патенты РФ №№ 2116465, 45161, 48586, 48587, 71379
Рисунок датского архитектора Вансенто Коллебо
"Город в океане"
«Жить за счет даров земли — все равно что жить на свой капитал; жить за счет даров моря — все равно что жить на проценты со своего капитала».
(Роже Шарлъе)
84-килограммовый прототип питается тепловой энергией океана, попеременно всплывая к теплой поверхности и погружаясь в холодные глубины. Ключом к работе аппарата является набор материалов с легким переходом из одной фазы в другую, которые содержатся в десяти внешних трубках. Когда робот поднимается, вещества плавятся и расширяются, а когда ныряет — затвердевают и сокращаются. Расширение воскоподобных материалов создает давление на масло, хранящееся внутри аппарата.
Это масло периодически запускает гидравлический двигатель, который генерирует электроэнергию и подзаряжает батареи робота. Энергия аккумуляторов питает гидравлическую систему, которая изменяет объем аппарата (и, следовательно, его плавучесть), что позволяет ему двигаться по вертикали.
30 ноября 2009 года, автономный подводный аппарат SOLO-TREC испытывается на Гавайях. (Фото NASA / JPL / U.S. Navy / Scripps Institution of Oceanography.)
В ноябре 2009г. НАСА, ВМС, Океанографический институт Скриппса и Калифорнийский университет в Сан-Диего (все — США) продемонстрировали первый подводный аппарат, который получает энергию только за счет разницы температур в океанских глубинах. http://science.compulenta.ru/521563/
Рисунок надводной части энергетического комплекса
Санкт-Петербург 1998г.
Т Е П Л О В А Я Э Н Е Р Г И Я О К Е А Н А
Горячие страницы
Как известно, из всей энергии существующей в Природе, только небольшая часть доступна для практического использования. Ряд источников, которые накапливались миллионы лет, являются не возобновляемыми и быстро истощаются.
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) являются более перспективными но, к сожалению, не имеют высокой концентрации и требуют большой территории для размещения оборудования.
Современная промышленность уже сегодня требует не менее 10 000 ГВт установленной мощности для производства электроэнергии. Для выработка таких объемов электричества используя только солнечную энергию и энергию ветра, необходимо занять на континентах огромные площади, аренда и обустройство которых потребует значительных расходов.
Приемлемым решением энергетической проблемы, представляется размещения генерирующих мощностей на акватории океана, где сосредоточены мощные источники возобновляемой энергии. Относительно высокая концентрация энергии, определяемой физическими свойствами воды и наличие свободного пространства, является определяющим фактором освоения акватории океана.
Ниже приведенная таблица показывает, что за счет вертикальной разности температур тропического океана, отбирая в процессе преобразования энергию эквивалентную 5% солнечного излучения на площади 4х10¹³ м². можно стабильно обеспечить генерирующие мощности на 10 000ГВт.
К настоящему времени в мире имеются патентные разработки и ряд экспериментальных установок изготовленных в США и Японии, которые могут
Освоение тепловой энергии океана по программе Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) входит в национальные программы таких стран как США, Франция, Япония, Швеция, Индия. К сожалению, Россия пока в этом списке отсутствует.
Впервые идею использования тепловой энергии океана предложил французский ученый Д Арсонваль, и хотя прошло уже много времени, эта идея так и находится на уровне обсуждения и экспериментальных работ.
Наиболее приемлемой технической основой OTEC принято считать применение тепловых машин работающих по циклу Ренкина (замкнутый цикл).
Являясь эффективными преобразователями тепловой энергии, они способны работать при незначитедьном перепаде температуры энергоносителя, который существует в низких широтах океана. В этом случае в качестве рабочего тела используется легкокипящая жидкость, температура кипения которой значительно ниже 0°С .
Это позволяет получить пар с рабочим давлением при тех температурах, которые характерны для поверхности тропического океана. Эффективная конденсация пара осуществляется за счет воды с температурой порядка 4°С. находящейся на глубине около 600 метров.
Основными преградами развития ОТЕС можно считать низкий градиент энергоносителя, требующий большой теплообменной поверхности и большя глубина залегания холодной воды, требующая значителной затраты выработанной электроэнергии.
Современные теплообменные элементы, как правило, имеют развитые теплообменные поверхности с высокой удельной теплопередачей, а их массовое производство хорошо освоено холодильной промышленностью. Примером тому могут служить бесчисленные кондиционеры, повсеместно висящие на стенах домов
стать основой для развития новой отрасли гидроэнергетики, использующей тепловую энергию, аккумулированную океаном.
Классический вариант решения проблемы конденсации пара заключается в подъеме холодной воды на поверхность к конденсатору тепловой машины. Для этого используются перекачивающие насосы и 600 метровая пластиковая труба большого диаметра.
Однако, подъем воды практически сводит на нет все затраченные усилия, и создает трудно решаемые проблемы к которым относятся:
· большие энергетические затраты для работы насосов, поднимающих воду;
· выделение растворенных газов из глубинных слоев при снятии давления:
· обрастание теплообменных узлов, постоянно находящихся в теплой воде:
· необходимость иметь технические и энергетические стартовые мощности для запуска станции.
Однако все эти ограничительные проблемы носят технологический характер, и их устранение возможно путем изменения способа размещения узлов тепловой машины.
В случае, если конденсатор тепловой машины располагать в рабочем слое воды на большой глубине, предусматриваемое патентами РФ на изобретение № 2116465 и полезные модели № №, 45161, 48586, 48587, то сокращаются энергетические расходы, и упрощается проблема борьбы с обрастанием. Выделение растворенных газов из глубины и необходимость стартового оборудования полностью утрачивают свою актуальность.
В этом случае к поверхности океана поднимается рабочее тело, обладающее более высокой концентрацией энергии, определяемой не теплоемкостью воды, как в ранних разработках, а теплотой парообразования рабочей жидкости, которая почти на два порядка выше, и это значительно снижает энергетические потери на технологические нужды.
Проблемы обрастания решаются периодическим изменением глубины и температуры работы теплообменных узлов, т.е. теплообменные узлы меняют местами, а периодическая смена условий существования не дает развиваться морским организмам.
Исключая подъем глубинной воды на поверхность исключается и выделение глубинных газов, растворенных в воде.
После установки в районе работы, рабочее тело в теплообменных узлах автоматически приобретает необходимую температуру и готовность к старту, что также снижает энергетические затраты и требования к разности температуры в испарителе и конденсаторе тепловой машины.
В данных разработках, станции получают возможность работать на всей акватории тропического океана, а не только в отдельных наиболее прогретых районах с градиентом температуры выше 22 градусов, что предусматривают старые схемы.
В результате решения технологических проблем связанных со схемой размещения теплообменных узлов, появляется возможность создания мощных электростанций, береговых кондиционеров с дополнительной выработкой пресной воды, надводных и подводных мобильных объектов и т. д. Схема рабочей установки, работающей по замкнутому циклу Ренкина, приведена на Рис.2.1 .
В этой схеме теплая вода подается на теплообменник-испаритель, где рабочее тело (аммиак, пропан и др.) превращается в пар, в результате чего создается повышенное давление.
Проходя через турбину и выделив на ней механическую энергию, пар конденсируется на поверхности второго теплообменника-конденсатора, омываемого холодной водой глубинных слоев.
На Рис.3 показан термодинамический цикл такой тепловой машины в координатах абсолютная температура-энтропия.
Полезная работа, совершаемая паром в турбине, определяется ветвью 1-2, на участке 2-3 происходит конденсация, затем насосом рабочее тело подается в испаритель 3-4, где нагревается (ветвь 4-5) и испаряется (ветвь 5-1).
Таким образом, подвод рабочего тела к системе тепла осуществляется на ветви 3-4-5, а отвод - на ветви 2-3. Дополнительную работу приходится затрачивать на закачку конденсата в испаритель (3-4) и на перекачивание воды сквозь нагреватель и холодильник.
Одним из параметров полученных на экспериментальной установке ОТЕС-1, является коэффициент теплопередачи теплообменных узлов
k =2800 Вт/°С сек м².
Исходя из этой величины, расчетного КПД= 2,5% и установившуюся DТ между энергоносителем (водой) и рабочим телом (около 4°С), получаем величину необходимой теплообменной поверхности S для одного теплообменного узла в расчете на мощность Р=1ГВт :
S= 10¹¹/k·DТ·КПД=10¹¹ / 2800x4x2,5 =3571428 м²
Учитывая, что в схему входят два одинаковых бойлера, получаем общую теплообменную поверхность Sо
Sо = 3 571 428 х 2 = 7 142 856 м²
Теплообменные узлы выполнены из титана,
удельный вес титана - g=4,8т/ м³
Примем:
радиус трубки Rтр=0,007м,
толщину стенки t = 0,0005м.
Объем металла :
Vм =Sо· t = 7 142 856 х 0,0005=3 572 м³
Чистый вес теплообменных трубок:
m= g·Vм=4,8 х 3 572 = 17 146т.
Общая длина трубки:
Lтр = S/t·2pRтр=162 000 000м
Объем занимаемый трубкой:
Vнар= pRтр ²· Lтр =(3,14х0,007)²х162 000 000=25 000м².
Внутренний объем :
Vвн =p(Rтр-t)² · Lтр=3,14х(0,007-0,001)²х162 000 000= 21465м².
Безусловно, расчеты ориентировочные, и показывают лишь доступность современной промышленности создавать энергетические объекты и осваивать акваторию океана.
.JPG)
.gif)
В данном случае активный процесс теплопередачи, определяющий полезную работу, происходит с большими перерывами, а в глубинный слой холодной воды опускается не только рабочее тело, но и вся конструкция аппарата представляющая собой непроизводительный балласт отбирающий практически всю выработнную энергию на вертикальное перемещение аппарата.
Не трудно заметить (рис5), что в предлагаемом варианте российских патентов, вертикальному перемещению подвергается только рабочее тело и процесс теплопередачи происходит непрерывно в оптимальном режиме.
Далее остается обеспечить непрерывность процесса теплопередачи и мощность теплового потока, что предусмотрено российскими патентами. Практическое решение этих проблем позволит строить тепловые гидроэлектростанции (ТГЭС) отвечающую самым жестким экологическим требованиям предъявляемым энергетическим объектам.
Тепловые гидроэлектростанции отбирая энергию нагретого слоя воды в Океане позволят создать глобальную инфраструктуру солнечной энергетики. Для этой цели достаточно вводить ежегодно по сто станций мощностью в 1ГВт в течение 100 лет, при финансовых расходах около 5 долларов на человека в год. Как указывалось выше, концентрация тепловой энергии в океане сопоставима с концентрацией энергии падающей воды равнинной гидроэлектростанци, а энергетический потенциал океана сопоставим с потенциальными возможностями ожидаемых от термоядерного синтеза.
