Океан как тепловая машина

Океан как тепловая машина

Преобразование тепловой энергии океана

Технология преобразования тепловой энергии океана основана на использовании явления природного температурного градиена океана для выработки электроэнергии. Предлагаю вашему вниманию интересную статью академика Фоминского, посвященную этой теме.

Помните, как капитан Немо у Жюль Верна снабжал свой подводный корабль электроэнергией? Он поднимал конец одного кабеля из этого корабля к поверхности моря, а конец другого опускал на дно. У дна вода холоднее, у поверхности — теплее, в результате в точках спая многочисленных проводов кобелей, выполненных из разных металлов, возникала термоЭДС, как в термопаре, и появлялся электрический ток. В 60-е годы XX века продавались керосиновые лампы, абажур которых был выполнен по тому же принципу, вырабатывал электрический ток от тепла лампы и питал электроэнергией радиоприемник. Снабжать так электроэнергией подводную лодку можно только в фантастическом романе: слишком много потребуется кабелей.

Однако эта фантазия возникла не на пустом месте. Еще в 1881 г. французский ученый Д’Арсонваль предлагал использовать вертикальный температурный градиент тропических морей для выработки электроэнергии. Но, конечно, не с помощью термопар, а с помощью тепловой машины, использующей тепло морской воды поверхностных слоев моря для испарения легкокипящего хладагента, а холод морской воды придонных слоев — для конденсации его после того, как струя пара отдаст свою кинетическую энергию паровой турбине, приводящей во вращение электрогенератор.

В расчетах принималось, что глубина забора холодной воды достигает 600 м. Средняя разность температуры воды у поверхности тропических морей и на такой глубине составляет 17°С. Энергетический потенциал, как известно из теплотехники, прямо пропорционален температурному градиенту, деленному на абсолютную температуру. Механический эквивалент тепловой энергии океана с учетом КПД источника (6. 8%) в расчете на один градус Цельсия перепада температур примерно равен потенциалу водохранилища высотой около 25 м, при неограниченных запасах воды в нем. При этом энергетический потенциал 1 кг воды составляет 58 кал, или около 250 Дж. (Такому потенциалу и соответствует потенциальная энергия 1 кг воды, поднятой на высоту 25 м.)

Если вода движется относительно приемника ее тепла со скоростью V=1 м/с, то при таком энергетическом потенциале плотность тепловой мощности, поступающей на приемник тепла, составит от 270000 до 330000 Вт/м 2 Для сравнения отметим, что плотность мощности ветра, приводящего в движение ветряные двигатели и парусные корабли, при оптимальной скорости ветра 15 м/с составляет всего1 700 Вт/м 2 . Отличие более чем на два порядка! А в конце XIX века еще хорошо помнили особенности и недостатки энергии ветра, бывшего еще незадолго до того основной движущей силой и для парусного флота, и для многочисленных тогда ветряных мельниц. Уже тогда специалисты понимали, что низкая плотность мощности ветра требует для использования его энергии слишком громоздких парусов. Конечно же, столь разительное превышение плотности тепловой мощности, которую можно извлекать из морской воды, не могло не привлечь внимание энергетиков.

Но еще большая плотность мощности достигалась в паровых двигателях, которые к концу XIX века достигли вершины своего развития. Затем появились двигатели внутреннего сгорания, плотность мощности но поверхность поршня у которых было еще на порядок выше. Поэтому они получались много компактнее, мобильнее и дешевле, чем могли быть электростанции, использующие тепло морской воды. С изобретением же дешевого дизеля предприниматели и думать забыли об использовании тепла морской воды.

Тем не менее, экспериментальные работы по этой теме «ОТЕС’ ( Ocean Thermal Energy Conversion ) продолжались в течение всего XX столетия. Впервые попытку построить морскую тепловую электростанцию предпринял в 1927 г. ученик Д’Арсонваля Жорж Клод. На кубинском побережье им была смонтирована энергетическая установка открытого типа. Но штормовые волны разбили ее, а на восстановление установки у ученого не хватило ни сил, ни средств.

Вторая попытка была предпринята в пятидесятые годы в США. На списанном танкере смонтировали тепловою машину закрытого типа с длиной труб теплообменника около 140 км. Из глубины 600 м подавали холодную воду по полиэтиленовой трубе наверх, на охладитель установки. Это была не промышленная, а экспериментальная система, предназначенная для решения ряда технических вопросов.

Тогда же Соединенными Штатами на Гавайских островах была построена береговая станция, на которой до сих пор проводятся исследования по комплексному использованию холодной морской воды в тропических условиях. (Холодная вода в тропиках представляет почти такую же ценность, как теплая в полярных широтах.) Однако результаты исследований по теме «ОТЕС» оказались невысокими.

Последний раз аналогичные работы были проведены в Японии. Ученые университета Саги запатентовали схему преобразователя тепловой энергии моря в электрическую, но убедительной рабочей модели создать так и не удалось.

Неудачные попытки создания морских тепловых электростанций объясняли низким КПД изъятия тепла из океана. Действительно, КПД такого источника (6. 8%) невысок, имеет фундаментальный характер и определяется вторым началом термодинамики.

На самом же деле, уверяет С.А. Понятовский, причины неудач работ в XX столетии по теме «ОТЕС» объясняются не этим низким КПД, а большими технологическими потерями энергии, связанными с конструктивными особенностями энергетических установок, схема которых разрабатывалась более ста лет назад.

Все три существовавших до настоящего времени типа морских энергетических теплоустановок (с открытым циклом, с закрытым циклом и гибридный) предусматривали подъем холодной воды с глубин к поверхности моря, где расположено энергетическое оборудование. Такой метод имеет ряд существенных недостатков:
сложность извлечения холодной воды с большой глубины, ограничивающая объемы производства электроэнергии;

большие затраты электроэнергии на транспортировку огромных количеств воды с глубины 600 м, из-за чего установки могли работать с положительным выходом энергии только при разности температур не менее 20°С; необходимость иметь стартовые энергетические мощности; проблемы, связанные с выделением углекислого газа и сероводорода, растворенных в глубинных слоях воды морей.

В своих статьях Понятовский пишет, что надо отметить — все альтернативные источники возобновляемой энергии обладают теми или иными недостатками, к которым необходимо приспосабливаться, что в данном случае виноват не низкий КПД изъятия тепла из океана, а очень низкий КПД самой установки, поднимающей холодную воду на поверхность. Его расчеты показывают, что только при разности температур воды 20°С суммарный КПД энергетической установки такого типа принимает положительные значения. Но разность температур до 22 o С (на глубинах до 600 м) наблюдается только в отдельных экваториальных районах Мирового океана.

В своем изобретении, защищенном в 1998 г. патентом РФ №2116465, С.А. Понятовский предлагает энергетическую установку, отличающуюся глубинным расположением конденсатора. В этой установке, схема которой показана но рис.1, из глубин к поверхности моря поднимается уже не вода, а легкокипящая жидкость, например аммиак. Конденсатор установки, расположенный в холодных слоях океана, отбирает тепло от воды и передает его рабочей жидкости. Легкокипящая рабочая жидкость способна легко менять фазовое состояние, превращаясь из жидкости в пар и обратно. А удельная теплота фазового перехода (теплота парообразования) в сотни раз больше, чем удельная теплоемкость жидкости. Удельная теплота парообразования у аммиака, например, при 10°С составляет 1200 кДж/кг, в то время как удельная теплоемкость воды — всего 4,2 кДж,/кг°С. При использовании этих фазовых переходов легкокипящая рабочая жидкость способна переносить энергии в сотни раз больше, чем вода при одинаковых расходах их через трубопровод.

Таким образом, на поверхность моря в проекте Понятовского транспортируется сконцентрированный холод, носителем которого является жидкий хладон. Отказ от подъема воды в сотни раз уменьшает собственные энергетические расходы установки, снижает требования к температурному градиенту моря и позволяет таким установкам работать не только на всей акватории тропических морей, но и во многих незамерзающих морях средних широт.

Котлы предлагаемой установки (конденсатор и испаритель) изобретатель думает выполнять из труб диаметром до 300 мм, которые расположены в виде пространственной решетки (рис.2), плавающей в морской воде при ее скорости около 1 м/с, обусловленной морскими течениями. Количество протекающей через установку воды при этом определяется поперечным сечением котлов, перпендикулярным течению, и относительной скоростью течения, и может быть практически сколь угодно большим. Речь может идти о миллионах тонн воды в час.

Поскольку котлы установки изначально находятся в слоях воды с необходимыми параметрами, нет нужды в мощном стартовом энергоснабжении. Отпадают и экологические проблемы, обусловленные выделением углекислого газа и сероводорода из поднимаемой наверх морской воды в предшествующих установках программы «ОТЕС».

В предлагаемой установке положительные значения КПД ожидаются уже при разности температур воды, близкой к 4°С, а при разности температур 17°С КПД может достигать 75%. Поскольку энергетическое сырье, т.е. морскую воду, экономить нет необходимости, оптимальный КПД установки составит 40. 45%, что соответствует КПД лучших теплоэлектростанций, работающих на каменном угле или природном газе. Хотя общий КПД источника и установки при этом составит всего 2. 3%. Но при такой схеме это нас уже не волнует: воды в море сколько угодно. Таким образом, энергетическая установка сможет постоянно работать с полной нагрузкой.

Предварительные расчеты Понятовского показывают, что расходы, связанные со строительством морских тепловых электростанций, сопоставимы с расходами на строительство традиционных гидроэлектростанций равной мощности. Ни для кого не секрет, что электроэнергия с мощных гидроэлектростанций — самая дешевая.

Простота конструкции и высокая эффективность позволяют на основе патента №2116465 создавать морские тепловые электростанции большой мощности. Они могут стать основой надежной и безопасной энергетики будущего, не коптящей небо.

Сегодня возникает понимание, что такому глобальному возобновляемому источнику энергии, как тепло мирового океана, трудно найти альтернативу. Тропические моря как источник энергии — объект уникальный, способный обеспечить экологически чистой энергией практически любые потребности. С другой стороны, использование тепла Мирового океана не только не требует сжигания топлив, но и уменьшит «тепловое загрязнение» планеты, уже сейчас испытывающей сильный перегрев.

Время идет. Сокращаются невозобновляемые ресурсы. Все большие опасности проявляют атомные электростанции и радиоактивные отходы от их работы.

С философской точки зрения с автором соглашаются многие. Да, действительно, нужен глобальный, надежный и безопасный источник энергии. Наука подтверждает существование такого источника в виде рассеянного тепла в тропических морях, аккумулируемого в результате нагрева их воды солнечным светом.

Поэтому, пишет С.А. Понятовский, возникла острая потребность в расширении эксплуатации возобновляемых источников энергии и создании глобальной инфраструктуры на основе возобновляемых источников энергии. Рассчитывать на прямые преобразователи солнечной энергии или на ветрогенераторы сложно вследствие низкого энергетического потенциала этих источников. Плотность мощности солнечного излучения — всего 1400 Вт/м 2 . Это еще ниже, чем потенциал энергии ветра при оптимальных его скоростях, который составляет 1700 Вт/м 2 , к тому же это не стабильные источники. Ветер дует не всегда, а Солнце часто скрыто за тучами. Потенциал тепловой энергии океана в тропиках достигает 300000 Вт/м 2 и стабилен круглый год. Цифры говорят сами за себя.

Поэтому сегодня основная задача, указывает Понятовский, — построить единичный опытный модуль морской тепловой станции и испытать его в море, чтобы оптимизировать его параметры. Это может быть сравнительно небольшая установка, с размерами котлов всего 5×5 м (рис.2). Правда, расстояние между верхним и нижним котлами (глубина погружения) по-прежнему должна составлять 600 м.

Такой модуль вполне под силу спроектировать и построить судостроительным предприятиям г. Николаева, которые сейчас недогружены работой. Испытывать его можно в том же Черном море, где глубины достаточны, а поверхностные слои воды прогреваются летом до 20. 25°С. Правда, о круглогодичной эксплуатации такого модуля в Черном море говорить, по-видимому, не приходится. Поэтому вся работа должна ориентироваться на дальнейшую переброску созданного оборудования морским путем в тропические моря и круглогодичную промышленную эксплуатацию его там.

Вы спросите, кто будет платить за эту работу? С.А. Понятовский напоминает, что еще при экспериментах ученых университета Саги правительства многих стран (Индии, Китая, Индонезии и др.) выражали готовность обеспечить финансирование, если будут хоть какие положительные результаты. В XX веке таковых получить не удалось. Изобретение С.А Понятовского теперь гарантирует получение положительного результата. Не пора ли нашим безработным корабелам взяться за эту работу?

Вы спросите, а куда девать электроэнергию, получаемую где-то в тропическом море? Ведь подводные кабели для ее передачи на берег недешевы. Но это уже отдельный разговор, выходящий за рамки данной статьи. Скажу только, что Понятовский указывает, что электроэнергию не обязательно передавать куда-то, ее можно использовать на месте, на искусственном плавающем острове, производя с ее помощью хоть водород электролизом из воды, хоть алюминий, тоже электролизом.

Источник

Как заставить работать тепловую энергию океана?

Уже не одно десятилетие ученые пытаются создать энергетическую установку, в которой роль источника энергии будет играть вода тропического океана обладающая температурным градиентом. Основная проблема, с которой пришлось столкнуться изобретателям — высокие энергетические затраты на работу таких установок. Нашему автору удалось создать новый тип преобразователя тепловой энергии океана, эффективность которого сравнима с эффективностью обычных ГЭС. Метод, заставляющий океан работать, основан на идее использования тепловой трубы.

Сегодня у ученых возникает понимание, что возобновляемым источникам энергии вряд ли можно найти альтернативу. Потенциальная опасность ядерных технологий и ограниченность ископаемых ресурсов требуют новых подходов к освоению возобновляемых источников энергии.

Вертикальный температурный градиент тропического океана для получения электроэнергии впервые предложил использовать французский ученый Д’Арсонваль в 1881 году. Однако бурное развитие промышленности потребовало более эффективных и дешевых источников, поэтому освоение тепловой энергии океана потеряло актуальность. Тем не менее, экспериментальные работы продолжались в течение всего XX века. Попытки создать установки для преобразования тепловой энергии океана неоднократно предпринимались в ряде стран. К сожалению, вследствие технических и финансовых проблем, работы особого успеха не имели.

Классическая тепловая машина

Преобразователь тепловой энергии океана, по этим работам, представляет собой классическую тепловую машину, где в качестве рабочего тела применяется легкокипящая жидкость, аммиак или пропан, а источником энергии является теплая и холодная вода океана.

Основные проблемы, которые стоят перед конструкцией преобразователя: сравнительно малый температурный градиент, невысокая концентрация энергии, заключенной в воде, и достаточно большое расстояние между теплой и холодной водой, которое составляет порядка 600 метров.

Но как показывает время, результаты работ, проводимых в прошлом веке по теме «OTEC» (Ocean Thermal Energy Conversion) – были не слишком успешными.

КПД тепловой энергии тропического океана, как источника энергии, составляет 6-8%. Именно низким КПД источника пытаются сейчас объяснить неудачные попытки создать тепловые гидроэлектростанции. Но насколько это справедливо?

В расчете на 0С механический эквивалент Тропического океана примерно равен потенциалу водохранилища высотой около 25 метров при неограниченных запасах сырья.

Действительно, потенциальная энергия единичной массы воды, поднятой на высоту 25 метров, составляет около 250 Дж. Энергетический потенциал единичной массы воды при разности температуры 17 0С (средняя разность температуры Тропического океана) составляет 58 кал. или около 250 Дж. Безусловно, КПД источника не очень высокий, но он носит фундаментальный характер и определяется вторым началом термодинамики.

Надо отметить, что все источники возобновляемой энергии обладают теми или иными недостатками, к которым необходимо приспосабливаться. Например, для тепловой станции можно всеми средствами увеличивать коэффициент теплопередачи и оптимизировать ряд других параметров.

Тропический океан — объект уникальный, как источник энергии он обладает исключительными параметрами и способен обеспечить чистой энергией любые потребности. И в данном случае скорей всего виноват низкий КПД самой установки, поднимающий холодную воду на поверхность. Только при разности температуры 20 0С КПД энергетической установки принимает положительные значения, а разность температуры до 22 0С наблюдается только в отдельных районах мирового океана.

Причины неудач работ двадцатого столетия по теме «OTEC» объясняется, скорее, большими технологическими потерями, связанными с конструктивными особенностями энергетических установок. Главная проблема заключается в холодной воде, которую необходимо поднимать с глубины 600 метров.

Недостатки существующих установок

Науке известны три типа установок: с открытым циклом, с закрытым циклом и гибридный. Основная из них, установка с открытым циклом, разрабатывалась более ста лет назад. Все три существующих типа предусматривают подъем холодной воды к поверхности океана.

Но поскольку для работы в условиях океана интерес могут представлять только крупные тепловые гидроэлектростанции мощностью от 1000 МВт, то количество воды, необходимой для работы таких станций, должно измеряться десятками и сотнями миллионов тонн в час. Такое количество воды при подъеме на поверхность требует много энергии и при этом способно выделить в атмосферу большое количество растворенных на глубине вредных газов.

Резюмируя, можно выделить главные недостатки существующих установок:

1. Большие энергетические потери на транспортировку сырья с глубины, позволяющие установкам работать при разности температур не ниже 200С.

2. Сложность подачи сырья, ограничивающая объемы производства.

3. Необходимость иметь стартовые энергетические мощности.

4. Проблемы, связанные с выделением углекислого газа растворенного в глубинных слоях океана.

Именно в силу этих недостатков проведенные экспериментальные работы по освоению тепловой энергии океана привели лишь к весьма скромным результатам на маломощных установках, работающих с положительным выходом энергии при температурном градиенте не ниже 20 0С.

Новая схема энергетического узла

Разработка автора (в 1998 г. выдан патент РФ на изобретение №2116465) предусматривает новую схему энергетического узла. Это четвертый тип энергетической установки по теме «OTEC», отличающийся глубинным расположением конденсатора. Если ранние разработки работают по схеме «океан — тепловая машина», то новая – по схеме «океан — тепловая труба — тепловая машина».

Максимально используя энергетические возможности легкокипящей жидкости, энергетическая установка по данному изобретению исключает ряд принципиальных недостатков, присущих ранним разработкам.

В установке реализуется идея обогащения первичного сырья. Теплообменные узлы установки, находясь в соответствующих слоях воды, как бы процеживает энергию океана, отбирая полезные компоненты. Конденсатор установки, расположенный в холодных слоях, отбирает энергетическую компоненту от воды и переносит ее на рабочую жидкость.

Рабочая жидкость — это аммиак, пропан или нечто подобное из списка легкокипящих жидкостей.

Такая жидкость способна при низких температурах и достаточно высоком давлении менять фазовое состояние, превращаясь из жидкости в пар и обратно и переносить энергии в сотни раз больше, чем вода. На поверхность транспортируется высококонцентрированная энергетическая компонента холодной воды, носителем которой является жидкий хладон. Отсутствие насоса для подъема воды значительно экономит собственные энергетические расходы, снижает требования к температурному градиенту и позволяет установкам работать практически на всей акватории экваториальных широт.

Энергетическая установка представляет собой вытянутую конструкцию в виде тепловой трубы. Котлы установки (конденсатор и испаритель) выполнены из труб диаметром около 30 см и менее, в виде пространственных решеток, свободно плавающих в энергоносителе на скорости около 1 м/сек. Количество обрабатываемого сырья при этом определяется поперечным сечением котлов (перпендикулярно линии движения) и относительной скоростью. Оно может быть сколь угодно большим. Поскольку котлы установки изначально находятся в слоях воды с необходимыми параметрами, нет нужды в наличии первичного стартового энергоснабжения. Таким образом, отпадают и экологические проблемы, связанные с выделением углекислого газа.

Такая компоновка энергетической установки решает ряд принципиально неразрешимых ранее проблем. Главные из них — существенная экономия энергии на собственные технологические нужды, что позволяет работать практически на всей акватории тропического океана. Это достигается тем, что перемещению на 600 метров подвергается рабочее тело, энергия в котором определяется теплотой парообразования, — а это в сотню раз выше, чем можно получить при подъеме воды, энергия в которой определяется теплоемкостью. Отсутствует выброс глубинного газа в атмосферу, поскольку вода не поднимается на поверхность. Помимо этого, конструкция позволяет использовать энергию океанских течений для относительного перемещения энергетической установки — немаловажное дополнение к экономии энергии, учитывая большое гидродинамическое сопротивление станции.

В рабочем режиме по всему океану

Новая технология дает основание предполагать, что теплоэнергетический модуль может эффективно работать не только в наиболее прогретой части океана, но и на всей акватории тропического океана со средним градиентом температуры около 17 0С.

Положительные значения КПД ожидаются при разности температуры, близкой к нулю. В рабочем режиме при разности температуры 17 0С коэффициент полезного действия легко может достигнуть 75—80% от КПД источника. Поскольку энергетическое сырье, то есть воду, экономить нет необходимости, то оптимальный КПД установки без учета КПД источника должен быть около 40-45%. Таким образом, энергетическая установка может работать постоянно на полной нагрузке.

Предварительные расчеты показывают, что расходы, связанные со строительством тепловых гидроэлектростанций, сопоставимы с расходами на строительство традиционных ГЭС.

Простота конструкции и высокая эффективность позволяют на основе новой установки создавать тепловые гидроэлектростанции большой мощности. Возможно, они могут стать основой надежной и безопасной энергетики будущего.

Источник