Дипломная работа: Альтернативные источники энергии

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.

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 рабочей жидкости применяется аммиак,

Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Труба сваривалась на берегу из 58 секций. Выбор полиэтилена связан с тем, что он как будто не подвержен обрастанию и, следовательно коррозии (создание 700-метрового трубо­провода было самым трудным делом). Трубопровод при­креплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случае необходимости ого быстрое отсоеди­нение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба—судно. Оригиналь­ность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной пробле­мой.

Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полу­ченный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро достроить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощ­ных систем подобного типа.

ОТЕС-1 — плавучая лаборатория: как и мини-ОТЕС, она не предназначена для коммерческой выработки элек­трической энергии, хотя ее мощность достигает 1 МВт, т. е. в 20 раз больше, чем у мини-ОТЕС. В качестве вто­ричного рабочего тела в ОГЕС-1 также применяется аммиак. Питательный насос забирает воду из поверх­ностного слоя океана с температурой 27 °С и прогоняет ее через нагреватель аммиака, состоящий из 6304 титано­вых трубок диаметром 2 см. Это — паровой котел уста­новки. Аммиак распыляется в теплых трубках и вскипает. Пар аммиака идет в турбину и вращает ее, а оттуда, со­вершив работу, поступает в конденсатор — холодильник. Конденсатор также сделан из тонких трубок, охлаждаемых водой с температурой немного более 4 °С. Там пары аммиака конденсируются и превращаются снова п жидкость, пере­качиваемую обратно и испаритель. Общая длина трубок в двух теплообменниках (испарителе и конденсаторе) составляет 140 км.

Под установку ОТЕС-1 переоборудован танкер с турбо-электрическим приводом. Электрическая силовая уста­новка танкера позволяет с удобством использовать ее энергетические ресурсы во время проведения различных экспериментов для привода насосов и других целей. На этой установке предполагается проверить некоторые эксплуатационные характеристики ОТЕС, чтобы в даль­нейшем их можно было использовать при создании опыт­ного образца. Число вопросов, подлежащих изучению, достаточно велико. К ним относятся, например, следую­щие. Какого типа теплообменники будут  оптимальными и из какого материала их следует делать? Титан — дорог, нельзя ли его заменить на алюминий или что-нибудь другое? Как быстро будут развиваться морские оргаппзмы-обрастатели в теплообменниках и в других частях системы и как с ними бороться? Как повлияют на состояние окру­жающей морской среды мощные установки такого типа? Как лучше выполнить трубопровод для подъема хо­лодной воды?

Последний вопрос становится традиционным для кон­структоров всех установок ОТЕС. Для OTEG-1 он был решен в пользу применения трех параллельных поли­этиленовых труб диаметром 1 м каждая, длиной но 900 м. Трубы были доставлены на Гавайские острова секциями длиной по 27 м и сварены на берегу. Потом все три трубы были связаны вместе и уложены на тележки, установлен­ные на специальном рельсовом пути, спускающемся прямо в океан. Суммарная масса трубопровода достигла 450 т, укладка его на тележки была выполнена с помощью лебедки. Для закрепления нижнего конца трубопровода вблизи дна потребовалось 50 т балласта. А для поддержа­ния трубопровода в вертикальном положении его верх­ний конец окружен плавучим кольцом, имеющим буй, к которому прикреплен прочный конец; с его помощью трубопровод можно несколько перемещать. Такой способ крепления верхнего конца трубы к днищу судна позволил очень быстро (за 2 часа) произвести постановку трубы в океане. Так же просто происходит и разъединение трубопровода холодной воды с судном, если возникает сильное волнение или по какой-либо друюй при­чине.

Конструкторы установки ОТЕС-1 ввели между трубо­проводом холодной воды и судном новую деталь, которая сделала всю систему более надежной. Речь идет о кардан­ном подвесе трубы к судну. При наличии кардана судно может произвольно качаться на волнах при относительно малоподвижном длинном трубопроводе, если волны не слишком велики (не более 2 м). А если волнение увеличи­вается, судно отцепляется от трубы и уходит в укрытие.

Защелка для быстрого разъ­единения судна с трубой была опробована еще в си­стеме мини-ОТЕС. Применением карданного подвеса трубы и защелки решился старый спор судна с трубой, начавшийся еще при Клоде. Надо сказать, что, видимо, труба все же «победит» судно, в том смысле, что новые станции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это — одна грандиозная тру­ба, в верхней части которой находится круглый машин­ный зал,, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии (рис. 29). Верхний конец трубопровода холодной воды расположится в океане на глубине 25—50 м. Машинный зал проектируется вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут установлены турбоагрегаты, работающие на па­рах аммиака, а также все остальное оборудование. Масса всего сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр, уходящая почти на километр в холодную глубину океана, а в ее верхней части что-то вроде маленького островка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов, не­обходимых для обслуживания системы и для связи с бе­регом. Это любопытный эпизод из новейшей истории развития техники преобразования тепла океана.

Намечено окончание строительства новой, третьей по счету, экспериментальной станции ОТЕС, мощность которой будет находиться в пределах 40—100 МВт. При строительстве этой станции исполь­зуется модульный принцип, она собирается из отдельных блоков по 10 МВт каждый. Такой подход позволит легко наращивать мощность до желательной величины в установленных пределах. Трубопровод холодной воды по-прежнему остается одним из наиболее сложных узлов этой станции. Станции мощностью в 40 МВт требуется трубопровод диаметром 10 м и длиной 900 м. А для про­ектируемой коммерческой станции OTEG на 400 МВт при той же длине трубопровод должен иметь диаметр 30 м. Каждую секунду насосы через него будут прокачи­вать около 1500 м3 холодной воды. Столько же потре­буется прокачать и теплой воды. Суммарный расход воды в этой мощной установке получится, как v реки Нил, — 2600 м8/с, Полное водоизмещение корпуса станции на 400 МВт с заборной трубой оценивается цифрой около 500 тыс. т. Станция должна устанавливаться в районах океана с глубинами более 1200 м. Для ее удержания в районе постановки требуется якорная система с большой массой. В целом — поистине циклопическое сооружение, строитель­ство его предполагалось начать в 1985 г. Было также сообщение о строительстве станции типа ОТЕС в Японии, но значительно менее мощной.

Рис. 2.3. Один из вариантов стан­ции ОТЕС на мощность в сотни мегаватт

I — платформа, 2 — труба холодной воды, з — якорная система

ТЕПЛО ИЗ ХОЛОДА

Энергию можно получать не только из теплых вод тропических или субтропических районов Мирового оке­ана, но и из крайних северных или южных бассейнов пла­неты, т. е. из вод Арктики и Антарктики. Была бы только достаточная разность температур для эффективной ра­боты тепловой машины. А разность там обычно есть, и иногда не меньше, чем в тропиках. Но не между слоями поверхностной и глубинной воды, как в тропиках.

Например, в Северном Ледовитом океане температура в поверхностном слое подо льдом близка к 0 °С. Ниже, на нескольких сотнях метров глубины, температура воды немного повышается и доходит примерно до 0,6 °С. Там находится теплый промежуточный слой, образовавшийся за счет притока вод атлантического происхождения. А глубже нескольких сот метров температура воды снова понижается до минус 1 °С. Самая холодная вода встре­чается в Датском проливе близ Гренландии, где темпера­тура ее падает до минус 2,2 °С; такая же холодная вода бывает и в море Уэддела в Антарктике. Где же при подоб­ных условиях взять достаточно высокую разность темпе­ратур в  этих широтах планеты?

На помощь энергетикам приходит холодный воздух.

Во многих районах Арктики большую часть года темпера­тура воздуха ниже минус 10 °С. Например, на Ново­сибирских островах в году бывает всего 2—4 дня с тем­пературой воздуха выше минус 10 °С, на побережье моря Лаптевых таких дней от 10 до 14, а на архипелаге Север­ная Земля их только 10—12. В остальное время года здесь царствуют морозы, временами значительно превыша­ющие минус 10 °С.

На возможность использования энергетического по­тенциала высоких широт, по-видимому, первым обратил внимание в 1928 г. французский инженер Баржо. В ка­честве нагревателя им предлагалась морская вода с тем­пературой,, близкой к 0 °С. Холодильником должен был служить морозный воздух. В качестве вторичного рабочего тела было предложено взять такое вещество, которое кипело бы при температуре несколько ниже 0 °С и конден­сировалось бы в жидкость при температуре минус 20 °С. Баржо рекомендовал углеводородные соединения типа пропана, бутана или изобутана. Для предотвращения потерь рабочего вещества предлагался замкнутый цикл работы энергетической установки. Схема Баржо имеет много общего с идеей Д'Арсонваля. Но, учитывая аркти­ческие условия, Баржо предлагал вызывать кипение ра­бочего тела путем разбрызгивания в нагревателе морской воды, чтобы замерзая, она отдавала рабочему телу свою скрытую теплоту льдообразования. Это остроумное предложение, но, как лучше реализовать его, до сих пор неизвестно.

Предложение Баржо не было практически реализо­вано. Пятьдесят лет назад указывались минимум две при­чины этого: малый КПД установки и практически не­приемлемые размеры теплообменника (нагревателя) для получения достаточной мощности из-за низкой рабочей температуры нагревателя.

А недавно опубликована работа А. К. Ильина, где показана возможность практической реализации пре­образования тепловой энергии океана в арктических районах 3. В ней отмечается не только важность наличия достаточного градиента температуры, но также и не­обходимость достаточной скорости ветра и скорости те­чения воды в океане. Два последних условия, на которые раньше не обращалось должного внимания, необходимы для обеспечения нормальной работы теплообменников. Благоприятные условия для работы энергетических уста­новок  имеются в  устье  сибирских  рек.

Допустимая максимальная степень охлаждения воды в арктических силовых установках определяется неравен­ством

Тж-Тз=^Т<2К,

где Тж температура морской воды, забираемой в нагре­ватель преобразователя; Т3 температура замерзания морской воды при данной солености.

Физический смысл этого неравенства заключается в том, что морскую воду нельзя доводить до точки замерза­ния, как предлагал в свое время Баржо. Если ола будет замерзать в теплообменнике, служащем нагрева! ел ем для вторичной рабочей жидкости, то образуется лед. который нарушит работу преобразователя.

По расчетам Ильина, КПД энергетической установки мощностью около 50 кВт в арктических условиях полу­чается в пределах 0,79—2,08 %. Речь идет о КПД исполь­зования тепла воды, что же касается КПД самой уста­новки, то он достаточно высок и достигает 43 %. Эта цифра относится к аммиачной установке мощностью 1 МВт. На основании детальных расчетов автор приходит к вы­воду, что в арктических районах океана зимой энергия, обусловленная разностью температур между морской во­дой подо льдом и атмосферным воздухом, может использо­ваться достаточно эффективно.

Имеется и другой путь использования тепловой энер­гии океана в высоких широтах. Речь идет о термоэлектри­ческих преобразователях, на перспективность применения которых для этой цели указывал академик А. Ф. Иоффе еще в 1932 г. В наше время этот вопрос исследуется в Тихоокеанском океанологическом институте . По расчетам, при разности температур 10 °С и разности глубин 100 м при использовании термоэлектрических преобразователей энергии с КПД 1 % с 1 км2 поверхности океана можно получить электрическую мощность около 100 МВт. Необходимым условием является наличие тече­ния со скоростью не менее 0,1 м7с. Отмечается, что «общая энергия Мирового океана, которую можно использовать подобным образом, превышает 1020 Дж в год, т. е. сравнима

С энергией, получаемой от сжигания химического топлива на  Земном шаре  в течение  года».

Использование новых источников энергии весьма важно для развития энергетики Крайнего Севера.

§2.3.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ  МАГНИТАМИ

Фарадей открыл закон электромагнитной индукции с помощью постоянного магнита в виде стержня, который он вводил (рукой) в катушку с медной проволокой. При каждом вводе или выводе магнита в катушку на концах ее обмотки наблюдалось возникновение электрического напряжения. Согласно закону электромагнитной индук­ции, величина возникающей электродвижущей силы прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через катушку и числу витков катушки.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6