Прямое преобразование тепловой энергии

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн км2) занимают моря и океаны – акватория Тихого океана составляет 180 млн км2. Атлантиче-ского – 93 млн км2, Индийского – 75 млн км2. Так, тепловая (внутрен-няя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величи-ной порядка 1018 Дж. Однако пока люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии,

Последние десятилетия характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1. В авгу-сте 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергети-ческая установка мини-ОТЕС (рисунок 10.1).. Ее полная мощность составляла в сред-нем 48,7 кВт, максимальная – 53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее – на зарядку аккумуляторов.

Три насоса потребовались из следующего расчета: один – для подачи теплой воды из океана, второй – для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий – для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяется аммиак.

Рисунок 10.2 - Схема арктической ОТЭС на перепаде вода–воздух:

1 – испаритель основного контура; 2 – турбина с электрогенератором;

3 – конденсатор; 4 – теплообменник контура охлаждения промежуточного рабочего тела; 5 – насос для подачи хладагента; 6 – насос для подачи рабочего те-ла; 7 – насос для подачи морской воды; 8 – водозаборник; 9 – патрубок сброса от-работанной воды

10.4.Энергияприливовиотливов

Могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораз-до меньшая масса Луны действует на земные поды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Лу-ной (лунный прилив).

В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретиче-ски через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой (так называемая сизигия), Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив (сизигийный прилив, или большая вода). Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля–Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней.

Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распро-страняется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50…70 см.

Максимально возможная мощность в одном цикле прилив–отлив, т. е. от одного прилива до другого, выражается уравнением

W=rgSR²

где r – плотность воды, g – ускорение силы тяжести, S – площадь приливного бассейна, R – разность уровней при приливе.

Как видно из формулы, для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны». Мощность ЭС некоторых местах могла бы составить 2…20 МВт.

Первая морская приливная электростанция мощностью 635 кВт была построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную электростанцию начали строить в США. Американцы перего-родили часть залива Пассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн долл., но работы пришлось прекратить из-за неудобного для строительства слишком глубокого и мягкого морского дна, а также из-за того, что построенная неподалеку крупная тепловая электростанция да-ла более дешевую энергию.

Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высо-кую приливную волну в Магеллановом проливе, но правительство не утвердило дорогостоящий проект.

С 1967 г. в устье реки Ранс во Франции на приливах высотой до 13 м работает ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с годовой отдачей 540 тыс. кВт·ч.

Уже разработан целый ряд современных устройств для преобразования энергии приливных течений, один из которых показан на рисунке 10.4. Капитальные затраты на создание подобных устройств в расчете на 1 кВт установленной мощности достаточно высоки.

Рисунок 10.4 - Схема электростанции на приливном течении

10.5.Энергияморскихтечений

Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду (по-добно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу).

Важнейшее и самое известное морское течение – Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостро-вом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до – 800 м, а поперечное сечение – 28 км2. Энергию Р, которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой (в Вт)

где m – масса воды, кг, r– плотность воды, кг/м3, А – сечение, м2, v – скорость, м/с.

Подставив цифры, получим

В настоящее время в ряде стран, в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, во многих местах море остается бурным в течение длительного времени.

По аналогии с ВЭУ существующие преобразователи энергии течений можно условно разделить на две группы. К первой целесообразно отнести те из них, в основу которых положен принцип преобразования скоростного напора во вращательное движение турбин. Ко второй, менее многочисленной, группе относят преобразователи, основанные на других физических принципах (объемные насосы, упругие преобразователи и др.).

Родоначальником устройств первой группы по праву считают водяное колесо (рисунок 10.5, а). Ленточное колесо (рисунок 10.5, б) оказывается более компактным, требует меньше материалов, менее подвержено воздействию атмосферы. Подобное устройство может быть установлено в потоке на понтонах с таким расчетом, чтобы нижние лопасти входили в воду, а верхние оставались «сухими». Эффективность преобразования скоростного напора повышается за счет того, что сразу несколько лопастей оказываются под воздействием потока. Однако, простое увеличение числа лопастей лен-точного колеса не приведет к существенному увеличению момента на валах.

Рисунок 10.5 -. Эволюция водяного колеса:

а – колесо-прототип; б – ленточное колесо на плавучем основании; в – ленточное колесо в толще потока;г – ленточное колесо со складными лопастями

На базе ленточного колеса созданы устройства, полностью по-гружаемые в толщу потоков (рисунок 10.5, в, г). Для таких устройств пред-лагается несколько способов уменьшения сопротивления движению ленты во время холостого хода. Это и сооружение воздушной камеры над колесом и применение различных вариантов механизмов складывания лопастей.

10.6 Преобразователиэнергииволн