Преобразование тепловой энергии океана.

Солнечная энергия, поглощённая океаном, преобразуется в тепло, причём, верхние слои воды нагреваются больше нижних придонных на 18…22ºC. Преобразование тепловой энергии океана в электрическую возможно с помощью тепловой машины, использующей перепад температур между поверхностными и глубинными водами океана, рис 5.4. Здесь: П - теплообменник –парогенератор, передающий тепло «горячей воды» хладону, К-конденсатор, в котором происходит конденсация хладона с отбором тепла «холодной водой», Н - конденсатный насос, Т и Г, соответственно, турбина, работающая на парах хладона, и генератор.

Рабочая жидкость тепловой машины циркулирует по замкнутому контуру, отбирает тепло от “горячей” воды в теплообменнике испарителя П, в паровой фазе приводит в действие турбину Т и электрический генератор Э, а затем конденсируется в охлаждаемом холодной водой конденсаторе К. Из–за низкого температурного перепада и низкой температуры “горячей” воды в качестве рабочей жидкости применяют хладон или аммиак, имеющие низкую точку кипения.

Рис. 5.4.Использование тепловой энергии океана для производства электроэнергии в тепловом двигателе

В идеальной системе мощность, отдаваемая теплой водой пропорциональна её плотности

, удельной теплоёмкости

, расходу воды

и перепаду температур

Максимальная механическая мощность на валу турбины

где

- КПД идеальной тепловой машины, работающей при перепаде температур

Для идеальной тепловой машины выходная механическая мощность:

Требуемый расход воды для идеальной тепловой машины мощностью 1000кВт

Таким образом, даже для идеальной машины при максимально возможном перепаде температур в океане расход воды очень значителен. А максимальный перепад температур 18…22ºС бывает только в тропиках.

Хорошие условия для строительства океанской термальной электростанции существуют на Гавайских островах, вблизи полуострова Флорида, США, а также вблизи острова Науру (центральная часть Тихого океана, 0º северной широты, 166º восточной долготы). В 1000м от берега глубина океана уже 700м, а температурный перепад составляет 22

. Электростанция может быть установлена на берегу, а не в океане. Судя по детальным характеристикам этого места, здесь создана экспериментальная океанская термальная станция мощностью 1000кВт. По имеющимся данным удельные затраты на строительство такой станции составляют до 40.000 долларов на 1кВт установленной мощности и размеры установки – значительны.

В реальных условиях теплообмена не всё тепло “горячей” воды передаётся рабочей жидкости из–за низкой теплопроводности морской воды, большого сопротивления теплопередаче в теплообменнике слоя накипи, биообрастаний. Поэтому расход воды и размеры теплообменников – значительно больше, чем в идеальном случае. Трубопроводы холодной воды подвергаются воздействию волн, течений и собственного веса, особенно если станция располагается на плавучей платформе в открытом море. В этом случае существуют также сложности в соединении станции с берегом(длинные высоковольтные кабели). Мощность насосов затрачивается на преодоление сил сопротивления в самом трубопроводе и на подъём воды над уровнем океана. Для преодоления сопротивления трубопровода длиной 1000м и диаметром 1м при расходе воды 0,5 м³/с в станции мощностью 1000кВт, при перепаде температур 20ºС нужна мощность насосов всего 5 кВт. Если эта вода поднимается к теплообменнику, расположенному на высоте H над уровнем океана, нужна дополнительная мощность 5 кВт на каждый метр подъёма. На это также расходуется мощность самой станции (собственные нужды).

Гидроэнергетика использует энергию падающей воды. Эта энергия преобразуется в механическую энергию в гидротурбине и в электрическую в гидрогенераторе. Мощность, отдаваемая падающей водой турбине:

Потери при этом преобразовании невелики и затрачиваются только на удаление воды из турбины. К.П.Д. современных гидротурбин достигает 90%.

При определении гидроэнергетического потенциала местности, района, области годовая выработка электроэнергии ГЭС может составить

Условиями целесообразности использования гидроэнергии в данной местности являются:

подходящий рельеф местности и наличие мест для водохранилищ.

Гидротурбины разделяются на реактивные и активные.

Рабочее колесо реактивной турбины полностью погружено в воду и вращается за счет разности давлений до и после колеса, рис.6.1. Здесь: 1- русло реки, 2- естественный водопад, 3- решетка, 4- водовод (канал), 5- направляющий аппарат, 6- гидротурбина, 7- гидрогенератор в здании ГЭС.

Рис.6.1. Деривационная гидроэлектростанция с реактивной гидротурбиной вблизи естественного водопада.

Реактивная турбина может работать при реверсировании генератора как насос (гидроаккумулирующие станции).

Примером реактивной турбины является пропеллерная гидротурбина с вертикальным валом с осевым направлением потока.

Эта турбина наиболее компактна и потому получила наибольшее распространение. Недостатком турбины является большой перепад давлений при движении жидкости в ней из-за того, что поток изолирован от атмосферы стенками направляющего аппарата. По этой причине минимальное давление воды значительно меньше атмосферного и даже может оказаться меньше давления насыщенных паров воды. В потоке образуются пузырьки пара – возникает кавитация. При набегании потока на колесо турбины давление в потоке резко возрастает, пузырьки схлопываются. Возникают большие давления, которые могут вызвать разрушение турбины. Это явление усиливается с увеличением скорости потока и напора. Поэтому вертикально-осевые турбины используются в основном при низких напорах.

Рабочее колесо активной гидротурбины, рис. 6.2, вращается в воздухе натекающим на его лопасти потоком воды, т.е. кинетической энергией этого потока. Здесь: 1- русло реки, 2- искусственный водопад, 3- колесо гидротурбины, 4- гидрогенератор в здании ГЭС.

Рис.6.2. Гидроэлектростанция с активной гидротурбиной на искусственном водохранилище.

Общая мощность ГЭС в мире (1986г.) около 500 млн. кВт. Ими производится 2 трлн. кВт×час электроэнергии в год (всего производится 10 трлн. кВт×час в год). Потенциальные возможности гидроэнергетики составляют еще 1,5 млрд. кВт не считая малых рек и маломощных установок, суммарная мощность которых может быть значительной.

Гури- Венесуэла- река Карони-10.300.000 кВт-20 турбин-1986г.

Итайпу- Бразилия-Парагвай-река Парана –7.000.000 кВт – 10 турбин-1988г.

Гранд-Кули –США - река Колумбия-6.480.000 кВт –33 турбины –1980г.

Саяно-Шушенская – Россия – река Енисей- 6.400.000 кВт-1985г.

Красноярская – Россия – река Енисей– 6.000.000– 12 турбин –1971г.

ГЭС большой мощности - не всегда экологически чистые. При их строительстве происходит затопление значительных площадей, лесных массивов, полей, заболачивание, заиливание. Меняются режимы рек, морей, условия жизни рыбы, животных.

Примеры: строительство ГЭС на реках Сибири, Волге, гибель Аральского моря.

Предметом данного курса являются только экологически чистые малые ГЭС, не требующие затопления больших площадей и не нарушающие экологического равновесия в природе.

В качестве примера приведем данные двух ГЭС на Ниле.

Одна из них хорошо известна. Это Асуанская ГЭС в Египте мощностью 2,1 млн. кВт, 12 турбин, производство электроэнергии 10 млрд. кВт×час в год, год постройки 1970. ГЭС строилась в 60-е годы для решения социально важных экономических задач, возникших перед Египтом. Эти задачи станция помогла решить: расширились площади орошаемых земель почти на 1 млн. га, улучшилось судоходство, была ликвидирована опасность засух и наводнений. Почти вдвое увеличился отбор воды для ирригации. Однако строительство ГЭС привело к значительным потерям: заболачивание местности, засоление сельскохозяйственных площадей в дельте Нила, ухудшение плодородия почвы и увеличения количества минеральных удобрений, опасность нависания огромной массы воды над всем Египтом: водохранилище имеет 500 км в длину, 22 км в ширину и 90 метров в глубину.

Другая ГЭС на Ниле - малоизвестна. Это ГЭС на голубом Ниле в районе Великих Водопадов Нила в Эфиопии. Это деривационная ГЭС небольшой мощности (2 турбины по 4,6 МВт). Водовод пробит в скале рядом с водопадом и подает воду к турбинам без создания водохранилищ и нарушения режима реки. Схема этой электростанции показана на рис.7.1. Здесь: 1-русло реки, 2-водопад,

3-решетка, 4-водовод, 5-осевая пропеллерная турбина, 6-направляющий аппарат, 7-генератор.

В1950-е годы в Беларуси работало162 малых ГЭС общей мощностью 11,9 тыс. кВт. В настоящее время действует 11 ГЭС мощностью 7 тыс. кВт. Предполагается восстановить и реконструировать еще 29 ГЭС мощностью 15 тыс. кВт и построить на существующих неэнергетических водохранилищах 17 ГЭС мощностью 5,8 тыс. кВт. Всего 27,8 тыс. кВт с годовой выработкой электроэнергии 85 млн.кВт.ч. На загрязненных территориях юга Беларуси существует техническая возможность строительства 4 ГЭС на Днепре ниже Могилева мощностью 112 тыс. кВт, 3 ГЭС на Соже 32,5 тыс. кВт, 1 ГЭС на Припяти 11 тыс. кВт и на притоках Припяти 2,3 тыс. кВт. До 2010 года в республике предполагается освоить 140 тыс. кВт мощности гидроэнергоресурсов. Годовая выработка электроэнергии по разным оценкам может составить около от 0,5 до 1,0 млрд. кВт. ч. в год.

Капитальные затраты на строительство ГЭС составляют 2000…2500 долларов на 1 кВт установленной мощности. Срок окупаемости 3 года. Срок службы 50-60 лет.

Водород получают путем электролиза воды. В газообразном виде он может быть передан на расстояние и сожжен для получения тепловой энергии. При сгорании образуется вода и никаких загрязняющих веществ. Эффективность электролиза- 60% из-за образования пузырьков газа вблизи электродов, что препятствует перемещению ионов и увеличивает электрическое сопротивление. Применение в качестве электродов пористых материалов увеличивает эффективность электролиза до 80%.

Водород из воды получают при высокотемпературном нагреве. При этом электрический потенциал, необходимый для разложения воды, снижается.

Целесообразна замена электроэнергии разложения воды теплом от дешевого источника, например, солнечного излучения.

В качестве электролита для получения водорода может быть морская вода. Сложность возникает из-за выделения хлора на ²кислородном² электроде. Чистый водород можно получить, если поддерживать на электролизной ячейке 1,8 В, но это снижает плотность и ведет к увеличению площади электродов.

В настоящее время исследуются и другие способы получения водорода, например, путем использования некоторых видов водорослей, которые ²фотосинтезируют ² водород.

Сложности существуют при хранении водорода из-за большого объема хранилищ и низкой температуры кипения (20 К) сжиженного водорода.

Возможно его химическое аккумулирование в виде металлогидридов из которых он извлекается при нагревании до 50°С, что удобно в эксплуатации и позволяет хранить большие запасы водорода. Металлогидрид FeTiH_1,7 при нагревании выделяет Н₂, а в самом гидриде содержание водорода уменьшается. Эта реакция обратима, поэтому гидридные аккумуляторы можно подзаряжать на заправочных станциях. При зарядке выделяется тепло, которое можно использовать в местных теплосетях. Гидридные аккумуляторы могут быть использованы как топливные баки.

Водород можно передавать по трубопроводам или использовать непосредственно для получения электроэнергии в топливных элементах.

Водород получают разложением аммиака NH₃ на азот N₂и водород Н₂ при более низких температурах, чем воду. Сочетание теплового двигателя для сжигания водорода и солнечного тепла для преобразования аммиака позволяет получать электроэнергию.

Энергосбережение - это реализация правовых, организационных, научных, производственных, технологических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов с вовлечением в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. Энергосбережение в технике осуществляется при изготовлении, эксплуатации, ремонте, утилизации изделий, выполнении работ.

Энергоемкость - это количественная характеристика затрат энергии (топлива) на основные технологические процессы изготовления, ремонта, утилизации, выполнения работ. Энергоемкостью оценивается энергетическая рациональность конструкций в части их энергопотребления.

Энергопотребление - это затраты энергии (топлива) при использовании изделий, установок и т.д. по назначению. Энергозатраты включают все расходы энергоресурсов по данному технологическому или хозяйственному объекту, приведенные к условному топливу.

По энергозатратам изделие или технологический процесс может быть энергоэкономичным или неэкономичным, а использование энергоресурсов эффективным (энергоэффективная технология) или неэффективным. При несоблюдении требований стандартов, технических условий и паспортных данных возможен непроизводительный расход энергоресурсов.

Энергопотребляющиеизделия и процессы характеризуются энергетической эффективностью (энергетическим КПД), которая подразделяется на классы, определяемые индексами энергетической эффективности.

Показатели энергосбережения дают количественную характеристику мер по энергосбережению и основываются на показателях энергопотребления и энергоемкости. Они могут быть абсолютными, удельными, относительными, сравнительными.

В качестве основного относительного показателя обычно используется КПД.

К абсолютным показателям энергосбережения относятся: расход топлива или энергии, потребляемая мощность, потери мощности, падение напряжения в номинальном режиме, потери холостого хода и короткого замыкания.

К удельным показателям энергосбережения относятся: КПД, удельный расход топлива или энергии на единицу продукции (или энергии), отношение потерь к номинальной мощности, коэффициент использования.

Плановый расчетный показатель усредненного расхода энергии или топлива при изготовлении, эксплуатации, ремонте, утилизации изделий представляет собой норму расходаэнергоресурсов. Различают нормы: индивидуальные и групповые, технологические.

Норматив - это норма расхода энергоресурсов применительно к конкретным условиям, конкретному объекту, процессу.

Требования по энергосбережению должны устанавливаться ГОСТ, ТУ, КД на все изделия и процессы при использовании которых потребляется энергия или топливо. Эти изделия и процессы подразделяются на: (1) потребляющие энергию (топливо) для производства продукции, выполнения работ, (2) для преобразования одних видов энергии в другие, (3) для создания энергоносителей.

Энергосбережение характеризуется: (1) показателямиэнергопотребления (например, энергопотребление бытового холодильника 0,5 кВт×ч в сутки), (2) показателями энергоемкости (например, при изготовлении бытового холодильника расходуется 80 кВт. ч электроэнергии, 20 кг условного топлива и т.д.), (3) показателямиэнергосодержания (например, энергосодержание 1 кг биогаза, получаемого при пиролизе навоза, составляет 20 МДж, или энергосодержание 1 кг бензина, получаемого при перегонке нефти, составляет 47 МДж).

Показатели энергопотребления должны использоваться:

(1) для изделий, потребляющих различные виды топлива для производства энергии (котельная, дизель-генератор), для выполнения работ (автомобиль, тепловоз), для производства продукции (плавильная печь),

(2) для изделий, потребляющих различные виды энергии для преобразования в другие виды энергии (газовая турбина, электродвигатель), для выполнения работы, производства продукции (насос, буровая установка, фасовочный автомат, холодильник),

(3) для изделий, участвующих в передаче и распределении энергии (трансформатор, ЛЭП, трубопровод, редуктор).

Показатели энергоемкости операций по изготовлению, ремонту, утилизации выражаются количеством топлива (энергии), израсходованного на основные технологические процессы, без учета расходов на отопление, освещение и т.д.

Для учета расхода всех топливно-энергетических ресурсов их пересчитывают на условное топливо с теплотой сгорания 29,3 МДж/кг.

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: