Морской энергокомплекс
MARINE ENERGY COMPLEX

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в целях производства электрической и тепловой энергии, экологически чистого топлива, а также поддержания в охраняемых акваториях оптимальных для морской биоты температурных условий. При этом исходным энергоресурсом является только тепловая энергия верхних слоев морей и других природных водных бассейнов.
Актуальность поиска способов использования наиболее распространенных, мощных и стабильных альтернативных энергоисточников осознана цивилизованным миром в полной мере. Она продиктована не только нашим долгом оставить будущим поколениям углеводородные ресурсы для более разумных целей - как исходное сырье для высокотехнологического производства материалов с уникальными свойствами, но и давно назревшей необходимостью спасения окружающей среды от губительных последствий сжигания этих ресурсов, которое по сути является антропогенным и притом не соразмерно ускоренным обратным процессом по отношению к природному, длившемуся многие миллионы лет, освобождению атмосферы от углерода с его перемещением в недра, благодаря чему планета стала обитаемой.
Анализ возможностей освоения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) показывает, что наиболее используемые ныне солнечные, ветровые, волновые энергоустановки не могут свести к приемлемому минимуму использования традиционного топлива, поэтому для успешного решения этой проблемы нужны несоизмеримо более мощные, высокоэффективные и надежные возобновляемые энергоресурсы. И такими ресурсами обладают моря и океаны.
2
2
2
Океаны покрывают более 70% поверхности Земли и являются самыми большими в мире коллекторами солнечной энергии. Потенциал океанов в энергетике не только велик, но и отличается большой удельной плотностью энергии. Для сравнения, максимальная плотность энергии солнечной радиации 1400 Вт/м, энергии ветра 1700 Вт/м, а тепловой энергии океанов тропических широт 300000 Вт/м.
Общеизвестны и другие преимущества океанской энергетики с чистым и практически неисчерпаемым - возобновляемым - природным ресурсом:
- такая энергетика не воздействуют негативно на окружающую среду;
- она способна наряду с электроэнергией производить пресную воду, что особенно важно для населения, живущего на островах, где ресурсы пресной воды ограничены;
- использование океанской энергии увеличивает независимость от импортируемых традиционных видов топлива, повышая тем самым энергетическую безопасность;
- океанские энергоустановки могут быть использованы для энергоемких производств водорода, метанола и аммиака, а также содержащихся в морской воде химикатов.
Тепловой ресурс океана не ограничен только тропической зоной: он распространяется - с определенным спадом - до самых полярных широт.
И этот практически неограниченный потенциал начинает использоваться.
В 1970-е годы ряд стран приступил к проектированию и строительству опытных океанических тепловых электростанций (ОТЭС) закрытого цикла. В таких ОТЭС есть принципиальное отличие от установок открытого цикла Жоржа Клода: в них используются жидкости с низкими температурами кипения, например, пропан, фреон или аммиак. В такой системе с помощью теплых поверхностных вод, прокачиваемых насосом через теплообменник испарителя, рабочее тело превращается в пар повышенного давления, давая ему возможность расшириться через турбину в холодильник, где пар конденсируется при контакте со стенками, охлаждаемыми водой, закачиваемой из глубинных слоев океана.
Первая из них была запущена в 1979 г. в Keahole Point (Гавайи). Круглосуточно с августа по октябрь установка производила около 50 кВт, из которых только 12 кВт использовались на полезную нагрузку. В течение нескольких последующих лет испытывались более усовершенствованные установки.
Первый японский опытный образец, запущенный на острове Науру в 1981 г., выдавал мощность 100 кВт, при этом полезной мощности было всего 14,9 кВт. Его главным отличием от американского варианта было расположение станции на острове. Это позволило сократить расходы на эксплуатацию судна-носителя, устройство надежных якорных стоянок, подводный силовой кабель для передачи электроэнергии на берег, а главное - обеспечить большую безопасность обслуживающего персонала.
В 1992 г. на Гавайях был запущен экспериментальный аппарат открытого цикла производительностью в среднем 210 кВт.
В 1992-1998 гг. в Кеахол Пойнте действовала ОТЭС открытого типа на 210 кВт. При проектировании станции были использованы последние достижения техники. Турбогенератор был рассчитан на мощность 210 кВт при использовании теплой поверхностной воды в 26°C и глубоководной с температурой до 6°C. Небольшой объем (10%) отработанного пара использовался для опреснения воды. Наилучшие показатели производства энергии достигали 255 кВт (общей) при 103 кВт чистой энергии.
Однако созданным ОТЭС присущи и отрицательные факторы, которые необходимо учитывать, а именно:
- стоимость электроэнергии, производимой ОТЭС, выше традиционной;
- для нормальной работы ОТЭС необходимо наличие ряда природных условий: разность температур между теплым поверхностным и холодным глубоководным слоями воды должна составлять около 20°C, причем экономический эффект достигается при расстоянии от поверхности до глубины с достаточно низкой температурой не более 1 км;
- конструкции океанских станций и проложенные под водой трубы могут повреждаться из-за плохих погодных условий, прибоев, рифов;
- отсутствуют достаточно эффективные и экономически приемлемые средства борьбы с коррозией и биологическим обрастанием оборудования и трубопроводов;
- если в контуре, по которому циркулирует рабочая жидкость, возникает утечка, то она может нанести вред не только морской флоре и фауне, но и озоновому слою планеты.
Негативные экологические последствия работы тепловых станций по схеме с подъемом глубинных вод создаются при выделении ими в атмосферу растворенных газов. Эти воды содержат большое количество углекислого газа, который выделяется при их подъеме на поверхность из-за снижения давления и повышения температуры.
Следует подчеркнуть, что наземные или прибрежные ОТЭС имеют ряд преимуществ перед удаленными от берегов. Станции на берегу или в прибрежной зоне, не требуют сложной швартовки, длинных силовых кабелей, а также менее сложны в обслуживании.
Они могут быть построены на защищенных от штормов участках. Прибрежное или наземное месторасположение минимизирует затраты на трубы, которые в данном случае намного короче. Свободный доступ к объекту также снижает стоимость создания и эксплуатации таких ОТЭС.
Однако и у них есть ряд недостатков. Сильное волновое воздействие (особенно в шторм) в зоне прибоя может негативно влиять на конструкции, если трубы не погружены в защитные траншеи или не были предусмотрены волнорезы, смягчающие силовую нагрузку от волн. В прибрежной зоне океанов существует потенциальная опасность разрушений волнами цунами. Также требуются дополнительные затраты на прокладку зачастую многих сотен метров трубопроводов от берега до необходимой глубины с соответствующей температурой холодной воды.
Известны варианты ОТЭС без использования глубинных холодных океанских вод путем их замены, например, потоком холодного воздуха. Но такое техническое решение рассчитано только на арктические условия, а стабильность работы ОТЭС оказывается в сильной зависимости от погоды.
Примером такого варианта может быть океаническая тепловая электростанция по а.с. СССР №1681 031, F01K 13/00, F03G 7/04. (опубл. БИ N 36, 1991 г.). Установка содержит погруженный под водой испаритель, последовательно соединенные в замкнутом контуре размещенные над уровнем воды конденсатор, гидравлическую турбину, паровую турбину, при этом конденсатор расположен в аэродинамической трубе, которая выполнена в виде сверхзвукового диффузора. Установка снабжена пароперегревателем для дополнительного подогрева рабочего тела, в качестве которого используют жидкость с низкой температурой парообразования, например, фреон. Пары рабочего тела после испарителя донагреваются в пароперегревателе и вращают паровую турбину, после чего они попадают в конденсатор, расположенный внутри аэродинамической трубы.
Пары рабочего тела охлаждаются воздухом и конденсируются. После конденсации рабочее тело стекает вниз и за счет напора вращает гидравлическую турбину. С турбинами связаны электрогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. Однако работа указанной установки в сильной степени зависит от наличия воздушных потоков над поверхностью океана и силы ветра, что снижает стабильность работы установки и усложняет ее конструкцию.
Известна энергетическая установка (а.с. СССР №1744276, F01K 13/00, F03G 7/04, опубл. БИ N 24, 1992 г.). Она содержит последовательно соединенные в замкнутом циркуляционном контуре паровую турбину, связанную с электрическим генератором, трубчатые конденсаторы и испаритель, при этом испаритель размещен ниже уровня воды океана, а конденсатор размещен над поверхностью воды. Установка предназначена для работы в полярных зонах при температуре окружающего воздуха не выше -20°C. Рабочая жидкость с низкой температурой кипения, например фреон, испаряется в испарителе, омываемом подледной водой с температурой около 4°C, пар поступает по паропроводу в паровую турбину, связанную с электрогенератором, после чего он конденсируется в конденсаторе, охлаждаемом атмосферным воздухам с температурой не выше -20°C. Образующийся конденсат самотеком поступает по соединительному трубопроводу в расположенный подо льдом испаритель. Указанная установка не требует организации принудительной циркуляции рабочего тела и теплоносителя, что делает ее работу более экономичной.
Однако, приведенные примеры для арктических регионов, конечно же, неприменимы в умеренных, а тем более экваториальных широтах, где сосредоточены главные ресурсы тепловой энергии океана.
Другие же способы преобразования этой энергии в ОТЭС без использования воды глубинных (абиссальных) слоев океана не известны.
Основной задачей при разработке морского энергокомплекса является нахождение новых способов создания температурного перепада в контуре теплового двигателя и создание на этой основе конструкции ОТЭС для использования, главным образом, на побережьях и в прибрежных акваториях морей и океанов без подъема глубинных вод.
Такая задача решается тем, что в морском энергокомплексе, содержащем электростанцию, работающую на тепловой энергии моря, включающем вспомогательные производственные установки - опреснительные, электролизные, а также объекты инфраструктурного назначения, для исключения потребности в охлаждающей морской либо воздушной среде в нем используется тепловой насос, при этом приводом электрогенератора служит тепломеханический преобразователь с твердым либо жидкостным рабочим телом, рассчитанный на перепад температур теплоносителей в контурах нагрева и охлаждения, создаваемый тепловым насосом с поглощением теплоты водной среды.
Морской энергокомплекс оснащен мощным тепловым насосом и тепломеханическим преобразователем, работающим на малом перепаде температуры рабочего тела, а также установками для опреснения воды и ее электролиза. При необходимости теплообменник испарителя теплового насоса может быть оснащен "нетрадиционным" устройством принудительной циркуляции морской воды в виде индукционного насоса соответствующей конструкции.
Тепловой насос позволит поднять температуру в контуре нагрева преобразователя тепловой энергии в механическую, подключенном к теплообменнику конденсатора, и максимально понизить температуру в контуре охлаждения, подключенном к теплообменнику испарителя теплового насоса (перед теплообменником с морской водой).
Тепломеханический преобразователь, работающий с использованием свойства температурного расширения рабочего тела, не нуждается в парообразователе и потому обладает работоспособностью при ограниченном (в пределах 100°C) перепаде температур, что вполне обеспечивают теплообменники теплового насоса.
Включение в состав энергокомплекса опреснительных и электролизных установок позволит решить проблемы водоснабжения и обеспечения экологически чистыми энергоносителями, в т.ч. и для транспортных средств.
На фиг. 1 представлена схема теплоэлектроцентрали морского энергокомплекса, на фиг. 2 - поперечное сечение теплообменника испарителя теплового насоса с индукционным насосом для принудительной циркуляции морской воды, на фиг. 3 - вариант с усиленной циркуляцией морской воды.
Рассмотрим устройство наиболее перспективного варианта энергокомплекса для прибрежной морской акватории, работающего в условиях мелководья с интенсивным волнением моря и приливами, при отсутствии глубинных вод и минимальном естественном перемещении поверхностных вод (течений). В этих условиях самым экономичным проектом является комплекс с расположением на берегу всех объектов, кроме теплообменника испарителя теплового насоса.
Итак, предлагаемый морской энергокомплекс имеет в своем составе тепловую электростанцию, состоящую из тепломеханического преобразователя 1 (фиг. 1), например по патенту РФ №2442906, 2012 г., или его аналогов, электрического генератора 2, теплового насоса с испарителем 3, конденсатором 4, компрессором 5 хладагента и дросселем 6, а также комплектом теплообменников со своими циркуляционными насосами 7 для зон нагрева и охлаждения преобразователя 1 и теплоснабжения потребителей.
Испаритель 3 теплового насоса выполнен в виде трубы 8 (см. фиг. 2) с хорошей теплопроводностью и антикоррозийным покрытием стенки, с размещенным в ней трубопроводом 9 с форсунками для хладагента, а также при необходимости индукционным насосом 10 для принудительной циркуляции морской воды. Данное устройство представляет собой протяженную конструкцию вдоль трубы 8. Для более интенсивного теплообмена и предотвращения ее обрастания возможен вариант с усиленной циркуляцией (см. фиг. 3) с двумя насосами 10 и оболочкой 11.
Сам испаритель 3, обладающий плавучестью, связан с анкерами на дне моря и расположен на глубине, не подверженной воздействию морских волн и приливов. Для защиты от экстремального волнения морской поверхности место расположения испарителя можно защитить волноломом, например, по патенту РФ №2461681, 2012 г., а в цунамиопасных регионах - цунами-гасителем по патенту РФ №2524814, 2014 г.
На берегу размещены и остальные объекты комплекса: подстанции, опреснительные установки, электролизеры и др.
Пуск электростанции морского энергокомплекса производится включением компрессора 5 теплового насоса и циркуляционных насосов 7. При этом в конденсаторе 4 высокая температура сжатых паров передается теплоносителю, подаваемому насосом 7 в зону нагрева тепломеханического преобразователя 1, а в зону охлаждения поступает холодный теплоноситель от теплообменника, в котором тепло отбирается хладагентом при резком сбросе его давления за дросселем 6, то есть происходит рекуперация сбрасываемого преобразователем 1 тепла. Таким образом, использование теплового насоса устраняет потребность в океанской холодной воде. А использование вместо паровых машин упомянутого преобразователя в качестве привода электрогенератора 2 позволяет обходиться без высоких параметров теплоносителя.
Рассчитанный с учетом температуры морской воды испаритель 3 позволяет извлекать из нее теплоту, достаточную и для работы электростанции, и для теплоснабжения производственных и бытовых объектов. При этом для испарения хладагента, подаваемого по трубопроводу 9 и распыляемого на внутренние стенки трубы 8, ее наружная поверхность обтекается морской водой под действием естественного потока (течений), либо принудительной циркуляции, например, с помощью индукционного насоса 10: поскольку морская вода обладает хорошей электропроводностью, ее ускоренный поток будет обеспечен.
Усиленная циркуляция воды, улучшающая теплообмен и препятствующая биологическому обрастанию трубы 8, обеспечивается более мощной насосной системой с оболочкой 11 (см. фиг. 3). При этом свойство насосов реверсировать направление потока позволяет согласовывать его с естественным течением в данной акватории.
Представленные энергокомплексы позволят резко снизить затраты по освоению тепловой энергии океанов, расширить географическое пространство ее использования, приблизить эти энергоисточники к населенным регионам, резко снизить техногенную нагрузку на природную среду, решить многие социальные проблемы.