Альтернативные источники энергии и энергосбережение - [73]
Можно подсчитать, что при теоретическом КПД, равном 7,3 %, на турбине получаем величину примерно в 2 раза меньшую — 3,6 %.
Причем она не учитывает потери на собственные нужды станции, которые сведут КПД до величины, порядка 2,5 %.
Принимая во внимание, что теплообменные узлы являются определяющими по массе, габаритам и стоимости, можно, допустив некоторый резерв, предположить что, водоизмещение станции составит порядка 75 000 т/ГВт.
На рис. 5.10 приведена экспериментальная станция. Основным и наиболее дорогим материалом для строительства станций является титан, ежегодный расход которого при крупномасштабном строительстве может составить порядка 1 миллиона тонн, что может быть легко достигнуто мировой промышленностью.
Рис. 5.10. Тепловая океанская станция
Сам термин «преобразование тепловой энергии океана» (ОТЕС) — «ocean termal energy conversion» — означает преобразование некоторой части этой тепловой энергии в работу и далее в электроэнергию.
Схема установки, работающей по открытому циклу Клода, показана на рис. 5.11. В качестве рабочего тела здесь использована морская вода, подаваемая в испаритель через деаэратор, освобождающий воду от растворенных в ней газов (http://renewables.ru/pdf_doc/lecturel4.pdf).
Рис. 5.11. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу (цикл Клода)
Предварительно из полостей испарителя и конденсатора удаляется воздух, так что давление над поверхностью жидкости определяется только давлением насыщенных паров, которое сильно зависит от температуры. При характерных для ОТЭС температурах этот перепад составляет примерно 1,6 кПа (при замкнутом цикле на аммиаке около 500 кПа), под действием этого перепада пары воды приводят в движение турбину, попадают в конденсатор, где и превращаются в жидкость.
Основное отличие цикла как раз и состоит в малости перепада давлений, что требует использования соответствующих гигантских турбин диаметром в несколько десятков метров. Это, пожалуй, основной технический недостаток систем открытого цикла. Основное же их достоинство — отсутствие гигантских нетехнологичных теплообменников. Кроме того, при работе систем открытого цикла могут быть получены большие количества пресной воды, что немаловажно в жарком поясе планеты.
Особенность работы таких станций — так называемый «треугольный» цикл: нагрев и испарение рабочего тела в результате политропного процесса, адиабатное расширение через турбину, изотермическое сжатие при подаче в испаритель с одновременным отводом избыточного тепла в холодильнике.
КПД такого цикла ниже термического КПД цикла Карно примерно в 2 раза. С точностью до 1 % он определяется выражением
η = (T01—Т02)/2Т01,
где T01 — температура теплой подледной воды (275 К); Т02 — температура охлаждающего воздуха (до 233 К).
Удельная мощность, получаемая с 1 м>2 площади океана, при разности температур воды и воздуха, равной 10 °C, составляет примерно 18 кВт/м>2 при разности 20 °C — 60 кВт/м>2, а при разности 30 °C — 125 кВт/м>2.
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 м>2.
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.
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/(м>2К).
Такие значения коэффициентов теплоотдачи, конечно, уступают получаемым в настоящее время в конструкциях водо-водяных теплообменников традиционных ОТЭС (до 5 кВт/(м
