Курсовая. Лекция по теме Энергетические ресурсы океана. Тема Энергетические ресурсы океана
 Скачать 1.02 Mb.
|
|
Тема 5. Энергетические ресурсы океана Учебные вопросы: 1. Баланс возобновляемой энергии океана. Основы преобразования энергии волн. Преобразователи энергии волн. 2. Общие сведения об использовании энергии приливов. Приливные электростанции. 3. Использование энергии океанских течений. Ресурсы тепловой энергии океана. Схемы ОТЭС, работающей по замкнутому циклу. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу. Использование перепада температур океан-атмосфера. Прямое преобразование тепловой энергии 5.1 Баланс возобновляемой энергии океана. Основы преобразования энергии волн. Преобразователи энергии волн. Основная доля энергии, поступающей в Мировой океан является результатом поглощения им солнечного излучения. Кроме того, энергия поступает в океан в результате взаимодействия космических тел и водных масс планеты, создающего приливы, и поступления тепла из глубины планеты. Поверхность Мирового океана занимает около 70 % поверхности всей планеты. Большая часть поверхности мирового океана постоянно свободна ото льда и поглощает солнечное излучение. Более 60% солнечного излучения поглощается первым метром водной толщи и до 90 % – десятиметровым слоем. В дневное время в низких широтах вода прогревается примерно на 10 м и более за счет процессов теплопроводности и турбулентного перемешивания. Часть поглощенного тепла переизлучается океаном, часть передается в атмосферу в результате испарения. За счет движения воздушных и водных масс запасенная океаном энергия переносится по всей планете, причем в области между экватором и 70° с.ш. в среднем 40% тепла переносится океанскими течениями, а на 20° с. ш. вклад океана в перенос энергии составляет до 74%. Ежегодно с поверхности океана испаряется слой воды толщиной примерно 1 м (около 340· 10 12 т) и около 36·1010 12 12 т воды возвращается со стоком рек и ледников. Примерно 2/3 суммарного солнечного излучения испытывают в океане и на поверхности суши различные изменения: преобразуются в тепло 43 %; расходуются на испарение, образование осадков 22 %; сообщение энергии рекам, ветру, волнам, различным видам течений в океане 0,2 %. Примерно 0,02 % всей энергии воспринятого солнечного излучения идет на образование продукции фотосинтеза и частично на образование ископаемого топлива. Соизмерим с этой величиной суммарный поток энергии, поступающей из недр Земли и в виде приливной энергии. Выделить из указанных потоков те, что имеют отношение только к океану, достаточно трудно. Для энергетики важны не абсолютные величины мощностей различных источников, а лишь та их часть, которую можно преобразовать в требуемые для хозяйственной деятельности виды энергии. Ресурсы морей и океанов можно разбить на три группы: 1) вертикальные термоградиенты и океанические ветры; 2) морская биомасса и геотермальные воды; 3) поверхностные волны, течения и перепады солености. «Технологические» свойства океанских ресурсов энергии, такие как плотность энергии и стабильность источника энергии необходимо знать для определения размеров планируемых к установке преобразователей, необходимые установленные мощности, режимы использования энергии. Огромные количества энергии можно получить от морских волн. Мощность, переносимая волнами на глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду. Поэтому наибольший интерес представляют длиннопериодные (T ≈ 10 с) волны большой амплитуды (a ≈ 2м), позволяющие снимать с единицы длины гребня в среднем 50 - 70 кВт/м. Наибольшее число волновых энергетических устройств разрабатывается для извлечения энергии из волн на глубокой воде. Это наиболее общий тип волн, существующий при условии, что средняя глубина моря D превышает величину половины длины волны λ/2. Поверхностные волны на глубокой воде имеют следующие основные характерные особенности: ➢ волны являются неразрушающимися синусоидальными с нерегулярной длиной, фазой и направлением прихода; ➢ движение каждой частицы жидкости в волне является круговым (в то время как изменяющиеся очертания волн свидетельствуют о распространении волнового движения, сами по себе частицы не связаны с этим движением и не перемещаются в его направлении); ➢ амплитуда движения частиц жидкости экспоненциально уменьшается с глубиной, ➢ существенно, что амплитуда волны а не зависит от ее длины λ , скорости распространения c , периода T , а зависит лишь от характера предшествовавшего взаимодействия ветра с морской поверхностью. В волнах на глубокой воде нет поступательного движения жидкости. В подповерхностном слое жидкости ее частицы совершают круговое движение с радиусом орбиты, равным амплитуде волны. Высота волны от вершины гребня до основания равна ее удвоенной амплитуде. Угловая скорость движения частиц ω измеряется в радианах в секунду. Изменение формы волновой поверхности таково, что наблюдается поступательное движение, хотя сама вода не перемещается в направлении распространения волны (слева направо). Это кажущееся перемещение есть результат наблюдения фаз смещения последовательно расположенных частиц жидкости; как только одна частица в гребне опускается, другая занимает ее место, обеспечивая сохранение формы гребня и распространение волнового движения вперед. Преобразователи энергии волн. Мощность, переносимая волнами, увеличивается прямо пропорционально квадрату амплитуды и периоду. Именно поэтому для специалистов по океанской энергетике особенно привлекательны длиннопериодные волны, обладающие значительной амплитудой. Преобразователи, отслеживающие профиль волны. В этом классе преобразователей следует указать разработку профессора Эдинбургского университета Стефана Солтера, названной в честь создателя «утка Солтера». Техническое название такого преобразователя – колеблющееся крыло. Форма преобразователя обеспечивает максимальное извлечение мощности Отражая и пропуская лишь незначительную часть энергии волн (примерно 5%), это устройство обладает весьма высокой эффективностью преобразования в широком диапазоне частот возбуждающих колебаний. «Утка Солтера». а) схема преобразования энергии волны; б) вариант конструкции преобразователя; 1 – плавучая платформа; 2 – цилиндрическая опора с размещенными в ней приводами и электрогенераторами; 3 – асимметричный поплавок. Волны, поступающие слева, заставляют утку колебаться. Цилиндрическая форма противоположной поверхности обеспечивает отсутствие распространения волны направо при колебаниях утки вокруг оси. Мощность снимают с оси колебательной системы так, чтобы обеспечить минимум отражения энергии. Недостатки «уток Солтера»: ➢ необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора; ➢ необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности; ➢ вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн необходимость отслеживать изменение их направления для получения высокого КПД преобразования; ➢ затруднения при сборке и монтаже из-за сложность формы поверхности «утки». Другой вариант волнового преобразователя с качающимся элементом – контурный плот Коккерелла. Модель также в 1/10 величины испытывалась в 1977 году (как «утка Солтера»), в проливе Солент вблизи г. Саутгемптона. Контурный плот – многозвенная система из шарнирно соединенных секций. Как и «утка», он устанавливается перпендикулярно к фронту волны и отслеживает ее профиль. Вариант выполнения контурного плота Коккерелла: 1 – колеблющаяся секция; 2 – преобразователь; 3 – тяга; 4 – шарнир Детальные лабораторные испытания модели плота в масштабе 1/100 показали, что его эффективность составляет около 45 %, что ниже, чем у «утки» Солтера. Достоинством является близость конструкции к традиционным судостроительным. Изготовление таких плотов не требует создания новых промышленных предприятий. Преобразователи, использующие энергию колеблющегося водяного столба. При набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменения давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину. Поток может регулироваться так, чтобы проходить через турбину в одном направлении. Станция является полноценным источником бесперебойного питания (ИБП), подзаряжается от энергии волн, располагаясь на воде. Подводные устройства. Преимущества подводных устройств в том, что они позволяют избежать штормового воздействия на преобразователи. Однако при их использовании увеличиваются трудности, связанные с извлечением энергии и обслуживанием. Примером является преобразователь типа «бристольский цилиндр», относящийся к группе устройств, работающих под действием скоростного напора в волне. Наполненный воздухом плавучий корпус (цилиндр) закреплен под водой на опорах, установленных на грунте. Цилиндр колеблется в волне, совершая движение по эллиптической траектории и приводя в действие гидравлические насосы, вмонтированные в опоры и преобразующие энергию движения цилиндра. Перекачиваемая насосами жидкость может подаваться по трубопроводам на генераторную станцию. 5.2. Общие сведения об использовании энергии приливов. Приливные электрические станции (ПЭС) Энергия приливов – результат действия приливообразующих сил Луны и Солнца. Два раза в сутки в одно и то же время уровень океана то поднимается, то опускается. Вдали от берега колебания уровня воды не превышают 1 м, но у самого берега они могут достигать 13 м, как, например, в Пенжинской губе на Охотском море. Приливные электростанции работают по следующему принципу: в устье реки или заливе строится плотина, в корпусе которой монтируются гидроагрегаты. За плотиной создается приливный бассейн, который наполняется приливным течением, проходящим через турбины. При отливе поток воды устремляется из бассейна в море, вращая турбины в обратном направлении. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины. Приливные электрические станции (ПЭС) выгодно отличаются от ГЭС тем, что их работа определяется космическими явлениями и не зависит от многочисленных погодных условий, определяемых случайными факторами. Приливные электростанции (ПЭС) используют энергию морских приливов и отливов. В мире насчитывается всего около десятка ПЭС, в большинстве экспериментального характера. В России Кислогубская ПЭС (ПАО «Русгидро») расположена в Мурманской области, на побережье Баренцева моря, в губе Кислая (которая является частью Ура-губы). Генерирующее, гидромеханическое и вспомогательное оборудование смонтировано в прямоугольном железобетонном блоке, изготовленном на судостроительном заводе. Блок отбуксирован по морю к створу ПЭС и установлен на морское дно. Слева и справа от блока из камня отсыпаны небольшие плотины (губа Кислая перекрыта). В прилив вода поднимается, проходит в верхний бассейн и крутит турбину; в отлив вода идет назад и опять вращает турбину. В 1992 г. Кислогубская ПЭС была остановлена и законсервирована. В 2004 г. старый гидроагрегат заменен новым, заменили ЛЭП 35 кВ, заменено РУ 35 кВ, В 2007 году с Севмаша привезли новый блок с ортогональной турбиной 1,5 МВт. Сейчас ПЭС состоит из двух частей - новой и старой. Старая часть образует напорный фронт, на ней расположен кран, поднимающий затворы, а также пульт управления станцией. На Кислогубской ПЭС работает солнечная батарея и ветроизмерительный комплекс. Солнечная батарея и ветроизмерительный комплекс Кислогубской ПЭС. «Северная ПЭС» в губе Долгая-Восточная на Кольском полуострове находится на этапе проектирования (проектная мощность 12 МВт). Проектируемая «Пе́нжинская ПЭС» в Пенжинской губе, располагающейся в северо-восточной части залива Шелихова Охотского моря. Территориально должна располагаться в Магаданской области и Камчатском крае. Проектная мощность 21,4 ГВт, годовая выработка электрической энергии составит 50,0 млрд. кВт/часов. Проектируемая Тугурская ПЭС расположена в Тугурском заливе Охотского моря, в Хабаровском крае. Проектная мощность 8,0 ГВт, годовая выработка электрической энергии составит 20,0 млрд. кВт/часов. 5 .3. Использование энергии океанских течений. Ресурсы тепловой энергии океана. Схемы ОТЭС, работающей по замкнутому циклу. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу. Использование перепада температур океан-атмосфера. Прямое преобразование тепловой энергии. Мировой океан – крупнейший естественный коллектор солнечного излучения. В нем между теплыми, поглощающими солнечное излучение поверхностными водами и более холодными придонными достигается разность температур в 20 °С. Это обеспечивает непрерывно пополняемый запас тепловой энергии, которая принципиально может быть преобразована в другие виды. Термин «преобразование тепловой энергии океана» (ОТЕС) – «ocean termal energy conversion» – означает преобразование некоторой части этой тепловой энергии в работу и далее в электроэнергию. Преобразование тепловой энергии, запасенной океаном, в механическую энергию и далее в электроэнергию требует создания тепловой машины, тем или иным способом использующей естественный перепад температур между прогретыми поверхностными и охлажденными глубинными слоями вод. В первом приближении доля преобразуемой энергии может быть определена через КПД термодинамического цикла Карно как ∆T/T, где ∆T – величина перепада температур между нагревателем и холодильником; T – абсолютное значение температуры нагревателя (К). Для получения более полной картины следует также учесть потенциальные возможности еще двух температурных перепадов, существующих между приповерхностными слоями воздуха и поверхностными слоями воды и между придонными водами и породами, слагающими дно. Эти ресурсы пока не оценены, однако уже ведутся работы по созданию действующих моделей преобразователей, использующих первый перепад. Этот перепад особо интересен для Арктики, где в зимнее время (8 месяцев в году) температуры воздуха лежат ниже -20 °С при относительно постоянных температурах воды подо льдом +2 ÷ +3°С. Расчеты показывают, что при таком перепаде каждый 1 м 3 морской воды, будучи пропущен за 1 с через преобразователь, позволяет получить около 10 кВт мощности при КПД установки 5%. Для преобразования энергии перепада температур в океане в настоящее время предложено несколько типов устройств. ➢ системы, действующих по двухконтурной схеме с промежуточным рабочим телом на основе термодинамического цикла Ренкина, ➢ устройства, выполненных по одноконтурной схеме и работающих непосредственно на морской воде (открытый цикл Клода), ➢ устройства, работающие по одноконтурной схеме, но нагруженные на обычную гидравлическую турбину (цикл Фетковича), ➢ тепловые машины, использующих кроме того и другие перепады температур (атмосфера-гидросфера, гидросфера-литосфера), а также системы для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Схема ОТЭС, работающей по замкнутому циклу. В такой системе с помощью теплых поверхностных вод, прокачиваемых насосом через теплообменник испарителя, превращают в пар какое либо подходящее рабочее тело (аммиак, фреон, пропан). Создают пар повышенного давления, давая ему возможность расшириться через турбину в холодильник, где пар конденсируется при контакте с охлаждаемыми поверхностями второго теплообменника, омываемого водой, закачиваемой из глубинных слоев океана. Максимальный теоретический КПД такой системы определяется разностью температур воды, подаваемой в нагреватель и холодильник. Для перепадов температур между поверхностными и глубинными слоями воды в пределах от 15 °С до 26 °С он соответственно изменяется в диапазоне 5 ÷ 9 %. Реальный КПД существенно ниже. Это связано с конструктивными ограничениями, не позволяющими в реальной установке довести температуру паров и конденсата до температуры теплых и холодных вод соответственно. Схема термальной установки, работающей по замкнутому циклу: 1 – насос теплой воды; 2 – испаритель; 3 – насос осушителя парообразного рабочего тела; 4 – осушитель; 5 – турбина с электрогенератором; 6 – конденсатор; 7 – насос для забора холодной воды; 8 – насос для подачи рабочего тела. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу. В схеме установки, работающей по открытому циклу Клода, в качестве рабочего тела использована морская вода, подаваемая в испаритель через деаэратор, освобождающий воду от растворенных в ней газов. Предварительно из полостей испарителя и конденсатора удаляется воздух. Поэтому давление над поверхностью жидкости определяется только давлением насыщенных паров, которое сильно зависит от температуры. При характерных для ОТЭС температурах этот перепад составляет примерно 1,6 кПа (при замкнутом цикле на аммиаке около 500 кПа). Под действием этого перепада пары воды приводят в движение турбину, попадают в конденсатор, где и превращаются в жидкость. Основное отличие цикла состоит в малости перепада давлений, что требует использования соответствующих гигантских турбин диаметром в несколько десятков метров. Это основной технический недостаток систем открытого цикла. Основное их достоинство – отсутствие гигантских нетехнологичных теплообменников. Кроме того, при работе систем открытого цикла могут быть получены большие количества пресной воды, что немаловажно в жарком поясе планеты. Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу (цикл Клода): 1 – насос теплой воды; 2 – деаэратор; 3 – вакуумный насос; 4 – испаритель; 5 – турбина с электрогенератором; 6 – конденсатор; 7 – насос для подъема холодной воды. Прямое преобразование тепловой энергии. В основе работы схемы ОТЭС на термоэлектрических преобразователях лежит явление Зеебека (возникновение разности потенциалов в электрической цепи, составленной из материалов с различной концентрацией носителей заряда, места соединений которых нагреты до разных температур). КПД достигает 10 %. В таких ОТЭС к минимуму могут быть сведены потери на собственные нужды станции. Другое достоинство полупроводниковых систем – возможность обеспечения достаточно высокой теплоизоляции между нагревателем и холодильником, что сильно влияет на КПД систем. Недостатки: ➢ высокая стоимость материалов, из которых изготовляются элементы, ➢ необходимость изолировать спаи от непосредственного контакта с морской водой – происходит шунтирование через воду соседних элементов, обладающих достаточно высоким собственным сопротивлением, и, следовательно, снижение мощности, выдаваемой в цепь нагрузки. Такие ОТЭС можно применить для обеспечения ЭЭ комплексов подводной добычи полезных ископаемых на океанском дне. Схема ОТЭС с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую: а – устройство отдельного блока; б, в – варианты устройства термоэлектрического преобразователя; 1 – кожух; 2 – термоэлектрический генератор; 3 – полупроводниковые элементы с n - и p -проводимостью; 4 – поверхностное изолирующее покрытие; 5 – изолятор; 6 – соединительные шины. |