Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Рисунок 9.3. Термодинамический цикл ОТЭС (цикл Ренкина).

Максимальный теоретический КПД такой системы определяется разностью температур воды, подаваемой в нагреватель и холодильник, как КПД эквивалентного цикла Карно

Для перепадов температур между поверхностными и глубинными слоями воды в пределах от 15 до 26 °С он соответственно изменяется в диапазоне от 5 до 9 %. Реальный КПД, как правило, существенно ниже. Это связано с конструктивными ограничениями, не позволяющими в реальной установке довести температуру паров и конденсата до температуры теплых и холодных вод соответственно (на рисунке 9.3 это подчеркнуто с помощью разностей температур ?Т_Н=Т₀₁-Т₁ и ?Т_К =Т₂ -Т₀₂. Конкретные температуры приведены на Рисунок 14.2.1. Можно подсчитать, что при теоретическом КПД, равном 7,3 %, на турбине получаем величину примерно в 2 раза меньшую - 3,6%. Причем она не учитывает еще потерь на собственные нужды станции, которые сведут КПД до величины, меньшей 2,5%. Это, в свою очередь, означает, что для получения 1 МВт «полезной» мощности через теплообменники такой станции должно пройти не менее 40 МВт тепловой мощности. Именно поэтому ОТЭС требуют огромных расходов теплой и холодной воды, измеряемых в тысячах кубометров в секунду.

Для того чтобы представить себе, что же такое реальная промышленная ОТЭС, достаточно указать такие ориентировочные цифры: станция мощностью 40 МВт (плавучая) должна иметь водоизмещение примерно 70 тыс. т, диаметр трубопровода холодной воды 10 м и рабочую поверхность теплообменника около 45 тыс. м².

9.3 Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу

Схема установки, работающей по открытому циклу Клода, показана на рисунке 9.4. В качестве рабочего тела здесь использована морская вода, подаваемая в испаритель через деаэратор, освобождающий воду от растворенных в ней газов. 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.

Рисунок 9.4. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу (цикл Клода): 1 - насос теплой воды; 2 - деаэратор; 3 - вакуумный насос; 4 - испаритель; 5 - турбина с электрогенератором; 6 - конденсатор; 7 - насос для подъема холодной воды.

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.

9.4 Использование перепада температур океан-атмосфера

Идея использования перепада температур между холодным воздухом и незамерзающей (теплой) водой подо льдом Арктики впервые была высказана во Франции А. Баржо, развившим идею Д'Арсонваля по преобразованию тепловой энергии, запасенной в океане. В нашей стране с ее протяженным арктическим шельфом работы в этой области всегда вызывали интерес. Достаточно указать на проекты Г. Покровского (1901-1979 гг.), на работы, выполненные под руководством В.И. Марочека во Владивостоке, на проведенные там же исследования А.К. Ильина и В.В. Тикменова.

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, как показано в одной из работ А.К. Ильина, ниже термического КПД цикла Карно примерно в 2 раза. С точностью до 1 % он определяется выражением

где T₀₁ - температура теплой подледной воды (275 К); T₀₂ - температура охлаждающего воздуха (до 233 К). Значительный перепад температур сможет компенсировать снижение КПД. Теоретическую мощность такой ОТЭС можно оценить с помощью формулы В.А. Акуличева

(9.2)

где k = H/L - отношение толщины используемого слоя теплой воды к характерной длине возмущения среды вдоль течения;

u - скорость течения;

A - площадь взаимодействия станции с океаном;

з - коэффициент потерь в агрегатах и системах.

Если положить в этом выражении k =1 и считать механические потери в агрегатах станции пренебрежимо малыми (з _м = 1), то удельная мощность, получаемая с 1 м² площади океана при разности температур воды и воздуха, равной 10 °С, составляет примерно 18 кВт/м² при разности 20 °С - 60 кВт/м², а при разности 30 °С - 125 кВт/м². В этих оценках величина скорости движения воды принята равной 0,02 м/с - характерная скорость для прибрежных районов Северного Ледовитого океана [1.14]. Таким образом, при отсутствии ограничений по глубине океана в зоне размещения полярной ОТЭС и мощности в 1 МВт она будет возмущать тепловой режим на площади всего около 20 м².

На рисунке 9.5 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.

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.

Рисунок 9.5. 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 тела; 7 - насос для подачи морской воды; 8 - водозаборник; 9 - патрубок сброса отработанной воды.

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 °С при движении в воздухе со средней разностью температур 30 °С ей необходимо пролететь в свободном падении чуть более 3 м. Распыляя таким образом раствор хлористого кальция, можно добиться удельного съема энергии более 230 Вт/(м²К). Такие значения коэффициентов теплоотдачи, конечно, уступают получаемым в настоящее время в конструкциях водо-водяных теплообменников традиционных ОТЭС (до 5 кВт/(м²К)), но превышают примерно в 5 раз характерные величины для простейших воздушных теплообменников станций без промежуточного теплоносителя. Это позволяет снизить металлоемкость конденсаторов и примерно на 20 % увеличить выработку полезной энергии.

9.5 Прямое преобразование тепловой энергии

Схема ОТЭС на термоэлектрических преобразователях показана на рисунке 9.6. В основе ее действия - явление Зеебека, заключающееся в возникновении разности потенциалов в электрической цепи, составленной из материалов с различной концентрацией носителей заряда, места соединений которых нагреты до разных температур. Величину этой разности потенциалов можно определить по известной формуле:

(9.3)

где k - постоянная Больцмана;

e - заряд электрона;

n₀₁, n₀₂ - концентрации носителей (электронов в проводниках, электронов и дырок в полупроводниках);

?T - разность температур между нагреваемыми и охлаждаемыми спаями (соединениями) разнородных электропроводящих материалов.

Действие такой системы полностью описывается законами термодинамики, справедливыми для обычных ОТЭС. КПД такого преобразователя, выполненного на полупроводниковых элементах, достигает 10 %. Это значительно больше, чем у систем, работающих по циклу Ренкина и Клода. Кроме того, в системах таких ОТЭС к минимуму могут быть сведены потери на собственные нужды станции. Величина термо-ЭДС для полупроводниковых пар может достигать нескольких милливольт на градус (для металлических термопар они примерно в 1000 раз ниже). Например, постоянная Зеебека для кристаллов теллурида висмута с n- и p-проводимостью равна 3,14·10-⁴ B/K. Другое достоинство полупроводниковых систем - возможность обеспечения достаточно высокой теплоизоляции между нагревателем и холодильником, что сильно влияет на КПД систем.

К недостаткам таких систем относятся достаточно высокая стоимость материалов, из которых изготовляются элементы, и необходимость изолировать спаи от непосредственного контакта с морской водой - происходит шунтирование через воду соседних элементов, обладающих достаточно высоким собственным сопротивлением, и, следовательно, снижение мощности, выдаваемой в цепь нагрузки. В свою очередь, изолирование спаев приводит к удорожанию преобразователей и ухудшению их показателей. Работы, выполненные группой исследователей из университета Осаки (Япония), показывают, что при отсутствии изолятора в несколько раз увеличивается съем полезной мощности. Однако необходимо иметь в виду, что в опытах японских исследователей в качестве носителя энергии использовалась не сама морская вода, а фторуглеродистые соединения.

ОТЭС, созданные на описанном принципе, вероятно, можно применить для обеспечения электроэнергией комплексов подводной добычи полезных ископаемых на океанском дне.

Рисунок 9.6 - Схема ОТЭС с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую: а - устройство отдельного блока; б, в - варианты устройства термоэлектрического преобразователя; 1 - кожух; 2 - термоэлектрический генератор; 3 - полупроводниковые элементы с n- и p -проводимостью; 4 - поверхностное изолирующее покрытие; 5 - изолятор; 6 - соединительные шины.

Заключение

Несмотря на внешнюю привлекательность «нетрадиционных» видов получения электроэнергии, иногда называемых «малой энергетикой», у них есть ряд недостатков. Само это второе название говорит, прежде всего, о том, что с их помощью пока, на современном уровне развития техники и экономики, невозможно получить так же много электроэнергии, как с помощью тепловой, гидро- или атомной энергетики. Но, возможно, этот недостаток преодолим в ближайшие десятилетия. А вот какие могут быть вредные последствия от развития такой нетрадиционной энергетики?

Например, существует в мире несколько электростанций, которые используют энергию приливов и отливов в океанах и морях. Казалось бы, что может быть лучше - практически безотходный способ получения энергии, почти вечный двигатель. Но, оказывается, если таких станций построить много, они могут существенно замедлить вращение Земли вокруг своей оси! Вред от такого вмешательства в природу может совершенно непредсказуемым и непоправимым. Солнечные электростанции так же, как и ветряные, и геотермальные пока могут быть построены далеко не везде.

А в Германии чрезмерное использование энергии ветра привело к ослаблению ветров, которые раньше выдували смог и вредные отходы, выделяемые в окружающую среду фабриками и заводами, с территории городов. Теперь экология этих населенных пунктов заметно ухудшилась.

А главный их недостаток на сегодня - это дороговизна, в большой потребности количества материалов и в очень обширной территории, которая тоже не везде может быть найдена. Строят солнечные станции на крышах домов и в космосе, на орбитальных станциях. При этом используют самые современные солнечные батареи. Но, к сожалению, заменить собой традиционные виды получения электроэнергии в нужном количестве они пока не могут.

В наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонны нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Не мудрено, что нефть и газ будет стоить все дороже. Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники. Запасы урана, если сравнить их с запасами угля, вроде бы не столько уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергию в миллионы раз большую, чем уголь. А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю…

Всегда было так: следующий источник энергии был более мощным. То была «воинствующая» линия энергетики. Часто она шла рука об руку с военными приложениями: атомная бомба, водородная. В погоне за избытком энергии человек все глубже погружался в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков. Но времена изменились. Сейчас, в конце ХХ века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.

Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя самые новейшие идеи, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, и все тянется к энергетике, зависит от нее. Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, находящаяся в кварках, «черных дырах», вакууме, - это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики.

Библиографический список

1 Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление: Учеб. для вузов. - М.: Стройиздат, 1991. - 735 с.

2 Плешка М.С., Вырлан П.М., Стратан Ф.И. и др. Теплонасосные гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения зданий. - Кишинев: Штиинца, 1990. - 122 с.

3 Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха: Справ. пособие/ Л.Д. Богуславский, В.И. Ливчак, В.П. Титов и др.; Под ред. Л.Д. Богуславского и В.И. Ливчака. - М.: Стройиздат, 1990. - 624 с.

4 Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. - М. Энергоатомиздат. 1990. - 392 с.

5 Коробков В.А. Преобразование энергии океана. - Л.: Судостроение, 1986. - 280 с.

6 Волновые энергетические станции в океане / В.И. Сичкарев, В.А. Акуличев. - М.: Наука, 1989. - 132 с.

7 Бернштейн. Л.Б. и др. Приливные электростанции.

8 http://acre.murdoch.edu.au/ - The Australian Renewable Energy Website.

9 Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)

Размещено на Allbest.ru