Морская энергетика

Балтийский Государственный Технический Университет

«Военмех» им. Д. Ф. Устинова

Кафедра Н1

«Мехатроника и робототехника»

Реферат

на тему «Морская энергетика»

Преподаватель: Тюрина Н. В.

Студент:             Макурова В. В.

Группа:               Н111

Санкт – Петербург

2011

Оглавление

Введение

Проблема поиска альтернативной энергии является одной из наиболее приоритетных для прогрессивной части человечества. Возобновляемые источники энергии необходимо применять для того, чтобы замедлить процессы влияния человеческой деятельности на изменение климата планеты, или же сделать эти процессы незначительными. Если человеческая деятельность и не является причиной глобального потепления, то влияние ее на окружающую среду оказывается весьма существенным. Глобальная социально-экономическая система, выстроенная человечеством, использует много ресурсов, не отдавая ничего взамен, кроме отходов, с которыми не справляются экосистемы. Альтернативные или возобновляемые источники энергии станут мостом-путепроводом между сложившимися хозяйственно-экономическими отношениями и новой экономикой эффективного ресурсного менеджмента. Возобновляемые источники неисчерпаемы, в отличие от ископаемого топлива, их использование безопасно для окружающей среды и здоровья человека. Их использование дает независимость от региональной ценовой политики, потому что установки по выработке зеленой энергии, как правило, автономны. Установка турбин по производству энергии в оффшорных зонах дает хороший экономический эффект в плане окупаемости проектов. Развитие технологий по использованию возобновляемых энергоресурсов обеспечит в ближайшем будущем высокую конкурентоспособность относительно традиционных энергоносителей.

Слабым местом возобновляемых источников энергии является недостаточное развитие технологий по устойчивому промышленному производству электричества и тепла.  Однако уже сейчас можно использовать те или иные природные ресурсы (в зависимости от региона) для обеспечения частных домов, небольших поселений или городов экологически чистой электроэнергией или теплом. К тому же, технологии стремительно развиваются и те устройства, которые раньше были доступны только обеспеченным слоям населения, становятся массово доступны.

Преимуществом альтернативной энергетики является ее возобновляемость и экологическая безопасность. Добывать ископаемое топливо технически гораздо сложнее, чем пользоваться возобновляемыми энергоресурсами, которые также возникают и доступны благодаря Солнцу. Ископаемых ресурсов хватит нескольким поколениям, постепенно они будут дорожать и станут дефицитными.

Сегодня в различных социальных системах есть понимание, что возобновляемые энергоресурсы первичны по сути своей. Для того, чтобы их осваивать, не нужно бурить гигантские скважины и разрабатывать огромные карьеры. Использование возобновляемых энергоресурсов является закономерным этапом эволюционного процесса технологического развития.

В частности для нашего региона, наиболее оптимальной можно считать энергию океана. Запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. км2) занимают моря и океаны – акватория Тихого океана составляет 180 млн. км2. Атлантического – 93 млн. км2, Индийского – 75 млн. км2. Так почему бы не воспользоваться этим источником энергии? Далее будут рассмотрены основные виды морской энергии, их положительные и отрицательные составляющие, а так же представлены результаты последних исследований.

Глава 1. Тепловая энергия океана

Часть 1.  ОТЕС

Последние десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана – речь идет о преобразовании в электрическую энергию). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная –53 кВт; 12 кВт установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее – на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты энергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

Три насоса потребовались из следующего расчета: один – для подачи теплой виды из океана, второй – для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий – для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяется аммиак.

Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случае необходимости ого быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба–судно. Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной проблемой.

Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа.

Новые станции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это – одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии [1].

Для эффективной работы ОТЭС необходим значительный перепад температур (выше 22°С для большинства схем). Энергия воды, которую можно использовать при разности температуры между верхним и глубинным слоем воды при 24°С, составляет около 108 Вт/м³. Такой перепад температуры обеспечен между тропиком Рака и тропиком Козерога, где поверхность воды нагревается до 27°C, а на глубине в 600 м температура падает до 2-3,5°С. В Карибском море, где тропические воды встречаются с арктическим потоком, разница температур на поверхности и на глубине 450-600 м достигает 22°С. Поэтому ОТЭС в основном можно располагать в экваториальных широтах с максимальным прогревом воды.

Сергей Хайтун, кандидат физико-математических наук, в.н.с. Института истории естествознания и техники РАН (ИИЕТ РАН), на вопрос о том, как наука смотрит на процесс утилизации тепловой энергии океана, отвечает, что наука свое мнение высказала 150 лет назад в работах французского ученого Д´Арсонваля, и дело теперь за техническим воплощением и поиском оптимальных схем, способных обеспечить максимальную эффективность. Д´Арсонваль еще в 1881 г. впервые высказал идею об использовании солнечной энергии, накопленной в океане в виде тепла. Более чем через 40 лет его ученик, Жорж Клод, наконец воплотил идею в жизнь и построил на Кубе небольшую систему утилизации термальной энергии океана. Ученый выбрал бухту Матанца, в которой большие глубины с высоким перепадом температуры воды подходят к самому берегу. Схема установки проста: в испарителе с частичным вакуумированием испаряется теплая вода с поверхности моря (температура порядка +27°C). Полученный пар вращает лопасти турбин, которые соединены с генераторами. Отработанный пар попадает в конденсатор, для охлаждения которого подается вода с глубины (температура порядка +4°C). Первая экспериментальная установка мощностью 22 кВт потребляла 80 кВт на работу своих насосов.

Часть 2. Российские станции в Арктике

Энергию можно получать не только из теплых вод тропических или субтропических районов Мирового океана, но и из северных или южных бассейнов планеты, то есть из вод Арктики и Антарктики. Возможность практической реализации преобразования тепловой энергии океана в арктических районах в своих работах показал в 1980-х гг. Альберт Ильин, руководитель лаборатории энергетики океана Тихоокеанского океанологического института. Автор отмечает не только важность наличия нужного градиента температуры, но также и необходимость достаточной скорости ветра и скорости течения воды в океане. По расчетам А. Ильина, КПД энергетической установки мощностью около 50 кВт в арктических условиях получается в пределах 0,79-2,08%. Речь идет о КПД использования тепла воды, что же касается КПД самой установки, то он достаточно высок и достигает 43%. Эта цифра относится к аммиачной установке мощностью 1 МВт.

На возможность использования энергетического потенциала северных широт первым обратил внимание в 1928 г. французский инженер А. Баржо. В качестве нагревателя им предлагалась морская вода с температурой, близкой к 0°С. Холодильником должен был служить морозный воздух. В качестве вторичного рабочего тела было предложено взять такое вещество, которое кипело бы при температуре несколько ниже 0°С и конденсировалось бы в жидкость при температуре минус 20°С. Баржо рекомендовал углеводородные соединения типа пропана, бутана или изобутана.

Действительно, в Северном Ледовитом океане температура в поверхностном слое подо льдом близка к 0°С. Интересно отметить, что градиент температур арктических вод крайне мал – так, на нескольких сотнях метров глубины температура воды доходит примерно до +0,6°С. Там находится теплый промежуточный слой, образовавшийся за счет притока вод атлантического происхождения. Во многих районах Арктики большую часть года температура воздуха ниже -10°С. Например, на Новосибирских островах в году бывает всего 2-4 дня с тем температурой воздуха выше -10°С, на побережье моря Лаптевых таких дней от 10 до 14, а на архипелаге Северная Земля их только 10-12. В остальное время года здесь царствуют морозы. Таким образом, разность температур подледной воды и воздуха составляет в арктических районах более 26°С и может быть использована для генерации электричества. Расчеты ученых показывают, что при таком перепаде каждый 1 м³ морской воды, будучи пропущен за 1 с через преобразователь, позволяет получить около 10 кВт мощности при КПД установки 5% [2].

Глава 2. Энергия приливов и отливов

Часть 1.  ПЭС

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные воды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой, Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив. Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней.

Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер.

Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50-70 см.

Максимально возможная мощность в одном цикле прилив – отлив, т. е. от одного прилива до другого, выражается уравнением

W = pgSR2

где р – плотность воды, g – ускорение силы тяжести, S – площадь приливного бассейна, R – разность уровней при приливе.

Как видно из формулы, для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны». Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2–20 МВт.

Первая морская приливная электростанция мощностью 635 кВт была построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную электростанцию начали строить в США. Американцы перегородили часть залива Пассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн. долл., но работы пришлось прекратить из-за неудобного для строительства, слишком глубокого и мягкого морского дна, а также из-за того, что построенная неподалеку крупная тепловая электростанция дала более дешевую энергию [1].

Если верить цифрам, ПЭС могут дать человечеству около 70 миллионов миллиардов кВт/ч в год. Если сравнивать, то это примерно столько энергии, сколько можно получить из всех разведанных запасов бурого и каменного угля. В 1977г. вся экономика СССР базировалась на 1150 миллиардах кВт/ч, экономика США - на 200 миллиардах кВт/ч. Так что, в теории, только приливы и отливы могли обеспечить энергетическое процветание 6000 СССР