Освоение тепловой энергии океана
14:36, 7 сентября 2011 г.
Освоение тепловой энергии океана
Как известно, из всей энергии существующей в Природе, только небольшая часть доступна для практического использования. Ряд источников, которые накапливались миллионы лет, являются не возобновляемыми и быстро истощаются.
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) являются более перспективными но, к сожалению, не имеют высокой концентрации и требуют большой территории для размещения оборудования.
Современная промышленность уже сегодня требует не менее 10 000 ГВт установленной мощности для производства электроэнергии. Выработка таких объемов электричества используя только солнечную энергию и энергию ветра, необходимо занять на континентах огромные площади, аренда и обустройство которых потребует значительных расходов.
Приемлемым решением энергетической проблемы, представляется размещения генерирующих мощностей на акватории океана, где сосредоточены мощные источники возобновляемой энергии. Относительно высокая концентрация энергии, определяемой физическими свойствами воды и наличие свободного пространства, является определяющим фактором освоения акватории океана.
Ниже приведенная таблица показывает, что за счет вертикальной разности температур тропического океана, отбирая в процессе преобразования энергию эквивалентную 5% солнечного излучения на площади 4х1013 м2. можно стабильно обеспечить генерирующие мощности на 10 000ГВт.
К настоящему времени в мире имеются патентные разработки и ряд экспериментальных установок изготовленных в США и Японии, которые могут стать основой для развития новой отрасли гидроэнергетики, использующей тепловую энергию, аккумулированную океаном.
Освоение тепловой энергии океана по программе Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) входит в национальные программы таких стран как США, Франция, Япония, Швеция, Индия. К сожалению, Россия пока в этом списке отсутствует.
Впервые идею использования тепловой энергии океана предложил французский ученый Д Арсонваль, и хотя прошло уже много времени, эта идея так и находится на уровне обсуждения и экспериментальных работ.
Наиболее приемлемой технической основой OTEC принято считать применение тепловых машин работающих по циклу Ренкина (замкнутый цикл).
Являясь эффективными преобразователями тепловой энергии, они способны работать при низком градиенте энергоносителя, который существует в низких широтах океана. В этом случае в качестве рабочего тела используется легкокипящая жидкость, температура кипения которой значительно ниже 0°С .
Это позволяет получить пар с рабочим давлением при тех температурах, которые характерны для поверхности тропического океана. Эффективная конденсация пара осуществляется за счет воды с температурой порядка 4°С. находящейся на глубине около 600 метров.
Основными преградами развития ОТЕС можно считать низкий градиент энергоносителя, требующий большой теплообменной поверхности и большой глубины залегания холодной воды, требующей больших энергетических затрат.
Современные теплообменные элементы, как правило, имеют развитые теплообменные поверхности с высокой удельной теплопередачей и их массовое производство хорошо освоено холодильной промышленностью. Примером тому могут служить бесчисленные кондиционеры, повсеместно висящие на стенах домов
Классический вариант решения проблемы конденсации пара заключается в подъеме холодной воды на поверхность к конденсатору тепловой машины. Для этого используются перекачивающие насосы и 600 метровая пластиковая труба большого диаметра.
Однако, подъем воды практически сводит на нет все затраченные усилия, и создает трудно решаемые проблемы к которым относятся:
• большие энергетические затраты для работы насосов, поднимающих воду;
• выделение растворенных газов из глубинных слоев при снятии давления:
• обрастание теплообменных узлов, постоянно находящихся в теплой воде:
• необходимость иметь технические и энергетические стартовые мощности для запуска станции.
Однако все эти ограничительные проблемы носят технологический характер, и их устранение возможно путем изменения способа размещения узлов тепловой машины. В случае, если конденсатор тепловой машины располагать в рабочем слое воды на большой глубине, предусматриваемое патентами РФ на изобретение № 2116465 и полезные модели № №, 45161, 48586, 48587, то сокращаются энергетические расходы, и упрощается проблема борьбы с обрастанием. Выделение растворенных газов из глубины и необходимость стартового оборудования полностью утрачивают свою актуальность.
В этом случае к поверхности океана поднимается рабочее тело, обладающее более высокой концентрацией энергии, определяемой не теплоемкостью воды, как в ранних разработках, а теплотой парообразования рабочей жидкости, которая почти на два порядка выше, и это значительно снижает энергетические потери на технологические нужды.
Проблемы обрастания решаются периодическим изменением глубины и температуры работы теплообменных узлов, т.е. теплообменные узлы меняют местами, а периодическая смена условий существования не дает развиваться морским организмам.
Исключая подъем глубинной воды на поверхность исключается и выделение глубинных газов, растворенных в воде.
После установки в районе работы, рабочее тело в теплообменных узлах автоматически приобретает необходимую температуру и готовность к старту, что также снижает энергетические затраты и требования к разности температуры в испарителе и конденсаторе тепловой машины.
В данных разработках, станции получают возможность работать на всей акватории тропического океана, а не только в отдельных наиболее прогретых районах с градиентом температуры выше 22 градусов, что предусматривают старые схемы.
В результате решения технологических проблем связанных со схемой размещения теплообменных узлов, появляется возможность создания мощных электростанций, береговых кондиционеров с дополнительной выработкой пресной воды, надводных и подводных мобильных объектов и т. д.
Схема рабочей установки, работающей по замкнутому циклу Ренкина, приведена на Рис.2.1 .
В этой схеме теплая вода подается на теплообменник-испаритель, где рабочее тело (аммиак, пропан и др.) превращается в пар, в результате чего создается повышенное давление. Проходя через турбину и выделив на ней механическую энергию, пар конденсируется на поверхности второго теплообменника-конденсатора, омываемого холодной водой глубинных слоев.
На Рис.3 показан термодинамический цикл такой тепловой машины 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, а отвод – на ветви 2-3. Дополнительную работу приходится затрачивать на закачку конденсата в испаритель (3-4) и на перекачивание воды сквозь нагреватель и холодильник. Максимальный теоретический КПД такой системы определяется разностью температур воды, перекачиваемой через нагреватель и холодильник, как КПД эквивалентного цикла Карно .
Для перепадов температур между поверхностными и глубинными слоями воды в пределах от 15°С до 26°С он соответственно изменяется в диапазоне от 5 до 9 %. Реальный КПД, как правило, существенно ниже. Это связано с конструктивными ограничениями, не позволяющими в реальной установке довести температуру паров и конденсата до температуры теплых и холодных вод, соответственно (на Рис.3 это подчеркнуто с помощью разностей температур) .
Конкретные температуры приведены на Рис.3.2. Можно подсчитать, что при теоретическом коэффициенте ?= 7,3 %, на турбине получаем величину примерно в 2 раза меньшую – 3,6%. Причем она не учитывает потери на собственные нужды станции, которые сведут КПД до величины, порядка 2,5%.
Одним из параметров полученных на экспериментальной установке ОТЕС-1, является коэффициент теплопередачи теплообменных узлов k =2800 Вт/°С сек м2. Исходя из этой величины, расчетного КПД= 2,5% и установившуюся ?Т между энергоносителем (водой) и рабочим телом (около 4°С), получаем величину необходимой теплообменной поверхности S для одного теплообменного узла в расчете на мощность Р=1ГВт :
S= 10 11/ k??Т ?КПД=10 11/ 2800x4x2,5 =3571428 м2
Учитывая, что в схему входят два одинаковых бойлера, получаем общую теплообменную поверхность Sо
Sо = 3 571 428 х 2 = 7 142 856 м2
Теплообменные узлы выполнены из титана,
удельный вес титана - ?=4,8т/ м 3
Примем:
радиус трубки Rтр=0,007м,
толщину стенки t = 0,0005м.
Объем металла :
Vм =St = 7 142 856 х 0,0005=3 572 м3
Чистый вес теплообменных трубок:
m= ? ?Vм=4,8 х 3 572 = 17 146т.
Общая длина трубки:
Lтр = S/2?Rтр=162 000 000м
Объем занимаемый трубкой:
Vнар= ?Rтр2 ? Lтр =3,14х0,0072х162 000 000=25 000м2.
Внутренний объем :
Vвн =(Rтр-t) 2 ? Lтр=3,14х(7-0,5)2 х162 000 000= 21465м2.
Безусловно, расчеты ориентировочные, и показывают лишь доступность современной промышленности создавать энергетические объекты и осваивать акваторию океана.
США уже вплотную подошли к созданию энергетической станции повторяющую предложенный вариант конструкции тепловой гидроэлектростанции по патенту РФ №2116465 и др. Испытания, проведенные на Гавайских островах показали практическую возможность преобразования тепловой энергии океана без вертикального перемещения огромной массы воды используемого в качестве первичного энергоносителя.
В ноябре 2009г. НАСА, ВМС, Океанографический институт Скриппса и Калифорнийский университет в Сан-Диего (все — США) продемонстрировали первый подводный аппарат, который получает энергию только за счет разницы температур в океанских глубинах. http://science.compulenta.ru/521563/
http://www.livescience.com/technology/underwater-robot-100406.html
84-килограммовый прототип питается тепловой энергией океана, попеременно всплывая к теплой поверхности и погружаясь в холодные глубины. Ключом к работе аппарата является набор материалов с легким переходом из одной фазы в другую, которые содержатся в десяти внешних трубках. Когда робот поднимается, вещества плавятся и расширяются, а когда ныряет — затвердевают и сокращаются. Расширение воскоподобных материалов создает давление на масло, хранящееся внутри аппарата.
Это масло периодически запускает гидравлический двигатель, который генерирует электроэнергию и подзаряжает батареи робота. Энергия аккумуляторов питает гидравлическую систему, которая изменяет объем аппарата (и, следовательно, его плавучесть), что позволяет ему двигаться по вертикали.
В данном случае активный процесс теплопередачи, определяющий полезную работу, происходит с большими перерывами, а в глубинный слой холодной воды опускается не только рабочее тело, но и вся конструкция аппарата представляющая собой непроизводительный балласт отбирающий практически всю выработнную энергию на вертикальное перемещение аппарата.
Не трудно заметить (рис5), что в предлагаемом варианте российских патентов, вертикальному перемещению подвергается только рабочее тело и процесс теплопередачи происходит непрерывно в оптимальном режиме.
Как известно, из всей энергии существующей в Природе, только небольшая часть доступна для практического использования. Ряд источников, которые накапливались миллионы лет, являются не возобновляемыми и быстро истощаются.
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) являются более перспективными но, к сожалению, не имеют высокой концентрации и требуют большой территории для размещения оборудования.
Современная промышленность уже сегодня требует не менее 10 000 ГВт установленной мощности для производства электроэнергии. Выработка таких объемов электричества используя только солнечную энергию и энергию ветра, необходимо занять на континентах огромные площади, аренда и обустройство которых потребует значительных расходов.
Приемлемым решением энергетической проблемы, представляется размещения генерирующих мощностей на акватории океана, где сосредоточены мощные источники возобновляемой энергии. Относительно высокая концентрация энергии, определяемой физическими свойствами воды и наличие свободного пространства, является определяющим фактором освоения акватории океана.
Ниже приведенная таблица показывает, что за счет вертикальной разности температур тропического океана, отбирая в процессе преобразования энергию эквивалентную 5% солнечного излучения на площади 4х1013 м2. можно стабильно обеспечить генерирующие мощности на 10 000ГВт.
К настоящему времени в мире имеются патентные разработки и ряд экспериментальных установок изготовленных в США и Японии, которые могут стать основой для развития новой отрасли гидроэнергетики, использующей тепловую энергию, аккумулированную океаном.
Освоение тепловой энергии океана по программе Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) входит в национальные программы таких стран как США, Франция, Япония, Швеция, Индия. К сожалению, Россия пока в этом списке отсутствует.
Впервые идею использования тепловой энергии океана предложил французский ученый Д Арсонваль, и хотя прошло уже много времени, эта идея так и находится на уровне обсуждения и экспериментальных работ.
Наиболее приемлемой технической основой OTEC принято считать применение тепловых машин работающих по циклу Ренкина (замкнутый цикл).
Являясь эффективными преобразователями тепловой энергии, они способны работать при низком градиенте энергоносителя, который существует в низких широтах океана. В этом случае в качестве рабочего тела используется легкокипящая жидкость, температура кипения которой значительно ниже 0°С .
Это позволяет получить пар с рабочим давлением при тех температурах, которые характерны для поверхности тропического океана. Эффективная конденсация пара осуществляется за счет воды с температурой порядка 4°С. находящейся на глубине около 600 метров.
Основными преградами развития ОТЕС можно считать низкий градиент энергоносителя, требующий большой теплообменной поверхности и большой глубины залегания холодной воды, требующей больших энергетических затрат.
Современные теплообменные элементы, как правило, имеют развитые теплообменные поверхности с высокой удельной теплопередачей и их массовое производство хорошо освоено холодильной промышленностью. Примером тому могут служить бесчисленные кондиционеры, повсеместно висящие на стенах домов
Классический вариант решения проблемы конденсации пара заключается в подъеме холодной воды на поверхность к конденсатору тепловой машины. Для этого используются перекачивающие насосы и 600 метровая пластиковая труба большого диаметра.
Однако, подъем воды практически сводит на нет все затраченные усилия, и создает трудно решаемые проблемы к которым относятся:
• большие энергетические затраты для работы насосов, поднимающих воду;
• выделение растворенных газов из глубинных слоев при снятии давления:
• обрастание теплообменных узлов, постоянно находящихся в теплой воде:
• необходимость иметь технические и энергетические стартовые мощности для запуска станции.
Однако все эти ограничительные проблемы носят технологический характер, и их устранение возможно путем изменения способа размещения узлов тепловой машины. В случае, если конденсатор тепловой машины располагать в рабочем слое воды на большой глубине, предусматриваемое патентами РФ на изобретение № 2116465 и полезные модели № №, 45161, 48586, 48587, то сокращаются энергетические расходы, и упрощается проблема борьбы с обрастанием. Выделение растворенных газов из глубины и необходимость стартового оборудования полностью утрачивают свою актуальность.
В этом случае к поверхности океана поднимается рабочее тело, обладающее более высокой концентрацией энергии, определяемой не теплоемкостью воды, как в ранних разработках, а теплотой парообразования рабочей жидкости, которая почти на два порядка выше, и это значительно снижает энергетические потери на технологические нужды.
Проблемы обрастания решаются периодическим изменением глубины и температуры работы теплообменных узлов, т.е. теплообменные узлы меняют местами, а периодическая смена условий существования не дает развиваться морским организмам.
Исключая подъем глубинной воды на поверхность исключается и выделение глубинных газов, растворенных в воде.
После установки в районе работы, рабочее тело в теплообменных узлах автоматически приобретает необходимую температуру и готовность к старту, что также снижает энергетические затраты и требования к разности температуры в испарителе и конденсаторе тепловой машины.
В данных разработках, станции получают возможность работать на всей акватории тропического океана, а не только в отдельных наиболее прогретых районах с градиентом температуры выше 22 градусов, что предусматривают старые схемы.
В результате решения технологических проблем связанных со схемой размещения теплообменных узлов, появляется возможность создания мощных электростанций, береговых кондиционеров с дополнительной выработкой пресной воды, надводных и подводных мобильных объектов и т. д.
Схема рабочей установки, работающей по замкнутому циклу Ренкина, приведена на Рис.2.1 .
В этой схеме теплая вода подается на теплообменник-испаритель, где рабочее тело (аммиак, пропан и др.) превращается в пар, в результате чего создается повышенное давление. Проходя через турбину и выделив на ней механическую энергию, пар конденсируется на поверхности второго теплообменника-конденсатора, омываемого холодной водой глубинных слоев.
На Рис.3 показан термодинамический цикл такой тепловой машины 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, а отвод – на ветви 2-3. Дополнительную работу приходится затрачивать на закачку конденсата в испаритель (3-4) и на перекачивание воды сквозь нагреватель и холодильник. Максимальный теоретический КПД такой системы определяется разностью температур воды, перекачиваемой через нагреватель и холодильник, как КПД эквивалентного цикла Карно .
Для перепадов температур между поверхностными и глубинными слоями воды в пределах от 15°С до 26°С он соответственно изменяется в диапазоне от 5 до 9 %. Реальный КПД, как правило, существенно ниже. Это связано с конструктивными ограничениями, не позволяющими в реальной установке довести температуру паров и конденсата до температуры теплых и холодных вод, соответственно (на Рис.3 это подчеркнуто с помощью разностей температур) .
Конкретные температуры приведены на Рис.3.2. Можно подсчитать, что при теоретическом коэффициенте ?= 7,3 %, на турбине получаем величину примерно в 2 раза меньшую – 3,6%. Причем она не учитывает потери на собственные нужды станции, которые сведут КПД до величины, порядка 2,5%.
Одним из параметров полученных на экспериментальной установке ОТЕС-1, является коэффициент теплопередачи теплообменных узлов k =2800 Вт/°С сек м2. Исходя из этой величины, расчетного КПД= 2,5% и установившуюся ?Т между энергоносителем (водой) и рабочим телом (около 4°С), получаем величину необходимой теплообменной поверхности S для одного теплообменного узла в расчете на мощность Р=1ГВт :
S= 10 11/ k??Т ?КПД=10 11/ 2800x4x2,5 =3571428 м2
Учитывая, что в схему входят два одинаковых бойлера, получаем общую теплообменную поверхность Sо
Sо = 3 571 428 х 2 = 7 142 856 м2
Теплообменные узлы выполнены из титана,
удельный вес титана - ?=4,8т/ м 3
Примем:
радиус трубки Rтр=0,007м,
толщину стенки t = 0,0005м.
Объем металла :
Vм =St = 7 142 856 х 0,0005=3 572 м3
Чистый вес теплообменных трубок:
m= ? ?Vм=4,8 х 3 572 = 17 146т.
Общая длина трубки:
Lтр = S/2?Rтр=162 000 000м
Объем занимаемый трубкой:
Vнар= ?Rтр2 ? Lтр =3,14х0,0072х162 000 000=25 000м2.
Внутренний объем :
Vвн =(Rтр-t) 2 ? Lтр=3,14х(7-0,5)2 х162 000 000= 21465м2.
Безусловно, расчеты ориентировочные, и показывают лишь доступность современной промышленности создавать энергетические объекты и осваивать акваторию океана.
США уже вплотную подошли к созданию энергетической станции повторяющую предложенный вариант конструкции тепловой гидроэлектростанции по патенту РФ №2116465 и др. Испытания, проведенные на Гавайских островах показали практическую возможность преобразования тепловой энергии океана без вертикального перемещения огромной массы воды используемого в качестве первичного энергоносителя.
В ноябре 2009г. НАСА, ВМС, Океанографический институт Скриппса и Калифорнийский университет в Сан-Диего (все — США) продемонстрировали первый подводный аппарат, который получает энергию только за счет разницы температур в океанских глубинах. http://science.compulenta.ru/521563/
http://www.livescience.com/technology/underwater-robot-100406.html
84-килограммовый прототип питается тепловой энергией океана, попеременно всплывая к теплой поверхности и погружаясь в холодные глубины. Ключом к работе аппарата является набор материалов с легким переходом из одной фазы в другую, которые содержатся в десяти внешних трубках. Когда робот поднимается, вещества плавятся и расширяются, а когда ныряет — затвердевают и сокращаются. Расширение воскоподобных материалов создает давление на масло, хранящееся внутри аппарата.
Это масло периодически запускает гидравлический двигатель, который генерирует электроэнергию и подзаряжает батареи робота. Энергия аккумуляторов питает гидравлическую систему, которая изменяет объем аппарата (и, следовательно, его плавучесть), что позволяет ему двигаться по вертикали.
В данном случае активный процесс теплопередачи, определяющий полезную работу, происходит с большими перерывами, а в глубинный слой холодной воды опускается не только рабочее тело, но и вся конструкция аппарата представляющая собой непроизводительный балласт отбирающий практически всю выработнную энергию на вертикальное перемещение аппарата.
Не трудно заметить (рис5), что в предлагаемом варианте российских патентов, вертикальному перемещению подвергается только рабочее тело и процесс теплопередачи происходит непрерывно в оптимальном режиме.
Комментарии (0)добавить комментарий
Ваш комментарий
