Преобразование тепловой энергии океана

Схема и приложения OTEC

Преобразование тепловой энергии океана ( OTEC ) использует температурный градиент океана между более холодной глубокой и более теплой мелководной или поверхностной морской водой для запуска теплового двигателя и производства полезной работы , обычно в форме электричества . OTEC может работать с очень высоким коэффициентом мощности и поэтому может работать в режиме базовой нагрузки .

Более плотные холодные водные массы, образованные взаимодействием поверхностных вод океана с холодной атмосферой в весьма специфических областях Северной Атлантики и Южного океана , опускаются в глубоководные бассейны и распространяются по всему глубокому океану за счет термохалинной циркуляции . Подъем холодной воды из глубин океана пополняется за счет опускания холодной поверхностной морской воды.

Среди источников энергии океана OTEC - один из постоянно доступных возобновляемых источников энергии, который может способствовать электроснабжению при базовой нагрузке. ^[1] Ресурсный потенциал OTEC считается намного большим, чем у других форм океанической энергии. ^[2] До 88 000 ТВт-ч электроэнергии в год можно вырабатывать с помощью OTEC, не влияя на тепловую структуру океана. ^[3]

Системы могут быть как с замкнутым, так и с открытым циклом. OTEC с замкнутым циклом использует рабочие жидкости, которые обычно рассматриваются как хладагенты, такие как аммиак или R-134a . Эти жидкости имеют низкие температуры кипения и поэтому подходят для питания генератора системы для выработки электроэнергии. Наиболее часто используемым тепловым циклом для OTEC на сегодняшний день является цикл Ренкина с использованием турбины низкого давления. В двигателях открытого цикла в качестве рабочего тела используются пары самой морской воды .

OTEC также может поставлять холодную воду в качестве побочного продукта. Его можно использовать для кондиционирования воздуха и охлаждения, а богатая питательными веществами глубоководная вода в океане может питать биологические технологии. Еще один побочный продукт - пресная вода, полученная из морской дистиллированной воды. ^[4]

Теория OTEC была впервые разработана в 1880-х годах, а первая демонстрационная модель стендового размера была построена в 1926 году. В настоящее время единственный в мире действующий завод OTEC находится в Японии под надзором Университета Саги .

История [ править ]

Попытки разработать и усовершенствовать технологию OTEC начались в 1880-х годах. В 1881 году французский физик Жак Арсен д'Арсонваль предложил использовать тепловую энергию океана. Студент Дарсонваль, в Жорж Клод , построил первый Otec завод, в Матансас, Куба в 1930 году ^{[5] [6]} Система генерироваться 22 кВт от электроэнергии с низким давлением турбины . ^[7] Завод был позже разрушен во время шторма. ^[8]

В 1935 году Клод построил завод на борту 10 000- тонного грузового судна, пришвартованного у берегов Бразилии. Погода и волны разрушили его, прежде чем он смог генерировать чистую энергию. ^[7] (Полезная мощность - это количество энергии, генерируемое после вычитания мощности, необходимой для работы системы).

В 1956 году французские ученые спроектировали электростанцию ​​мощностью 3 МВт для Абиджана , Кот-д'Ивуар . Завод так и не был достроен, потому что новые находки в больших количествах дешевой нефти сделали его нерентабельным. ^[7]

В 1962 году Дж. Гилберт Андерсон и Джеймс Х. Андерсон-младший сосредоточились на повышении эффективности компонентов. Они запатентовали свою новую конструкцию «замкнутого цикла» в 1967 году. ^[9] Эта конструкция улучшила исходную систему Ренкина с замкнутым циклом и включила ее в схему электростанции, которая будет производить электроэнергию с меньшими затратами, чем нефть или уголь. Однако в то время их исследованиям уделялось мало внимания, поскольку уголь и атомная энергия считались будущим энергетики. ^[8]

Япония вносит большой вклад в развитие технологии OTEC. ^[10] Начиная с 1970 года Tokyo Electric Power Company успешно построила и ввела в действие станцию ​​OTEC замкнутого цикла мощностью 100 кВт на острове Науру . ^[10] Завод был введен в эксплуатацию 14 октября 1981 г., производя около 120 кВт электроэнергии; 90 кВт было использовано для питания станции, а оставшаяся электроэнергия была использована для питания школы и других мест. ^[7] Это установило мировой рекорд по выходной мощности системы OTEC, в которой мощность направлялась в реальную (в отличие от экспериментальной) энергосистему. ^[11]В 1981 году также произошел значительный прогресс в технологии ОТЭК, когда российский инженер доктор Александр Калина использовал смесь аммиака и воды для производства электроэнергии. Эта новая водно-аммиачная смесь значительно повысила эффективность энергетического цикла. В 1994 году университет Саги спроектировал и построил электростанцию ​​мощностью 4,5 кВт с целью тестирования недавно изобретенного цикла Уэхара, также названного в честь его изобретателя Харуо Уэхара. Этот цикл включал процессы абсорбции и экстракции, которые позволяют этой системе превосходить цикл Kalina на 1-2%. ^[12] В настоящее время Институт энергии океана Университета Саги является лидером в исследованиях электростанций OTEC, а также уделяет внимание многим вторичным преимуществам технологии.

В 1970-е годы наблюдался всплеск исследований и разработок OTEC во время арабо-израильской войны после 1973 года, в результате чего цены на нефть выросли втрое. Федеральное правительство США вложило 260 миллионов долларов в исследования OTEC после того, как президент Картер подписал закон, обязывающий США достичь цели производства 10 000 МВт электроэнергии из систем OTEC к 1999 году ^[13].

В 1974 году США создали Лабораторию естественной энергии Управления Гавайев (NELHA) в Кихол-Пойнт на побережье Кона на Гавайях . Гавайи - лучшее местоположение OTEC в США благодаря теплой поверхностной воде, доступу к очень глубокой и очень холодной воде и высоким затратам на электроэнергию. Лаборатория стала ведущим испытательным центром для технологии OTEC. ^[14] В том же году Lockheed получил грант от Национального научного фонда США на исследование OTEC. В конечном итоге это привело к попыткам Lockheed, ВМС США, Makai Ocean Engineering, Dillingham Construction и других фирм построить первый и единственный в мире завод OTEC, производящий чистую электроэнергию, получивший название «Mini-OTEC» ^[15]. За три месяца 1979 года было произведено небольшое количество электроэнергии.

Европейская инициатива EUROCEAN - частное совместное предприятие 9 европейских компаний, уже работающих в сфере морского инжиниринга, - активно продвигала OTEC с 1979 по 1983 год. Первоначально изучалась возможность создания крупномасштабного морского объекта. Позже была изучена наземная установка мощностью 100 кВт, сочетающая наземную систему OTEC с опреснением и аквакультурой, получившую название ODA. Это было основано на результатах небольшого предприятия аквакультуры на острове Санта-Крус, которое использовало глубоководный водопровод для подпитки аквакультурных бассейнов. Также были исследованы береговые станции открытого цикла. Местом проведения исследования был остров Кюрасао, связанный с Королевством Нидерландов. ^{[16] [ циркулярная ссылка ]}

Исследования, связанные с превращением OTEC в реальность, начались в 1979 году в Исследовательском институте солнечной энергии (SERI) при финансовой поддержке Министерства энергетики США. Испарители и конденсаторы с прямым контактом соответствующей конфигурации были разработаны и запатентованы компанией SERI (см. ^{[17] [18] [19]} ). Оригинальный дизайн эксперимента по выработке энергии, который тогда назывался экспериментом мощностью 165 кВт, был описан Крейтом и Бхаратаном (, ^[20] и ^[21] ) как Мемориальная награда Макса Якоба.Лекция. Первоначальная конструкция использовала две параллельные осевые турбины с роторами последней ступени, взятыми из больших паровых турбин. Позже группа под руководством доктора Бхаратхана из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) разработала первоначальный концептуальный проект для обновленного эксперимента OTEC открытого цикла мощностью 210 кВт ( ^[22]). Эта конструкция объединила все компоненты цикла, а именно испаритель, конденсатор и турбину, в один вакуумный резервуар, при этом турбина установлена ​​сверху, чтобы предотвратить любую возможность попадания воды в него. Емкость была сделана из бетона и стала первой в своем роде технологической вакуумной камерой. Попытки изготовить все компоненты из недорогого пластика не удалось полностью реализовать, поскольку турбина и вакуумные насосы, разработанные как первые в своем роде, требовали некоторого консерватизма. Позже д-р Бхаратан работал с группой инженеров Тихоокеанского института исследований высоких технологий (PICHTR), чтобы продолжить разработку этого проекта на предварительных и заключительных этапах.Он был переименован в Эксперимент по производству чистой энергии (NPPE) и был построен в Лаборатории естественной энергии на Гавайях (NELH) компанией PICHTR командой во главе с главным инженером Доном Эвансом, а проектом руководил доктор Луис Вега.

В 2002 году Индия испытала опытную плавучую пилотную установку OTEC мощностью 1 МВт около Тамил Наду. Установка была в конечном итоге неудачной из-за отказа трубопровода глубоководной холодной воды. ^[23] Правительство страны продолжает спонсировать исследования. ^[24]

В 2006 году Makai Ocean Engineering получила контракт от Управления военно-морских исследований США (ONR) на исследование возможностей OTEC по производству значимых для страны количеств водорода на морских плавучих установках, расположенных в теплых тропических водах. Понимая, что более крупные партнеры действительно коммерциализируют OTEC, Макай обратился к Lockheed Martin с просьбой возобновить их прежние отношения и определить, было ли время для OTEC. Итак, в 2007 году Lockheed Martin возобновил работу в OTEC и стал субподрядчиком Makai для поддержки их SBIR, за которым последовали другие последующие совместные работы ^[15].

В марте 2011 года Ocean Thermal Energy Corporation подписала Соглашение об оказании энергетических услуг (ESA) с курортом Баха Мар, Нассау, Багамы, для первой и самой большой в мире системы кондиционирования воздуха с морской водой (SWAC). ^[25] В июне 2015 года проект был приостановлен, пока на курорте решались финансовые вопросы и вопросы собственности. ^[26] В августе 2016 года было объявлено, что проблемы были решены и что курорт откроется в марте 2017 года. ^[27] Ожидается, что строительство системы SWAC будет возобновлено в это время.

В июле 2011 года компания Makai Ocean Engineering завершила проектирование и строительство испытательного центра теплообменников OTEC в Лаборатории естественной энергии на Гавайях . Целью установки является разработка оптимальной конструкции теплообменников OTEC, повышение производительности и срока службы при одновременном снижении затрат (теплообменники являются основным фактором затрат на установку OTEC). ^[28] А в марте 2013 года Makai объявил о присуждении контракта на установку и эксплуатацию 100-киловаттной турбины на испытательном стенде теплообменников OTEC, а также на подключение электроэнергии OTEC к сети. ^{[29] [30]}

В июле 2016 года Комиссия по коммунальным услугам Виргинских островов одобрила заявку Ocean Thermal Energy Corporation на получение статуса аттестованного объекта. Таким образом, компании разрешено начать переговоры с Управлением водоснабжения и электроснабжения Виргинских островов (WAPA) по соглашению о закупке электроэнергии (PPA), относящемуся к установке по переработке тепловой энергии океана (OTEC) на острове Санта-Крус. Это будет первая в мире коммерческая установка OTEC. ^{[31] [32]}

В настоящее время действующие заводы OTEC [ править ]

В марте 2013 года Университет Сага, работающий в различных отраслях промышленности Японии, завершил установку нового завода OTEC. Префектура Окинава объявила о начале тестирования работы OTEC на острове Куме 15 апреля 2013 года. Основная цель - доказать пригодность компьютерных моделей и продемонстрировать OTEC широкой публике. Испытания и исследования будут проводиться при поддержке Университета Сага до конца 2016 финансового года. IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation и Xenesys Inc. было поручено построить завод мощностью 100 киловатт на территории префектуры Окинава. Центр изучения глубоководных вод. Место было специально выбрано для использования существующих водозаборных труб глубоководной и поверхностной морской воды, установленных для исследовательского центра в 2000 году. Труба используется для забора глубоководной воды для исследований, рыболовства,и сельскохозяйственное использование. [19] Установка состоит из двух агрегатов по 50 кВт в двойной конфигурации Ренкина.^[33] Объект OTEC и центр глубоководных исследований открыты для бесплатных общественных туров по предварительной записи на английском и японском языках. ^[34] В настоящее время это один из двух полностью действующих заводов OTEC в мире. Этот завод работает непрерывно, когда не проводятся специальные испытания.

В 2011 году компания Makai Ocean Engineering завершила испытательный стенд теплообменника в NELHA. Компания Makai использовала для тестирования различных технологий теплообмена для использования в OTEC и получила финансирование на установку турбины мощностью 105 кВт. ^[35] Установка сделает это предприятие крупнейшим действующим предприятием OTEC, хотя рекорд по наибольшей мощности останется за заводом открытого цикла, также разработанным на Гавайях.

В июле 2014 года группа DCNS в партнерстве с Akuo Energy объявила о финансировании NER 300 для своего проекта NEMO. В случае успеха офшорная установка мощностью 16 МВт брутто 10 МВт станет крупнейшим объектом OTEC на сегодняшний день. DCNS планирует ввести в действие NEMO к 2020 году. ^[36]

В августе 2015 года на Гавайях была введена в эксплуатацию электростанция для преобразования тепловой энергии океана, построенная компанией Makai Ocean Engineering. Губернатор Гавайев Дэвид Айдж «щелкнул выключателем», чтобы активировать завод. Это первая действительно замкнутая установка по преобразованию тепловой энергии океана (OTEC), которая будет подключена к электрической сети США. Это демонстрационная установка, способная производить 105 киловатт, чего достаточно для питания около 120 домов. ^[37]

Термодинамическая эффективность [ править ]

Тепловой двигатель обеспечивает большую эффективность при запуске с большой температурной разницей. В океанах разница температур между поверхностной и глубоководной водой наибольшая в тропиках , хотя все же составляет умеренную величину от 20 до 25 ° C. Поэтому именно в тропиках OTEC предлагает наибольшие возможности. ^[4] OTEC может предложить глобальное количество энергии, которое в 10-100 раз больше, чем другие варианты энергии океана, такие как мощность волн . ^{[38] [39]}

Установки OTEC могут работать непрерывно, обеспечивая базовую нагрузку для системы выработки электроэнергии. ^[4]

Основная техническая задача OTEC заключается в эффективном генерировании значительного количества энергии за счет небольших перепадов температур. Это все еще считается новой технологией . Ранние системы OTEC имели термический КПД от 1 до 3 процентов , что значительно ниже теоретического максимума в 6 и 7 процентов для этой разницы температур. ^[40] Современные конструкции позволяют достичь теоретической максимальной эффективности Карно .

Типы силового цикла [ править ]

Холодная морская вода является неотъемлемой частью каждого из трех типов систем ОТЭК: замкнутого цикла, открытого цикла и гибридного. Для работы необходимо вывести на поверхность холодную морскую воду. Основные подходы - активная откачка и опреснение. Опреснение морской воды у морского дна снижает ее плотность, что заставляет ее подниматься на поверхность. ^[41]

Альтернативой дорогостоящим трубам для вывода конденсирующейся холодной воды на поверхность является закачка испаренной жидкости с низкой температурой кипения на глубину для конденсации, таким образом уменьшая объемы перекачивания и уменьшая технические и экологические проблемы и снижая затраты. ^[42]

Закрыто [ редактировать ]

В системах с замкнутым циклом используется жидкость с низкой температурой кипения, такая как аммиак (имеющая точку кипения около -33 ° C при атмосферном давлении), чтобы приводить в действие турбину для выработки электроэнергии. Теплая морская вода с поверхности прокачивается через теплообменник для испарения жидкости. Расширяющийся пар вращает турбогенератор. Холодная вода, прокачиваемая через второй теплообменник, конденсирует пар в жидкость, которая затем возвращается в систему.

В 1979 году Лаборатория естественной энергии и несколько партнеров из частного сектора разработали эксперимент «mini OTEC», который позволил впервые успешно произвести в море чистую электроэнергию с помощью OTEC замкнутого цикла. ^[43] Мини-судно OTEC было пришвартовано в 1,5 мили (2,4 км) от побережья Гавайев и производило достаточно электроэнергии, чтобы зажечь корабельные лампочки и запустить его компьютеры и телевизор.

Открыть [ редактировать ]

OTEC открытого цикла использует теплые поверхностные воды непосредственно для производства электроэнергии. Теплая морская вода сначала перекачивается в емкость низкого давления, в результате чего она закипает. В некоторых схемах расширяющийся пар приводит в движение турбину низкого давления, присоединенную к электрическому генератору . Пар, оставивший свою соль и другие загрязнения в емкости низкого давления, представляет собой чистую пресную воду. Он превращается в жидкость под воздействием низких температур из глубоководной воды океана. Этот метод позволяет получать опресненную пресную воду, пригодную для питья , орошения или аквакультуры . ^[44]

В других схемах поднимающийся пар используется в газлифтной технике для подъема воды на значительные высоты. В зависимости от варианта осуществления такие методы парлифтного насоса генерируют энергию от гидроэлектрической турбины либо до, либо после использования насоса. ^[45]

В 1984 году Исследовательский институт солнечной энергии (теперь известный как Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии ) разработал испаритель с вертикальным изливом для преобразования теплой морской воды в пар низкого давления для установок открытого цикла. Эффективность конверсии достигала 97% для конверсии морской воды в пар (общее производство пара составило бы лишь несколько процентов поступающей воды). В мае 1993 года завод OTEC открытого цикла в Кеахол-Пойнт, Гавайи, произвел около 80 кВт электроэнергии в ходе эксперимента по выработке чистой энергии. ^[46] Это побило рекорд в 40 кВт, установленный японской системой в 1982 году. ^[46]

Гибрид [ править ]

Гибридный цикл сочетает в себе черты систем замкнутого и открытого цикла. В гибридном варианте теплая морская вода поступает в вакуумную камеру и испаряется мгновенно, аналогично процессу испарения с открытым циклом. Пар испаряет аммиачную рабочую жидкость замкнутого цикла на другой стороне испарителя аммиака. Испарившаяся жидкость затем приводит в действие турбину для выработки электричества. Пар конденсируется внутри теплообменника и обеспечивает опресненную воду (см. Тепловую трубку ). ^{[ необходима цитата ]}

Рабочие жидкости [ править ]

Популярным выбором рабочего тела является аммиак, который обладает превосходными транспортными свойствами, доступностью и невысокой стоимостью. Однако аммиак токсичен и легко воспламеняется. Фторированные угли, такие как CFC и HCFC , не токсичны и не воспламеняются, но они способствуют разрушению озонового слоя. Углеводороды тоже являются хорошими кандидатами, но они легко воспламеняются; кроме того, это создаст конкуренцию за использование их непосредственно в качестве топлива. Размер силовой установки зависит от давления пара рабочего тела. С увеличением давления пара размер турбины и теплообменников уменьшается, в то время как толщина стенок трубы и теплообменников увеличивается, чтобы выдерживать высокое давление, особенно на стороне испарителя.

Наземные, шельфовые и плавучие площадки [ править ]

OTEC имеет потенциал для производства гигаватт электроэнергии и в сочетании с электролизом может производить достаточно водорода, чтобы полностью заменить все прогнозируемое глобальное потребление ископаемого топлива. ^{[ цитата необходима ] Однако} снижение затрат остается нерешенной задачей. Установкам OTEC требуется длинная водозаборная труба большого диаметра, которая погружается на километр или более в глубину океана, чтобы вывести холодную воду на поверхность.

Наземный [ править ]

Наземные и прибрежные сооружения имеют три основных преимущества перед глубоководными. Установки, построенные на суше или рядом с ней, не требуют сложной швартовки, длинных силовых кабелей или более обширного обслуживания, связанного с окружающей средой в открытом океане. Их можно установить в защищенных местах, чтобы они были относительно безопасными от штормов и сильного моря. Электроэнергия, опресненная вода и холодная, богатая питательными веществами морская вода могут передаваться с береговых объектов через эстакадные мосты или дамбы. Кроме того, наземные или прибрежные участки позволяют предприятиям работать со смежными отраслями, такими как марикультура или те, которые требуют опресненной воды.

Излюбленные места включают те, которые имеют узкие шельфы (вулканические острова), крутые (15-20 градусов) морские склоны и относительно гладкое морское дно. Эти участки минимизируют длину всасывающей трубы. Наземный завод можно построить вдали от берега, обеспечивая большую защиту от штормов, или на пляже, где трубы будут короче. В любом случае легкий доступ для строительства и эксплуатации помогает снизить затраты.

Наземные или прибрежные участки также могут поддерживать марикультуру или сельское хозяйство с использованием охлажденной воды. Резервуары или лагуны, построенные на берегу, позволяют рабочим отслеживать и контролировать миниатюрную морскую среду. Продукция марикультуры может доставляться на рынок стандартным транспортом.

Один из недостатков наземных сооружений связан с действием турбулентных волн в зоне прибоя . Сливные трубы OTEC следует размещать в защитных траншеях, чтобы не подвергать их экстремальным нагрузкам во время штормов и продолжительных периодов сильного волнения на море. Кроме того, смешанный сброс холодной и теплой морской воды может потребоваться отвести на несколько сотен метров от берега, чтобы достичь нужной глубины до того, как он будет выпущен, что потребует дополнительных затрат на строительство и техническое обслуживание.

Один из способов, которым системы OTEC могут избежать некоторых проблем и расходов, связанных с работой в зоне прибоя, - это строительство их недалеко от берега на глубине от 10 до 30 метров (Ocean Thermal Corporation 1984). В этом типе установки будут использоваться более короткие (и, следовательно, менее дорогие) впускные и выпускные трубы, что позволит избежать опасностей турбулентного прибоя. Сама установка, однако, потребует защиты от морской среды, такой как волноломы и устойчивые к эрозии фундаменты, а продукцию завода необходимо будет передавать на берег. ^[47]

На полке [ править ]

Чтобы избежать турбулентной зоны прибоя, а также приблизиться к источнику холодной воды, установки OTEC могут быть установлены на континентальном шельфе на глубине до 100 метров (330 футов). Стеллажную установку можно было отбуксировать на площадку и закрепить на дне моря. Этот тип конструкции уже используется для морских нефтяных вышек. Сложности эксплуатации станции OTEC на более глубокой воде могут сделать ее более дорогостоящей, чем наземные подходы. Проблемы включают стрессовые условия открытого океана и более сложную доставку продукции. Устранение сильных океанских течений и больших волн увеличивает расходы на проектирование и строительство. Платформы требуют обширных свай, чтобы поддерживать устойчивое основание. Для доставки энергии могут потребоваться длинные подводные кабели, чтобы добраться до суши. По этим причинам полочные растения менее привлекательны. ^{[47] [цитата необходима ]}

Плавающий [ править ]

Плавучие объекты ОТЭК работают на шельфе. Хотя они потенциально оптимальны для больших систем, плавучие средства представляют ряд трудностей. Сложность швартовки растений на очень большой глубине затрудняет подачу электроэнергии. Тросы, прикрепленные к плавучим платформам, более подвержены повреждениям, особенно во время штормов. Кабели на глубине более 1000 метров сложно обслуживать и ремонтировать. Кабели стояка, которые соединяют морское дно и завод, должны быть сконструированы так, чтобы противостоять запутыванию. ^[47]

Как и в случае с установками на полках, плавучим растениям требуется стабильная основа для непрерывной работы. Сильные штормы и сильные волны на море могут сломать вертикально подвешенный трубопровод холодной воды, а также прервать забор теплой воды. Чтобы предотвратить эти проблемы, трубы могут быть изготовлены из гибкого полиэтилена, прикрепленного к нижней части платформы и скрепленного шарнирами с помощью шарниров или хомутов. Возможно, потребуется отсоединить трубы от установки, чтобы предотвратить повреждение ураганом. В качестве альтернативы водопроводу для теплой воды можно забирать поверхностную воду прямо в платформу; однако необходимо предотвратить повреждение или прерывание всасываемого потока во время резких движений, вызванных сильным волнением. ^[47]

Подключение плавучей установки к кабелям для подачи энергии требует, чтобы установка оставалась относительно неподвижной. Швартовка - приемлемый метод, но современные технологии швартовки ограничены глубиной около 2000 метров (6600 футов). Даже на небольшой глубине стоимость швартовки может быть непомерно высокой. ^[48]

Политические проблемы [ править ]

Поскольку объекты OTEC представляют собой более или менее стационарные наземные платформы, их точное местоположение и правовой статус могут быть затронуты Конвенцией Организации Объединенных Наций по морскому праву (UNCLOS). Этот договор предоставляет прибрежным странам зоны в 12 и 200 морских миль (370 км) с различными юридическими полномочиями от суши, что создает потенциальные конфликты и нормативные барьеры. Заводы OTEC и аналогичные сооружения будут считаться искусственными островами в соответствии с соглашением, что не дает им независимого правового статуса. Заводы OTEC могут восприниматься либо как угроза, либо как потенциальный партнер для рыболовства или добычи полезных ископаемых на морском дне, контролируемых Международным органом по морскому дну .

Стоимость и экономика [ править ]

Поскольку системы OTEC еще не получили широкого распространения, оценки затрат неопределенны. В исследовании 2010 года, проведенном Гавайским университетом, стоимость электроэнергии для OTEC оценивалась в 94,0 процента (США) за киловатт-час (кВтч) для электростанции мощностью 1,4 МВт, 44,0 процента за кВтч для станции мощностью 10 МВт и 18,0 процента за кВтч для станции мощностью 100 МВт. растение. ^[49] В отчете за 2015 год организации Ocean Energy Systems при Международном энергетическом агентстве дается оценка около 20 процентов на кВтч для станций мощностью 100 МВт. ^[50] Другое исследование оценивает затраты на производство электроэнергии всего в 7 процентов за кВтч. ^[51]По сравнению с другими источниками энергии, исследование Lazard 2019 года оценило несубсидируемую стоимость электроэнергии от 3,2 до 4,2 цента за кВтч для солнечных фотоэлектрических систем в масштабах коммунального предприятия и от 2,8 до 5,4 процента за кВтч для энергии ветра . ^[52]

В отчете, опубликованном IRENA в 2014 году, утверждалось, что коммерческое использование технологии OTEC можно масштабировать различными способами. «... небольшие заводы OTEC могут быть приспособлены для производства электроэнергии в небольших населенных пунктах (5 000-50 000 жителей), но потребуют, чтобы производство ценных побочных продуктов, таких как пресная вода или охлаждение, было экономически жизнеспособным. ». Более крупные установки OTEC будут иметь гораздо более высокие накладные расходы и затраты на установку. </ref> Преобразование тепловой энергии океана ^[53]

К положительным факторам, которые следует принимать во внимание, относятся отсутствие у OTEC отходов и потребления топлива, территория, в которой он доступен ^{[ необходима цитата ]} (часто в пределах 20 ° от экватора) ^[54], геополитические последствия нефтяной зависимости, совместимость с альтернативными формами энергии океана, такими как энергия волн, приливная энергия и гидраты метана , а также дополнительное использование морской воды. ^[55]

Некоторые предлагаемые проекты [ править ]

Otec проекты Рассматриваемые включают небольшой завод для ВМС США базы на британской заморской территории острова Диего - Гарсия в Индийском океане . Ocean Thermal Energy Corporation (ранее OCEES International, Inc.) работает с ВМС США над проектом предлагаемой установки OTEC мощностью 13 МВт, которая заменит существующие дизельные генераторы. Завод OTEC также будет обеспечивать 1,25 миллиона галлонов ^{[ необходимого разъяснения ]} питьевой воды в день. Этот проект в настоящее время ^{[ когда? ] в} ожидании изменений в политике США по военным контрактам. OTE предложила построить на Гуаме станцию ​​OTEC мощностью 10 МВт .

Багамы [ править ]

Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) в настоящее время ^{[ когда? ]} планирует установить две станции OTEC мощностью 10 МВт на Виргинских островах США и объект OTEC мощностью 5-10 МВт на Багамах. OTE также спроектировала крупнейшую в мире установку для кондиционирования воздуха с морской водой (SWAC) для курорта на Багамах, которая будет использовать холодную глубоководную воду в качестве метода кондиционирования воздуха. ^[56] В середине 2015 года проект, завершенный на 95%, был временно приостановлен, пока на курорте решались финансовые вопросы и вопросы собственности. ^[57] 22 августа 2016 года правительство Багамских островов объявило о подписании нового соглашения, в соответствии с которым будет завершено строительство курорта Баха Мар. ^[27]27 сентября 2016 года премьер-министр Багамских островов Перри Кристи объявил, что строительство на Баха Мар возобновилось и что курорт планируется открыть в марте 2017 года. ^[58]

OTE планирует запустить завод SWAC в течение двух лет после открытия Baha Mar.

Гавайи [ править ]

Команда Lockheed Martin по развитию альтернативной энергетики в партнерстве с Makai Ocean Engineering ^[59] завершила заключительный этап проектирования пилотной системы OTEC замкнутого цикла мощностью 10 МВт, которую планировалось ввести в эксплуатацию на Гавайях в период 2012-2013 годов. Эта система была разработана для расширения до коммерческих систем мощностью 100 МВт в ближайшем будущем. В ноябре 2010 года инженерное командование военно-морских объектов США (NAVFAC) заключило с Lockheed Martin модификацию контракта на 4,4 миллиона долларов США на разработку критических системных компонентов и конструкций для завода, добавив к контракту 2009 года на 8,1 миллиона долларов и двум грантам Министерства энергетики на общую сумму более 1 миллиона долларов. в 2008 г. и в марте 2010 г. ^[60]Небольшая, но действующая установка по преобразованию тепловой энергии океана (OTEC) была торжественно открыта на Гавайях в августе 2015 года. Открытие научно-исследовательской и опытно-конструкторской установки мощностью 100 киловатт стало первым случаем, когда установка OTEC замкнутого цикла была подключена к сети США. ^[61]

Хайнань [ править ]

13 апреля 2013 года Lockheed заключила контракт с Reignwood Group на строительство станции мощностью 10 мегаватт у побережья южного Китая для обеспечения электроэнергией планируемого курорта на острове Хайнань . ^[62] Завод такого размера мог бы привести в действие несколько тысяч домов. ^{[63] [64]} Группа Reignwood приобрела Opus Offshore в 2011 году, в результате чего было сформировано подразделение Reignwood Ocean Engineering, которое также занимается разработкой глубоководного бурения . ^[65]

Япония [ править ]

В настоящее время единственная постоянно действующая система OTEC находится в префектуре Окинава, Япония. Государственная поддержка, поддержка местного сообщества и передовые исследования, проведенные Университетом Сага, были ключевыми факторами для подрядчиков, IHI Plant Construction Co. Ltd, Yokogawa Electric Corporation и Xenesys Inc., в достижении успеха в этом проекте. Ведутся работы по развитию объекта мощностью 1 МВт на острове Куме, требующего новых трубопроводов. В июле 2014 года более 50 членов сформировали Глобальную ассоциацию ресурсов и энергии океана ( GOSEA ) - международную организацию, созданную для содействия развитию модели Кумедзима и работы над установкой более крупных глубоководных трубопроводов с морской водой и объекта OTEC мощностью 1 МВт. ^[66]Компании, участвующие в текущих проектах OTEC, наряду с другими заинтересованными сторонами, также разработали планы для оффшорных систем OTEC. ^[67] - Для получения дополнительной информации см. «Действующие в настоящее время предприятия OTEC» выше.

Виргинские острова Соединенных Штатов [ править ]

5 марта 2014 г. Ocean Thermal Energy Corporation (OTEC) ^[68] и 30-й законодательный орган Виргинских островов Соединенных Штатов (USVI) подписали Меморандум о взаимопонимании, чтобы продолжить исследование для оценки осуществимости и потенциальных выгод для USVI. установки береговых электростанций на возобновляемых источниках энергии для преобразования тепловой энергии океана (OTEC) и установок для кондиционирования воздуха с морской водой (SWAC). ^[69] Преимущества, которые должны быть оценены в исследовании USVI, включают как базовую (круглосуточную) чистую электроэнергию, вырабатываемую OTEC, так и различные сопутствующие продукты, связанные с OTEC и SWAC, включая обилие пресной питьевой воды, энергосберегающий воздух. кондиционирование, устойчивая аквакультура и марикультура, а также проекты улучшения сельского хозяйства на островах Сент-Томас и Санта-Крус.^[70]

18 июля 2016 года заявка ОТЕ на квалификацию предприятия была одобрена Комиссией по коммунальным услугам Виргинских островов. ^[31] OTE также получила разрешение начать переговоры по контрактам, связанным с этим проектом. ^[32]

Кирибати [ править ]

Южнокорейский научно-исследовательский институт кораблестроения и океанической инженерии (KRISO) получил принципиальное одобрение от Bureau Veritas на свой проект OTEC мощностью 1 МВт. Сроки реализации проекта, который будет расположен в 6 км от берега Республики Кирибати, не сообщаются. ^[71]

Мартиника [ править ]

Akuo энергетики и DCNS получили финансирование NER300 8 июля 2014 года ^[72] для их NEMO (New Energy для Мартиники и за рубежом) проекта , который , как ожидается, будет 10.7MW внутрисетевые морские сооружения завершено в 2020 г. ^[73] награду помощь в развитии составила 72 миллиона евро. ^[74]

Мальдивы [ править ]

16 февраля 2018 г. Global OTEC Resources объявила о планах ^[75] построить на Мальдивах электростанцию ​​мощностью 150 кВт, специально разработанную для отелей и курортов. ^[76] «Все эти курорты получают энергию от дизель-генераторов. Более того, некоторые отдельные курорты потребляют 7000 литров дизельного топлива в день для удовлетворения потребностей, что соответствует более 6000 тонн CO2 в год», - сказал директор Дэн Греч. ^[77] ЕС выделил грант, а ресурсы Global OTEC запустили краудфандинговую кампанию для остальных. ^[75]

Связанные мероприятия [ править ]

OTEC использует не только для производства электроэнергии.

Опреснение [ править ]

Опресненная вода может производиться на установках с открытым или гибридным циклом с использованием поверхностных конденсаторов для превращения испарившейся морской воды в питьевую воду. Системный анализ показывает, что установка мощностью 2 мегаватта может производить около 4300 кубических метров (150 000 кубических футов) опресненной воды каждый день. ^[78] Другая система, запатентованная Ричардом Бейли, создает конденсатную воду, регулируя поток воды в глубоком океане через поверхностные конденсаторы в соответствии с колебаниями температуры точки росы. ^[79] Эта система конденсации не использует дополнительной энергии и не имеет движущихся частей.

22 марта 2015 года Университет Сага открыл демонстрационный объект по опреснению воды типа Flash на Кумедзиме. ^[80] Этот спутник их Института энергии океана использует глубоководную воду пост-OTEC с демонстрационного центра OTEC на Окинаве и неочищенную морскую воду с поверхности для производства опресненной воды. Воздух отсасывается из закрытой системы с помощью вакуумного насоса. Когда сырая морская вода закачивается в испарительную камеру, она кипит, позволяя чистому пару подниматься, а соль и оставшуюся морскую воду удаляются. Пар возвращается в жидкость в теплообменнике с холодной глубоководной водой после OTEC. ^[81] Опресненную воду можно использовать для производства водорода или питьевой воды (если добавлены минералы).

Завод NELHA, основанный в 1993 году, производил в среднем 7000 галлонов пресной воды в день. KOYO USA была основана в 2002 году, чтобы воспользоваться этой новой экономической возможностью. KOYO разливает воду, произведенную на заводе NELHA на Гавайях. Имея возможность производить один миллион бутылок воды каждый день, KOYO в настоящее время является крупнейшим экспортером на Гавайях с объемом продаж 140 миллионов долларов [81].

Кондиционер [ править ]

Холодная морская вода с температурой 41 ° F (5 ° C), поступающая от системы OTEC, создает возможность для охлаждения промышленных предприятий и домов рядом с заводом. Воду можно использовать в змеевиках с охлажденной водой для кондиционирования воздуха в зданиях. Подсчитано, что труба диаметром 1 фут (0,30 м) может подавать 4700 галлонов воды в минуту. Вода с температурой 43 ° F (6 ° C) может обеспечить более чем достаточное кондиционирование воздуха для большого здания. Работая 8000 часов в год вместо электричества, продаваемого по 5-10 центов за киловатт-час, он ежегодно экономит 200-400 тысяч долларов на счетах за электроэнергию. ^[82]

InterContinental Курорт и Thalasso-Spa на острове Бора - Бора использует систему SWAC для кондиционирования воздуха его зданий. ^[83] Система пропускает морскую воду через теплообменник, где она охлаждает пресную воду в замкнутой системе. Эта пресная вода затем перекачивается в здания и непосредственно охлаждает воздух.

В 2010 году Copenhagen Energy открыла станцию ​​централизованного холодоснабжения в Копенгагене, Дания. Завод поставляет холодную морскую воду в коммерческие и промышленные здания и снизил потребление электроэнергии на 80 процентов. ^[84] Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) разработала систему SDC на 9800 тонн для курорта на Багамах.

Охлажденная почва [ править ]

Технология OTEC поддерживает сельское хозяйство с охлажденной почвой. Когда холодная морская вода течет по подземным трубам, она охлаждает окружающую почву. Разница температур между корнями в прохладной почве и листьями в теплом воздухе позволяет растениям, которые эволюционировали в умеренном климате, выращивать в субтропиках . Доктор Джон П. Крейвен, доктор Джек Дэвидсон и Ричард Бейли запатентовали этот процесс и продемонстрировали его в исследовательском центре Лаборатории естественной энергии Управления Гавайев (NELHA). ^[85] Исследовательский центр продемонстрировал, что с помощью этой системы можно выращивать более 100 различных культур. Многие обычно не могли выжить на Гавайях или в Кихол-Пойнте. ^{[ необходима цитата ]}

Япония также изучает сельскохозяйственное использование глубоководных вод с 2000 года в Окинавском научно-исследовательском институте глубоководных вод на острове Куме. На предприятиях острова Куме используется обычная вода, охлаждаемая глубоководной морской водой, в теплообменнике, проходящем через трубы в земле для охлаждения почвы. Их технологии стали важным ресурсом для островного сообщества, поскольку теперь они производят шпинат, зимний овощ, коммерчески круглый год. Расширение предприятия глубоководного сельского хозяйства было завершено в городе Кумедзима рядом с демонстрационным центром OTEC в 2014 году. Новое предприятие предназначено для исследования экономической целесообразности сельского хозяйства на охлажденных почвах в более широком масштабе. ^[86]

Аквакультура [ править ]

Аквакультура - наиболее известный побочный продукт, поскольку она снижает финансовые и энергетические затраты на перекачку больших объемов воды из глубин океана. Глубокие океанические воды содержат высокие концентрации основных питательных веществ, которые истощаются в поверхностных водах из-за биологического потребления. Этот «искусственный апвеллинг» имитирует естественные апвеллинги, которые отвечают за удобрение и поддержку крупнейших морских экосистем в мире и самой большой плотности жизни на планете.

В этой богатой питательными веществами глубокой морской воде прекрасно подходят такие холодные деликатесы, как лосось и лобстер . Также можно выращивать микроводоросли, такие как спирулина , добавка к здоровому пище. Глубоководные воды океана можно комбинировать с поверхностными водами для получения воды оптимальной температуры.

Неместные виды, такие как лосось, омар, морское ушко , форель , устрицы и моллюски, могут выращиваться в бассейнах, снабжаемых водой, перекачиваемой OTEC. Это расширяет ассортимент свежих морепродуктов, доступных на близлежащих рынках. Такое недорогое охлаждение можно использовать для поддержания качества выловленной рыбы, которая быстро портится в теплых тропических регионах. В Коне, Гавайи, аквакультурные компании, работающие с NELHA, ежегодно генерируют около 40 миллионов долларов, что составляет значительную часть ВВП Гавайев. ^[87]

Завод NELHA, основанный в 1993 году, производил в среднем 7000 галлонов пресной воды в день. KOYO USA была основана в 2002 году, чтобы воспользоваться этой новой экономической возможностью. KOYO разливает воду, произведенную на заводе NELHA на Гавайях. Имея возможность производить один миллион бутылок воды каждый день, KOYO в настоящее время является крупнейшим экспортером на Гавайях с объемом продаж 140 миллионов долларов. ^[88]

Производство водорода [ править ]

Водород можно производить путем электролиза с использованием электричества OTEC. Образующийся пар с добавлением соединений электролита для повышения эффективности является относительно чистой средой для производства водорода. OTEC можно масштабировать для производства большого количества водорода. Основная проблема - это стоимость по сравнению с другими источниками энергии и топлива. ^[89]

Добыча минералов [ править ]

Океан содержит 57 микроэлементов в солях и других формах, растворенных в растворе. В прошлом большинство экономических анализов приходили к выводу, что добыча микроэлементов в океане будет невыгодной, отчасти из-за энергии, необходимой для перекачивания воды. Добыча обычно нацелена на минералы, которые встречаются в высоких концентрациях и легко извлекаются, например, магний . С заводами OTEC, поставляющими воду, единственная стоимость - это добыча. ^[90] Японцы исследовали возможность добычи урана и обнаружили, что разработки в других технологиях (особенно в материаловедении) улучшают перспективы. ^[91]

Климат-контроль [ править ]

Температурный градиент океана можно использовать для увеличения количества осадков и снижения высоких летних температур в тропиках, что принесет огромную пользу человечеству, флоре и фауне . Когда температура поверхности моря относительно высока в какой-либо области, образуется область с более низким атмосферным давлением по сравнению с атмосферным давлением, преобладающим на соседней суше, вызывая ветры с суши в сторону океана. Ветры со стороны океана сухие и теплые, что не способствует хорошему количеству осадков на суше по сравнению с влажными ветрами со стороны суши. Для достаточного количества осадков и комфортных летних температур окружающей среды (ниже 35 ° C) на суше предпочтительно, чтобы на сушу дул влажный ветер с океана. Создание зон повышенного давления искусственным апвеллингомна море выборочно также может использоваться для отклонения / направления обычных муссонных глобальных ветров к суше. Искусственный подъем богатой питательными веществами глубоководной воды океана на поверхность также способствует росту рыболовства в районах с тропической и умеренной погодой. ^[92] Это также приведет к усилению связывания углерода океанами в результате улучшения роста водорослей и увеличения массы ледниками в результате дополнительного снегопада, смягчающего повышение уровня моря или процесс глобального потепления . Тропические циклоны также не проходят через зоны высокого давления, поскольку они усиливаются за счет получения энергии от теплых поверхностных вод моря.

Холодная глубоководная морская вода (<10 ° C) перекачивается на поверхность моря для снижения температуры поверхности моря (> 26 ° C) с помощью искусственных средств с использованием электроэнергии, производимой мегамасштабными плавучими ветряными электростанциями на глубине моря. Более низкая температура поверхности морской воды повысит местное атмосферное давление, так что возникнут атмосферные ветры со стороны суши. Для подъема в холодную морскую воду стационарный гребной винт с гидравлическим приводом (диаметр ≈50 м, как у гребного винта атомной подводной лодки) расположен на глубоководном дне на глубине от 500 до 1000 м с гибкой вытяжной трубой, доходящей до поверхности моря. Тяговая труба прикреплена к морскому дну снизу, а верхняя сторона - к плавучим понтонам.на поверхности моря. Гибкая вытяжная труба не разрушится, поскольку ее внутреннее давление больше по сравнению с внешним давлением, когда более холодная вода перекачивается на поверхность моря. Ближний Восток, Северо-Восточная Африка, Индийский субконтинент и Австралия могут избавиться от жаркой и засушливой погоды в летний сезон, также подверженной неустойчивым дождям, путем откачки глубоководной воды на поверхность моря из Персидского залива, Красного моря, Индийского океана и Тихого океана. Океан соответственно.

Термодинамика [ править ]

Тщательная обработка OTEC показывает, что разница температур в 20 ° C обеспечит столько же энергии, сколько гидроэлектростанция с напором 34 м для того же объема потока воды. Низкая разница температур означает, что объемы воды должны быть очень большими для отвода полезного количества тепла. Ожидается, что электростанция мощностью 100 МВт будет перекачивать порядка 12 миллионов галлонов (44 400 тонн) в минуту. ^[93] Для сравнения, насосы должны перемещать массу воды, превышающую вес линкора «Бисмарк» , который весил 41 700 тонн, каждую минуту. Это делает перекачку значительным паразитным стоком.по производству энергии в системах OTEC, с одной конструкцией Lockheed, потребляющей 19,55 МВт в затратах на перекачку на каждые 49,8 МВт произведенной чистой электроэнергии. Для схем OTEC, использующих теплообменники, для обработки такого объема воды теплообменники должны быть огромными по сравнению с теми, которые используются на обычных тепловых электростанциях ^[94], что делает их одними из наиболее важных компонентов из-за их влияния на общую эффективность. Для электростанции OTEC мощностью 100 МВт потребуется 200 теплообменников, каждый больше, чем 20-футовый транспортный контейнер, что делает их самым дорогим компонентом. ^[95]

Изменение температуры океана с глубиной [ править ]

Полная инсоляция, получаемая океанами (покрывающая 70% поверхности Земли, с индексом ясности 0,5 и средним сохранением энергии 15%), составляет: 5,45 × 10 ¹⁸ МДж / год × 0,7 × 0,5 × 0,15 = 2,87 × 10 ¹⁷ МДж. / год

Мы можем использовать закон Бера – Ламберта – Бугера для количественной оценки поглощения солнечной энергии водой:

${\ displaystyle - {\ frac {dI (y)} {dy}} = \ mu I}$

где y - глубина воды, I - интенсивность, μ - коэффициент поглощения. Решая приведенное выше дифференциальное уравнение ,

${\ Displaystyle I (y) = I_ {0} \ exp (- \ mu y) \,}$

Коэффициент поглощения μ может находиться в диапазоне от 0,05 м ^-1 для очень чистой пресной воды до 0,5 м ^-1 для очень соленой воды.

Поскольку интенсивность экспоненциально падает с глубиной y , поглощение тепла сосредоточено в верхних слоях. Обычно в тропиках значения температуры поверхности превышают 25 ° C (77 ° F), а на расстоянии 1 км (0,62 мили) температура составляет около 5–10 ° C (41–50 ° F). Более теплая (и, следовательно, более легкая) вода на поверхности означает, что нет потоков тепловой конвекции . Из-за небольших температурных градиентов теплопередача за счет теплопроводности слишком мала для выравнивания температур. Таким образом, океан является одновременно практически бесконечным источником тепла и практически бесконечным поглотителем тепла. ^{[ требуется разъяснение ]}

Эта разница температур меняется в зависимости от широты и сезона, с максимумом в тропических , субтропических и экваториальных водах. Следовательно, тропики, как правило, являются лучшим местом для OTEC.

Цикл Open / Claude [ править ]

В этой схеме теплая поверхностная вода с температурой около 27 ° C (81 ° F) поступает в испаритель под давлением немного ниже давления насыщения, вызывая ее испарение.

${\ Displaystyle H_ {1} = H_ {f} \,}$

Где H _f - энтальпия жидкой воды при температуре на входе, Т ₁ .

Эта временно перегретая вода подвергается объемному кипению, в отличие от кипения в бассейне в обычных котлах, где соприкасается поверхность нагрева. Таким образом, вода частично превращается в пар с преобладанием двухфазного равновесия. Предположим, что давление внутри испарителя поддерживается на уровне давления насыщения T ₂ .

${\ Displaystyle H_ {2} = H_ {1} = H_ {f} + x_ {2} H_ {fg} \,}$

Здесь x ₂ - это массовая доля воды, которая испаряется. Массовый расход теплой воды на единицу массового расхода турбины составляет 1 / x ₂ .

Низкое давление в испарителе поддерживается вакуумным насосом, который также удаляет растворенные неконденсирующиеся газы из испарителя. Испаритель теперь содержит смесь воды и пара с очень низким качеством пара ( паросодержание ). Пар отделяется от воды в виде насыщенного пара. Оставшаяся вода насыщена и сбрасывается в океан в открытом цикле. Пар представляет собой рабочую жидкость низкого давления / большого удельного объема . Он расширяется в специальной турбине низкого давления.

${\ Displaystyle H_ {3} = H_ {g} \,}$

Здесь H _g соответствует T ₂ . Для идеальной изэнтропической ( реверсивной адиабатической ) турбины

${\displaystyle s_{5,s}=s_{3}=s_{f}+x_{5,s}s_{fg}\,}$

Вышеприведенное уравнение соответствует температуре на выходе из турбины T ₅ . x _{5, s} - массовая доля пара в состоянии 5.

Энтальпия при T ₅ составляет,

${\displaystyle H_{5,s}=H_{f}+x_{5,s}H_{fg}\,}$

Эта энтальпия ниже. Адиабатическая обратимая работа турбины = H ₃ - H _{5, с} .

Фактическая работа турбины W _T = ( H ₃ - H _{5, с} ) x политропный КПД

${\displaystyle H_{5}=H_{3}-\ \mathrm {actual} \ \mathrm {work} }$

Температура и давление конденсатора ниже. Поскольку выхлоп турбины должен сбрасываться обратно в океан, используется конденсатор прямого контакта для смешивания выхлопа с холодной водой, что приводит к почти насыщенной воде. Эта вода теперь сбрасывается обратно в океан.

H ₆ = H _f , при Т ₅ . T ₇ - температура выхлопных газов, смешанных с холодной морской водой, так как содержание пара теперь незначительно,

${\displaystyle H_{7}\approx H_{f}\,\ at\ T_{7}\,}$

Разница температур между ступенями включает разницу между теплой поверхностной водой и рабочим паром, между отработанным паром и охлаждающей водой и между охлаждающей водой, достигающей конденсатора, и глубокой водой. Они представляют собой внешние необратимости, которые уменьшают общую разницу температур.

Расход холодной воды на единицу массового расхода турбины,

${\displaystyle {\dot {m_{c}={\frac {H_{5}-\ H_{6}}{H_{6}-\ H_{7}}}}}\,}$

Массовый расход турбины, ${\displaystyle {\dot {M_{T}}}={\frac {\mathrm {turbine} \ \mathrm {work} \ \mathrm {required} }{W_{T}}}}$

Массовый расход теплой воды, ${\displaystyle {\dot {M_{w}}}={\dot {M_{T}{\dot {m_{w}}}}}\,}$

Массовый расход холодной воды ${\displaystyle {\dot {{\dot {M_{c}}}={\dot {M_{T}m_{C}}}}}\,}$

Закрытый цикл Андерсона [ править ]

Как было разработано в 1960-х годах Дж. Гильбертом Андерсоном из Sea Solar Power, Inc., в этом цикле Q _H представляет собой тепло, передаваемое в испарителе от теплой морской воды к рабочему телу. Рабочая жидкость выходит из испарителя в виде газа вблизи точки росы .

Высокое давление, высокотемпературный газ затем расширяется в турбине с получением газотурбинной работы, W _T . На выходе из турбины рабочая жидкость слегка перегревается, и турбина обычно имеет КПД 90% на основе обратимого адиабатического расширения.

На выходе из турбины рабочее тело поступает в конденсатор, где отводит тепло -Q _C в холодную морскую воду. Конденсат затем сжимается до самого высокого давления в цикле, требующая работу насоса конденсата, W _C . Таким образом, замкнутый цикл Андерсона представляет собой цикл типа Ренкина, аналогичный традиционному паровому циклу электростанции, за исключением того, что в цикле Андерсона рабочая жидкость никогда не перегревается более чем на несколько градусов по Фаренгейту.. Из-за эффектов вязкости давление рабочей жидкости падает как в испарителе, так и в конденсаторе. Это падение давления, которое зависит от типов используемых теплообменников, должно учитываться при окончательных расчетах конструкции, но здесь не учитывается для упрощения анализа. Таким образом, рассчитанная здесь работа насоса паразитного конденсата W _C будет ниже, чем при учете падения давления в теплообменнике. Основными дополнительными паразитными потребностями в энергии в установке OTEC являются работа насоса холодной воды, W _CT , и работа насоса теплой воды, W _HT . Обозначая все другие паразитные потребности в энергии через W _A , чистая работа от завода OTEC, W _NP равна

${\displaystyle W_{NP}=W_{T}-W_{C}-W_{CT}-W_{HT}-W_{A}\,}$

Термодинамический цикл, которому подвергается рабочая жидкость, может быть проанализирован без детального рассмотрения паразитных требований к энергии. Согласно первому закону термодинамики, баланс энергии рабочего тела как системы

${\displaystyle W_{N}=Q_{H}-Q_{C}\,}$

где W _N = W _T + W _C - чистая работа термодинамического цикла. Для идеализированного случая, когда нет падения давления рабочей жидкости в теплообменниках,

${\displaystyle Q_{H}=\int _{H}T_{H}ds\,}$

а также

${\displaystyle Q_{C}=\int _{C}T_{C}ds\,}$

так что чистая работа термодинамического цикла становится

${\displaystyle W_{N}=\int _{H}T_{H}ds-\int _{C}T_{C}ds\,}$

Переохлажденная жидкость поступает в испаритель. Из-за теплообмена с теплой морской водой происходит испарение, и обычно перегретый пар выходит из испарителя. Этот пар приводит в движение турбину, и двухфазная смесь поступает в конденсатор. Обычно переохлажденная жидкость покидает конденсатор и, наконец, эта жидкость перекачивается в испаритель, завершая цикл.

Воздействие на окружающую среду [ править ]

Углекислый газ, растворенный в глубоких холодных слоях и слоях высокого давления, поднимается на поверхность и выделяется при нагревании воды. ^{[ необходима цитата ]}

Смешивание глубоководной океанской воды с более мелкой водой приносит питательные вещества и делает их доступными для мелководных организмов. Это может быть преимуществом для аквакультуры коммерчески важных видов, но также может нарушить баланс экологической системы вокруг электростанции. ^{[ необходима цитата ]}

Установки OTEC используют очень большие потоки теплой поверхностной морской воды и холодной глубоководной воды для выработки постоянной возобновляемой энергии. Глубокая морская вода бедна кислородом и обычно в 20-40 раз более богата питательными веществами (нитратами и нитритами), чем мелкая морская вода. Когда эти шлейфы смешиваются, они немного плотнее окружающей морской воды. ^[96] Хотя никаких крупномасштабных испытаний OTEC в условиях окружающей среды не проводилось, были разработаны компьютерные модели для имитации воздействия растений OTEC.

Гидродинамическое моделирование [ править ]

В 2010 году была разработана компьютерная модель для моделирования физических океанографических эффектов одной или нескольких 100-мегаваттных станций OTEC. Модель предполагает, что установки OTEC могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы установка могла работать непрерывно, с результирующими изменениями температуры и питательных веществ, которые находятся в пределах естественных уровней. На сегодняшний день исследования показывают, что за счет сброса потоков OTEC вниз на глубине ниже 70 метров разбавление является адекватным, а обогащение питательными веществами достаточно мало, чтобы установки OTEC мощностью 100 мегаватт могли эксплуатироваться устойчивым образом на непрерывной основе. ^[97]

Биологическое моделирование [ править ]

Питательные вещества из разряда OTEC потенциально могут вызвать повышенную биологическую активность, если они накапливаются в больших количествах в фотической зоне . ^[97] В 2011 году в гидродинамическую компьютерную модель был добавлен биологический компонент для моделирования биологической реакции на шлейфы от 100-мегаваттных станций OTEC. Во всех смоделированных случаях (сброс на глубине 70 метров и более) не происходит никаких неестественных изменений в верхних 40 метрах поверхности океана. ^[96]Реакция пикопланктона в слое глубиной 110-70 метров увеличивается примерно на 10-25%, что находится в пределах естественной изменчивости. Реакция нанопланктона незначительна. Повышенная продуктивность диатомовых водорослей (микропланктона) невелика. Незначительное увеличение фитопланктона исходного растения OTEC предполагает, что биохимические эффекты более высокого порядка будут очень незначительными. ^[96]

Исследования [ править ]

Предыдущее Заключительное заявление о воздействии на окружающую среду (EIS) для NOAA США от 1981 года имеется, ^[98] но его необходимо привести в соответствие с текущими океанографическими и инженерными стандартами. Были проведены исследования, чтобы предложить лучшие методы мониторинга фонового состояния окружающей среды с упором на набор из десяти химических океанографических параметров, имеющих отношение к OTEC. ^[99] Совсем недавно NOAA провело семинар OTEC в 2010 и 2012 годах, целью которого было оценить физические, химические и биологические воздействия и риски, а также выявить информационные пробелы или потребности. ^{[100] [101]}

База данных Tethys обеспечивает доступ к научной литературе и общей информации о потенциальном воздействии OTEC на окружающую среду. ^[102]

Технические трудности [ править ]

Растворенные газы [ править ]

Характеристики теплообменников с прямым контактом, работающих при типичных граничных условиях OTEC, важны для цикла Клода. Во многих ранних конструкциях цикла Клода использовался поверхностный конденсатор, поскольку их характеристики были хорошо изучены. Однако конденсаторы с прямым контактом обладают существенными недостатками. По мере того, как во всасывающей трубе поднимается холодная вода, давление снижается до точки, в которой начинает выделяться газ. Если из раствора выходит значительное количество газа, установка газовой ловушки перед теплообменниками прямого контакта может быть оправдана. Эксперименты, моделирующие условия в трубе забора теплой воды, показали, что около 30% растворенного газа выделяется в верхних 8,5 метрах (28 футов) трубы. Компромисс между предварительной деарацией ^[103]морской воды и выброс неконденсирующихся газов из конденсатора зависит от динамики газовыделения, эффективности деаэратора, потери напора, эффективности вентиляционного компрессора и паразитной мощности. Экспериментальные результаты показывают, что конденсаторы с вертикальной насадкой работают примерно на 30% лучше, чем конденсаторы с падающей струей.

Микробное обрастание [ править ]

Поскольку неочищенная морская вода должна проходить через теплообменник, необходимо следить за поддержанием хорошей теплопроводности . Слои биообрастания толщиной от 25 до 50 микрометров (от 0,00098 до 0,00197 дюйма) могут снизить производительность теплообменника на 50%. ^[40] Исследование 1977 года, в котором имитирующие теплообменники подвергались воздействию морской воды в течение десяти недель, показало, что, хотя уровень микробного загрязнения был низким, теплопроводность системы значительно ухудшилась. ^[104] Очевидное несоответствие между уровнем загрязнения и ухудшением теплопередачи является результатом тонкого слоя воды, захваченной микробами на поверхности теплообменника. ^[104]

Другое исследование пришло к выводу, что загрязнение ухудшает характеристики с течением времени, и определило, что, хотя регулярная чистка щеткой позволяет удалить большую часть микробного слоя, со временем формируется более жесткий слой, который невозможно удалить простой щеткой. ^[40] В ходе исследования через систему пропускались шарики из губчатой ​​резины. Он пришел к выводу, что, хотя обработка шариком снизила скорость загрязнения, этого было недостаточно, чтобы полностью остановить рост, а чистка щеткой иногда была необходима для восстановления способности. Позже в эксперименте микробы отрастали быстрее (т.е. чистка зубов становилась необходимой), повторяя результаты предыдущего исследования. ^[105] Повышенная скорость роста после последующей очистки, по-видимому, является результатом давления отбора на микробную колонию. ^[105]

Были изучены непрерывное использование 1 часа в день и периодические периоды свободного загрязнения, а затем периоды хлорирования (снова 1 час в день). Хлорирование замедлилось, но не остановило рост микробов; однако уровни хлорирования 0,1 мг на литр в течение 1 часа в день могут оказаться эффективными при длительной эксплуатации установки. ^[40] Исследование пришло к выводу, что, хотя микробное загрязнение является проблемой для теплообменника с теплой поверхностной водой, теплообменник с холодной водой практически не подвержен биообрастанию и имеет лишь минимальное неорганическое загрязнение. ^[40]

Помимо температуры воды, микробное загрязнение также зависит от уровня питательных веществ, при этом рост происходит быстрее в воде, богатой питательными веществами. ^[106] Скорость загрязнения также зависит от материала, из которого изготовлен теплообменник. Алюминиевые трубки замедляют рост микробов, хотя оксидный слой, образующийся внутри трубок, усложняет очистку и приводит к большим потерям в эффективности. ^[105] Напротив, титановые трубки позволяют биообрастанию происходить быстрее, но очистка более эффективна, чем алюминиевые. ^[105]

Печать [ править ]

Испаритель, турбина и конденсатор работают в условиях частичного вакуума в диапазоне от 3% до 1% атмосферного давления. Система должна быть тщательно герметизирована, чтобы предотвратить попадание атмосферного воздуха, которое может ухудшить или остановить работу. В OTEC замкнутого цикла удельный объем пара низкого давления очень велик по сравнению с объемом рабочей жидкости под давлением. Компоненты должны иметь большие проходные сечения, чтобы скорость пара не достигла чрезмерно высоких значений.

Паразитное энергопотребление выхлопным компрессором [ править ]

Подход к уменьшению паразитных потерь мощности выхлопного компрессора заключается в следующем. После того, как большая часть пара сконденсируется с помощью выпускных конденсаторов, неконденсирующаяся парогазовая смесь проходит через зону противотока, что увеличивает реакцию пар-газ в пять раз. В результате потребляемая мощность откачки выхлопных газов снижается на 80%.

Преобразование холодного воздуха в теплую воду [ править ]

Зимой в прибрежных районах Арктики перепад Т между морской водой и окружающим воздухом может достигать 40 ° C (72 ° F). Системы с замкнутым циклом могут использовать разницу температур воздуха и воды. Отказ от труб для забора морской воды может сделать систему, основанную на этой концепции, менее дорогой, чем OTEC. Эта технология принадлежит Х. Барджоту, который предложил бутан в качестве криогена из-за его температуры кипения -0,5 ° C (31,1 ° F) и его нерастворимости в воде. ^[107]При уровне эффективности, равном 4%, расчеты показывают, что количество энергии, вырабатываемой с использованием одного кубического метра воды при температуре 2 ° C (36 ° F) в месте с температурой воздуха -22 ° C (-8 ° F) равняется количеству энергии, произведенной пропусканием этого кубического метра воды через гидроэлектростанцию ​​высотой 4000 футов (1200 м). ^[108]

Полярные электростанции Barjot могут быть расположены на островах в полярном регионе или спроектированы как плавучие баржи или платформы, прикрепленные к ледяной шапке . Например, метеостанция Myggbuka на восточном побережье Гренландии, которая находится всего в 2100 км от Глазго, определяет среднемесячные температуры ниже -15 ° C (5 ° F) в течение 6 зимних месяцев в году. ^[109]

Применение термоэлектрического эффекта [ править ]

В 1979 году компания SERI предложила использовать эффект Зеебека для производства энергии с общим КПД преобразования 2%. ^[110]

В 2014 году Липин Лю, доцент Университета Рутгерса, представил систему OTEC, которая использует термоэлектрический эффект твердого тела, а не традиционно используемые жидкостные циклы. ^{[111] [112]}

См. Также [ править ]

• Охлаждение из источника глубокой воды
• Тепловой двигатель
• Плавающая ветряная турбина
• Океанотехника
• Осмотическая сила
• Кондиционер с морской водой
• Термогальваническая ячейка

Ссылки [ править ]

Источники [ править ]

• Уильям Х. Эйвери; Чи Ву (1994-03-17). Возобновляемые источники энергии из океана: Путеводитель по OTEC . Серия лабораторий прикладной физики Университета Джона Хопкинса в области науки и техники. Оксфорд, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-507199-3.

Внешние ссылки [ править ]