XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Значительная энергия, поступающая в Мировой океан — результат поглощения им солнечного излучения. Энергия поступает в океан также в результате гравитационного взаимодействия - космических тел и водных масс планеты, создающего приливы, и поступления тепла из глубины планеты. Поверхность Мирового океана занимает около 70 % поверхности всей планеты и составляет примерно 360 млн. км². Большая часть этой поверхности постоянно свободна ото льда и хорошо поглощает солнечное излучение. Достаточно сказать, что в видимой части спектра (длины волн от 400 до 700 мкм) коэффициент отражения гладкой водной поверхности меньше 5 % при высоте Солнца от вертикали не более 40°, в то время как для поверхности суши и морского льда он равен при той же высоте Солнца 10 и 90 % соответственно.

В результате движения воздушных и водных масс, запасенная энергия в океане, переносится по всему земному шару. В области между экватором и 70° с. ш. в среднем 40 % тепла переносится океанскими течениями, а на 20° с. ш. вклад океана в перенос энергии составляет до 73%.

Обратная связь между океаном и атмосферой происходит не только через осадки, но и путем силового взаимодействия, в результате которого часть тепловой энергии, преобразованная в кинетическую энергию атмосферы, возвращается океану в виде энергии волн и ветровых течений.

Преобразование тепловой энергии, запасенной океаном, в механическую энергию и далее в электроэнергию требует создания тепловой машины, использующей перепад температур между поверхностными и глубинными водами океана, рис 1.

Рабочая жидкость тепловой машины циркулирует по замкнутому контуру, отбирает тепло от нагретой 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.

Рисунок 1 - Использование тепловой энергии океана для производства электроэнергии в тепловом двигателе

Где: 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.

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

В реальных условиях теплообмена не всё тепло нагретой 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 121 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).

Таблица 1.

Предложение по повышению энергоэффективности

Изобретение относится к системе аккумулирования тепловой энергии, содержащей аккумулятор (2) энергии, обладающий вертикальным температурным градиентом, и внутреннюю комбинированную холодильно -нагревательную машину (15). Данная машина адаптирована для выведения энергии, соответствующей первой температуре, из аккумулятора энергии с одновременным возвратом энергии, соответствующей, после подогрева, второй, более высокой температуре, и энергии, соответствующей, после охлаждения, третьей, более низкой температуре.

Область техники

Изобретение относится к системе аккумулирования тепловой энергии, содержащей аккумулятор энергии, обладающий вертикальным температурным градиентом, и внутреннюю комбинированную холодильно -нагревательную машину.

Рисунок 2. Уровень техники

В настоящее время обеспечение электроэнергией осуществляется, в основном, путем ее генерирования с помощью турбин. Подача электричества в электрическую сеть необходимо постоянно балансировать по отношению к суммарному потреблению электричества и любым потерям в сети. Появление дисбаланса влияет на частоту сети таким образом, что перепроизводство энергии приводит к повышению частоты, а недостаточное производство - к понижению частоты относительно стандартной частоты 50 Гц. Определенное балансирование обеспечивается за счет допущения небольших отклонений частоты сети. Если отклонение становится слишком большим, сеть выходит из строя.

Производство электричества можно разделить на две основные части: генерирование базовой мощности и мощности, следующей за нагрузкой. Базовая мощность генерируется при постоянной производительности и обеспечивается, например, атомными электростанциями, теплоэлектростанциями, работающими на угле или на газе, или системами, вырабатывающими тепло или электроэнергию.

Для стабилизации частоты у 50 Гц огромное значение имеет возможность немедленного регулирования (т.е. регулирования отклонений в течение секунд) вращающейся массы в синхронных генераторах/турбинах.

Таким образом, одно из преимуществ описанной системы аккумулирования тепловой энергии состоит в возможности оптимизировать аккумулирование энергии путем осуществления выбора температурных уровней, с которых должна выводиться энергия, учитывающего конкретные условия в сети и в аккумуляторе энергии в заданный период времени.

Альтернативное функционирование компрессоров в режимах как последовательного, так и параллельного соединения может потребовать использования компрессоров различного размера в зависимости от количества компрессорных блоков, соединяемых последовательно. В такой схеме компрессоры могут быть подключены к единственному общему двигателю. Альтернативно, возможно применение компрессоров одинакового размера, но в этом случае последовательное соединение потребует регулировки относительных скоростей компрессора и двигателя. Для этой цели могут быть использованы различные решения, например механические шестерни или регулирование частоты электродвигателей. Вместо электродвигателей можно использовать гидравлические двигатели или паровые турбины.

ЛИТЕРАТУРА

Алхасов А.Б. Возобновляемая энергетика .- М.: Физматлит, 2010. - 255 с.

Баранов Н.Н. Нетрадиционные возобновляемые источники и методы преобразования их энергии . - М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - 216 с

Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В. Энергоэффективные электротехнологии в агроинженерном сервисе и природопользовании - учебное пособие , 2012. – СПб.: СПбГАУ. – 260 с.

Беззубцева М.М., Волков В.С. Будущее энергетики человечества: учебное пособие, 2014. - СПб.: СПбГАУ. – 133 с.

Коробков В.А., ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА Коробков В.А. и др.; под ред. Коробков В.А. - Санкт-Петербург: ЛЕНИНГРАД «СУДОСТРОЕНИЕ», 1986. - 278 с.

Пат. РФ №2635737. МПК F28D 20/00 (2006.01); Система аккумулирования тепловой энергии, содержащая комплексную холодильно-нагревательную установку, и способ использования такой системы / ПИЛЕБРО Ханс (SE), ШТРАНД Тобиас (SE) ВЕСТИН Расмус (SE).