Киловатты отнептуна: испарение

Киловатты отнептуна: испарение

Ученые стремятся вынудить трудиться на человека прибой, волны, ветер а также растворенную вводе соль. Но несравнимо довольно широкие возможности откроются, в случае если им удастся перевоплотить в электричество разность температур между нагретой поверхностью океана и его студеными глубинами.

Французский биофизик Жак Арсен Д Арсонваль первым додумался, что кипящая в вакууме теплая морская вода способна вращать паровую турбину и генерировать электричество. Холодная вода с громадных глубин наряду с этим обязана употребляться для конденсации получения и пара питьевой пресной воды. Его публикация на эту тему показалась в первой половине 80-ых годов XIX века, но следующие полвека блестящая мысль благополучно пролежала под сукном: у самого Д Арсонваля нашлись более приземленные темы для изучений, а вторым ученым она была скучна.

Открытый цикл

Только в середине 1920-х изобретатель Жорж Клод, которого именовали «французским Эдисоном», взялся за техническую реализацию проекта. В первой половине 30-ых годов двадцатого века в кубинской бухте Матанзас и в 1935-м в Бразилии он выстроил энергоустановки с паровыми турбинами низкого давления. Номинальная мощность первой составляла 22 кВт, второй — 1,2 МВт.

Принцип их работы был весьма несложен: теплую, как парное молоко, морскую воду закачивали в вакуумную камеру с давлением в пределах 0,03 атм, где она мгновенно вскипала и вращала лопатки турбины генератора. Отработанный пар через клапан выбрасывался в емкость с трубчатым змеевиком-конденсатором из бронзы, в котором циркулировала ледяная вода, поднятая насосами из глубины. В данной емкости, в условиях давления, пар преобразовывался в сверхдефицитный товар- питьевую воду.

Ее собирали в громадные емкости, а глубинную воду, сделавшую собственный дело, сливали через трубопровод обратно в море на некоем удалении от территории водозабора.

Совокупности для того чтобы типа, кроме того при смехотворном КПД 1−2%, при температуре горячей воды в пределах 25−28°С имели нетто-хорошую мощность, другими словами потребляли меньше энергии, чем производили. К сожалению, оба опыта закончились неудачей из-за технологического несовершенства: на Острове Свободы хлипкая конструкция не выдержала натиска волн и развалилась еще до запуска, а в Бразилии списанную баржу водоизмещением 10 000 т, на которой Клод собирался поместить собственную установку, так и не удалось поставить на мертвый якорь.

20 лет спустя схема с применением морской воды в качестве рабочей жидкости, названная потом станцией открытого цикла, либо цикла Клода, была использована при постройке коммерческой тепловой электростанции шельфового базирования мощностью 3 МВт у Берега Слоновой Кости. К сожалению, и данный проект провалился — по обстоятельству чисто экономической: одновременно с этим вблизи Абиджана показалась маленькая ГЭС, всецело перекрывавшая ограниченный спрос недорогими киловаттами.

Громадному бизнесу разработка конверсии тепловой энергии океана OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) была совсем скучна впредь до энергетического кризиса 1970-х. изобилие и Дешёвая нефть каменного угля никак не стимулировали инвестиции в другую энергетику. OTEC стала необычной «заначкой на тёмный сутки».

Ко-гда же данный сутки наступил, оказалось, что идеи Д Арсонваля и Клода без лишнего шума были глубоко пересмотрены и модернизированы выдающимся американским изобретателем-одиночкой, обладателем 125 патентов в области машиностроения и теплотехники Хилбертом Андерсоном.

Закрытый цикл

В 1940—1950-х Хилберт Андерсон занимался разработкой вакуумных насосов, компрессоров, паровых турбин, конструировал неповторимое сложнейшие системы и горное оборудование теплообмена. В первой половине 60-ых годов двадцатого века Андерсон совершил детальный анализ термодинамики OTEC открытого цикла и осознал, что разработку возможно без шуток улучшить, заменив воду вторым, более действенным рабочим телом с низкой температурой кипения, циркулирующим по замкнутому циклу, и тем самым избавившись от капризных затрат энергии и вакуумных компонентов на предварительную деаэрацию горячей воды. Очевидно, при таковой схеме приобретать питьевую воду становилось нереально, но КПД совокупности возрастал в два раза — с 2 до 4%.

В итоге инженер остановил собственный выбор на пропилене, промышленном хладагенте, что вскипает при давлении 10 атм на отметке 19 °C. В первой половине 60-ых годов двадцатого века Андерсон вместе с сыном Джеймсом запатентовали разработку OTEC закрытого цикла, а в 1972-м создали компанию Sea Solar Power и на собственные деньги выстроили демонстрационную модель установки с проточными теплообменниками, трудящуюся на горячей и холодной воде из водопровода. Устройство размером с холодильник легко справлялось с едой дюжины лампочек накаливания.

Позднее Андерсоны создали проект плавучей электростанции водоизмещением 25 000 т нетто-мощностью 100 МВт с твёрдой многосекционной трубой громадного диаметра из стекловолокна для забора глубинной воды и подачей горячей воды самотеком, но так и не смогли отыскать денежных партнеров для ее строительства.

В разгар нефтяного кризиса начала 1970-х эксперты Lockheed Martin по заказу Департамента энергетики и ВМФ США создали и запатентовали сходу пара предположений установки OTEC закрытого цикла, в которых в роли рабочего тела выступал аммиак. Всплеск активности американцев был вызван не только нефтяными интригами, но и резким усилением позиций соперников — в первой половине 70-ых годов XX века в Японии для изучения неприятностей OTEC был основан целый университет с высококлассным оборудованием.

В первой половине 70-ых годов XX века американским руководством на Гавайях была создана специальная лаборатория NELHA, и уже в 1979-м на ее базе инженеры Lockheed, Dillingham Corp и Makai Ocean Engineering выстроили экспериментальную станцию Mini-OTEC мощностью 50 кВт. Она размешалась в 2 км от Кихоул-Пойнт на борту переоборудованной баржи ВМФ США. Забор холодной воды температурой 6 °C осуществлялся с глубины 900 м по полиэтиленовой трубе, а критически серьёзные элементы совокупности — теплообменники- были выполнены из титаного сплава.

Mini-OTEC стала первым в истории проектом с хорошей нетто-мощностью, достигавшей при оптимальных погодных условиях 15 кВт. Действительно, через два года данный рекорд был побит японцами.

В первой половине 80-ых годов XX века Александр Калина, инженер американской компании Wasabi Energy, вместо чистого аммиака внес предложение применять его водный раствор — нашатырный спирт. Добавление в стандартную совокупность адсорбера компонентов — и новых рекуператора — разрешало совершенно верно регулировать насыщенность раствора и извлекать из отработанной воды остаточное тепло для предварительного подогрева воды на входе. КПД установки OTEC цикла Калины при температуре горячей воды 28 °C и холодной 4 °C образовывает не меньше 5%.

Японец Харуо Уэхара из Университета Сага в первой половине 90-ых годов двадцатого века опубликовал описание совокупности двойного испарения водно-аммиачной смеси с дополнительными турбинами, нагревателями и теплообменниками входящей воды. Уэхара говорит, что, не обращая внимания на неспециализированное усложнение, в его концепции термический КПД достигает 7%.

Размер имеет значение

Начальник проектов OTEC корпорации Lockheed Martin Роберт Варли уверен в том, что активная коммерческая генерация энергии из температурного градиента океана начнется только через 20−30 лет, а в ближайщее время нужно будет обкатывать разработку на пилотных установках по 5−10 МВт.

Основная неприятность кроется в огромных теплообменниках. Долгие опыты в Японии и на Гавайях продемонстрировали, что их эффективность весьма скоро падает из-за загрязнения микроорганизмами и солями. С морской живностью пробовали бороться механическими методами: чисткой и фильтрацией.

Но установка фильтров ведет к через чур громадным энергозатратам на прокачку воды, а подача губчатой резиновой дроби в каналы совокупности почему-то только стимулирует размножение микроорганизмов.

Сейчас ученые делают ставку на легкое хлорирование воды. Им удалось всецело исключить биозагрязнение титановых, алюминиевых и пластиковых поверхностей добавлением к воде мизерного количества хлора — 70 частиц на миллион — всего лишь на час в день.

Вот лишь как скажется эта «химчистка» на морской экосистеме через пять, десять либо двадцать лет, в случае если учесть, что для постоянной работы станции мощностью 100 МВт 365 дней в году нужно будет прокачивать 720 кубов в секунду ледяной и 420 горячей воды? Ответа на данный вопрос, по словам вице-президента Lockheed Martin Криса Майерса, пока нет.

Еще одна острая неприятность — километровая труба для подъёма и забора глубинной воды. В первых предположениях установок обоих типов ее делали из толстого полиэтилена. Для маломощных станций в десятки киловатт данный материал в полной мере приемлем.

Но экономические расчеты продемонстрировали, что минимальная нетто-мощность плавучей установки, претендующей на коммерческий успех, должна быть не меньше 50МВт. По оценке экспертов, для сооружения водоизмещением от 125 до 250000 т пригодится стекловолоконная труба диаметром 8,7 м и толщиной стены 75 мм. Масса трубы в сборе составит 2500 т.

НАТО все сгодится

Но и ветхие хорошие совокупности OTEC открытого цикла имеют неоспоримые плюсы, основной из которых — попутное опреснение громадного количества воды. Компактные установки, талантливые обеспечить военно-морские базы питьевой водой и электричеством «в одном флаконе», очень актуальны для ВМФ США. Корпорация Lockheed Martin к 2015 году по договору с ВМФ обязана запустить на Гавайях пилотную тепловую электростанцию (до тех пор пока закрытого типа) мощностью 5 МВт.

Если она оправдает надежды, то партнеры приступят к реализации сходу двух громадных проектов мощностью 100МВт на Гавайях и на острове Гуам. Помимо этого, в течение двух лет на удаленной базе Диего Гарсия компания OCEES International начнет строить для моряков маленькую установку открытого типа в 13 МВт нетто-мощности, которая заменит нынешние дизель-генераторы и будет выдавать на-гора по 4,7 млн литров пресной воды в день.

Но, и гражданские не планируют плестись варьергарде OTEC. Гавайи к 2030 году собираются производить не меньше 70% всего электричества из экологически чистых возобновляемых источников. Без развертывания группировки установок OTEC им не обойтись.

Островные электросети Hawaii Electric Company вместе с компанией Sea Solar Power в 2015 году начнут эксплуатацию шельфовой станции цикла Андерсона мощностью 25 МВт с возможностью повышения производительности до 100 МВт к 2020 году.

Японцы, 35 лет проводившие фундаментальные изучения на базе Университета Сага, в скором будущем выстроят пара маленьких экспериментальных установок. Тепловая электростанция шельфового базирования скоро даст первые киловатты в Индии. Примечательно, что и у России, удаленной от тропиков, имеется шанс включиться в данный процесс.

Так как в установках закрытого типа употребляются кипящие при низких температурах рабочие жидкости, а на эффективность процесса воздействует не безотносительная температура, а отличие температур, мы можем развернуть собственные мощности в Арктике. Комбинация весьма холодного воздуха и морской воды с плюсовой температурой дает градиент далеко за 25 а также за 30 градусов. Наряду с этим установка будет значительно дешевле хорошей: километровая труба для забора глубинной воды в данной схеме не нужна.

OTEC в цифрах

Каждый день 60 млн км2 тропических вод адсорбируют солнечную энергию, эквивалентную 250 млн баррелям нефти.

В акватории Японии возможно создавать 1014 кВтч в год, что эквивалентно энергии, содержащейся в 8,6млн тысячь киллограм нефти.

Самым благоприятным районом в мире для генерации энергии по разработке OTEC есть восточное побережье острова Тайвань. Теоретически в том месте возможно создавать до 30 ТВт электричества в год.

Для действенной работы установок OTEC температурный градиент (отличие между температурой горячей воды на глубине до двадцати метров и холодной, поднятой с 1000 м) должен быть не меньше 20 °C.

Понижение температурного градиента всего на 1 градус ведет к понижению производительности установки на 10−15%.

Максимальный КПД совокупностей открытого и закрытого цикла равен 7%. Наряду с этим результирующий КПД электростанции мощностью в пара милионов ватт с учетом утрат непревышает 2,5%.

Попутные продукты

Отработанная глубинная вода со станции может трудиться как экологически чистый хладагент в совокупностях кондиционирования прибрежных городов.

Охлажденная таковой водой земля разрешает выращивать в тропиках более ста видов овощей ифруктов, в большинстве случаев не произрастающих в этих широтах.

Холодная вода, весьма богатая планктоном, годится для неестественного выращивания лосося, тунца, лобстеров и водорослей.

Плавучие установки OTEC, трудящиеся в удаленных отпобережья районах океана, смогут быть использованы для производства жидкого водорода способом электролиза воды.

Морская вода содержит в себе 57 элементов таблицы Менделеева. На данный момент японские исследователи из университета Сага тестируют разработке экстракции из нее лития, урана, других металлов и магния.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№106, август 2011).

Ватт. Киловатт. Киловатт-час. Азбука радиолюбителя 5


Темы которые будут Вам интересны: