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.

С. А. ПОНЯТОВСКИЙ

Источник: http://www.eprussia.ru