lecture14 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. В.А. Агеев, 2004), страница 2

Значительный перепад температур сможет компенсировать снижение КПД. Теоретическую мощность такой ОТЭС можно оценить с помощью формулы В.А.Акуличева [1.1]©Кафедра теплоэнергетических систем, 20047Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)P = ρkc p uAη(T01 − T02 )22T01,(14.4.1)где k = H L – отношение толщины используемого слоя теплой воды к характерной длине возмущения среды вдоль течения;u – скорость течения;A – площадь взаимодействия станции с океаном;η – коэффициент потерь в агрегатах и системах.Если положить в этом выражении k = 1 и считать механические потерив агрегатах станции пренебрежимо малыми (η м = 1), то удельная мощность,получаемая с 1 м2 площади океана при разности температур воды и воздуха,равной 10 °С, составляет примерно 18 кВт/м2 при разности 20 °С – 60 кВт/м2,а при разности 30 °С – 125 кВт/м2.

В этих оценках величина скорости движения воды принята равной 0,02 м/с – характерная скорость для прибрежныхрайонов Северного Ледовитого океана [1.14]. Таким образом, при отсутствииограничений по глубине океана в зоне размещения полярной ОТЭС и мощности в 1 МВт она будет возмущать тепловой режим на площади всего около20 м2.На рис.

14.4.1 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 нуждыстанции.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 теплоносителяприменяется водный раствор хлористого кальция с концентрацией не менее©Кафедра теплоэнергетических систем, 20048Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)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.Рис. 14.4.1.

Схема арктической ОТЭС на перепаде вода-воздух: 1 – испаритель основного контура; 2 – турбина с электрогенератором; 3 – конденсатор;4 – теплообменник контура охлаждения промежуточного рабочего тела; 5 –насос для подачи хладагента; 6 – насос для подачи рабочего тела; 7 – насосдля подачи морской воды; 8 – водозаборник; 9 – патрубок сброса отработанной воды.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 °С придвижении в воздухе со средней разностью температур 30 °С ей необходимопролететь в свободном падении чуть более 3 м. Распыляя таким образом раствор хлористого кальция, можно добиться удельного съема энергии более230 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 5раз характерные величины для простейших воздушных теплообменников©Кафедра теплоэнергетических систем, 20049Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)станций без промежуточного теплоносителя.

Это позволяет снизить металлоемкость конденсаторов и примерно на 20 % увеличить выработку полезнойэнергии.14.5. Прямое преобразование тепловой энергииСхема ОТЭС на термоэлектрических преобразователях показана нарис. 14.5.1. В основе ее действия – явление Зеебека, заключающееся в возникновении разности потенциалов в электрической цепи, составленной изматериалов с различной концентрацией носителей заряда, места соединенийкоторых нагреты до разных температур. Величину этой разности потенциалов можно определить по известной формуле:E=k n 01ln∆T ,e n 02(14.5.1)где k – постоянная Больцмана;e – заряд электрона;n01 , n02 – концентрации носителей (электронов в проводниках, электронов и дырок в полупроводниках);∆T – разность температур между нагреваемыми и охлаждаемыми спаями(соединениями) разнородных электропроводящих материалов.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. Крометого, в системах таких ОТЭС к минимуму могут быть сведены потери на собственные нужды станции. Величина термо-ЭДС для полупроводниковых парможет достигать нескольких милливольт на градус (для металлических термопар они примерно в 1000 раз ниже). Например, постоянная Зеебека для©Кафедра теплоэнергетических систем, 200410Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)кристаллов теллурида висмута с n - и p -проводимостью равна 3,14·10-4 B/K.Другое достоинство полупроводниковых систем – возможность обеспечениядостаточно высокой теплоизоляции между нагревателем и холодильником,что сильно влияет на КПД систем.Рис. 14.5.1.

Схема ОТЭС с прямым преобразованием тепловой энергии вэлектрическую: а – устройство отдельного блока; б, в – варианты устройстватермоэлектрического преобразователя; 1 – кожух; 2 – термоэлектрическийгенератор; 3 – полупроводниковые элементы с n - и p -проводимостью; 4 –поверхностное изолирующее покрытие; 5 – изолятор; 6 – соединительныешины.К недостаткам таких систем относятся достаточно высокая стоимостьматериалов, из которых изготовляются элементы, и необходимость изолировать спаи от непосредственного контакта с морской водой – происходитшунтирование через воду соседних элементов, обладающих достаточно высоким собственным сопротивлением, и, следовательно, снижение мощности,выдаваемой в цепь нагрузки. В свою очередь, изолирование спаев приводит кудорожанию преобразователей и ухудшению их показателей. Работы, выполненные группой исследователей из университета Осаки (Япония), показывают, что при отсутствии изолятора в несколько раз увеличивается съемполезной мощности.

Однако необходимо иметь в виду, что в опытах японских исследователей в качестве носителя энергии использовалась не сама©Кафедра теплоэнергетических систем, 200411Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)морская вода, а фторуглеродистые соединения.ОТЭС, созданные на описанном принципе, вероятно, можно применитьдля обеспечения электроэнергией комплексов подводной добычи полезныхископаемых на океанском дне.Литература1. Волновые энергетические станции в океане / В.И. Сичкарев, В.А. Акуличев. – М.: Наука, 1989.

– 132 с.2. Коробков В.А. Преобразование энергии океана. – Л.: Судостроение, 1986.– 280 с.3. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. –М. Энергоатомиздат, 1990. – 392 с.4. http://acre.murdoch.edu.au/ – The Australian Renewable Energy Website.Содержание14. Энергетические ресурсы океана ...................................................................... 114.1. Ресурсы тепловой энергии океана................................................................

114.2. Схема ОТЭС, работающей по замкнутому циклу ...................................... 314.3. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу........................................ 614.4. Использование перепада температур океан-атмосфера............................. 714.5. Прямое преобразование тепловой энергии ...............................................

10Литература ............................................................................................................. 12©Кафедра теплоэнергетических систем, 200412.