Аккумулирование энергии солнца Мировым океаном

 

Мировой океан — гигантский аккумулятор энергии Солнца. Оценка различных авторов количества тепловой энергии Мирового океана расходится иногда на несколько порядков. Например, американский специалист Д. Д. Айзекс оценивает энергию градиента температур в океане цифрой 1021 Дж, а российский специалист Е. Н. Малявин — 7,51023 Дж8, поясняя, что речь идет и доступной энергии, т. е. об энергии, которую можно получить из океана при разности температур 20оС с помощью современных преобразователей. Отмечается, что запасов тепловой энергии океана хватит на тысячу лет, даже если считать ее расход по уровню потребления ХХI века. Потребление энергии во втором десятилетии ХХI в. Оценивается цифрой порядка 2,8105 млрд. кВт-ч.

Мировой океан — крупнейший естественный коллектор солнечного излучения. Между верхними теплыми слоями воды, поглощающими солнечное излучение, и более холодными придонными достигается разность температур до 20 °С (рис.1). Это обеспечивает непрерывно пополняемый запас тепловой энергии, которая принципиально может быть преобразована в другие виды.

Рис. 1. Изменение температуры океана в зависимости от глубины

 

Преобразование тепловой энергии, запасенной океаном, в механическую энергию и далее в любую другую требует создания тепловой машины, использующей естественный перепад температур между прогретыми верхними и холодными нижними слоями вод. В первом приближении доля преобразуемой энергии может быть определена через КПД термодинамического цикла Карно

; , (1)

где Тг и Тх- температуры теплого и холодного слоев воды.

Считая в среднем, что разность температур в 12 0С на всей свободной ото льда поверхности океана площадью 3x10 м2 в слое толщиной 100 м общую тепловую мощность, сохраняющуюся в океане в любой момент времени, можно определить по формуле

,(2)

где р — плотность воды, кг/м3; v — объем нагретых вод, м3;

ср — удельная теплоемкость, кДж/(кг К).

Принимая ср = 4,19 кДж/(кг К), величина запасенной энергии составит Дж.

В. А. Акуличев и А. К. Ильин поставили вопрос иначе: сколько можно взять энергии из океана без вреда для окружающей среды. [1] В качестве критерия они приняли допустимое понижение температуры поверхности океана на 0,5 К. Расчет сделан для перемешанного слоя вод тропической части Мирового океана в связи с использованием его энергии станциями ОТЕС. Цифра 0,5 К принята на том основании, что она близка к флуктуациям средней температуры, наблюдающимся под влиянием естественных причин. Как известно, они не превосходят нескольких десятых долей градуса. Тогда максимально допустимая мощность, которую можно снять в тропической зоне Мирового океана, составит 11 млрд. кВт. При непрерывной работе тепловых преобразователей за год такой мощностью будет выработано 0,96105 млрд. кВт-ч, или 3,41020 Дж. Цифра эта примерно втрое меньше потребления энергии, прогнозируемого на 2020 г.

Есть и другие причины, ограничивающие использование тепловой энергии Мирового океана. Речь идет о значительном выделении углекислого газа (СО2) из глубинных холодных вод, которые должны подниматься в больших количествах на поверхность для работы тепловых преобразователей. Из-за снижения давления и повышения температуры этих вод при подъеме на поверхность из них будет выделяться растворенная углекислота. Кроме выделения углекислоты могут наблюдается и другие нежелательные явления, связанные с гидродинамическими и тепловыми эффектами в океане, а также с возможными утечками рабочих жидкостей, т. е. аммиака, фреона или ядовитых веществ, необходимых для промывки теплообменников, например хлора. Все это свидетельствует о том, что вопрос об оптимальной величине съема тепловой энергии и местах наилучшего размещения станций ОТЕС достаточно сложен и нуждается в тщательном изучении.

Проекты по преобразованию тепловой энергии океана принято наименовать термином ОТЕС (осean termal energy conversion): т. е. преобразование тепловой энергии океана в механическую и далее в электрическую.

Лучи Солнца падают на него сверху. Но вспомним, что если спиральный электронагреватель опустить в стакан с холодной водой, в его верхнюю часть, то вода сверху закипает, а внизу останется холодной; объясняется это малой теплопроводностью воды.

Нет, такой способностью световые лучи не обладают. 60 % светового потока поглощается в первом метре водяной толщи. Ослабление идет по экспоненциальному закону с достаточно большим показателем степени. В результате действия этого закона на глубине в 100 м уже сумерки в полдень, когда на поверхности глаза режет от яркого солнца. На протяжении 100 м освещенность снижается от 100 тыс. до нескольких люкс. И это происходит в относительно прозрачных водах центральной части Черного моря. На глубинах в 500–600 м остатки солнечного света можно обнаружить только с помощью чувствительного фотоумножителя.

Следует заметить, что светотехнические единицы (люксы) мало пригодны для измерений в воде, лучше пользоваться энергетическими, оценивая интенсивность излучения в ваттах на квадратный сантиметр. Дело в том, что морская вода — избирательный фильтр. Она плохо пропускает длинноволновые лучи Солнца и гораздо лучше — коротковолновые. Например, если опускать в воду какой-нибудь красный предмет, скажем, диск, то он перестанет быть видимым гораздо раньше, чем белый. А перед исчезновением побелеет. Что же касается инфракрасных лучей, то они поглощаются в воде практически полностью после прохождения слоя толщиной 3–4 м.

Но на эти лучи приходится основная часть энергии в спектре излучения Солнца. Благодаря перемешиванию путем турбулентности и конвекции. Если перемешивания не будет, Солнце нагреет лишь тонкую поверхностную пленку воды и тепло не будет запасаться в достаточном количестве. Прекратится «центральное отопление» планеты, Земля замерзнет. К счастью, этого не происходит. Турбулентность исправно работает, тщательно перемешивая воды Мирового океана в поверхностном слое, а глубже эстафету по переносу тепла принимает конвекция. Это сложный и еще недостаточно исследованный процесс.

Исключительную роль в перемешивании имеет соленость вод Мирового океана. За счет испарения воды с поверхности соленость в поверхностном слое возрастает. Но более соленая вода — более тяжелая, поэтому она опускается вниз, на глубину, несмотря на то, что она теплая.

Имеется еще один вид конвекции — проникающая. В этом случае струи тяжелой воды прямо с поверхности идет далеко в глубину. Такое интенсивное и мало изученное явление наблюдалось на Средиземном море.

В результате действия этих факторов верхний слой океана обычно хорошо перемешан. Он так и называется — перемешанный. Толщина его зависит от времени года, силы ветра и географического района. Например, летом в штиль толщина перемешанного слоя на Черном море всего 20–30 м. А и Тихом океане близ экватора был обнаружен (экспедицией на научно-исследовательском судне «Дмитрий Менделеев») перемешанный слой толщиной около 700 м. От поверхности до глубины в 700 м располагался слой теплой и прозрачной воды с температурой около 27оС. Этот район Тихого океана по своим гидрофизическим свойствам похож на Саргассово море в Атлантическом океане. Зимой на Черном море перемешанный слой в 3–4 раза толще летнего, его глубина доходит до 100–120 м. столь большая разница объясняется интенсивным перемешиванием в зимнее время: чем сильнее ветер, тем больше волнение на поверхности и сильнее идет перемешивание. Такой слой скачка называют еще сезонным, поскольку глубина залегания слоя зависит от сезона года.

Океан устойчиво стратифицирован, как говорят гидрофизики. Именно благодаря этому верхние слои воды океана могут служить для нагрева рабочей жидкости в тепловых преобразователях, использующих его энергию.

Процесс преобразования тепловой энергии океана осуществляется тепловыми машинами ОТЕС, работающими за счет разности температур холодной воды Тx, поднятой с глубины, и горячей Тг забираемой с поверхности (рис.2). Горячая вода с поверхности океана 6 при температуре Тг охлаждается в испарителе 1 и испаряет теплоноситель, имеющий низкую теплоту испарения (аммиак, фреоны, вода при низком давлении). Пар поступает в турбину 2 и производит работу. В конденсаторе 5 холодная вода, забираемая из глубины океана 7, с температурой Тх, нагревается и конденсирует пар. Конденсат теплоносителя насосом 4 подается вновь в испаритель.

Рис. 2. Принципиальная схема преобразования тепловой энергии океана: 1-не паритель, 2-турбина, 3-генератор, 4-насос, 5-конденсатор, 6-теплая вода (поверхность океана), 7-холодная вода (глубины океана)

 

В идеальном случае для ОТЕС, работающей по замкнутому циклу, отбираемое тепло определяется по формуле (2).

На основе второго закона термодинамики максимальная механическая мощность, которую можно получить от преобразования тепла

(3)

В соответствии с формулами (2) и (3), механическая мощность идеального преобразователя тепла

(3)

Требуемый расход воды:

(4)

Если принять °С, ΔТ=20°С, 1000 кг/м3, ср=4200 Дж/(кг К), то для получения механической мощности N=1 МВт необходимый расход воды . Это показывает, что для получения больших мощностей требуются значительные потоки воды, т. е. требуется применение громоздких установок.

Как видно из формулы (4), мощность ОТЕС установки зависит от ΔТ. Опыт показал экономическую целесообразность ОТЕС в районах океана, где ΔТ >20 0С, Такие районы расположены в тропиках, между 20° северной и 20° южной широт. В этих районах в течение года температуры Тг и Т, мало изменяются, что гарантирует стабильную выработку энергии в течение года.

Широкомасштабному промышленному развитию морской и океанской тепловой энергетики способствует ряд преимуществ:

1.      ОТЭС используют чистый, неограниченный, возобновляемый природный ресурс. Тепло поверхности морей и холодная вода глубоководья заменяют традиционные ископаемые топлива, используемые для производства электричества.
2.      ОТЭС не воздействуют негативно на окружающую среду. Используемая в процессе работы станции вода возвращается в соответствующие океанские слои без каких-либо негативных последствий.
3.      ОТЭС способны, наряду с электроэнергией, производить пресную воду, что особенно важно для островных наций, где поступления пресной воды ограничены.
4.      Солнечной энергии, поступающей в верхние слои океана, более чем достаточно для обеспечения человечества чистой энергией в будущем.
5.      Использование океанской энергии увеличивает независимость от импортируемых традиционных видов топлива, повышая тем самым энергетическую безопасность.
6.      Холодная вода ОТЭС может также использоваться для охлаждения и кондиционирования зданий, в сельском хозяйстве, для выращивания рыбы, моллюсков и водорослей.
7.      ОТЭС могут быть использованы для производства энергоемких газов водорода, метанола и аммиака.

 

Литература:

 

1.                Акуличев В. А., Ильин А. К. Тепловые энергетические ресурсы тропических районов Мирового океана. –Владивосток: ТОИ ДВНЦ АН СССР, 1984, с. 3.
2.                Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. М.: Мир, 1987. -272 с.
3.                Шетцле С. Аккумулирование тепловой энергии в водоносных горизонтах. М.: Энергоатомиздат, 1984. -208 с.
4.                П. Э. Аллокулов, Б. Э. Хайриддинов, В. Д. Ким. Нетрадиционная теплоэнергетика. Издательство «Фан» АНРУз. 2009. -187 с.