Преобразование тепловой энергии океана

редактировать
Использование разницы температур между поверхностной и глубоководной водой для запуска теплового двигателя и обеспечения электричеством Карта мира с выделением океанических регионов с высокие градиенты температуры (между поверхностью и глубиной 1000 м) Диаграмма и приложения OTEC

Преобразование тепловой энергии океана (OTEC ) использует термический градиент океана между более холодной глубиной 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 быстрой нагрузки.

Более плотные холодные водные массы, образованные взаимодействием поверхностных вод океана с холодными погодными специфическими областями Северной Атлантики и Южного океана, погружаются в глубокие глубины. морских бассейнов и распространяется по всему океану за счет термохалинной циркуляции . Апвеллинг холодная вода из глубин океана пополняется нисходящим холодной поверхностной морской водой.

Среди источников энергии океана OTEC - один из постоянно используемых возобновляемых источников энергии, которые могут энергоснабжать при существующих нагрузках. Считается, что ресурсный потенциал OTEC намного больше, чем у других форм энергии океана. До 88 000 ТВтч / год электроэнергии можно вырабатывать с помощью OTEC, не влияя на тепловую нагрузку океана.

Системы могут быть как с замкнутым, так и с открытым циклом. OTEC с замкнутым циклом использует рабочие жидкости, которые обычно обозначают как хладагенты, например, аммиак или R-134a. Эти жидкости имеют низкие точки 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 качестве двигателя открытого цикла в рабочей жидкости используются пары самой морской воды .

OTEC может также поставлять холодную воду в качестве побочного продукта. Его можно использовать для кондиционирования воздуха и охлаждения, а также богатую питательными веществами глубоководная вода в океане может питать биологические технологии. Другим побочным продуктом является пресная вода, дистиллированная из моря.

Теория ОТЭК была впервые введена в 1880-х годах, а первая демонстрационная модель размера стендов была построена в 1926 году. В настоящее время единственный действующий ОТЭК в мире. завод находится в Японии и контролируется Университетом Сага.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Текущие установки OTEC
  • 3 Термодинамический КПД
  • 4 Типы циклов питания
    • 4.1 Закрыто
    • 4.2 Открытый
    • 4.3 Гибрид
    • 4.4 Рабочие жидкости
  • 5 Наземные, шельфовые и плавучие площадки
    • 5.1 На суше
    • 5.2 На шельфе
    • 5.3 Плавучие
  • 6 Политические соображения
  • 7 Стоимость и экономика
  • 8 Некоторые предлагаемые проекты
    • 8,1 Багамы
    • 8,2 Гавайи
    • 8,3 Хайнань
    • 8,4 Япония
    • 8,5 Виргинские острова США
    • 8, 6 Кирибати
    • 8,7 Мартиника
    • 8,8 Мальдивы
  • 9 Сопутствующие виды деятельности
    • 9.1 Опреснение
    • 9.2 Кондиционирование воздуха
    • 9.3 Сельское хозяйство с использованием охлажденных почв
    • 9.4 Аквакультура
    • 9,5 Производство водорода
    • 9,6 Добыча полезных ископаемых
    • 9,7 Климат-контроль
  • 1 0 Термодинамика
    • 10.1 Изменение температуры океана с глубиной
    • 10.2 Открытый цикл / цикл Клода
    • 10.3 Закрытый цикл Андерсона
  • 11 Воздействие на окружающую среду
    • 11.1 Гидродинамическое моделирование
    • 11.2 Биологическое моделирование
    • 11.3 Исследования
  • 12 Технические трудности
    • 12.1 Растворенные газы
    • 12.2 Микробные загрязнения
    • 12.3 Герметизация
    • 12.4 Паразитное потребление энергии выхлопным компрессором
  • 13 Преобразование холодного воздуха в теплую воду
  • 14 Применение термоэлектрический эффект
  • 15 См. также
  • 16 Ссылки
  • 17 Источники
  • 18 Внешние ссылки

История

Попытки разработать и усовершенствовать технологию OTEC начались в 1880-х годах. В 1881 году Жак Арсен д'Арсонваль, французский физик, использует тепловую энергию океана. Ученик Д'Арсонваля Жорж Клод построил первую станцию ​​OTEC в Матансасе, Куба в 1930 году. Система вырабатывала 22 кВт электроэнергии с турбиной низкого давления . Позже завод был разрушен во время шторма.

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. (Полезная мощность - это количество энергии, генерируемое после вычитания мощности, необходимой для работы системы).

В 1956 году французские ученые спроектировали установку мощностью 3 МВт для Абиджана, Кот-д'Ивуар. Завод так и не был завершен, поскольку новые находки в больших количествах дешевой нефти сделали его нерентабельным.

В 1962 году Дж. Хилберт Андерсон и Джеймс Х. Андерсон-младший сосредоточились на повышении эффективности компонентов. Они запатентовали свою новую конструкцию «замкнутого цикла» в 1967 году. Эта конструкция улучшила исходную систему Ренкина с замкнутым циклом и включила ее в схему, которая будет выполнять электроэнергию с меньшими затратами, чем нефть или уголь. В то время, однако, их исследованиям уделяется мало внимания, поскольку уголь и атомная энергия считались энергетика.

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

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

Вид на наземный объект ОТЭК в Кихоле. Точка на побережье Кона на Гавайях

В 1974 году США открыли Лабораторию естественной энергии Управления Гавайев (NELHA) в Кихол-Пойнт. на побережье Кона на Гавайях. Гавайи - лучшее местоположение OTEC в США из-за теплой поверхностной воды, доступа к очень глубокой и очень холодной воде и высоких затрат на электроэнергию. Лаборатория стала ведущим испытательным центром для технологии OTEC. В том же году Lockheed получил грант от национального научного фонда США на исследование OTEC. В конечном итоге это привело к усилиям Lockheed, ВМС США, Makai Ocean Engineering, Dillingham Construction и других фирм по строительству первого и единственного в мире завода OTEC, производящего чистую электроэнергию, получившего название «Mini-OTEC». В течение трех месяцев в 1979 г. было произведено небольшое количество электроэнергии.

Европейская инициатива EUROCEAN - частное совместное предприятие 9 европейских компаний, уже работающих в области 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, использовался глубоководный водопровод для подпитки аквакультурных бассейнов. Также были исследованы береговые станции открытого цикла. Местом проведения исследования был остров Кюрасао, связанный с Королевством Нидерландов.

Исследования, связанные с превращением OTEC в реальность, начались в 1979 году в Исследовательском институте солнечной энергии (SERI) при финансовой поддержке Министерства США. энергии. Разработаны и запатаны компанией SERI (см.) Испарители и конденсаторы прямого контакта формы конфигурации. Первоначальный план эксперимента по выработке электроэнергии, который затем был назван экспериментом мощностью 165 кВт, был описан Крейтом и Бхаратаном (, и) как лекция Мемориальной премии Макса Якоба. Первоначальная конструкция использовала две параллельные осевые турбины с роторами последней ступени, взятыми из больших паровых турбин. Позже группа под руководством доктора Бхаратана из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) разработала первоначальный концептуальный проект для обновленного эксперимента OTEC открытого цикла мощностью 210 кВт (). Эта конструкция объединила все компоненты цикла, а именно испаритель, конденсатор и турбину, в один вакуумный сосуд, 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 камеры. 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) над дальнейшим развитием проекта на предварительных и заключительных этапах. Он был переименован в Эксперимент по чистой энергии (NPPE) и был построен в Лаборатории естественной энергии на Гавайях (NELH) компанией PICHTR командой во главе с главным инженером Доном Эвансом, а проект руководил доктор Луис Вега.

Индия - трубы, используемые для OTEC (слева) и плавучего завода OTEC, построенного в 2000 году (справа)

В 2002 году Индия испытала пилотную плавучую установку OTEC мощностью 1 МВт около Тамил Наду. Завод в итоге потерпел неудачу из-за выхода из строя глубоководного трубопровода для холодной воды. Правительство страны продолжает спонсировать исследования.

В 2006 году Makai Ocean Engineering получила контракт с США Управление военно-морских исследований (ONR) для изучения возможностей OTEC по производству значимого для страны количества воды на морских плавучих установках, в теплых тропических водах. Понимая необходимость более крупных партнеров для коммерциализации OTEC, Макай обратился к Lockheed Martin, чтобы 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, последовавших за другими последующими сотрудничествами

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). В июне 2015 года проект был приостановлен, пока на курорте решались финансовые вопросы и вопросы собственности. В августе 2016 года было объявлено, что проблемы были решены и что курорт откроется в марте 2017 года. Ожидается, что в это время возобновится строительство системы SWAC.

В июле 2011 года компания Makai Ocean Engineering завершила проектирование и строительство испытательной лаборатории теплообменников OTEC в лаборатории естественной энергии на Гавайях. Целью предприятия является разработка оптимальной конструкции теплообменников OTEC, повышение производительности и срока службы при одновременном снижении затрат затрат на установку OTEC. А в марте 2013 года Makai объявил о присуждении контракта на установку и эксплуатацию 100-киловаттной турбины на испытательном стенде теплообменников OTEC, а также подключение электроэнергии OTEC к сети.

В июле 2016 года Служба коммунальных служб Виргинских островов одобрила заявку Ocean Thermal Energy Corporation на получение статуса аттестованного объекта. Таким образом, Компании разрешает переговоры с Управлением водоснабжения и электроснабжения Виргинских островов (WAPA) по соглашению о закупке электроэнергии (PPA), относящемуся к установке по преобразованию тепловой энергии океана (OTEC) на острове Санта-Крус. Это будет первый в мире коммерческий завод OTEC.

Действующие в настоящее время заводы OTEC

В марте 2013 года Университет Сага вместе с различными японскими предприятиями 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 использовать OTEC в 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. Местоположение было специально выбрано для использования центра водозаборных труб глубоководной и поверхностной морской воды, группы исследовательского в 2000 году. Труба используется для забора глубоководной воды для исследований, рыболовства и сельского хозяйства. [19] Установка состоит из двух агрегатов по 50 кВт в двойной конфигурации Ренкина. Объект OTEC и центр исследований глубоководных вод открыты для общественных туров по предварительной записи на английском и японском языках. В настоящее время это один из двух полностью действующих заводов OTEC в мире. Этот завод работает непрерывно, когда не используются испытания испытания.

В 2011 году компания Makai Ocean Engineering завершила строительство испытательной установки теплообменника в NELHA. Используемый для тестирования различных технологий теплообмена для использования в OTEC, Makai получил финансирование на установку турбины мощностью 105 кВт. Установка сделает это крупнейшим действующим предприятием OTEC, хотя по наибольшей величине останется 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 морская установка общей мощностью 10 МВт 16 МВт станет крупнейшим объектом OTEC на сегодняшний день. DCNS поддерживает NEMO в эксплуатации к 2020 году.

В августе 2015 года на Гавайях была введена в эксплуатацию электростанция для преобразования тепловой энергии океана, построенная Makai Ocean Engineering. Губернатор Гавайев Дэвид Айдж «щелкнул выключателем», чтобы активировать завод. Это первая установка по настоящему замкнутому циклу по преобразованию тепловой энергии океана (OTEC), которая будет подключена к электрической сети США. Это демонстрационная установка, способ вырабатывать 105 киловатт, что достаточно для питания около 120 домов.

Термодинамический КПД

A тепловой двигатель обеспечивает большую эффективность при работе с большой разницей температуры. В океанах разница температур между поверхностной и глубоководной водой наиболее велика в тропиках, хотя все еще составляет скромные 20-25 ° C. Поэтому именно в тропиках OTEC предлагает наибольшие возможности. OTEC может предложить глобальные объемы энергии, которые в 10-100 раз больше, чем другие варианты энергии океана, такие как мощность волн.

Станции OTEC могут работать непрерывно, используя базовую нагрузку для системы выработки электроэнергии.

Основная техническая задача OTEC заключается в эффективном генерировании значительного количества энергии за счет небольших перепадов температур. Это все еще считается технологией. Ранние системы OTEC были от 1 до 3 процентов термически эффективной, что значительно ниже теоретического максимума в 6 и 7 процентов для этой разницы температур. Современные конструкции позволяют производительность приближаться к теоретическому максимуму КПД Карно.

Типы энергетического цикла

Холодная морская вода является неотъемлемой частью каждого из трех типов систем OTEC: замкнутого цикла, открытого цикла и гибридный. Для работы холодная морская вода должна подниматься на поверхность. Основные подходы - активная откачка и опреснение. Опреснение морской воды вблизи морского дна снижает ее плотность, что приводит к ее поднятию на поверхность.

Альтернативой дорогостоящим трубам для вывода конденсирующейся холодной воды на поверхность является закачка испаренной жидкости с низкой температурой кипения на глубину, чтобы конденсироваться, тем самым сокращая объемы перекачивания и уменьшая технические и экологические проблемы, а также снижая затраты.

Закрытый

Схема установки OTEC с замкнутым циклом

В системах с замкнутым циклом используется жидкость с низкой температурой кипения, например как аммиак (имеющий температуру кипения около -33 ° C при атмосферном давлении) для питания турбины для выработки электроэнергии. Теплая поверхностная морская вода 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. Мини-судно OTEC было пришвартовано в 1,5 милях (2,4 км) от побережья Гавайев и производило достаточно электроэнергии, чтобы освещать корабельные лампочки и включать его компьютеры и телевизор.

Открыть

Схема установки OTEC открытого цикла

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 действие турбину низкого давления, присоединенную к электрическому генератору. Пар, оставивший свою соль и другие загрязнения в емкости низкого давления, представляет собой чистую пресную воду. Он конденсируется в жидкость под воздействием низких температур из глубоководной воды. Этот метод производит опресненную пресную воду, подходящую для питьевой воды, орошения или аквакультуры.

. В других поднимающихся пар используется в газлифт подъема воды на значительной высоте. В зависимости от варианта осуществления, такие методы насоса с подъемом пара производить энергию от гидроэлектрической турбины либо до, либо после использования насоса.

В 1984 г. компания Solar Energy Research Институт (ныне 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 достигла 97% для конверсии морской воды в пар (общее производство пара составило бы несколько процентов поступающей воды). В мае 1993 года установка OTEC открытого цикла в Кеахол-Пойнт, Гавайи, произвела около 80 кВт электроэнергии в ходе эксперимента по выработке чистой энергии. Это побило рекорд в 40 кВт, установленный японской системой в 1982 году.

Гибрид

Гибридный цикл сочетает в себе характеристики систем замкнутого и открытого цикла. В гибриде теплая морская вода поступает в вакуумную камеру и испаряется мгновенно, аналогично процессу испарения открытого цикла. Пар испаряет рабочую жидкость аммиак замкнутого цикла на другую сторону испарителя аммиака. Испарившая жидкость приводит движение турбину для выработки электричества. Пар конденсируется внутри теплообменника и образует опресненную воду (см. тепловая трубка ).

Рабочие жидкости

Популярным выбором рабочей жидкости является аммиак, который обладает превосходными транспортными свойствами, легкая доступность и низкая Фторированные угли, такие как ХФУ и ГХФУ, не токсичны и не горючие, но они способствуют разрушению озонового слоя. 410>Угли Размер электростанции зависит от давления паров рабочего тела, размер турбины и теплообменников уменьшается, в то время как толщина стенки.

Земля, полка и плавучие площадки

OTEC может требовать гигав атт электроэнергии, в сочетании с электролизом может полностью заменить все прогнозируемое глобальное потребление ископаемого топлива. Однако снижение остается нерешенной. Установкам OTEC требуется длинная водозаборная труба большого диаметра, которая погружается в глубину океана на километр или более, чтобы вывести холодную воду на поверхность.

Наземные объекты

Наземные и прибрежные объекты три основных преимущества по сравнению с объектами, расположенными на большой глубине. Установки, построенные на суше или рядом с ней, не сложной сложной швартовки, длинных силовых кабелей или более обширного обслуживания, связанного с окружающей средой открытого океана. Их можно установить в защищенных местах. Электричество, опресненная вода и холодная, богатая питательными веществами морская вода может передаваться с береговых объектов через эстакады или дамбы. Кроме того, наземные или прибрежные зоны позволяют работать предприятиям в смежных отраслях, таких как марикультура или в тех, которые требуют опресненной воды.

Излюбленные места - это места с узкими шельфами (вулканические острова), крутыми (15-20 градусов) морскими склонами и относительно гладким морским дном. Эти участки минимизируют длину всасывающей трубы. Наземный завод можно построить вдали от берега, водяную защиту от штормов, или на пляже, где трубы будут короче. В любом случае легкий доступ для строительства и эксплуатации снизить затраты.

Наземные марикультуры или сельское хозяйство с использованием охлажденной воды. Резервуары или лагуны, построенные на берегу, позволяют рабочим соответствовать и контролировать миниатюрную морскую среду. Продукция марикультуры может быть доставлена ​​на рынок стандартным транспортом.

Одним из недостатков наземных сооружений является действие 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. 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 обслуживание.

Один из способов, с помощью которого система OTEC может избежать некоторых проблем, 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 инсталляции более короткие (и, следовательно, менее дорогие), что позволит избежать турбулентного прибоя. Сама станция, однако, потребует защиты от морской среды, такие как волноломы и устойчивые к эрозии фундаменты, а продукция завода будет отправлен на берег.

На шельфе

Кому. Чтобы избежать турбулентной зоны прибоя, 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 завода OTEC на более глубокой воде могут сделать их более дорогими, чем наземные подходы. Проблемы включают стрессовые условия открытого океана и более сложную доставку продукции. Устранение сильных океанских течений и большие расходы увеличивает расходы на проектирование и строительство. Платформы требуют расширенных свай, чтобы устойчивое основание. Для доставки энергии могут потребоваться длинные подводные кабели, чтобы добраться до суши. По этим причинам установки на полках менее привлекательны.

Плавучие

Плавучие объекты OTEC работают в открытом море. Хотя они оптимальны для больших систем, плавучие средства предлагают 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. Вертикальные кабели, которые соединяют морское дно и завод, должны быть сконструированы так, чтобы противостоять запутыванию.

Как и в случае с установками, смонтированными на полках, плавучим установкам 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 водопроводной трубе поверхностная вода может поступать непосредственно в платформу; однако необходимо предотвратить повреждение или прерывание всасываемого потока во время сильных движений, вызванных сильным волнением на море.

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 небольших глубинах стоимость швартовки может быть непомерно высокой.

Политические проблемы

Существующие объекты OTEC являются более или менее стационарными надводными платформами, их точное местоположение и правовой статус могут зависеть от Конвенция Организации Объединенных Наций по морскому праву договор (UNCLOS). Этот договор действует через прибрежные страны зоны в 12 и 200 морских миль (370 км) с полномочными полномочиями от суши. Заводы OTEC и аналогичные сооружения будут считаться искусственными островами в соответствии с соглашением, что не дает имого правового статуса. Заводы OTEC могут рассматриваться как угроза или потенциальный партнер рыболовству или добыче ископаемых на морском дне, контролируемом Международным органом по морскому дну.

Стоимость и экономика

системы Возможные OTEC имеют еще не распространение распространения, оценки затрат не ясны. Исследование, проведенное в 2010 году Гавайским университетом, оценило стоимость электроэнергии для OTEC в 94,0 цент (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. В отчете за 2015 год подготовлена ​​организация Ocean Energy Systems под эгидой Международных энергетических агентств, оценка около 20 процентов на кВтч для станций мощностью 100 МВт. Другое исследование оценивает затраты на производство электроэнергии в 7 процентов за кВтч. По сравнению с другими источниками энергии, исследование Lazard 2019 годало несубсидируемая стоимость электроэнергии от 3,2 до 4,2 цента за кВтч для солнечной фотоэлектрической системы в масштабе коммунального предприятия и от 2,8 до 5,4 цента за кВтч для энергии ветра.

В отчете, опубликованном IRENA в 2014 году, утверждено, что коммерческое использование технологии OTEC можно масштабировать способами. «... заводы OTEC могут быть небольшими приспособлениями для производства электроэнергии в населенных пунктах (от 5 000 до 50 000 жителей), но потребуют производство ценных побочных продуктов, таких как пресная вода или охлаждение, было экономически жизнеспособным. ». Более крупномасштабные установки OTEC будут намного более высокие накладные расходы и затраты на установку.Преобразование тепловой энергии океана

Положительные факторы, которые следует учитывать, включая отсутствие у OTEC отходов и потребление топлива, область, которая доступна (часто в пределах 20 ° от экватора), геополитические эффекты зависимости от нефти, совместимость с альтернативными формами энергии океана, такими как энергия волн, энергия приливов и гидраты метана, и дополнительное использование морской воды.

Некоторые предлагаемые проекты

Рассматриваемые проекты OTEC включают небольшую установку для США База ВМФ на британском заморском острове Диего-Гарсия в Индийском океане. Ocean Thermal Energy Corporation (ранее OCEES International, Inc.) работает с ВМС США над предложением предлагаемой установки OTEC мощностью 13 МВт, которая заменит дополнительные дизельные генераторы. Завод OTEC также обеспечивает 1,25 миллиона галлонов питьевой воды в день. В настоящее время этот проект ожидает изменений в политике США по военным контрактам. Компания OTE предложила построить станцию ​​OTEC мощностью 10 МВт на Гуам.

Багамы

Ocean Thermal Energy Corporation (OTE) в настоящее время установить две станции OTEC мощностью 10 МВт на Виргинских островах США и 5 -10 МВт OTEC на Багамах. Другая спроектированная система кондиционирования воздуха с морской водой (SWAC) для курорта на Багамах, которая будет использовать холодную глубоководную воду в качестве метода кондиционирования воздуха. В середине 2015 года реализация проекта, завершенного на 95%, была временно приостановлена, пока на курорте решались финансовые вопросы и вопросы собственности. 22 августа 2016 года правительство Багамских островов объявило о подписании нового соглашения, в соответствии с которым будет завершено строительство курорта Баха Мар. 27 сентября 2016 года премьер-министр Багамских островов Перри Кристи объявил, что строительство на Баха возобновлено и курорт планируется открыть в марте 2017 года.

OTE ожидает, что завод SWAC будет запущен в течение двух дней. лет открытия Баха Мар.

Гавайи

Группа разработки альтернативных источников энергии Lockheed Martin в партнерстве с Makai Ocean Engineering завершила финальную стадию проектирования пилотной системы OTEC замкнутого цикла мощностью 10 МВт, которую планировалось использовать в эксплуатации в Гавайи в период 2012-2013 гг. Эта система была предназначена 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 критических системных компонентах и ​​конструкциях завода, добавив к контракту 2009 года на 8, 1 миллион долларов и контрактам Министерство энергетики предоставило гранты на общую сумму более 1 миллиона долларов в 2008 году и в марте 2010 года. Небольшая, но действующая установка по преобразованию тепловой энергии океана (OTEC) была открыта на Гавайях в августе 2015 года. Открытие научно-исследовательской и опытно-конструкторской установки мощностью 100 киловатт ознаменовало открытие первого раз завод OTEC замкнутого цикла был подключен к сети США.

Хайнань

13 апреля 2013 г. Lockheed заключила контракт с Reignwood Group на строительство станции мощностью 10 мегаватт у побережья Южного Китая для обеспечения энергией планируемого курорта на острове Хайнань. Завод такого размера мог бы привести в действие несколько тысяч домов. Группа Reignwood приобрела Opus Offshore в 2011 году, в результате чего было сформировано подразделение Reignwood Ocean Engineering, которое также занимается разработкой глубоководного бурения.

Япония

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 для разработки объекта мощностью 1 МВт на острове Куме, требующегося новых трубопроводов. В июле 2014 года более 50 сформировали Глобальную ассоциацию ресурсов и энергии океана (GOSEA ) - международную организацию, созданную для продвижения модели Кумедзима и работы над установкой более крупных глубоководных трубопроводов с морской водой и 1 МВт. Объект ОТЭК. Компании, участвующие в текущих проектах OTEC, наряду с другими заинтересованными сторонами, также разработали планы для оффшорных систем OTEC. - Для получения дополнительной информации см. «Действующие в настоящее время заводы OTEC» выше.

Виргинские острова США

5 марта 2014 г. корпорация Ocean Thermal Energy Corporation (OTEC) и 30-й законодательный орган Виргинских островов США (USVI) подписать Меморандум о взаимопонимании, чтобы двигаться дальше. с помощью возобновляемых источников энергии для преобразования тепловой энергии океана (OTEC) и установок для кондиционирования воздуха с морской водой (SWAC). Преимущества, которые должны быть оценены в исследовании USVI, включают в себя как базовую (24/7) чистую электроэнергию, вырабатываемую OTEC, так и различные сопутствующие продукты, связанные с OTEC и SWAC, включая обилие пресной питьевой воды, энергосберегающее кондиционирование воздуха, устойчивое аквакультура и марикультура, а также проекты улучшения сельского хозяйства на островах Сент-Томас и Сент-Круа.

18 июля 2016 года заявка ОТЕ на получение квалификационного учреждения одобрена Комиссией по коммунальным услугам Виргинских островов. ОТЕ получила разрешение на начало по контрактам, работает с этим проектом.

Кирибати

Южнокорейский научно-исследовательский институт судов и океанотехники (KRISO) получил принципиальное одобрение от Bureau Veritas для своего морского ОТЕС мощностью 1 МВт дизайн. Не были указаны сроки реализации проекта, который будет расположен в 6 км от берега Республики Кирибати.

Мартиника

Akuo Energy и DCNS получили финансирование NER300 8 июля 2014 г. для их NEMO (Новая энергия для Мартиники за рубежом), который, как ожидается, будет представлять собой морской объект мощностью 10,7 МВт, завершенный в 2020 году. Премия за помощь в разработке составила 72 миллиона евро.

Мальдивы

в феврале 16 ноября 2018 г. Global OTEC Resources объявила о планах строительства на Мальдивах электростанции мощностью 150 кВт, разработанной для отелей и курортов. «Все эти курорты получают электроэнергию от дизельных генераторов. Более того, некоторые отдельные курорты потребляют 7 000 литров дизельного топлива в день потребления для потребления, что составляет более 6000 тонн CO2 в год », - сказал директор Дэн Греч. ЕС выделил грант, а ресурсы Global OTEC запустили краудфандинговую кампанию для остальных.

Сопутствующие мероприятия

OTEC использует не только для производства электроэнергии.

Опреснение

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. Другая система, запатентованная Ричардом Бейли, создает конденсатную воду, регулируя поток глубоководной воды через поверхностные конденсаторы в соответствии с колебаниями температуры точки росы. Эта система конденсации не использует дополнительной энергии и не имеет движущихся частей.

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

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

Кондиционирование воздуха

Холодная морская вода с температурой 41 ° F (5 ° C), обеспечиваемая системой OTEC, дает возможность обеспечить большое количество охлаждения для промышленных предприятий и домов рядом с заводом. Воду можно использовать в змеевиках с охлажденной водой для кондиционирования воздуха в зданиих. Подсчитано, что труба диаметром 1 фут (0,30 м) может подавать 4700 галлонов воды в минуту. Вода при температуре 6 ° C (43 ° F) может обеспечить более чем достаточное кондиционирование воздуха для большого здания. Работая 8000 часов в год вместо продажи электричества по цене 5-10 центов за киловатт-час, он ежегодно экономит 200-400 тысяч на счетах за электроэнергию.

InterContinental Resort and Thalasso- Спа на острове Бора-Бора использует систему SWAC для кондиционирования своих зданий. Система пропускает морскую воду через теплообменник, где она охлаждает пресную воду в замкнутой системе. Эта пресная вода перекачивается в здания и непосредственно охлаждает воздух.

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

Сельское хозяйство на охлажденных почвах

Технология OTEC поддерживает сельское хозяйство на охлажденных почвах. Когда холодная морская вода течет по подземным трубам, она охлаждает всем 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 иали его в исследовательском центре в Лаборатории естественной энергии Управления Гавайев (NELHA). Исследовательский центр использования, что с помощью этой системы можно выращивать более 100 различных культур. Многие обычно не могли выжить на Гавайях или в Кихол-Пойнт.

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 методы стали важным ресурсом для островного сообщества, поскольку теперь они производят шпинат, зимний овощ, в коммерческих целях круглый год. Расширение предприятия глубоководного сельского хозяйства было завершено в городе Кумедзима рядом с демонстрационным центром OTEC в 2014 году. Новое предназначено для исследования экономической целесообразности земледелия на охлажденных почвах в более широком масштабе предприятия.

Аквакультура

Аквакультура - наиболее известный побочный продукт, поскольку он снижает финансовые и энергетические затраты на перекачку больших размеров воды из глубин океана. Глубокие океанические воды содержат основные питательные вещества, которые истощаются в поверхностных водах из-за биологического потребления. Этот «искусственный апвеллинг» имитирует естественные апвеллинги, которые отвечают за удобство и поддержку морских экосистем в самой большой плотности жизни на планете.

Деликатесы холодной воды, такие как лосось и лобстер, прекрасно себя чувствуют в этой богатой питательными веществами глубокой морской водой. Микроводоросли, такие как спирулина, добавка к здоровому пище, также могут культивироваться. 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 быть поднимается в бассейнех с водой, перекачиваемой ОТЭК. 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.

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

Производство <водород можно электролиза с помощью с помощью электричества ОТЭК. Образующий пар с добавлением соединений электролита для повышения эффективности является относительно чистой средой для производства водорода. OTEC можно масштабировать для производства большого количества жидкости. Основная проблема заключается в стоимости по сравнению с другими источниками энергии и топлива.

Добыча полезных ископаемых

Океан содержит 57 микроэлементов в солях и других формах, растворенных в растворе. В прошлом большинство экономических анализов пришли к выводу, что добыча микроэлементов в океане будет невыгодной, отчасти из-за энергии, необходимой для перекачивания воды. Добыча обычно нацелена на минералы, которые имеют высокие достижениях и могут быть легко извлечены, например, магний. С заводами OTEC, поставщики воды, единственная стоимость - извлечение. Японцы исследовали возможность добычи урана и представили, что разработки в других технологиях (особенно в материалах ведении) улучшают перспективы.

Контроль климата

Можно использовать температурный градиент океана для увеличения количества осадков и снижения высоких летних температур в тропиках, чтобы принести огромную пользу человечеству и флоре и фауне. Когда температура поверхности моря относительно высока в области, образует 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 и теплые, что не способствует лучшему количеству осадков на суше по сравнению с влажными ветрами со стороны суши. Для достаточного количества осадков и комфортных летних температурных условий (ниже 35 ° C) на суше лучше, чтобы на сушу дул влажный ветер с океаном. Выборочное создание зон высокого давления путем искусственного апвеллинга на морской акватории также можно использовать для отклонения / направления нормальных муссонов глобальных ветров к суше. Искусственный подъем богатыми питательными веществами глубоководной воды океана на поверхности также рост рыболовства в регионах с тропической и умеренной погодой. Это также привело к усилению связывания углерода океанами в результате улучшенного роста водорослей и увеличения массы ледниками в дополнительном результате выпадения снега, смягчающего повышения уровня моря. или процесс глобального потепления. Тропические циклоны также не проходят через зоны высокого давления, поскольку они усиливаются за счет энергии из теплых поверхностных вод моря.

Холодная глубоководная морская вода (<10°C) is pumped to the sea surface area to suppress the sea surface temperature (>26 ° C) искусственным путем с использованием электроэнергии производимой мегамасштабными плавучими ветряными турбинами в глубоком море. Более низкая температура почвы проголосит за местное атмосферное давление. Для апвеллинга холодной морской воды стационарный гребной винт с гидравлическим приводом (диаметр ≈50 м, как у гребного винта атомной подводной лодки) расположен на глубоководном на глубине от 500 до 1000 м. с гибкой вытяжной трубой , доходящей до поверхности моря. Тяговая труба прикреплена к морскому дну своей нижней и верхней стороной к плавающим понтонам на поверхности моря. Гибкая вытяжная труба не разрушается, поскольку ее внутреннее давление больше по сравнению с внешним давлением, когда более холодная вода перекачивается на поверхность моря. Ближний Восток, Северо-Восток Африки, Индийский субконтинент и Австралия могут избавиться от жаркой и засушливой погоды в летний сезон, также неустойчивым дождям, путем откачки глубоководной воды на поверхность моря из Персидского залива, Красного моря, Индийского океана и Тихого океана. соответственно.

Термодинамика

Тщательная обработка OTEC показывает, что разница температур 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. Для сравнения, насосы должны перемещать воду, превышающую вес линкора «Бисмарк», который весил 41 700 тонн, каждую каждую. Это приводит к значительному паразитному сливу при производстве энергии в системе OTEC, при этой конструкции Lockheed потребляет 19,55 МВт затрат на перекачку на каждые 49,8 МВт чистой выработки электроэнергии. Вах OTEC, использующие схемные теплообменники для обработки такого объема воды, теплообменники должны быть огромными по сравнению с теми, которые используются на обычных тепловых электростанциях, которые делают их одним из наиболее важных компонентов из-за их влияния на общую эффективность. Электростанции OTEC мощностью 100 МВт потребуются 200 теплообменников, каждый размером больше 20 футового транспортного контейнера, что делает их единственным наиболее дорогим компонентом.

Изменение температуры океана с глубиной

График различных термоклинов (глубина в зависимости от температуры) в зависимости от времени года и широты

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

Мы можем использовать закон Бера - Ламберта - Бугера для количественной оценки мощности солнечной водой,

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

где y - глубина воды, I - интенсивность, а μ - коэффициент поглощения. Решение выше дифференциального уравнения,

I (y) = I 0 exp ⁡ (- μ y) {\ displaystyle I (y) = I_ {0} \ exp (- \ mu y) \,}I (y) = I_ {0} \ exp (- \ mu y) \,

Коэффициент усиления μ может отличаться от 0,05 м для очень чистой пресной воды до 0,5 м для очень соленой воды.

Буквально интенсивность экспоненциально падает с глубиной y, поглощение тепла сосредоточено в верхних слоях. Обычно в тропиках значения температуры поверхности превышают 25 ° C (77 ° F), в то время как 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 токов тепловой конвекции. Из-за температурных градиентов теплопередача посредством теплопроводности слишком мала для выравнивания температур. Таким образом, океан является практически бесконечным источником тепла, так и практически бесконечным поглотителем тепла.

Эта разница температур меняется в зависимости от широты и сезона, с максимумом в тропическом, субтропическом и экваториальных воде. Следовательно, тропики, как правило, являются лучшим местом для отдыха OTEC.

Открытый цикл / цикл Клода

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

H 1 = H f {\ displaystyle H_ {1} = H_ {f} \,}H_ {1} = H_ {f} \,

где H f - энтальпия жидкой водой при температуре на входе, T 1.

Otec oc ts dia.jpg

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

H 2 = H 1 = H f + x 2 H fg {\ displaystyle H_ {2} = H_ {1} = H_ {f} + x_ {2 } H_ {fg} \,}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 турбины массовый расход равен 1 / x 2.

. Низкое давление в испарителе поддерживается с помощью вакуумного насоса, который также удаляет растворенные не- конденсирующиеся 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 / высокого удельного объема. Он расширяется в специальной турбине низкого давления.

H 3 = H g {\ displaystyle H_ {3} = H_ {g} \,}H_ {3} = H_ {g} \,

Здесь H g соответствует T 2. Для идеальной изэнтропической (обратимой адиабатической ) турбины,

s 5, s = s 3 = sf + x 5, ssfg {\ displaystyle s_ {5, s} = s_ { 3} = s_ {f} + x_ {5, s} s_ {fg} \,}s_ {5, s} = s_ {3} = s_ {f} + x_ {5, s} s_ {fg} \,

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

Энтальпия при T 5 равна,

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

Эта энтальпия ниже. Адиабатическая обратимая работа турбины = H 3-H5, s.

Фактическая работа турбины W T = (H 3-H5, s) x политропный КПД

H 5 = H 3 - фактическая работа {\ displaystyle H_ {5} = H_ {3} - \ \ mathrm {actual} \ \ mathrm {work}}H_ {5} = H_ {3} - \ \ mathrm {actual} \ \ mathrm {work}

Температура и давление конденсатора ниже. Выхлопные газы должны 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.

H6=Hf, в T 5. T 7 - температура выхлопных газов, смешанных с холодной морской водой, так как содержание пара теперь незначительно,

H 7 ≈ H жира T 7 {\ displaystyle H_ {7} \ приблизительно H_ {f } \, \ at \ T_ {7} \,}H_ {7} \ приблизительно H_ {f} \, \ at \ T_ {7} \,

Разница температур между ступенями включает разницу температур 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,

mc = H 5 - H 6 H 6 - H 7 ˙ {\ displaystyle {\ dot {m_ {c} = {\ frac { H_ {5} - \ H_ {6}} {H_ {6} - \ H_ {7}}}}} \,}\ dot {m_ {c} = \ frac {H_ {5} - \ H_ {6}} {H_ {6} - \ H_ {7}}} \,

Массовый расход турбины, MT ˙ = WT, требуемый для работы турбины {\ displaystyle {\ dot {M_ {T}}} = {\ frac {\ mathrm {turbine} \ \ mathrm {work} \ \ mathrm {required}} {W_ {T}}}}\ dot {M_ {T}} = \ frac {\ mathrm {turbine} \ \ mathrm {work} \ \ mathrm {required}} {W_ {T}}

Массовый расход теплой воды, M вес ˙ = MT mw ˙ ˙ {\ displaystyle {\ dot {M_ {w}}} = {\ dot {M_ {T} {\ dot {m_ {w}}}}} \,}\ dot {M_ {w}} = \ dot {M_ {T} \ точка {m_ {w}}} \,

Холодный массовый расход воды M c ˙ = MT м C ˙ ˙ {\ displaystyle {\ dot {{\ dot {M_ {c}}}} = {\ dot {M_ {T} m_ {C}}}}} \,}\ dot {\ dot {M_ {c}} = \ dot {M_ {T} m_ {C}}} \,

Замкнутый цикл Андерсона

В соответствии с разработкой, начиная с 1960-х годов Дж. Гильбертом Андерсоном из Sea Solar Power, Inc., в этом цикле Q H представляет собой передаваемое тепло в испарителе из теплой морской воды в рабочую жидкость. Рабочая текучая среда выходит из испарителя в виде газа около его точки росы.

. Затем высокотемпературный газ под высоким давлением расширяется в турбине, обеспечивая работу турбины W T. На выходе из турбины рабочая жидкость слегка перегревается, и турбина обычно имеет КПД 90% на основе обратимого адиабатического расширения.

От выхода из турбины рабочая жидкость поступает в конденсатор, где она отводит тепло -Q C холодной морской воде. Затем конденсат сжимается до самого высокого давления в цикле, что требует работы конденсатного насоса, 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, работа насоса паразитного конденсата W C, вычисленная здесь, 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 остальные паразитные потребности в энергии как W A, чистая работа с завода OTEC, W NP равна

WNP = WT - WC - WCT - WHT - WA {\ displaystyle W_ {NP} = W_ {T} -W_ {C} -W_ {CT} -W_ {HT} -W_ {A} \,}W_ {NP} = W_ {T} -W_ {C} -W_ {CT} -W_ {HT} -W_ {A} \,

Термодинамический цикл, которому подвергается рабочая жидкость, может быть проанализирован без подробного рассмотрения паразитические потребности в энергии. Согласно первому закону термодинамики, баланс энергии для рабочего тела как системы равен

WN = QH - QC {\ displaystyle W_ {N} = Q_ {H} -Q_ {C} \,}W_ {N} = Q_ {H} -Q_ {C} \,

где W N = W T + W C - это чистая работа для термодинамического цикла. Для идеализированного случая, когда в теплообменниках нет падения давления рабочей жидкости,

QH = ∫ HTH ds {\ displaystyle Q_ {H} = \ int _ {H} T_ {H} ds \,}Q_ {H} = \ int_ {H} T_ {H} ds \,

и

QC = ∫ CTC ds {\ displaystyle Q_ {C} = \ int _ {C} T_ {C} ds \,}Q_ {C} = \ int_ {C} T_ {C} ds \,

, так что итоговая термодинамическая работа цикла становится

WN = ∫ HTH ds - ∫ CTC ds {\ displaystyle W_ {N} = \ int _ {H} T_ {H} ds- \ int _ {C} T_ {C} ds \,}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, перекачивается в испаритель, завершая цикл.

Воздействие на окружающую среду

Углекислый газ, растворенный в глубоких холодных слоях и слоях высокого давления, поднимается на поверхность и высвобождается при нагревании воды.

Смешивание глубоководных океанических вод с более мелкими вода приносит питательные вещества и делает их доступными для жизни на мелководье. Это может быть преимуществом для аквакультуры коммерчески важных видов, но также может нарушить баланс экологической системы вокруг электростанции.

Заводы OTEC используют очень большие потоки теплой поверхностной морской воды и холодной глубоководной морской воды для выработки постоянной возобновляемой энергии. Глубоководная 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 становятся немного плотнее окружающей морской воды. Хотя никаких крупномасштабных испытаний OTEC в условиях окружающей среды не проводилось, были разработаны компьютерные модели для моделирования воздействия растений OTEC.

Гидродинамическое моделирование

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 колебаниями температуры и питательных веществ, которые находятся в пределах естественных уровней. На сегодняшний день исследования показывают, что засчет 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 постоянной основе.

Биологическое моделирование

Питательные вещества из разряда OTEC потенциально могут вызвать повышенную биологическую активность, если они накапливаются в больших количествах в световой зоне. 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 наблюдается неестественных изменений в верхних 40 метрах поверхности океана. 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 базового растения OTEC предполагает, что биохимические эффекты более высокого порядка будут очень небольшими.

Исследования

Предыдущее Заключительное заявление о воздействии на окружающую среду (EIS) для NOAA США от 1981 год доступен, 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. 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.

База данных Tethys предоставляет доступ к научной литературе и общей информации о потенциальном воздействии OTEC на окружающую среду.

Технические трудности

Растворенные газы

Характеристики теплообменников прямого контакта, работающих при типичных граничных условиях OTEC, являются важно для цикла Клода. Многие ранние конструкции циклов Клода использовали поверхностный конденсатор, поскольку их работа была хорошо изучена. Однако конденсаторы с прямым контактом обладают существенными недостатками. По мере того, как во всасывающей трубе поднимается холодная вода, давление снижается до точки, при которой начинает выделяться газ. Если из раствора выходит значительное количество газа, может быть оправдано размещение газовой ловушки перед теплообменниками прямого контакта. 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 деаэрацией морской воды и удалением неконденсирующихся газов из конденсатора зависит от динамики выделения газа, 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 загрязнение

Поскольку неочищенная морская вода должна проходить через теплообменник, необходимо следить за поддержанием хорошей теплопроводности. Слои биологического обрастания толщиной от 25 до 50 микрометров (от 0,00098 до 0,00197 дюйма) могут ухудшить характеристики теплообменника на 50%. 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. Очевидное несоответствие между уровнем загрязнения и ухудшением теплопередачи является результатом тонкого слоя воды, захваченной микробами на поверхности теплообменника.

Другое исследование пришло к выводу, что загрязнение со временем снижает производительность, и определили, что, хотя регулярная чистка зубов способна удалить большую часть микробного слоя, со временем образовался более жесткий слой, который нельзя было удалить простой щеткой. 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. Повышенная скорость роста после последующих очисток, по-видимому, является результатом давления отбора на микробную колонию.

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. В исследовании сделан вывод о том, что, хотя микробное загрязнение было проблемой для теплообменника с теплой поверхностной водой, теплообменник с холодной водой практически не подвергался биообрастанию и имел лишь минимальное неорганическое загрязнение.

Помимо температуры воды, микробное загрязнение также зависит от питательных веществ. уровни, при этом рост происходит быстрее в богатой питательными веществами воде. Скорость загрязнения также зависит от материала, из которого изготовлен теплообменник. Алюминиевая трубка замедляет рост микробной жизни, хотя слой оксида, который образуется внутри труб, затрудняет очистку и приводит к большим потерям эффективности. Напротив, титановые трубки позволяют биообрастанию происходить быстрее, но очистка более эффективна, чем с алюминием.

Герметизация

Испаритель, турбина и конденсатор работают в диапазоне частичного вакуума от 3% до 1% атмосферного давления. Система должна быть тщательно герметизирована, чтобы предотвратить попадание атмосферного воздуха, которое может ухудшить или остановить работу. В ОТЕС 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 потребление мощности выхлопным компрессором

Подход к уменьшению паразитных потерь мощности выхлопного компрессора заключается в следующем. После того, как большая часть пара сконденсируется в выпускных конденсаторах, неконденсирующаяся парогазовая смесь проходит через зону противотока, которая увеличивает парогазовую реакцию в пять раз. В результате потребляемая мощность выхлопного насоса снижается на 80%.

Преобразование холодного воздуха в теплую воду

Зимой в прибрежных арктических регионах разница T 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. При уровне эффективности, равном 4%, расчеты показывают, что количество энергии, вырабатываемой одним кубическим метром воды при температуре 2 ° C (36 ° F) в месте с температурой воздуха -22 ° C (-8 ° F) равняется количеству энергии, генерируемой пропусканием этого кубического метра воды через гидроэлектростанцию ​​высотой 4000 футов (1200 м).

Полярные электростанции Барджот 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.

Применение термоэлектрический эффект

В 1979 году компания SERI предложила использовать эффект Зеебека для получения энергии с общим КПД преобразования 2%.

В 2014 году Липин Лю, доцент Rutgers Университет представил систему OTEC, которая использует твердотельный термоэлектрический эффект, а не традиционно используемые жидкостные циклы.

См. Также

  • icon Энергетический портал

Ссылки

Источники

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-01 07:43:26
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте