенной в океане. В нашей стране с ее протяженным арктическим шельфом работы в этой области всегда вызывали интерес. Достаточно указать на проекты Г. Покровского (1901-1979 гг.), на работы, выполненные под руководством В.И. Марочека во Владивостоке, на проведенныетам же исследования А.К.

Ильина и В.В. Тикменова [1.14].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 виспаритель с одновременным отводом избыточного тепла в холодильнике.КПД такого цикла, как показано в одной из работ А.К. Ильина, ниже термического КПД цикла Карно примерно в 2 раза. С точностью до 1 % он определяется выражением η =T01 − T02, где T01 – температура теплой подледной2T01воды (275 К); T02 – температура охлаждающего воздуха (до 233 К).