Ветровые волны и зыбь хороши тем, что для использо-вания их энергии не надо искать особых мест с благо-приятными географическими условиями, как для при-ливных волн. Они бывают на любой акватории -- был бы ветер да пространство для разгона. Чтобы утилизировать энергию ветровых волн (и зыби), не надо строить больших и дорогих плотин, что также очень важное преимущество. Именно поэтому в разных странах ведутся исследования по выбору наилучших способов преобразования энергии ветровых волн и зыби. Созданы волноэнергетические уста-новки разных мощностей, использующие различные фи-зические принципы для преобразования энергии волн.
Почти полвека назад академик В. В. Шулейкин от-метил три основных направления, по которым шла кон-структорская мысль в решепии проблемы использования энергии поверхностных волн . На одно из первых мест он ставил использование энергии качки: движение по-плавка передается поршням насосов. Если учесть, что поплавок может иметь массу в сотни тонн, а размах коле-бательного движения принять порядка нескольких мет-ров, то, очевидно, таким путем может быть получена весьма значительная мощность. Современные английские проекты использования волновой энергии («утка» Солтера и «плот» Коккереля) основываются именно на этом прин-ципе. Второй способ -- использование ударного давле-ния: волны ударяют в подвижную деталь волновой ма-шины и отдают ей свою кинетическую энергию. Этот принцип с успехом применялся в конце прошлого столе-тия в установках, использовавших энергию волн для на-качки воды. Не потерял он своего значения и в наши дни (правда, для маломощных установок). Третий путь -- использование гидравлического тарана. По этому спо-собу была построена экспериментальная установка на станции Морского гидрофизического института АН СССР в Крыму. Ныне эта идея в большем масштабе реализу-ется на острове Маврикий и в других местах.
Различные виды энергии океана американский спе-циалист Д. Д. Айзеке предложил условно оценивать одной мерой -- в метрах водяного столба 2. Эта величина на-зывается им плотностью потока, она характеризует сте-пень концентрации данного вида энергии. С помощью этого понятия удобно сравнивать между собой различные виды энергии в океане. Например, для теплового гради-ента (т. е. разности температур между теплым и холодным слоями) 20 °С плотность потока составляет 570 м водя-ного столба, ее напор -- как в грандиозном водохрани-лище, подпертом плотиной высотой более полукилометра. А для градиента 12 °С плотность потока равна 210 м. Обе цифры (210 и 570 м) рассчитаны с учетом КПД тепло-вой машины, работающей по циклу Карно. Такую плот-ность потока в океане имеет еще только энергия градиента солености (осмоса) -- 240 м. Другие виды энергии океана имеют значительно меньшие значения плотности потока. Так, для ветровых волн она составляет 1,5 м, а для океан-ских течений --лишь 0,05 м. Но, как сказал Д. Д. Ай-зеке, еще остаются неоткрытыми совершенно новые прин-ципы, простые и сложные, обнаружив которые, можно использовать ресурсы океана, связанные с энергией, для блага человечества.
§2.2ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА
ИДЕЯ Д'АРСОНВАЛЯ И РАБОТЫ КЛОДА
В 20-е годы нашего века многие журналы мира обошел странный рисунок (рис. 27): из-под киля судна в глубину уходила труба больше самого судна. Столь необычная труба понадобилась французскому ученому Жоржу Клоду . для подъема из глубин океана холодной воды. Клод в те годы начал экспериментальные работы по использованию тепла океана для получения электрической энергии. \ Но чтобы извлечь энергию из теплой воды, одновременно необходима и холодная. Теплой воды сколько угодно на поверхности океана в тропиках, а холодная вода (4--5 °С) есть только на больших глубинах океана -- около 1 км. Для ее получения оттуда и понадобилась длинная труба, которая оказалась самой уязвимой частью энерге-тической установки и отломилась во время шторма, а судно потерпело аварию.
Это была уже не первая попытка Клода использовать тепло океана для выработки электрической энергии'. Перед опытом: с трубой на судне он испытывал энергети-ческую установку на берегу океана (Атлантического). Но чтобы с берега достать холодную воду, потребовалась труба длиной около 1,8 км (по другим данным, 2,5 км). Потери напора в длинной трубе были так велики, что на них шла значительная часть мощности, которую могла выработать установка. Слишком длинная труба практи-чески не позволяла реализовать прекрасную идею. Длину трубы можно было бы значительно сократить, если смонти-ровать установку не на берегу, а на судне, трубу же опустить прямо с судна в глубину. Что и было сделано. Однако конструкция не выдержала первого шторма.
Но главное было сделано -- две недели установка проработала и дала мощность 22 кВт за счет тепла океана. Правда, на собственные нужды она потребила значительно больше. Однако правильность принципа была доказана -- и в этом заслуга Клода. Надо сказать, что соединить с судном трубу длиной более полукилометра -- далеко не простое дело.
Удовлетворительно решить этот вопрос удалось только в конце 80-х годов нашего века, когда была создана установка мини-ОТЕС.
Клод вместе с французским ученым Бушеро сделали несколько попыток по созданию энергетических тепловых установок в разных частях Атлантического океана: в за-ливе Мантанзас на Кубе, на побережье Абиджана и в при-брежных водах Бразилии. Но ни разу им не удалось получить из океана больше энергии, чем установка потреб-ляла на собственные нужды, и поэтому для своей работы она требовала дополнительной энергии от вспомогатель-ного источника. Эта печальная особенность отчасти была связана с малой мощностью установки, из-за чего различ-ные потери составляли слишком высокий процент в общем балансе. Потерь оказалось больше, чем первоначально предполагалось.
Первым обратил внимание на громадные запасы тепло-вой энергии в океане французский ученый Жак Д'Арсон-валь более 100 лет назад (1881 г.) и теоретически показал возможность ее использования. Жоржа Клода называют его учеником, но между ними были серьезные разногласия в вопросе о выборе наилучшей жидкости в качестве рабо-чего тела для океанической тепловой машины. Этот вопрос надо было решить прежде всего. Рабочая жидкость должна закипать при температуре нагревателя, а пары ее после совершения работы в турбине должны сконденсироваться при температуре холодильника.
Нагреватель -- теплая вода из верхних слоев океана. Наиболее высокая температура воды наблюдается в Пер-сидском заливе в августе -- более 33 °С (а самая высокая температура воды зафиксирована в Красном море --плюс 36 °С). Но на максимальную температуру рассчитывать преобразователь нельзя: она встречается на ограниченных участках Мирового океана, а обширные районы имеют температуру поверхностного слоя около 25 °С. Это доста-точно высокая температура, при которой кипят многие жидкости. Д'Арсонваль предложил применить в качестве рабочей жидкости аммиак -- жидкость с температурой кипения минус 33,4 °С, которая будет хорошо кипеть при 25 °С. При нормальной температуре (20 °С) аммиак -- бесцветный газ с едким запахом. При повышении давления газообразный аммиак снова превращается в жидкость. При 20 °С для этого давление надо повысить до 8,46 атм, но при 5 °С -- значительно меньше.
Выбор аммиака в качестве вторичного рабочего тела связан с отличными термодинамическими свойствами его паров. Пары аммиака имеют низкий молекуляр-ный вес, достаточно боль-шой удельный объем и хо-рошие характеристики теп-лопередачи. Они обеспечи-вают турбине вращение с большой скоростью, что очень важно. Благодаря этим качествам аммиак широко2применяется в наши дни в энергетических установках, использующих тепло океан-ских вод. При этом схема тепловой энергетической^уста-новки должна быть замкнутой, т. е.^после холодильника жидкий аммиак снова закачивается в нагреватель. Цикл непрерывно повторяется, пока работает установка. Коли-чество рабочей жидкости, залитой в систему теплового преобразователя, практически не изменяется в процессе работы. Замкнутый цикл имеет ряд преимуществ перед открытым циклом, предложенным Клодом, благодаря чему он получил широкое применение в наши дни в уста-новках OTEG.
Но Клод не захотел воспользоваться аммиаком. Он ре-шил в качестве рабочей жидкости использовать морскую воду. Чтобы добиться ее кипения при температуре поверх-ностных вод в тропиках, создал в установке пониженное давление. Если понизить атмосферное давление в 15 раз, т. е. примерно до 50 мм рт. ст., морская вода закипит при температуре не выше 27 °С. Образовавшийся пар пойдет в турбину, заставит ее вращаться и вращать элек-трогенератор. А потом пар поступит в холодильник, где с помощью холодной глубинной воды превратится в прес-ную воду. Клод спускал ее в море: тогда она была никому не нужна. Такой цикл называется открытым, или не-замкнутым.
Схема энергетической установки, работающей по этому принципу, представлена на рис. 2.2. По этой схеме была построена первая экспериментальна!! установка Клода и Бушеро.
При практической реализации установки ее авторы столкнулись с рядом специфических трудностей. Одна из первых -- это создание низконапорной турбины.
Дело в том, что давление водяного пара, получаемого при не-высокой температуре в условиях частичного вакуума, мало. Чтобы снять сколько-нибудь заметную мощность, турбина должна иметь большие размеры. С этим затрудне-нием Клоду и Бушеро удалось справиться вполне удовле-творительно. Однако при первых же испытаниях обнаружив лась неожиданность. При нагреве из морской воды в боль-шом количестве выделялся растворенный в ней воздух, что повышало давление в системе и нарушало процесс кипения. Для поддержания достаточного разрежения систему приходилось непрерывно откачивать, на что требо-валась дополнительная мощность. В результате умень-шался и без того небольшой КПД установки. С этой проблемой изобретателям не удалось справиться. Были и другие проблемы. Поэтому в последующие годы основ-ное внимание ученых и инженеров обращалось на разра-ботку тепловых преобразователей с замкнутым циклом. Итог их усилий -- действующие ныне системы OTEG.
Рис. 2.2. Схема теплоэнергетп* ческой океанской установки от-крытого цикла
1 -- испаритель, г -- турбина, 3 -- генератор, 4 -- конденсатор, 5 -- пресная вода, в -- теплая вода и,ч верхних слоев, 7 -- холодная вода с больших глубин
Но теперь, спустя более полувека, внимание снова привлечено к открытому циклу. «Открытый цикл вызывает огромный интерес. Он устраняет все проблемы, касаю-щиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. н. Пресная вода вырабатывается в качестве побочной продукции», -- считают американские специалисты. В США разрабаты-вается океанская энергетическая установка, которая одно-временно с производством электроэнергии будет давать пресную воду -- один из самых ценных в наше время продуктов, особенно в жарких и индустриальных странах, где все острее ощущается ее недостаток.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
