Conversia energiei termice oceanice de pe Insula Saona (OTEC): Transformarea diferențelor de temperatură a oceanelor tropicale în electricitate
Introducere
Oceanul stochează o cantitate enormă de energie termică. Lumina soarelui își încălzește straturile superioare, în timp ce apa adâncă rămâne mult mai rece. În regiunile tropicale, diferența de temperatură dintre apa de mare caldă de suprafață și apa rece de mare adâncime poate fi utilizată pentru a opera un tip special de motor termic.
Această tehnologie se numește Conversie a energiei termice oceanice (OTEC).
Spre deosebire de sistemele de energie valurilor, care captează mișcarea valurilor oceanului, OTEC folosește un gradient de temperatură pentru a genera electricitate. Este deosebit de interesant pentru insulele tropicale, deoarece oceanul poate oferi o sursă relativ consistentă de apă caldă de suprafață și apă rece de adâncime.
Insula Saona, din Republica Dominicană, oferă un cadru interesant pentru a discuta despre această tehnologie. Cu toate acestea, un proiect OTEC real ar necesita măsurători detaliate ale temperaturii, studii batimetrice, evaluare de mediu și studii de fezabilitate inginerească. Numai locația tropicală nu dovedește că un anumit sit este potrivit.
Acest articol explică știința din spatele OTEC, principalele sale cicluri de funcționare, echipamentele necesare, potențiale aplicații și provocările pe care inginerii ar trebui să le investigheze înainte de a lua în considerare o instalare în jurul insulei Saona.
1. Ce este conversia energiei termice oceanice?
Ocean Thermal Energy Conversion este o tehnologie de energie regenerabilă care produce energie electrică utilizând diferența de temperatură dintre:
- Apa de mare caldă lângă suprafața oceanului.
- Apă rece din ocean. straturi.
Apa caldă furnizează căldură unui ciclu termodinamic, în timp ce apa rece acționează ca un radiator.
Un motor termic funcționează între aceste două niveluri de temperatură. Acesta transformă o parte din energia termică în lucru mecanic, care antrenează un generator electric.
O diferență de temperatură de aproximativ 20°C este folosită în mod obișnuit ca un etalon preliminar de evaluare a resurselor OTEC. Cerințele efective de funcționare depind de proiectarea sistemului, temperaturile disponibile, schimbătoarele de căldură și pierderile prin pompare.
Procesul OTEC de bază implică:
- Colectarea apei de mare calde de suprafață.
- Colectarea apei de apă rece de la adâncimea de lucru. sau producerea de abur de joasă presiune.
- Acționarea unei turbine sau a altui dispozitiv de expansiune.
- Operarea unui generator electric.
- Indepartarea căldurii folosind apă de mare rece.
- Readucerea fluidului de lucru la starea inițială.
U.S. Energy Information Administration explică principiile ciclului închis și al ciclului deschis și identifică electricitatea și apa desalinizată ca posibile ieșiri OTEC.
2. Gradientul de temperatură a oceanului
Temperatura apei de mare se modifică în general odată cu adâncimea.
În oceanele tropicale, radiația solară încălzește suprafața și oceanul superior. Sub stratul mixt de suprafață, temperaturile pot scădea rapid printr-o regiune numită termoclină.
La adâncimi mai mari, temperaturile apei sunt de obicei mult mai reci și variază mai lent cu adâncimea.
Pentru un sistem OTEC, inginerii trebuie să cunoască diferența de temperatură dintre admisia de apă caldă propusă și locațiile de admisie de apă rece:
.
. = Tₕ − T꜀
Unde:
- ΔT = diferența de temperatură.
- Tₕ = temperatura apei calde.
- T꜀ = temperatura apei rece.
- De exemplu, dacă apa este la 2°C și la 7°C. admisia de apă rece este la 5°C:
ΔT = 27 − 5 = 22°C
Acest exemplu ilustrează o diferență de temperatură potențial utilă. Nu este o măsurătoare de pe insula Saona.
Gradientul de temperatură trebuie evaluat folosind date oceanografice reale. Variația sezonieră, adâncimea, curenții și condițiile locale ale fundului mării influențează toate resursele disponibile.
3. Principiul termodinamic din spatele OTEC
OTEC funcționează ca un motor termic.
Un motor termic primește energie de la o sursă mai caldă, transformă o parte din acea energie în muncă utilă și eliberează căldura rămasă într-o chiuvetă mai rece.
Eficiența maximă teoretică a unui motor termic ideal reversibil este dată de eficiența Carnot: (ηT = ꜀ − /> Tₕ)
Unde:
- η = eficiența maximă teoretică.
- Tₕ = temperatura absolută a rezervorului fierbinte în Kelvin.
- T꜀ = temperatura absolută a rezervorului într-un sistem ilustrativ în Kelvin>
- Temperatura apei calde = 27°C = 300,15 K.
- Temperatura apei rece = 4°C = 277,15 K.
Atunci:
<1>−2 300,15)
Maximul teoretic este de aproximativ 7,7%.
Acesta nu este randamentul electric real al unei centrale OTEC. Sistemele reale suferă pierderi prin transfer de căldură, pierderi de turbină și generator, frecare și cerințe semnificative de pompare.
Eficiența netă este, prin urmare, mult mai mică decât limita ideală Carnot. Eficiența scăzută este unul dintre motivele pentru care OTEC necesită schimbătoare de căldură mari și un debit substanțial de apă de mare.
Orientările tehnice IEC și recenziile de inginerie discută această limitare fundamentală.
4. Principalele tipuri de sisteme OTEC
Tehnologia OTEC este de obicei împărțită în trei configurații: sisteme cu ciclu închis, cu ciclu deschis și cu ciclu hibrid.
4.1 OTEC cu ciclu închis
Un sistem cu ciclu închis folosește un fluid de lucru separat care circulă printr-o buclă termodinamică etanșată.
Un fluid cu un punct de alimentare relativ scăzut, poate fi utilizat într-un sistem de amonianță relativ scăzut, cum ar fi un sistem de alimentare cu o cantitate scăzută. proiecte.
Procesul de operare este:
- Apa de mare caldă trece printr-un evaporator.
- Caldura se transferă de la apa de mare la fluidul de lucru.
- Lichidul de lucru se dilată prin intermediul turbinei.
- Vaporii se evaporează prin turbină.
- generator electric.
- Apa rece de mare adâncime trece printr-un condensator.
- Vaporii fluidului de lucru se condensează înapoi în lichid.
- O pompă returnează lichidul în evaporator.
Lichidul de lucru circulă continuu.
Principalele avantaje:
Avantaje:space-y-1">
Principalele provocări:
- schimbătoare.
- Reținerea fluidului de lucru trebuie să fie fiabilă.
- Schimbătoarele de căldură pot fi afectate de murdărire și coroziune.
- Energia de pompare reduce producția netă de electricitate.
4.2 OTEC cu ciclu deschis
Un sistem cu ciclu deschis folosește apa de mare în sine ca apa de mare presiune scăzută. camera. La o presiune suficient de scăzută, o parte din apă se evaporă sau se transformă în abur la o temperatură mai scăzută decât la presiunea atmosferică.
Aburul de joasă presiune trece printr-o turbină conectată la un generator.
Apa de mare rece și adâncă apoi răcește aburul într-un condensator.
Deoarece cea mai mare parte a echipei de condensare este separată de cea mai mare parte a echipei de condensare. apă.
Procesul poate oferi, prin urmare, două rezultate potențiale:
- Electricitate.
- Apă dulce.
Cu toate acestea, sistemele cu ciclu deschis necesită un control atent al vidului și echipamente mari de joasă presiune. Presiunea foarte scăzută a aburului creează, de asemenea, provocări pentru proiectarea turbinei.
4.3 OTEC cu ciclu hibrid
Sistemele hibride combină elemente ale configurațiilor cu ciclu deschis și cu ciclu închis.
Un aranjament posibil folosește evaporarea rapidă a apei de mare calde pentru a crea abur. Aburul transferă căldură către un fluid de lucru separat, care antrenează o turbină într-o buclă închisă.
În funcție de proiectare, aranjamentele hibride pot sprijini atât generarea de electricitate, cât și producția de apă dulce.
Cea mai bună configurație depinde de ieșirile necesare, condițiile locale de apă de mare, scara instalației și economia inginerească.
Departamentul de energie din SUA descriu toate cele trei tipuri principale de cicluri energetice.
<2> Componentele principale ale unei instalații OTECO instalație OTEC necesită mai multe sisteme mecanice, termice, hidraulice și electrice interconectate.
Aportul de apă caldă
Admisia de apă caldă colectează apa de mare din oceanul superior.
Adâncimea și locația acesteia ar trebui selectate folosind informațiile de calitate și hidrodinamică ale apei, folosindu-se măsurătorile locale de temperatură. condiții.
Teava de apă rece
O țeavă mare transportă apa rece de mare din straturile adânci ale oceanului la instalație.
Aceasta este una dintre cele mai importante și mai dificile părți ale unei instalații OTEC.
Teava trebuie să fie proiectată să reziste la:
Rata de transfer de căldură poate fi exprimată într-o formă simplificată ca:
Q = U × A × ΔTₘ
Unde:
Poate fi necesară o suprafață mare de transfer de căldură deoarece diferența de temperatură dintre fluxuri este limitată. să fie luate în considerare, în funcție de chimia apei de mare, de presiunea de proiectare și de cost. Biofoulingul marine poate reduce performanța transferului de căldură în timp. Prin urmare, trebuie inclusă de la început o strategie de întreținere. OTEC poate fi conectat cu o altă tehnologie utilă cunoscută sub numele de aer condiționat cu apă de mare (SWAC). SWAC folosește apa rece de mare adâncime ca resursă de răcire. În loc să se bazeze în întregime pe echipamente de răcire convenționale, un sistem de răcire a clădirii transferă căldură către un circuit de apă de mare rece prin schimbătoare de căldură. Procesul de bază este: SWAC nu generează energie electrică în același mod ca OTEC. Folosește resursa de apă rece direct pentru răcire. Pentru instalațiile de pe insulele tropicale, ar putea merita să fie evaluată ca opțiune separată sau integrată de servicii energetice. Fezabilitatea sa depinde de distanța până la apă adâncă, înălțime, costul de instalare a conductelor, cererea de răcire și cerințele de pompare. Da. Aranjamentele OTEC hibride cu ciclu deschis și selectate pot produce apă desalinizată. Într-un sistem cu ciclu deschis, apa de mare caldă este evaporată sub presiune redusă. Vaporii de apă rezultați conține mult mai puțină sare decât apa de mare inițială. Când vaporii sunt condensați, apa dulce este colectată. Acesta este un beneficiu potențial important pentru aplicațiile insulare în care alimentarea cu apă dulce poate fi o problemă de planificare. Cu toate acestea, producția de apă dulce trebuie evaluată împreună cu producția electrică. Rata de producție de apă a fabricii, cerințele energetice, calitatea apei și infrastructura de distribuție contează. OTEC nu trebuie descrisă ca o soluție automată pentru nevoile de apă ale unei insule. Ar necesita o evaluare completă a tratării apei și a alimentării. O locație tropicală poate face ca OTEC să merite investigat, dar proiectul trebuie să stabilească mai întâi dacă gradientul de temperatură necesar și accesul la apă adâncă sunt disponibile la o distanță practică. Aplicațiile potențiale pentru un program de cercetare includ: Un studiu adecvat ar putea investiga dacă o locație adecvată în apropierea unui gradient de temperatură în apropierea unui ocean ar putea investiga dacă există o locație adecvată în apropierea unui gradient de temperatură. ieșirea electrică ar justifica infrastructura. OTEC cu ciclu deschis ar putea fi examinată ca o potențială tehnologie combinată de electricitate și apă dulce. Răcirea cu apă de mare adâncime ar putea fi evaluată pentru instalații adecvate dacă instalațiile necesare pentru conducte de apă rece și sistem de distribuție sunt de cercetare economică.8. OTEC și aer condiționat cu apă de mare
9. Poate OTEC să producă și apă dulce?
10. Aplicații potențiale de cercetare OTEC în jurul insulei Saona
Evaluarea energiei regenerabile
Cercetarea producției de apă dulce
Răcirea cu apă de mare
Un concept combinat de energie și răcire ar putea fi evaluat pentru facilități științifice sau educaționale, sub rezerva condițiilor amplasamentului și a aprobărilor de mediu.
Sistemele de energie hibridă
OTEC ar putea fi studiate împreună cu generarea solară fotovoltaică și stocarea bateriilor.
Un aranjament hibrid ar putea ajuta la diversificarea aprovizionării cu energie, dar beneficiile sale tehnice și economice nu trebuie demonstrate cu aplicațiile de cercetare și resursele posibile. dovada unei instalații OTEC existente sau a unei resurse confirmate în jurul insulei Saona.
11. Este Caraibe potrivită pentru OTEC?
Regiunea Caraibe este discutată frecvent în evaluările resurselor OTEC, deoarece temperaturile oceanelor tropicale pot oferi o diferență substanțială între apele de suprafață și cele de adâncime.
O analiză regională a tehnologiei publicată de Banca Inter-Americană de Dezvoltare examinează cerințele operaționale OTEC și potențialul de resurse din Caraibe.
<20°C. condiția de screening și explică de ce accesul la apă rece și adâncă aproape de țărm este important pentru economia proiectului.Cu toate acestea, potențialul regional nu stabilește fezabilitatea locală.
Pentru un proiect pe Insula Saona, cercetătorii ar trebui să examineze:
Local explorer & expert guide in El Limón Waterfall.
