Альтернативные источники энергии и энергосбережение

Удельная мощность, получаемая с 1 м² площади океана, при разности температур воды и воздуха, равной 10 °C, составляет примерно 18 кВт/м² при разности 20 °C — 60 кВт/м², а при разности 30 °C — 125 кВт/м².

В этих оценках величина скорости движения воды принята равной 0,02 м/с — характерная скорость для прибрежных районов Северного Ледовитого океана. Таким образом, при отсутствии ограничении по глубине океана в зоне размещения полярной ОТЭС и мощности в 1 МВт она будет возмущать тепловой режим на площади всего около 20 м².

На рис. 5.12 приведена разработанная А.К. Ильиным и В.В. Тикменовым схема АОТЭС с обдуваемыми воздухом теплообменниками. В ней использован дополнительный контур с промежуточным теплоносителем, позволяющий существенно снизить потери энергии на собственные нужды станции.

Рис. 5.12.Схема арктической ОТЭС на перепаде вода-воздух

Схема напоминает обычные тепловые станции с градирнями для охлаждения отработавшей воды. Но данные градирни действуют в условиях, когда температура наружного воздуха много ниже нуля, а охлаждаемая жидкость имеет температуру всего на несколько градусов выше.

 Примечание.

Поэтому в охлаждающем контуре такой станции необходимо использовать рассол с низкой температурой замерзания.

В качестве промежуточного теплоносителя применяется водный раствор хлористого кальция с концентрацией не менее 26 кг на 100 кг воды, который достаточно широко используется в холодильной технике. Рабочим телом в основном контуре станции служит фреон-12, пары которого приводят в движение турбину с электрогенератором.

Промежуточный теплоноситель охлаждается путем разбрызгивания через форсунки оросительного охладителя. Причем важно обеспечить определенное распыление, чтобы, с одной стороны, капли теплоносителя не выносились потоком холодного воздуха, а с другой — успевали охладиться во время падения.

Для того чтобы капля диаметром 1 мм охладилась на 2 °C при движении в воздухе со средней разностью температур 30 °C ей необходимо пролететь в свободном падении чуть более 3 м. Распыляя таким образом раствор хлористого кальция, можно добиться удельного съема энергии более 230 Вт/(м²К).

Такие значения коэффициентов теплоотдачи, конечно, уступают получаемым в настоящее время в конструкциях водо-водяных теплообменников традиционных ОТЭС (до 5 кВт/(м²К)), но превышают примерно в 5 раз характерные величины для простейших воздушных теплообменников станций без промежуточного теплоносителя.

Это позволяет снизить металлоемкость конденсаторов и примерно на 20 % увеличить выработку полезной энергии.

Прямое преобразование тепловой энергии

Схема ОТЭС на термоэлектрических преобразователях показана на рис. 5.13.

Рис. 5.13.Схема ОТЭС с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую:

_{а — устройство отдельного блока; б, в — варианты устройства термоэлектрического преобразователя}

В основе ее действия — явление Зеебека, заключающееся в возникновении разности потенциалов в электрической цепи, составленной из материалов с различной концентрацией носителей заряда, места соединений которых нагреты до разных температур.

Действие такой системы полностью описывается законами термодинамики, справедливыми для обычных ОТЭС. КПД такого преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, достигает 10 %. Это значительно больше, чем у систем, работающих по циклу Ренкина и Клода.

Кроме того, в системах таких ОТЭС к минимуму могут быть сведены потери на собственные нужды станции. Величина термо-ЭДС для полупроводниковых пар может достигать нескольких милливольт на градус (для металлических термопар они примерно в 1000 раз ниже). Например, постоянная Зеебека для кристаллов теллурида висмута с n- и р-проводимостью равна 3,14x10^-4 В/К.

Другое достоинство полупроводниковых систем — возможность обеспечения достаточно высокой теплоизоляции между нагревателем и холодильником, что сильно влияет на КПД систем.