Альтернативные источники энергии (стр. 7 из 11)

Но главное было сделано — две недели установка проработала и дала мощность 22 кВт за счет тепла океана. Правда, на собственные нужды она потребила значительно больше. Однако правильность принципа была доказана — и в этом заслуга Клода. Надо сказать, что соединить с судном трубу длиной более полукилометра — далеко не простое дело.

Удовлетворительно решить этот вопрос удалось только в конце 80-х годов нашего века, когда была создана установка мини-ОТЕС.

Клод вместе с французским ученым Бушеро сделали несколько попыток по созданию энергетических тепловых установок в разных частях Атлантического океана: в заливе Мантанзас на Кубе, на побережье Абиджана и в прибрежных водах Бразилии. Но ни разу им не удалось получить из океана больше энергии, чем установка потребляла на собственные нужды, и поэтому для своей работы она требовала дополнительной энергии от вспомогательного источника. Эта печальная особенность отчасти была связана с малой мощностью установки, из-за чего различные потери составляли слишком высокий процент в общем балансе. Потерь оказалось больше, чем первоначально предполагалось.

Первым обратил внимание на громадные запасы тепловой энергии в океане французский ученый Жак Д'Арсон-валь более 100 лет назад (1881 г.) и теоретически показал возможность ее использования. Жоржа Клода называют его учеником, но между ними были серьезные разногласия в вопросе о выборе наилучшей жидкости в качестве рабочего тела для океанической тепловой машины. Этот вопрос надо было решить прежде всего. Рабочая жидкость должна закипать при температуре нагревателя, а пары ее после совершения работы в турбине должны сконденсироваться при температуре холодильника.

Нагреватель — теплая вода из верхних слоев океана. Наиболее высокая температура воды наблюдается в Персидском заливе в августе — более 33 °С (а самая высокая температура воды зафиксирована в Красном море —плюс 36 °С). Но на максимальную температуру рассчитывать преобразователь нельзя: она встречается на ограниченных участках Мирового океана, а обширные районы имеют температуру поверхностного слоя около 25 °С. Это достаточно высокая температура, при которой кипят многие жидкости. Д'Арсонваль предложил применить в качестве рабочей жидкости аммиак — жидкость с температурой кипения минус 33,4 °С, которая будет хорошо кипеть при 25 °С. При нормальной температуре (20 °С) аммиак — бесцветный газ с едким запахом. При повышении давления газообразный аммиак снова превращается в жидкость. При 20 °С для этого давление надо повысить до 8,46 атм, но при 5 °С — значительно меньше.

Выбор аммиака в качестве вторичного рабочего тела связан с отличными термодинамическими свойствами его паров. Пары аммиака имеют низкий молекулярный вес, достаточно большой удельный объем и хорошие характеристики теплопередачи. Они обеспечивают турбине вращение с большой скоростью, что очень важно. Благодаря этим качествам аммиак широко2применяется в наши дни в энергетических установках, использующих тепло океанских вод. При этом схема тепловой энергетической^установки должна быть замкнутой, т. е.^после холодильника жидкий аммиак снова закачивается в нагреватель. Цикл непрерывно повторяется, пока работает установка. Количество рабочей жидкости, залитой в систему теплового преобразователя, практически не изменяется в процессе работы. Замкнутый цикл имеет ряд преимуществ перед открытым циклом, предложенным Клодом, благодаря чему он получил широкое применение в наши дни в установках OTEG.

Но Клод не захотел воспользоваться аммиаком. Он решил в качестве рабочей жидкости использовать морскую воду. Чтобы добиться ее кипения при температуре поверхностных вод в тропиках, создал в установке пониженное давление. Если понизить атмосферное давление в 15 раз, т. е. примерно до 50 мм рт. ст., морская вода закипит при температуре не выше 27 °С. Образовавшийся пар пойдет в турбину, заставит ее вращаться и вращать электрогенератор. А потом пар поступит в холодильник, где с помощью холодной глубинной воды превратится в пресную воду. Клод спускал ее в море: тогда она была никому не нужна. Такой цикл называется открытым, или незамкнутым.

Схема энергетической установки, работающей по этому принципу, представлена на рис. 2.2. По этой схеме была построена первая экспериментальна!! установка Клода и Бушеро.

При практической реализации установки ее авторы столкнулись с рядом специфических трудностей. Одна из первых — это создание низконапорной турбины.

Дело в том, что давление водяного пара, получаемого при невысокой температуре в условиях частичного вакуума, мало. Чтобы снять сколько-нибудь заметную мощность, турбина должна иметь большие размеры. С этим затруднением Клоду и Бушеро удалось справиться вполне удовлетворительно. Однако при первых же испытаниях обнаружив лась неожиданность. При нагреве из морской воды в большом количестве выделялся растворенный в ней воздух, что повышало давление в системе и нарушало процесс кипения. Для поддержания достаточного разрежения систему приходилось непрерывно откачивать, на что требовалась дополнительная мощность. В результате уменьшался и без того небольшой КПД установки. С этой проблемой изобретателям не удалось справиться. Были и другие проблемы. Поэтому в последующие годы основное внимание ученых и инженеров обращалось на разработку тепловых преобразователей с замкнутым циклом. Итог их усилий — действующие ныне системы OTEG.

Рис. 2.2. Схема теплоэнергетп* ческой океанской установки открытого цикла

1 — испаритель, г — турбина, 3 — генератор, 4 — конденсатор, 5 — пресная вода, в — теплая вода и,ч верхних слоев, 7 — холодная вода с больших глубин

Но теперь, спустя более полувека, внимание снова привлечено к открытому циклу. «Открытый цикл вызывает огромный интерес. Он устраняет все проблемы, касающиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. н. Пресная вода вырабатывается в качестве побочной продукции», — считают американские специалисты. В США разрабатывается океанская энергетическая установка, которая одновременно с производством электроэнергии будет давать пресную воду — один из самых ценных в наше время продуктов, особенно в жарких и индустриальных странах, где все острее ощущается ее недостаток.

Но остаются нерешенные проблемы, в частности создание больших низконапорных турбин и удаление из системы преобразователя выделяющегося из морской воды воздуха. Ближайшей задачей считается найти такой способ удаления воздуха, чтобы на него затрачивалось не более 10 % вырабатываемой энергии. Для ее решения в схему энергетической установки включается деаэратор — камера, в которой морская вода будет дегазироваться перед поступлением в нагреватель.

Теоретически оба вида преобразователей — с открытым и закрытым циклом — имеют близкие и одинаково малые коэффициенты полезного действия.

Примем температуру нагревателя T1=273+25=298 К, температуру холодильника T₂=273+5=278 К. Согласно формуле Карно КПД будет равен

nk==(T1-T2)/T1=(298-278)/298=0,067, или 6,7 %,

Полученная цифра еще недавно считалась близкой к теоретическому пределу КПД для океанской тепловой машины при принятых значениях температуры нагревателя и холодильника (как и для любой другой). Но недавно было показано ², что из-за специфических особенностей преобразования энергии тепла в океане теоретический КПД теплового цикла в этом случае следует оценивать по формуле n0=(T1-T2)/(T1+T2)

При малом значении разности температур ^T=T₁— Т₂ КПД океанской тепловой машины может быть вдвое меньше теоретического значения, вычисленного по формуле Карно, т. е.

n0=1/2nk

Поправка весьма существенная. Фактически КПД преобразователя в любом случае будет еще меньше из-за неизбежных потерь в теплообменниках, насосах, трубопроводах и др. Величина потерь будет зависеть от степени совершенства конструкции тепловой машины. Для преобразователей с замкнутым циклом реальным считается получение КПД в пределах до 2—3 %. Эти цифры близки к КПД отвергнутого паровоза. Но он сжигал драгоценное топливо, а здесь энергия вырабатывается за счет дарового тепла океана, топлива не требуется.

Интересно отметить переоценку значения малых цифр КПД, происшедшую за последние полвека. Пятьдесят лет назад теоретическое значение КПД около7% считалось

ничтожным и едва ли заслуживающим внимания. В наше же время строятся мощные океанские энергоцентрали с КПД примерно в половину этой величины. Существенного улучшения КПД можно ожидать только при использовании в океанских тепловых энергоцентралях большего перепада температуры между нагревателем и холодильником. Принципиально такая возможность имеется. В разных районах на дне океана обнаружены места, где разность температуры воды значительно превышает принятые .для расчета 20 °С. Например, в термальных впадинах на дне Красного моря температура воды достигает 60 ^СС, к тому же она ежегодно несколько повышается. А на дне Тихого океана бьют гидротермальные источники с температурой более 350 °С, как в котле вполне современной ТЭЦ высокого давления. Вблизи от этих горячих источников имеется вода с низкой температурой, пригодная для холодильника. При использовании такой воды возможно получение КПД океанской установки, как у лучших наземных ТЭЦ высокого давления. Однако применение горячих гидротермальных вод для выработки электрической энергии потребует особой технологии.

СИСТЕМЫ ОТЕС

В августе 1979 г, вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная — 53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее — на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты энергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.