Преобразование тепловой энергии океана на острове Саона (OTEC): превращение разницы температур тропического океана в электричество

Введение

Океан хранит огромное количество тепловой энергии. Солнечный свет прогревает его верхние слои, тогда как более глубокие воды остаются гораздо холоднее. В тропических регионах разница температур между теплой поверхностной морской водой и холодной глубокой морской водой может использоваться для работы особого типа теплового двигателя.

Эта технология называется Преобразование тепловой энергии океана (OTEC).

В отличие от систем волновой энергии, которые улавливают движение океанских волн, OTEC использует температурный градиент для выработки электроэнергии. Это особенно интересно для тропических островов, поскольку океан может служить относительно постоянным источником теплой поверхностной воды и холодной глубоководной воды.

Остров Саона в Доминиканской Республике предлагает интересную площадку для обсуждения этой технологии. Однако реальный проект OTEC потребует детальных измерений температуры, батиметрических исследований, экологической оценки и технико-экономического обоснования. Тропическое расположение само по себе не доказывает, что конкретное место подходит.

В этой статье объясняются научные данные, лежащие в основе OTEC, его основные рабочие циклы, необходимое оборудование, потенциальные области применения и проблемы, которые инженерам необходимо будет изучить, прежде чем рассматривать возможность установки вокруг острова Саона.

1. Что такое преобразование тепловой энергии океана?

Преобразование тепловой энергии океана — это технология возобновляемой энергии, которая производит электроэнергию за счет разницы температур между:

• теплой морской водой у поверхности океана.
• холодной морской водой, извлекаемой из более глубоких слоев океана.

Теплая вода обеспечивает тепло для термодинамического цикла, в то время как холодная вода действует как радиатор.

Тепловая машина работает между этими двумя уровнями температуры. Он преобразует часть тепловой энергии в механическую работу, которая приводит в действие электрический генератор.

Разница температур около 20 °C обычно используется в качестве предварительного критерия проверки ресурсов OTEC. Фактические эксплуатационные требования зависят от конструкции системы, доступных температур, теплообменников и насосных потерь.

Базовый процесс OTEC включает в себя:

1. Сбор теплой поверхностной морской воды.
2. Сбор холодной глубокой морской воды.
3. Перенос тепла из теплой воды в рабочую жидкость или производство низкого давления. пар.
4. Привод турбины или другого расширительного устройства.
5. Работа электрического генератора.
6. Отвод тепла с помощью холодной морской воды.
7. Возврат рабочего тела в исходное состояние.

Управление энергетической информации США объясняет принципы замкнутого и открытого цикла и определяет электроэнергию и опресненную воду как возможные результаты OTEC.

2. Градиент температуры океана

Температура морской воды обычно меняется с глубиной.

В тропических океанах солнечная радиация нагревает поверхность и верхние слои океана. Ниже поверхностного смешанного слоя температура может быстро снижаться в области, называемой термоклином.

На больших глубинах температура воды обычно намного холоднее и меняется с глубиной медленнее.

Для системы OTEC инженерам необходимо знать разницу температур между предполагаемыми местами водозабора теплой и холодной воды.

Это можно выразить как:

ΔT = Tₕ – T꜀

Где:

• ΔT = разница температур.
• Tₕ = температура теплой воды.
• T꜀ = температура холодной воды.

Например, если забор теплой воды составляет 27°C, а забор холодной воды - 5°C:

ΔT = 27 − 5 = 22°C

Этот пример иллюстрирует потенциально полезную разницу температур. Это не измерения с острова Саона.

Температурный градиент необходимо оценивать с использованием реальных океанографических данных. Сезонные колебания, глубина, течения и местные условия морского дна влияют на доступные ресурсы.

3. Термодинамический принцип, лежащий в основе OTEC

OTEC работает как тепловой двигатель.

Тепловая машина получает энергию от более теплого источника, преобразует часть этой энергии в полезную работу и передает оставшееся тепло более холодному поглотителю.

Теоретический максимальный КПД идеальной обратимой тепловой машины определяется КПД Карно:

η = 1 − (T꜀ / Tₕ)

Где:

• η = теоретический максимальный КПД.
• Tₕ = абсолютная температура горячего резервуара в Кельвинах.
• T꜀ = абсолютная температура холодного резервуара в Кельвинах.

Рассмотрим иллюстративную систему с:

• Температура теплой воды = 27°C = 300,15 К.
• Температура холодной воды = 4°C = 277,15 К.

Тогда:

η = 1 − (277,15 / 300.15)

Теоретический максимум составляет примерно 7,7%.

Это не реальный электрический КПД установки OTEC. В реальных системах возникают потери при теплопередаче, потери в турбинах и генераторах, трение и значительные требования к перекачке.

Поэтому чистый КПД намного ниже идеального предела Карно. Низкая эффективность является одной из причин, по которой OTEC требует больших теплообменников и значительного расхода морской воды.

Это фундаментальное ограничение обсуждается в технических руководствах IEC и инженерных обзорах.

4. Основные типы систем OTEC

Технология OTEC обычно делится на три конфигурации: системы с замкнутым циклом, с открытым циклом и с гибридным циклом.

4.1 OTEC с замкнутым циклом

В системе с замкнутым циклом используется отдельная рабочая жидкость, которая циркулирует через герметичный термодинамический контур.

В подходящих конструкциях систем может использоваться жидкость с относительно низкой температурой кипения, например аммиак.

Эксплуатация Процесс следующий:

1. Теплая морская вода проходит через испаритель.
2. Тепло передается от морской воды к рабочей жидкости.
3. Рабочая жидкость испаряется.
4. Пар расширяется через турбину.
5. Турбина приводит в действие электрический генератор.
6. Холодная глубоководная морская вода проходит через конденсатор.
7. Пары рабочего тела конденсируются обратно в жидкость.
8. Насос возвращает жидкость в испаритель.

Рабочее тело циркулирует непрерывно.

Основные преимущества:

• Рабочее тело можно подобрать по рабочей температуре Диапазон.
• Цикл может быть разработан на основе установленных принципов теплового двигателя.
• Он может подходить для систем, ориентированных на электричество.

Основные проблемы:

• Требуются два основных теплообменника.
• Удержание рабочей жидкости должно быть обеспечено надежность.
• Теплообменники могут подвергаться загрязнению и коррозии.
• Энергия накачки снижает полезную выработку электроэнергии.

4.2 OTEC открытого цикла

В системе открытого цикла в качестве рабочей жидкости используется сама морская вода.

Теплая морская вода поступает в камеру низкого давления. При достаточно низком давлении некоторая часть воды испаряется или превращается в пар при более низкой температуре, чем при атмосферном давлении.

Пар низкого давления проходит через турбину, соединенную с генератором.

Холодная глубоководная морская вода затем охлаждает пар в конденсаторе.

Поскольку пар отделяется от большей части исходной соли, в результате конденсации может производиться опресненная вода.

Таким образом, этот процесс может обеспечить два потенциала. выходные данные:

• Электричество.
• Пресная вода.

Однако системы с открытым циклом требуют тщательного контроля вакуума и большого оборудования низкого давления. Очень низкое давление пара также создает проблемы при проектировании турбин.

4.3 Гибридный цикл OTEC

Гибридные системы сочетают в себе элементы конфигураций с открытым и закрытым циклом.

В одном из возможных вариантов используется мгновенное испарение теплой морской воды для создания пара. Этот пар передает тепло отдельной рабочей жидкости, которая приводит в движение турбину по замкнутому контуру.

В зависимости от конструкции гибридные схемы могут поддерживать как выработку электроэнергии, так и производство пресной воды.

Наилучшая конфигурация зависит от требуемой мощности, местных условий морской воды, масштаба предприятия и инженерной экономики.

Министерство энергетики США описывает все три основных типа цикла OTEC.

5. Основные компоненты установки OTEC

Для установки OTEC требуется несколько взаимосвязанных механических, тепловых, гидравлических и электрических систем.

Забор теплой воды

Забор теплой воды собирает морскую воду из верхних слоев океана.

Его глубину и расположение следует выбирать с учетом измерений температуры, информации о качестве воды и местных гидродинамических условий.

Трубопровод холодной воды

Большая труба транспортирует холодную морскую воду от глубоких слоев океана до растений.

Это одна из самых важных и сложных частей установки OTEC.

Труба должна быть спроектирована так, чтобы выдерживать:

• Внешнее давление воды.
• Собственный вес.
• Текущую и волновую нагрузку.
• Вихревые нагрузки.
• Вихревое давление вибрация.
• Усталость.
• Морской рост.
• Напряжения при установке и обслуживании.

Требуемая глубина водозабора зависит от местного температурного профиля и конструкции проекта.

Испаритель

На установке замкнутого цикла испаритель передает тепло от теплой морской воды к рабочей жидкости.

Его производительность влияет на то, сколько тепловой энергии поступает в систему Цикл.

Турбина или детандер

Расширяющийся пар приводит в движение турбину или другое подходящее расширительное устройство.

Механическая мощность передается на генератор.

Конденсатор

Конденсатор удаляет тепло из рабочей жидкости или пара с использованием холодной морской воды.

Он возвращает пар в жидкое состояние, чтобы цикл мог продолжить.

Насосы

Насосы перекачивают теплую морскую воду, холодную морскую воду и рабочую жидкость через соответствующие контуры.

Поскольку OTEC требует больших расходов морской воды, энергопотребление насосов может существенно повлиять на чистое производство электроэнергии.

Электрический генератор и энергосистема

Генератор преобразует механическое вращение в электричество.

Силовая электроника, защитное оборудование, трансформаторы и кабели затем используются для подачи электроэнергии в подходящая сеть нагрузки или распределения.

6. Почему труба холодной воды является серьезной инженерной проблемой

Труба холодной воды может простираться на сотни метров ниже поверхности моря и достигать гораздо большей глубины в зависимости от ресурса и места.

Его конструкция — это не просто вопрос выбора диаметра трубы.

Инженеры должны исследовать:

Гидростатическое давление: Внешнее давление воды увеличивается с глубиной. Труба должна противостоять разрушению и сохранять структурную целостность.

Динамическая нагрузка: Волны и течения могут вызвать движение, вибрацию и циклические напряжения.

Материал трубы: Материалы должны быть пригодны для воздействия морской воды, длительной нагрузки и требуемого метода установки.

Швартовка и опора: Морские системы нуждаются в соответствующем устройстве для поддержания трубы положение.

Монтаж: Для перемещения, опускания и подсоединения большой трубы на глубокой воде может потребоваться специальное морское оборудование.

Проверка и ремонт: Труба должна быть доступна для наблюдения и обслуживания.

Отказ в системе подачи холодной воды может привести к нарушению работы всей установки. Поэтому надежность труб холодной воды имеет решающее значение для осуществимости проекта OTEC.

7. Теплообменники и тепловые характеристики

Теплообменники передают тепловую энергию между морской водой и рабочей жидкостью.

В OTEC доступная разница температур относительно невелика. Это делает эффективный теплообмен особенно важным.

Общие инженерные соображения включают:

• Площадь поверхности теплопередачи.
• Разницу температур в теплообменнике.
• Скорость потока морской воды.
• Скорость потока рабочей жидкости.
• Давление падение.
• Совместимость материалов.
• Стойкость к загрязнению.
• Требования к очистке и техническому обслуживанию.

Скорость теплопередачи можно выразить в упрощенной форме как:

Q = U × A × ΔTₘ

Где:

• Q = скорость теплопередачи.
• U = общий коэффициент теплопередачи.
• A = площадь поверхности теплопередачи.
• ΔTₘ = подходящая средняя разница температур.

Может потребоваться большая площадь теплопередачи, поскольку разница температур между потоками ограничена.

В зависимости от морской воды можно использовать такие материалы, как титан и другие коррозионностойкие сплавы химический состав, расчетное давление и стоимость.

Морское биообрастание может со временем снизить эффективность теплопередачи. Поэтому стратегия обслуживания должна быть включена с самого начала.

8. OTEC и кондиционирование воздуха с морской водой

OTEC можно соединить с другой полезной технологией, известной как кондиционирование воздуха с морской водой (SWAC).

SWAC использует холодную глубоководную морскую воду в качестве охлаждающего ресурса.

Вместо того, чтобы полностью полагаться на обычное холодильное оборудование, система охлаждения здания передает тепло в контур холодной морской воды через теплообменники.

Основной процесс:

1. Холодная глубоководная морская вода транспортируется к подходящему объекту.
2. Теплообменник передает тепло от контура охлаждения здания к морская вода.
3. Контур охлажденной воды в здании питает оборудование для кондиционирования воздуха.
4. Морская вода сбрасывается или возвращается через соответствующим образом спроектированную систему.

SWAC не производит электроэнергию так же, как OTEC. Он использует ресурсы холодной воды непосредственно для охлаждения.

Для объектов на тропических островах, возможно, стоит рассмотреть его как отдельный или интегрированный вариант энергоснабжения.

Его осуществимость зависит от расстояния до глубокой воды, высоты над уровнем моря, стоимости установки труб, потребности в охлаждении и требований к перекачке.

9. Может ли OTEC производить пресную воду?

Да. Открытый цикл и некоторые гибридные установки OTEC могут производить опресненную воду.

В системе открытого цикла теплая морская вода испаряется при пониженном давлении. Образующийся водяной пар содержит гораздо меньше соли, чем исходная морская вода.

Когда пар конденсируется, собирается пресная вода.

Это важное потенциальное преимущество для островных применений, где обеспечение пресной водой может быть проблемой планирования.

Однако производство пресной воды должно оцениваться наряду с выработкой электроэнергии. Скорость производства воды на заводе, потребности в энергии, качество воды и инфраструктура распределения — все имеет значение.

OTEC не следует рассматривать как автоматическое решение потребностей острова в воде. Это потребует полной оценки водоочистки и водоснабжения.

10. Потенциальное применение исследований OTEC вокруг острова Саона

Тропическое местоположение может сделать исследование OTEC достойным внимания, но проект должен сначала установить, доступен ли требуемый температурный градиент и доступ к глубокой воде на практическом расстоянии.

Потенциальные приложения для исследовательской программы включают в себя:

Оценка возобновляемой электроэнергии

Исследование может выяснить, существует ли подходящий градиент температуры океана вблизи возможного места водозабора и оправдает ли ожидаемая чистая выработка электроэнергии инфраструктура.

Исследование производства пресной воды

OTEC открытого цикла можно рассматривать как потенциальную комбинированную технологию, использующую электричество и пресную воду.

Охлаждение морской водой

Охлаждение глубокой морской воды может быть оценено для подходящих объектов, если требуемый трубопровод и система распределения холодной воды экономически целесообразны.

Морские исследовательские объекты

Концепция комбинированной выработки энергии и охлаждения может быть оценена для научных или образовательных учреждений при условии соблюдения условий на месте и получения экологических разрешений.

Гибридные энергетические системы

OTEC можно изучать наряду с солнечной фотоэлектрической генерацией и аккумуляторными батареями.

Гибридная схема может помочь диверсифицировать энергоснабжение, но ее технические и экономические преимущества должны быть продемонстрированы с помощью данных о спросе и ресурсах.

Это возможные исследовательские применения, а не свидетельства существования существующего объекта OTEC или подтвержденного ресурса. вокруг острова Саона.

11. Подходит ли Карибский бассейн для OTEC?

Карибский регион часто обсуждается в оценках ресурсов OTEC, поскольку температура тропического океана может обеспечивать существенную разницу между поверхностными и глубокими водами.

В региональном технологическом обзоре, опубликованном Межамериканским банком развития, изучаются операционные потребности OTEC и потенциал ресурсов в Карибском бассейне.

В обзоре определяется разница температур около 20 °C как важное условие отбора и объясняется, почему доступ к глубокой холодной воде вблизи берега важен для проекта экономика.

Однако региональный потенциал не определяет местную осуществимость.

Для проекта на острове Саона исследователям необходимо будет изучить:

• Температуру поверхности в течение года.
• Профили температуры на разных глубинах.
• Расстояние от берега до необходимого водозабора холодной воды глубина.
• Уклон морского дна и батиметрия.
• Условия морских течений и волн.
• Трасса трубопровода и ограничения при прокладке.
• Потребность в электроэнергии и варианты подключения.
• Требования к окружающей среде и охраняемым территориям.

Расстояние до глубокой воды может быть столь же важным, как и разница температур. Место может иметь полезный температурный градиент, но все же быть нерентабельным, если труба холодной воды должна быть очень длинной или ее сложно установить.

12. Воздействие OTEC на окружающую среду

OTEC использует морскую воду, а не сжигает ископаемое топливо в процессе преобразования энергии. Тем не менее, крупные установки могут влиять на морскую среду.

Глубоководный сброс

Холодная вода, доставленная на поверхность, может отличаться от поверхностной воды по температуре, концентрации питательных веществ и растворенным газам.

Сброс на неподходящей глубине или в неподходящем месте может изменить местные водные условия.

Перераспределение питательных веществ

Глубоководная морская вода может содержать более высокие концентрации определенных питательных веществ, чем поверхностные воды.

Сброс может влиять местная биологическая продуктивность. Эффект будет зависеть от объема, химического состава, глубины и смешивания сбросов.

Морские организмы

Системы водозабора могут захватывать или поражать морские организмы, если фильтрация и конструкция водозабора неадекватны.

Нарушение морского дна

Трубопроводы, якоря и морские фундаменты могут нарушить морское дно во время строительства и технического обслуживания.

Химические риски и риски, связанные с рабочей жидкостью

Системы замкнутого цикла требуют надежного сдерживания рабочей жидкости. Утечки необходимо предотвращать с помощью подходящего оборудования, мониторинга и аварийных мер.

Термические воздействия и воздействие на качество воды

Совместный сброс теплых и холодных потоков должен быть тщательно спроектирован и оценен.

Экологическое моделирование и полевой мониторинг должны использоваться для оценки потенциальных воздействий до утверждения проекта.

В отчете об экологической оценке PNNL Tethys подчеркивается важность понимания глубоководных сбросов, морских воздействий и сообщества. взаимодействие.

13. Экономические проблемы OTEC

OTEC может обеспечить потенциально стабильный источник возобновляемой энергии в подходящих тропических местах, но эта технология требует существенных требований к инфраструктуре.

Основные элементы затрат включают:

• Строительство морских и наземных электростанций.
• Глубоководные водозаборные трубопроводы.
• Тепло теплообменники.
• Турбины и генераторы.
• Насосы и электрооборудование.
• Морские монтажные суда.
• Швартовые и фундаментные системы.
• Защита от коррозии.
• Морское обслуживание.
• Экологический мониторинг.
• Передача энергии и распределение воды.

Низкий термодинамический КПД означает, что большой объем морской воды должен быть перемещен в генерировать полезную электроэнергию.

Насосная мощность может потреблять значительную часть валового производства. Поэтому инженеры должны рассчитывать полезную мощность, а не только электроэнергию, вырабатываемую турбиной.

Проект также нуждается в реалистичной оценке срока службы оборудования, доступа к техническому обслуживанию, затрат на замену и спроса на электроэнергию.

Для острова Саона OTEC следует сравнить с солнечной энергией, аккумуляторными батареями, другими вариантами возобновляемых источников энергии и существующими схемами электроснабжения, прежде чем принимать какое-либо инвестиционное решение.

14. Предлагаемое технико-экономическое обоснование OTEC для острова Саона

Ответственное исследование можно разделить на восемь этапов.

Этап 1 – Исследование температуры океана

Собрать надежные профили температуры от поверхности до требуемого глубоководного диапазона. Изучите сезонные и долгосрочные изменения.

Этап 2 – Батиметрическое исследование

Используйте авторитетные батиметрические данные и, при необходимости, новые гидрографические исследования, чтобы определить, насколько быстро морское дно достигает подходящей глубины.

Этап 3 – Проверка участка

Определить возможные места с учетом разницы температур, расстояния до глубокой воды, состояния морского дна, чувствительности окружающей среды и доступа.

Этап 4 – Выбор концептуальной системы

Сравнить конфигурации с замкнутым, открытым и гибридным циклом в соответствии с предполагаемыми результатами.

Этап 5 – Инженерное проектирование

Разработать предварительные проекты трубопроводов холодной воды, теплообменников, насосов, турбин, фундаменты и электрические системы.

Этап 6 – Энергетическое и экономическое моделирование

Оценить валовую и чистую производительность, потребление вспомогательной энергии, годовые эксплуатационные показатели и стоимость жизненного цикла.

Этап 7 – Экологическая оценка

Оценить воздействие водозабора и сброса, нарушение морского дна, морскую среду обитания, химический состав воды и возможные проблемы сообщества.

Этап 8 – Пилотный проект или демонстрация Решение

Только после того, как технические, экологические и экономические оценки подтвердят осуществимость, следует рассматривать демонстрационный проект.

Это предлагаемая основа исследования. В нем не утверждается, что измерения, установки или технико-экономические обоснования OTEC уже завершены вокруг острова Саона.

15. Будущее тепловой энергии океана

Исследования OTEC продолжают изучать улучшения в:

• производительности теплообменника.
• материалах труб холодной воды и конструктивной надежности.
• выборе турбины и рабочей жидкости.
• эффективности насосов.
• биообрастании. предотвращение.
• Комплексное производство пресной воды.
• Охлаждение морской воды.
• Гибридные системы возобновляемой энергии.
• Экологический мониторинг и проектирование сбросов.
• Модульные и мелкомасштабные приложения.

Исследователи также изучают комплексное использование глубоководной морской воды помимо производства электроэнергии.

Долгосрочный успех OTEC будет зависеть от улучшения полезной выходной мощности, сокращения количества установок и затраты на техническое обслуживание и демонстрация надежной работы в реальных морских условиях.

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое OTEC?

Преобразование тепловой энергии океана — это технология, которая вырабатывает электроэнергию, используя разницу температур между теплой поверхностной морской водой и холодной глубоководной морской водой.

2. Какая разница температур необходима для OTEC?

Приблизительно 20°C обычно используется в качестве предварительного ориентира при проверке ресурсов. Фактические требования зависят от конструкции установки и ее полезной производительности.

3. Работает ли OTEC ночью?

Да. В отличие от солнечных фотоэлектрических систем, OTEC не зависит напрямую от солнечного света в момент выработки электроэнергии. Он использует температурный градиент океана, хотя фактическая производительность зависит от изменения условий океана и работы станции.

4. Каковы три основных цикла OTEC?

Три основные конфигурации: OTEC с закрытым циклом, с открытым циклом и с гибридным циклом.

5. Может ли OTEC производить питьевую воду?

Открытый цикл и некоторые гибридные системы могут производить опресненную воду. Качество воды, ее очистка и распределение по-прежнему требуют решения.

6. Почему OTEC требует глубоководной трубы?

Системе нужна холодная морская вода из более глубоких слоев океана, чтобы она выступала в качестве холодного резервуара в термодинамическом цикле.

7. Подходит ли OTEC для острова Саона?

Это потенциальная тема исследования, но ее пригодность не может быть подтверждена без местных температурных профилей, батиметрии, оценки маршрута трубопровода, экологических исследований и экономического моделирования.

8. В чем разница между OTEC и волновой энергией?

Волновая энергия улавливает механическую энергию движущихся океанских волн. OTEC преобразует тепловую энергию из разницы температур между теплой поверхностной водой и холодной глубинной водой.

9. Что такое SWAC?

Кондиционирование воздуха с морской водой использует холодную глубоководную морскую воду для охлаждения здания через систему теплообмена. Это связано с глубоководной инфраструктурой, но не то же самое, что производство электроэнергии с помощью OTEC.

Заключение

Преобразование тепловой энергии океана предлагает необычный способ производства возобновляемой электроэнергии за счет использования естественной разницы температур между тропической поверхностной водой и холодной глубоководной морской водой.

Его конфигурации с закрытым циклом, открытым циклом и гибридные конфигурации демонстрируют, как термодинамика, теплопередача, морские конструкции и электротехника могут работать вместе. Некоторые системы также могут обеспечивать пресную воду или поддерживать охлаждение на основе морской воды.

Для острова Саона OTEC является предметом тщательного технического исследования, а не подтвержденной возможностью разработки. Для полезного технико-экономического обоснования потребуются точные профили температуры океана, подробная батиметрия, проектирование трубопровода холодной воды, расчеты полезной мощности и экологическая оценка.

Главная инженерная задача – получить достаточно полезной энергии при относительно небольшой разнице температур, сохраняя при этом управляемость крупных перекачиваний морской воды и требований к инфраструктуре.

Температурный градиент океана может предложить возможность использования возобновляемых источников энергии для тропических островов, но местные измерения и полный инженерный анализ должны определить, практична ли эта возможность.