1598005375-fdca24712b4dd3cd0f1922045b94d243 (811202), страница 35
Текст из файла (страница 35)
11« Принцип «дамбы-атолла» может быть с успехом использован при строительстве искусственных гаваней в открытом море. Такое устройство мозкет по замыслу конструкторов стать и эффектным средством для очистки поверхности воды от нефтепродуктов, которые в закручивающемся потоке его водовода будут сепарироваться и могут извлекаться практически без дополнительной затраты энергии. Глеед 7 ЭНЕРГЕТИКА НА ПЕРЕПАДАХ СОЛЕНОСТИ Рис.
6.22. Равмещеиие преобразователей волновой еиергии вдоль по- бережья На рис. 6.22 показан вариант возможного морского пейзажа недалекого будущего с волновыми преобразователями энергии на переднем плане. Вполне вероятно, что подобные установки вскоре станут непременным элементом морских ландшафтов. й 7.1. Взгляд на проблему Возможности энергетики иа градиентах солености (соленостная энергия, энергия смешения растворов с различной концентрацией, осмотическая энергия) впечатляют: при смешении потока с расходом всего 1 ма)с пресной воды с морской водой с соленостью около 35',~~ может быть получена мощность более 2 МВт. Точнее, конечно, сказать, что такая мощность выделяется вне зависимости от того, хотим мы или нет ее получить. А вот сколько энергии может быть преобразовано в «полезную» энергию — это вопрос и теоретический, и инженерный.
Осооенность современного этапа освоения этого вида ресурса в том, что несмотря на высокую плотность энергии (П,„,=220 †; 240 м) пока не удалось с 1 мма площади мембранного преобразователя получить более 10 Вт мощности, т, е, примерно столько же сколько и для устройств прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. В то же время с 1 м' площади океанских течений уже получены мощности более 250 Вт, хотя плотности энергии здесь несравненно ниже. Вероятно, сложившаяся к настоящему моменту ситуация связана не с принципиальными ограничениями, а лишь с недостаточной проработанностью решений. Последнее можно объяснить тем, что идея СоленЭС находится в наиболее ранней стадии развития по сравнению с другими океанскими техпологиямп (641. Багаж разработчиков СоленЭС насчитывает десятки вариантов технических решений, среди которых принято выделять шесть основных типов преобразователей (211: гидроосмотические устройства, основанные на использовании разности давлений между растворами с различной концентрацией; устройства на принципе обратного электродиализа или, вернее, на диалитическом принципе, также основанном на различии проницаемости мембран для молекул и ионов разных типов; устройства прямого преобразования разности электрохимических потенциалов с помощью ионообменных мембран в электрический ток; устройства иа «механохимическом» принципе, основанные на использовании свойства некоторых полимеров испытывать различные по величине деформации в растворах с различной концентрацией; устройства, основанные на разности давлений паров растворов с различной концентрацией; устройства, использующие различие в температурах замерзания растворов с различной концентрацией солей.
Все этп типы устройств находятся в стадии лабораторных ' исследований, н оонадеживающне результаты получены пока, пожалуй, только для схем, использующих разность паров растворов, Наибольшее количество проработок связано с устройствами первых трех типов, так что при оценке эффективности переработки энергии градиента солености ооычно ориентируются на них. Пока эти оценки не утешительны: предсказываемая стоимость энергии в среднем значительно превышает обычную: стоимость энергии гпдроосмотических преобразователей — в 3 — 7, диалитических — в 50 — 60 раз.
В литературе встречаются и противоречивые оценки, согласно которым диалнтические батареи способны обеспечить уже на сегодняшний день отпуск энергии по цене, примерно равной той, по которой она отпускается из энергосистем в настоящее время [45]. Вероятно, это же касается оценок устройств «механохимп1ескогоь типа, для которых также приводятся явно заниженные величины капитальных вложений.
Последние оценки были выполнены группой шведских исследователей для двух типов полимеров с коротким (3 с) и длинным (30 с) циклами растяжение — сжатие. В первом случае полимер, помещенный в рабочий цилиндр, шток поршня которого вращает генератор, способен развивать удельную мощность 0,5 Вт(г. Для рабочего цилиндра, представляющего собой отдельную ячейку более мощного агрегата, оказалась, вероятно, по технологическим соображениям, приемлемой мощность 1,25 кВт (длина цилиндра около 250, диаметр — 50 мм). Таким образом„чтобы получить установленную мощность 100 МВт необходимо 80 тыс.
таких цилиндров с генераторами объединить в единую систему — это чем-то напоминает предложение создавать достаточно мощные станции на энергии волн из большого количества маломощных устройств, каждое из которых работает самостоятельно. Правда, в последнем случае такая станция будет находиться в более тяжелых эксплуатационных условиях, чем размещенная стационарно на берегу СоленЭС. Для полимера с длинным циклом можно получить мощность, в 10 раз меньшую при расходе воды 390 мз1с, чем для полимера с коротким циклом. Соответственно, для 100 МВт станции понадобится объединить уже 800 тыс. отдельных блоков.
Интересно, что расход воды в такой станции оказывается ниже, чем в ОТЭС (1600 мз/с на 100 МВт). Последняя публикация о <механическом» преобразователе относится к 1979 г. [45]. Это дает основание полагать, что были приведены результаты предварительной проработки, а в дальнейшем эффективность системы не подтвердилась, и исследования прекратились. На уровне идеи, вероятно, остался метод, предложенный Дж. Айзексом и В.
Шмитом [21] в 1979 г. и основанный на понижении температуры замерзания растворов при повышении концентрации: используя рассол (морскую воду) можно с его помощью замораживать преснук> воду в гидроцнлиндре. Создаваемое при этом высокое давление, возникающее из-за различия объемов льда и воды, может совершать полезную работу. Фактически в таком процессе утилизуется не соленостная энергия, а тепловая энергия воды. Однако, как указывают В. А, Акуличев и В.
В. Княжен [21], возможен и такой вариант организации процесса смешения пресной и соленой воды, при котором соленостная энергия будет использована наряду с тепловой. Одновременно, особенно в зимнее время в Арктических районах, можно использовать и разность температур между водой и окружающим воздухом — таким образом, речь может идти о создании комплексных устройств, использующих не один, а несколько характерных градиентов.
Оценивая в общем состояние развития этого вида энергетической технологии можно присоединиться к авторам, выражающим сомнение в возможности создания сколь-нибудь крупных соленостных установок в ближайшее время [45, 63]. Однако учитывая возможный прогресс химии полимеров и энергетического машиностроения в области создания теплообменных аппаратов и турбин низкого давления в связи со строительством ОТЭС, нельзя сбрасывать этот вид ресурсов со счета, й 7.2. Основные соотношения дяя расчета преобразоватеяей сояеностной энергии Интересно попытаться оценить полезную мощность, которую можно извлечь в процессе разбавления раствора с помощью различных типов преобразователей. Для гндроосмотических устройств это наиболее наглядно продемонстрировали Г.
Джеллинек и Х, Масуда [57], предположившие, что само разбавление пренебрежимо мало и производится добавлением малого объема пресной воды к значительно большему объему раствора, Пусть в правой половине замкнутого сосуда (рис. 7.1), в котором мембраной разделены раствор (справа) и растворитель (слева), устанавливается равновесное значение осмотического давления П. В этом случае раствор под какпм-то давлением р, истекает нз сосуда через сопло в среду с давлением р2 со скоростью иь определяемой соотношением из= [2Р (р~ — р,)1 ~*, (7.1) где Р' — удельный объем раствора, пренебрежимо мало отличающийся от такового для чистой воды, Р'=1/р=!0-э мэ кг-'. Так как атмосферное давление действует одновременно и на поверхность 167 растворителя — чистой воды, то выражение для скорости истечения упрощается и приобретает вид из=(2У ро) г', (7.2) соответственно, массовый расход через сопло тс = поАор = М Р!) ' Аер, (7.3) где Ао — площадь сечения сопла (А,— площадь мембраны; ио— скорость потока растворителя через мембрану).
Вода практически несжимаема, массовые расходы через сечение струи и мембрану одинаковы (то — — то), причем массовый расход через мембрану пропорционален ее пропускной спосооности, определяемой коэф- рнс.?.!. К расчету селеностногв нреобраавва- телн давление 15?1 фициентом диффузии Т?, кг-' м' с, и разностью давлений на мембране П вЂ” рь где р, играет роль гидростатического давления в жидкости.
Таким образом, этот расход т, =то=11(П вЂ” Ро)А о=т,. (7.4) Полученное выражение позволяет вычислить механическую мощность струи, которая с небольшими потерями может быть преобразована в электрическую. Эта мощность нл 2 Р„=т, 2 — т, 2 =ВА,р)Т'(П вЂ” Р)ро (7.5) Взяв производную от этого выражения по ро и приравняв ее к нулю, легко показать, что величина полезной мощности достигает максимума при ро=П/2, так что Ро „,„= ВА, Пооо4. (7,6) Этот же подход позволяет определить мощность преобразователей, в которых энергия смешения преобразуется не в кинетическую энергию струи, как показано на рис. 7.1, а в потенциальную энергию столба раствора.
В этом случае преобразователь действует следующим ооразом: жидкости в правой части дают возможность свободно подниматься до какого-то оптимального уровня, после чего она по трубопроводу падает вниз на колесо турбины. Потенциальную выходную мощность такого устройства определяют по формуле Ро — ооооййо (7.7) 168 нли, используя полученные выше выражения для массового расхода через мембрану и считая, что высота подъема раствора Ь= =(ра~П)йо, где Ьо — равновесная высота столба для раствора с осмотическим давлением П, а ра — давление, создаваемое столбом раствора высотой Ь Р„=ВрйА, (П вЂ” ра) ПП" йо (7.8) Такая же процедура отыскания максимума, как и в первом случае, приводит в конце концов для устройств, использующих повышение гидростатического давления, к аналогичному выражению Р „=ВАоПЦ4.
Последнее выражение показывает, что при условии выработки максимальной мощности устройства, в которых реализуется принцип постоянства градиента концентрации на меморане, обладают теоретическим коэффициентом преобразования соленостной энергии 25 % . Общая величина энергии, выделяющаяся при смешении растворов, может быть определена методами термодинамики (см., например, статью В. А. Акуличева и В. В. Княжева в книге (211. Выделившаяся энергия оказывается максимальной, если процесс смешения идет равновесно.
В природных условиях он протекает обычно при постоянном давлении и постоянной температуре (температура раствора не изменяется, так как энергия, необходимая для изменения концентрации, достаточно мала, особенно когда речь идет о разбавлении растворов малой концентрации). Поэтому основной прирост энергии связан с изменением энтропии системы. В этом случае 1г'=То(Я, с(5 для 1 моля растворенного вещества (адиабатно-изобарно-изотермический процесс) находят по формуле с(В = Л 1п — = )7 1п ро Ро+ Ко Ко о' о (7.9) (7.1 1) Иг = П)г~ 1п о'о Температура морской воды здесь учтена в выражении для П, а температура речной воды по условию считается равной первой.
Если это равенство не соолюдается, в формулу для энергии может быть введен поправочный коэффициент, равный, как показано 169 где )г, и )га†начальный и конечный объемы раствора, равные соответственно 1'о и (го+Ус, пРичем, как это Уже пРинЯто, (го.?н Уа. Для п молей растворимого вещества суммарная энергия и' — пает(п ~'+ ~' (7.10) го а так как величина пРТ есть не что иное, как П?га, то выражение для энергии приобретает вид Рис. 7.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
