Теплова енергія океану. ОТЕС

Світовий океан — найбільший природний колектор сонячного випромінювання. У ньому між теплими, поглинаючими сонячне випромінювання поверхневими водами і холоднішими придонними досягається різниця температур в 20°С. Це забезпечує безперервно поповнюваний запас теплової енергії, яка принципово може бути перетворена в інші види. Сам термін перетворення теплової енергії океану ОТЕС— ocean thermal energy conversion— означає перетворення деякої частини цієї теплової енергії в роботу і далі в електроенергію.

На рисунку 1 приведена схема однієї з установок, що дозволяють здійснити процес такого перетворення. По суті — це теплова машина, що наводиться в дію різницею температур між «холодною» Т_с -водою, піднятою з відповідної глибини, і «гарячою» водою з температурою Т_h = Т_с + ΔТ, забраною з поверхні. Робоча рідина (робоче тіло), циркулюючи за замкнутою схемою, відбирає тепло від гарячої води в теплообміннику випарника, в паровій фазі наводить в дію турбіну, пов'язану з генератором, а потім конденсується в охолоджуваному холодною водою конденсаторі. На цьому цикл завершується.

1 — подача теплої води; 2 — випарник; 3 — насос подачі робочого тіла; 4 — турбіна; 5 — генератор; 6 — конденсатор; 7 — подача холодної води; 8 — поверхня океану; 9 — океанські глибини.

Рисунок 1 – Схема перетворення теплової енергії океану. Теплова машина використовує перепад температур між поверхневими і глибинними водами океану

Нижче в деталях обговорюються лише системи, що працюють по замкнутому циклу. Можна уявити собі і інші системи, що наприклад використовують як робоче тіло саму морську воду і що працюють по відкритому циклу. Проте викладені тут і в наступному параграфі фізичні і географічні відомості можуть бути застосовані до будь-яких систем ОТЕС.

Почнемо з визначення Р₀ — потужності, що віддається теплою водою в ідеальній системі. Допустимо, що потік теплої води з об'ємною витратою Q поступає в систему при температурі Т_h і покидає її при температурі Т_с (температура холодних глибинних вод). При визначенні Р₀ ми, вочевидь, робимо припущення про ідеальний теплообмінник. У такій системі, що ідеалізується, при ΔТ = Т_h — Т_с

(8)

На основі другого початку термодинаміки максимальна механічна потужність, яку можна отримати від перетворення теплового потоку,

(9)

де

(10)

є ККД ідеальної теплової машини Карно, що працює при перепаді температур між Т_h і Т_с = Т_h – ΔТ. Безумовно, вихід в разі реальної системи буде істотно нижчий, ніж Р₁. Реальні теплові машини працюють не по циклу Карно, швидше, їх цикл ближче до ідеального циклу парової турбіни Ренкина. Проте ці вирази дозволяють проілюструвати можливості і обмеження ОТЕС. Згідно (8) — (10) ідеальна механічна вихідна потужність перетворювача теплової енергії рівна

(11)

Таким чином, для здобуття значних потужностей потрібні істотні потоки води навіть для випадку максимально можливого в океані перепаду температур. Це у свою чергу вимагає вживання громіздких і відповідно дорогих технічних засобів.

Зважаючи на те що Р₁ залежить від квадрата ΔТ досвід підказує економічну привабливість ідеї ОТЕС лише в районах, де ΔТ≥15° С. Такі райони лежать в тропіках. Активно ведуться дослідження з проблеми ОТЕС на острові Гавайї (20° північної широти, 160° західної довготи), на острові Науру (0° північної широти, 166° східної довготи), в течії Гольфстрім поблизу півострова Флорида. У тропічних районах Т_h і Т_с мало змінюються від сезону до сезону, що повинне забезпечувати стабільне вироблення енергії протягом всього року.

Безумовно, стабільність і незалежність від капризів погоди — головні переваги ОТЕС як поновлюваного джерела енергії. Нижче перераховані інші важливі переваги ОТЕС.

1) У відповідних для розміщення перетворювачів районах обмеження на значення перетворюваних ресурсів накладають лише розміри установок.

2) Створення економічно виправданих установок вимагає лише деякого доопрацювання таких широко апробованих пристроїв, як теплообмінники і турбіни. Жодних абсолютно нових або технічно неможливих пристроїв не потрібно.

Головні недоліки — вартість і масштаби установок. Якби удалося досягти фактичної потужності Р₁, то вартість стала б мінімальною, але принципові обмеження накладають необхідність враховувати в'язкість рідин і недосконалість теплообмінників. Приведені питомі витрати на створення однієї не так давно запущеної експериментальної океанської термальної електростанції (ОТЕС, не плутати з латинською ОТЕС) склали 40000 долл/кВт встановленої потужності. Проте аналіз, показує, що великомасштабні серійні ОТЕС будуть значно економічнішими, що робить саму концепцію ОТЕС гідною уваги. Відповідні роботи активно ведуться в США, Франції і Японії.

Один з чинників збільшення вартості систем ОТЕС — дорожнеча їх обслуговування у відкритому морі і передачі енергії на берег. Проте існують прибережні райони, де дно різко падає і устаткування ОТЕС може бути розміщене на суші. Одне з таких місць — острів Науру в південній частині Тихого океану.

Завдання для практичного заняття

Завдання 1

Вважається, що дійсний ККД η океанічної ТЕС, що використовує температурний перепад поверхневих і глибинних вод (T₁-T₂)= ∆ T що працює за циклом Ренкіна, удвічі менше термічного ККД установки, що працює за циклом Карно η_t^k. Оцінити можливу величину дійсного ККД ОТЕС, ро­бочим тілом якої є аміак, якщо температура води на поверхні океану Т₁ °С, а температура води на глибині океану Т₂ °С.

Яка витрата теплої води V, м/год буде потрібно для ОТЕС потужністю N МВт?

Вважати, що густина води ρ = 1·10³ кг/м³, а питома масова теплоєм­ність С_p = 4,2·10³ Дж/(кг·К).

Варіанти завдань наведені в таблиці А.1 додатку А.

Завдання 2

Використовуючи формулу Л.Б. Бернштейна, оцінити приливний потенціал басейну Э_пот (кВт·год), якщо його площа F км², а середня величина приливу R_ср, м.

Варіанти завдань наведені в таблиці А.1 додатку А.

Завдання 3

За відомими даними (що визначаються зазвичай по картах місцевості):

– глибина затоки h, м;

– довжина протяжності затоки углиб материкової зони L, м;

– площа можливого приливного басейну S, м²,

визначити можливий резонанс у затоці та максимально потужність, що можливо отримати приливною електростанцію за один прилив-відлив. Користуючись отриманими результатами провести аналіз можливості будівництва ПЕС у зоні з заданими параметрами.

Варіанти завдань наведені в таблиці А.1 додатку А.

Поиск по сайту: