Альтернативные источники энергии и энергосбережение

В этой системе с помощью теплых поверхностных вод, подаваемых на теплообменник — испаритель, 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, омываемого холодной водой глубинных слоев.

На рис. 5.9 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).

Рис. 5.9.Термодинамический цикл тепловой машины в координатах абсолютная температура-энтропия

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 до 26 °C 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. 5.9 это подчеркнуто с помощью разностей температур).

Можно подсчитать, что при теоретическом КПД, равном 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 %.

Принимая во внимание, что теплообменные узлы являются определяющими по массе, габаритам и стоимости, можно, допустив некоторый резерв, предположить что, водоизмещение станции составит порядка 75 000 т/ГВт.

На рис. 5.10 приведена экспериментальная станция. Основным и наиболее дорогим материалом для строительства станций является титан, ежегодный расход которого при крупномасштабном строительстве может составить порядка 1 миллиона тонн, что может быть легко достигнуто мировой промышленностью.

Рис. 5.10. Тепловая океанская станция

Установка, преобразующая тепловую энергию океана, работающая по открытому циклу

Сам термин «преобразование тепловой энергии океана» (ОТЕС) — «ocean termal energy conversion» — означает преобразование некоторой части этой тепловой энергии в работу и далее в электроэнергию.

Схема установки, работающей по открытому циклу Клода, показана на рис. 5.11. В качестве рабочего тела здесь использована морская вода, подаваемая в испаритель через деаэратор, освобождающий воду от растворенных в ней газов (http://renewables.ru/pdf_doc/lecturel4.pdf).

Рис. 5.11. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу (цикл Клода)

Предварительно из полостей испарителя и конденсатора удаляется воздух, так что давление над поверхностью жидкости определяется только давлением насыщенных паров, которое сильно зависит от температуры. При характерных для ОТЭС температурах этот перепад составляет примерно 1,6 кПа (при замкнутом цикле на аммиаке около 500 кПа), под действием этого перепада пары воды приводят в движение турбину, попадают в конденсатор, где и превращаются в жидкость.

Основное отличие цикла как раз и состоит в малости перепада давлений, что требует использования соответствующих гигантских турбин диаметром в несколько десятков метров. Это, пожалуй, основной технический недостаток систем открытого цикла. Основное же их достоинство — отсутствие гигантских нетехнологичных теплообменников. Кроме того, при работе систем открытого цикла могут быть получены большие количества пресной воды, что немаловажно в жарком поясе планеты.

Использование перепада температур океан-атмосфера

Особенность работы таких станций — так называемый «треугольный» цикл: нагрев и испарение рабочего тела в результате политропного процесса, адиабатное расширение через турбину, изотермическое сжатие при подаче в испаритель с одновременным отводом избыточного тепла в холодильнике.

КПД такого цикла ниже термического КПД цикла Карно примерно в 2 раза. С точностью до 1 % он определяется выражением

η = (T01—Т02)/2Т01,

где T01 — температура теплой подледной воды (275 К); Т02 — температура охлаждающего воздуха (до 233 К).