Запрошуємо розробників корисного устаткування до співпраці

Використання енергії градієнтів температур морів та океанів

На значну увагу заслуговує „океанотермічна енергоконверсія”, іншими словами, отримання електроенергії за рахунок різниці температур між поверхневими та глибинними океанськими водами. Як відомо, Сонце нагріває лише поверхневі шари морів та океанів, нагріта вода не опускається вниз, оскільки її густина менша, ніж холодної. В тропічних морях верхній шар води, товщина якого не перевищує декількох метрів, нагрівається до 20-30 °С, в той час як температура води на глибині 1 км не перевищує 5 °С. Отриманий результаті різниці температур природний тепловий градієнт і створює запаси енергії. При цьому суттєву кількість її можна отримати за умови, якщо температура між теплими поверхневими і холодними глибинними шарами води становитиме приблизно 20 °С.

Ідея використання теплової енергії, накопиченої тропічними і субтропічними водами океану, була запропонована ще в кінці XIX ст. Перші спроби її реалізації були зроблені в 30-х роках XX ст. і показали перспективність цієї ідеї. В 1970-х роках ряд країн приступило до проектування і будівництва дослідних океанських теплових електростанцій. Робота ОТЕС ґрунтується на принципі, який використовується в паровій машині (рисунок 4.8.12). Котел (випарник), заповнений фреоном або аміаком (рідиною з низькою температурою кипіння), омивається теплими поверхневими водами і утворює пару для парової турбіни, яка зв’язана з електрогенератором. Відпрацьована пара охолоджується водою з нижчих холодних шарів води, конденсується в рідину і насосами подається в котел.

Рисунок 4.8.12 - Принципова схема океанської теплової

електростанції:

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

Широкомасштабному промисловому розвитку морської та океанської теплової енергетики сприяє ряд переваг:

- ОТЕС використовує чистий, необмежений, поновлювальний природний ресурс; теплота поверхні морів і холодна вода глибинних шарів заміняють традиційні викопні палива, які використовуються для вироблення електроенергії;

- ОТЕС не має негативного впливу на довкілля; використана в процесі роботи станції вода повертається у відповідні океанські шари без яких-небудь негативних наслідків;

- ОТЕС здатні поряд з виробленням електроенергії виробляти прісну воду, що особливо важливо для острівних націй, де постачання прісної води обмежене;

- холодна вода ОТЕС може бути використаною для охолодження і кондиціонування будинків, у сільському господарстві, для вирощування риби, молюсків і водоростей.

Першу гідротермальну станцію було побудовано у Франції на р. Маас. Французькими спеціалістами також побудована моретермальна станція потужністю 14 МВт на Атлантичному узбережжі Африки поблизу столиці Кот-Д’Іувара Ямусукро (колишній Абіджан).

Для перетворення сонячного випромінювання, пов’язаного з нагріванням верхніх шарів морів та океанів, в електричну енергію використовуються системи закритого, відкритого і змішаного циклів.

У системі закритого циклу (рисунок 4.8.13) тепла вода верхніх шарів використовується для випарювання робочої рідини, яка протікає через теплообмінник (випаровувач), при цьому точка кипіння робочої рідини (фреон, пропан, аміак) при атмосферному тиску не перевищує 25-30 °С. У результаті пара розширюється, обертає турбіну, з’єднану з генератором, який виробляє електричну енергію. Відпрацьована пара після виходу з турбіни охолоджується холодною водою, яка нагнітається насосом із глибинних шарів, конденсується і знову використовується в циклі. Робоча рідина залишається закритою в системі і циркулює безперервно.

В системі відкритого циклу (рисунок 4.8.14) робочою рідиною стає сама тепла морська вода, яка випаровується у вакуумній камері для отримання пари при абсолютному тиску близько 2,4 кПа. За допомогою пари обертається турбіна низького тиску з виробленням електричної енергії генератором. При виході з турбіни пара конденсується під дією холодної води з глибинних шарів, при цьому отримана рідина, втративши при випарюванні солі, опріснюється. Якщо конденсатор використовується в системі, тобто сконденсована пара не контактує з холодною морською водою, отриману прісну воду можна використовувати як питну воду, для зрошування або вирощування прісноводної риби. При “прямому контакті” конденсатора продуктивність вироблення електроенергії вища, однак в цьому разі конденсат змішується з холодною морською водою й отримана на виході рідина стає солоною; ця суміш повертається знову в море.

4

Рисунок 4.8.13 - Схема термальної установки, що працює по

замкненому циклу:

1 - насос теплої води; 2 - випарювач; 3 - насос висушувана пароподібного робочого тіла; 4 - висушувач; 5 - турбіна з електрогенератором;

6 - конденсатор; 7 - насос для подачі холодної води;

8 - насос для подачі робочого тіла; 9 - електрогенератор

Рисунок 4.8.14 - Схема ОТЕС, яка працює по відкритому циклу

(циклу Клода):

1 - насос теплої води; 2 - деаератор; 3 - вакуумний насос; 4 - випарювач; 5 - турбіна; 6 - конденсатор; 7 - насос для подачі холодної води;

8 - електрогенератор

Система змішаного циклу комбінує особливості системи відкритого й закритого циклів для оптимізації отримання електричної енергії і прісної води. В цій системі тепла морська вода надходить у вакуумну камеру, де перетворюється в пару (подібно до відкритого циклу), яка, у свою чергу, використовується для випарювання робочої рідини (фреон, пропан, аміак) ділянки закритого циклу системи. Випарена робоча рідина обертає турбіну, а пара, сконденсована поза теплообмінником, забезпечує вироблення прісної води.

Океанські теплові електростанції за місцем їх розташування діляться на:

- наземні або прибережні (будуються на березі або в прибережній зоні);

- шельфові (на платформах, які базуються коло шельфу);

- глибоководні (у пришвартованих або вільно плаваючих на глибині пристроях).

Наземні або прибережні ОТЕС мають ряд переваг перед глибоководними. До них можна віднести те, що вони не потребують складного швартування, довгих силових кабелів, відносно прості в обслуговуванні; вони можуть бути побудованими в захищених від штормів ділянках, а електроенергію і прісну воду можна передавати через акведуки та естакади; при цьому способі мінімізуються витрати на труби, які в даному випадку значно коротші; вільний підхід при будівництві знижує вартість виробленої електроенергії.

Однак такі ОТЕС мають і недоліки, до яких можна віднести вплив хвильової дії (особливо в шторми) в зоні прибою на конструкції, якщо труби не занурені в захисні траншеї або не були передбачені хвилерізи, які зменшують силове навантаження від хвиль. Також потребуються додаткові витрати на подолання декількох сотень метрів від берега до необхідної глибини з відповідною температурою холодної води.

Глибоководні ОТЕС можуть бути використаними для роботи на відстані від берега, що має свої труднощі для будівництва й обслуговування. До них належать особливості швартування (обмежене глибинами 2 км), коли її вартість може перешкодити комерційному використанню станції. До того ж, використання кабелів на глибинах і в солоній воді мають значні експлуатаційні труднощі.

Альтернативою глибоководним ОТЕС можуть бути дрейфуючі або самохідні спеціалізовані судна, на яких вироблена електрична енергія повинна перетворюватися в енергію таких продуктів, як водень, метанол або аміак.

Російські вчені запропонували оригінальну ідею отримання електроенергії на основі різниці температур підльодної води і повітря. Ця різниця в арктичних районах становить 26 °С і більше.

Також заслуговує уваги використання відкритих гідротермальних джерел на дні Тихого океану для створення підводних ОТЕС, які будуть працювати на різниці температур джерел та оточуючих вод.

Спеціалісти вважають, що найбільш економічно доцільно будувати моретермальні станції в єдиному енергопромисловому комплексі, в який можуть включатися виробництво електричної енергії, опріснення морської води, виробництво кухонної солі, магнію, гіпсу та інших хімічних речовин.

4.8.3 Використання енергії океанських течій

Велику енергію мають морські течії. У деяких місцях Гольфстрім має швидкість до 9 км/год. Вчені припускають, що найближчим часом енергія морських течій стане конкурентоспроможною. Сучасний рівень техніки дозволяє використовувати енергію течій при швидкості потоку більше 1 м/с, при цьому потужність від 1 м поперечного перерізу потоку становить близько 1 кВт, при швидкості 2 м/с величина питомої потужності потоку дорівнює 4,4 кВт/м. Перспективним вважається використання таких потужних течій, як Гольфстрім і Куросіо, несучих відповідно 83 і 55 млн м /с води з швидкістю до 2 м/с, і Флоридської течії (ЗО млн м/с при швидкості

1,8 м/с). Такі потоки води мало міняються в часі, тому установки, що використовують енергію течій, відрізняються високими значеннями забезпеченості потужністю, і зміна їх потужності в часі може бути завбаченою заздалегідь.

Для океанської енергетики становлять інтерес течії в протоках Гібралтар, Ла-Манш, Курильських. Однак створення океанських електростанцій на енергії течій пов’язане поки з рядом технічних труднощів, насамперед зі створенням енергетичних установок великих розмірів, які становлять загрозу судноплаванню.

Серед різних конструкцій перетворення енергії океанських течій найбільш перспективними є агрегати, за допомогою яких можуть бути отримані значні одиночні потужності. Як варіанти таких

пристроїв розглядаються робоче колесо у вигляді вільного пропелера в насадці, водяний аналог турбіни Дар є, системи з керованим крилом (рисунок 4.8.15 а-е). У всіх цих конструкціях, подібно до

перспективних вітрових турбін, використовується перетворюючий елемент у вигляді профілю крила, обтікання якого потоком створює гідродинамічну силу, яка примушує турбіни обертатися.

Рисунок 4.8.15 - Схеми перспективних турбін для використання енергії

океанських течій:

а) - вільний ротор; б) - ротор в насадці; в) - ротор, установлений поперек потоку; 1 - крило; 2 - насадка; 3 - турбіна

а)

Програма “Коріоліс” передбачає установку у Флоридській протоці ЗО км на схід міста Майамі 242 турбін із двома робочими колесами діаметром 168 м, які обертаються в протилежних напрямах. Пара робочих коліс розміщується всередині полої камери з алюмінію, що забезпечує пливучість турбіни. Вся система “Коріоліс” загальною довжиною 60 км буде орієнтована по основному потоку; ширина її при розташуванні турбін в 22 ряди по 11 турбін у кожному становитиме ЗО км. Агрегати пропонується відбуксувати до місця встановлення і заглибити на ЗО м, щоб не перешкоджати судноплаванню. Корисна потужність кожної турбіни з врахуванням витрат на експлуатацію і втрат при передачі на берег дорівнюватиме 43 МВт, що дозволить задовольнити потреби штату Флорида (США) в електричній енергії на 10 %.

Досить оригінальний і простий пристрій запропоновано в Японії для використання змін гідростатичного тиску в товщі води при її хвилюванні. У морі, де ці зміни найбільш помітні, розміщують установку (рисунок 4.8.16), яка складається з трьох камер 1, 3 і 5, з’єднаних між собою через клапани 2, 6 і робочий канал 4. У верхній частині камер 3 і 5 міститься газ, решту простору заповнено струмопровідною рідиною. Якщо канал 4 з’єднати, наприклад, із магнітогідродинамічним генератором, то при зміні тиску довкілля в каналі почне переміщуватися магнітопровідна рідина, що приведе до появи різниці потенціалів на електродах. Така установка може бути дуже зручною для вимірювання тиску та отримання енергії невеликої потужності.

Рисунок 4.8.16 - Схема установки для використання зміни гідростатичного

тиску в товщі води при хвилюванні

4

На рисунку 4.8.17 показано схему побудованої в Японії прибійної електростанції потужністю 500 Вт. Принцип її роботи має переваги у зв’язку з простотою і майже повною відсутністю рухомих частин. Хвиля, яка падає під козирок 1, стискає повітря й жене його крізь сопловий канал 2 до турбіни 3, яка приводить у дію електрогенератор

В Японії створено подібну прибійну електростанцію потужністю 50 кВт. Собівартість виробленої нею електроенергії становить 20- 30 єн/(кВт*год), що відповідає собівартості електроенергії, яка виробляється дизель-електричними станціями.

В біомасі водоростей, що знаходяться в океані, міститься велика кількість енергії. У зв’язку з цим передбачається використовувати для переробки на паливо як прибережні водорості, так і фітопланктон. Як основні способи переробки розглядається зброджування вуглеводів водоростей у спирти і ферментація значної кількості водоростей без доступу повітря для виробництва метану. На стадії розробки знаходиться також технологія переробки фітопланктону для виробництва рідкого палива, яку передбачається сумістити з експлуатацією термальних електростанцій.

У проекті комплексу “Біосоляр” обґрунтовується можливість безперервного розведення мікроводорості хлорела в спеціальних контейнерах, які плавають на поверхні відкритої водойми. Комплекс включає систему зв’язаних гнучкими трубопроводами плаваючих контейнерів і розташованого на березі або морській платформі обладнання для переробки водоростей. Контейнери, що відіграють роль культиваторів, являють собою плоскі ячеїсті поплавки з армованого поліетилену, відкриті зверху для доступу повітря та сонячного світла. Контейнери зв’язані трубопроводом із відстійником і регенератором. У відстійник відкачується частина продукції для синтезу, а з регенератора в контейнери надходять поживні речовини - залишок від анаеробної переробки в метантенку. Отриманий у результаті газ вміщує метан і вуглекислий газ.

Цікавим напрямком океанської енергетики виявилося вирощування із плотів в океані гігантських водоростей - келпів, - які

швидко ростуть і легко перероблюються на метан. За оцінками зарубіжних учених, для повного забезпечення енергією однієї людини-споживача достатньо 1 га плантацій келпів.

Для вирощування бурих водоростей підходять в Україні лимани

^ • _|_ г w. 2

Чорного й Азовського морів. При врожайності рослин 20 г на 1 м водяної поверхні за добу за літній вегетаційний період з 1 га можна зібрати до 24 т біомаси. її переробка в метантенках дасть 12 тис. м газу.

Поки що далекою здається перспектива отримання електроенергії завдяки різниці між солоною та прісною водою, наприклад морською і річковою.

Солона вода океанів і морів містить в собі великі неосвоєні запаси енергії, яка може бути ефективно перетворена в інші форми енергії в районах зі значними градієнтами солоності, якими є гирло таких великих річок світу, як Амазонка, Парна, Конго та ін.

Осмотичний тиск, який виникає при змішуванні прісних річкових вод із солоними, пропорційний різниці концентрацій солей у цих водах. У середньому цей тиск становить 24 атм., а при впаданні річки

о

Иордан у Мертве море - 500 атм.

Явище осмосу являє собою проникнення молекул у рідинах крізь напівпроникну мембрану. Якщо поставити таку мембрану між прісною і солоною водою, то молекули води можуть проникати крізь неї, а солі - ні. Цей процес припиниться тоді, коли тиск стовпа води у “солоному” відсіку стане дорівнювати тиску осмосу П, еквівалентному для звичайної морської води напору 220-240 м, а у лиманах з інтенсивним випаровуванням - до 3000-5000 м. Витрати прісної води, яка проникає крізь мембрану, пропорційні різниці тиску П - р, де р - тиск від “солоного” відсіку.

Можливу схему гідроосмотичної електростанції з греблею у гирлі річки показано на рисунку 4.8.18 [5].

Рисунок 4.8.18 - Гідроосмотична електростанція з греблевим водозабором у гирлі річки:

1 - гребля; 2 - водоприймач прісної води; 3 - насосна станція підкачки солоної морської води; 4 - резервуар високого тиску; 5 - напівпроникна мембрана; 6 - демпфірувальний повітряний прошарок; 7 - енергетичний водоприймач; 8 - злив надлишків прісної води; 9 - споруда ГЕС;

10 - водоприймач солоної морської води; HP - найвищий рівень річки;

МР - мінімальний рівень річки

Як джерело осмотичної енергії передбачається також використати соляні куполи, які містяться в товщі океанського дна. Розрахунки показали, що при використанні енергії, отриманої при розчиненні солі середнього по запасах нафти соляного купола, можна отримати не менше енергії, ніж при використанні нафти, що міститься в ньому.

Роботи з перетворення осмотичної енергії в електричну знаходяться на стадії проектів і дослідних установок. Серед запропонованих варіантів становлять інтерес гідроосмотичні пристрої з напівпроникненими мембранами. В них відбувається всмоктування розчинника через мембрану в розчин, де як розчинник і розчин використовуються прісна вода - морська вода або морська вода - ропа (останню можна отримувати при розчиненні відкладень соляного купола).

Схема роботи гідроосмотичної електростанції полягає в тому, що ропа з соляного куполу перемішується з морською водою, в результаті вода, що проходить через напівпроникну мембрану, під тиском надходить на турбіну з подальшим виробленням електричної енергії.

Гідроосмотична станція може розташовуватися на глибині більше 100 м. В цьому разі прісна вода подається до гідротурбіни по трубопроводу, після турбіни вона відкачується в море осмотичними насосами у вигляді блоків напівпроникних мембран. Залишки річної води з домішками і розчиненими солями видаляються промивним насосом.

Додати коментар

Реквізити Майстерні своєї справи

Адреса і телефони:

Україна, Кіровоградська обл., м. Олександрія, вул. Куколівське шосе 5/1А,
тел./факс +38 (05235) 7 41 13,
+380 (68) 408 39 56 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (50) 984 5 684 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (67) 561 22 71 — решта обладнання
ICQ: 491675177
e-mail: msd@inbox.ru

WordPress Video Lightbox