Перетворення теплової енергії океану на острові Саона (OTEC): перетворення різниці температур тропічного океану в електроенергію

Вступ

Океан зберігає величезну кількість теплової енергії. Сонячне світло нагріває її верхні шари, тоді як глибша вода залишається набагато холоднішою. У тропічних регіонах різницю температур між теплою поверхневою морською водою та холодною глибоководною морською водою можна використовувати для роботи спеціального типу теплового двигуна.

Ця технологія називається перетворенням теплової енергії океану (OTEC).

На відміну від систем хвильової енергії, які фіксують рух океанських хвиль, OTEC використовує температурний градієнт для виробництва електроенергії. Це особливо цікаво для тропічних островів, оскільки океан може бути відносно постійним джерелом теплої поверхневої води та холодної глибинної води.

Острів Саона в Домініканській Республіці пропонує цікаве місце для обговорення цієї технології. Однак реальний проект OTEC вимагав би детальних вимірювань температури, батиметричних досліджень, оцінки навколишнього середовища та техніко-економічних обґрунтувань. Лише тропічне розташування не доводить, що конкретне місце підходить.

У цій статті пояснюється наукова основа OTEC, його основні робочі цикли, необхідне обладнання, потенційні застосування та проблеми, які інженерам потрібно буде дослідити, перш ніж розглядати встановлення навколо острова Саона.

1. Що таке перетворення теплової енергії океану?

Перетворення теплової енергії океану – це технологія відновлюваної енергії, яка виробляє електроенергію за допомогою різниці температур між:

• теплою морською водою біля поверхні океану.
• холодною морською водою, отриманою з глибин океану шарів.

Тепла вода забезпечує тепло для термодинамічного циклу, тоді як холодна вода діє як тепловідвід.

Тепловий двигун працює між цими двома рівнями температури. Він перетворює частину теплової енергії на механічну роботу, яка приводить в дію електричний генератор.

Різниця температур приблизно в 20°C зазвичай використовується як попередній критерій перевірки ресурсів OTEC. Фактичні робочі вимоги залежать від конструкції системи, доступних температур, теплообмінників і втрат при перекачуванні.

Основний процес OTEC включає:

1. Збір теплої поверхневої морської води.
2. Збір холодної глибоководної морської води.
3. Передача тепла від теплої води в робочу рідину або виробництво пари низького тиску.
4. Приведення в дію турбіни чи іншого розширювального пристрою.
5. Керування електричним генератором.
6. Відведення тепла за допомогою холодної морської води.
7. Повернення робочої рідини до початкового стану.

Управління енергетичної інформації США пояснює принципи замкнутого та відкритого циклу та визначає електроенергію та опріснену воду як можливі OTEC.

2. Градієнт температури океану

Температура морської води зазвичай змінюється з глибиною.

У тропічних океанах сонячна радіація нагріває поверхню та верхню частину океану. Нижче поверхневого змішаного шару температури можуть швидко знижуватися через область, яка називається термокліном.

На великих глибинах температура води зазвичай набагато холодніша та змінюється повільніше з глибиною.

Для системи OTEC інженерам потрібно знати різницю температур між запропонованими місцями забору теплої та холодної води.

Це можна виразити як:

ΔT = Tₕ − T꜀

Де:

• ΔT = різниця температур.
• Tₕ = температура теплої води.
• T꜀ = температура холодної води.

Наприклад, якщо набір теплої води становить 27°C і температура холодної води на вході становить 5°C:

ΔT = 27 − 5 = 22°C

Цей приклад ілюструє потенційно корисну різницю температур. Це не вимірювання з острова Саона.

Температурний градієнт потрібно оцінювати за допомогою фактичних океанографічних даних. Сезонні коливання, глибина, течії та місцеві умови морського дна впливають на доступні ресурси.

3. Термодинамічний принцип, що лежить в основі OTEC

OTEC працює як тепловий двигун.

Тепловий двигун отримує енергію від теплішого джерела, перетворює частину цієї енергії на корисну роботу, а решту тепла віддає холоднішому поглиначу.

Теоретичний максимальний ККД ідеального оборотного теплового двигуна визначається ККД Карно:

η = 1 − (T꜀ / Tₕ)

Де:

• η = теоретична максимальна ефективність.
• Tₕ = абсолютна температура гарячого резервуара в Кельвінах.
• T꜀ = абсолютна температура холодного резервуара в Кельвіна.

Розглянемо ілюстративну систему з:

• Температура теплої води = 27°C = 300,15 К.
• Температура холодної води = 4°C = 277,15 K.

Тоді:

η = 1 − (277,15 / 300,15)

Теоретичний максимум становить приблизно 7,7%.

Це не фактичний електричний ККД заводу OTEC. Реальні системи відчувають втрати тепла, втрати в турбіні та генераторі, тертя та значні потреби в насосі.

Тому чистий ККД набагато нижчий за ідеальну межу Карно. Низька ефективність є однією з причин, чому OTEC вимагає великих теплообмінників і значного потоку морської води.

Це фундаментальне обмеження обговорюється в технічних рекомендаціях IEC та інженерних оглядах.

4. Основні типи систем OTEC

Технологія OTEC зазвичай поділяється на три конфігурації: системи замкнутого циклу, відкритого циклу та гібридного циклу.

4.1 OTEC замкнутого циклу

У системі замкнутого циклу використовується окрема робоча рідина, яка циркулює через герметичний термодинамічний контур.

Рідина з відносно низькою температурою кипіння, наприклад аміак, можна використовувати у відповідних конструкціях систем.

Робочий процес такий:

1. Тепла морська вода проходить через випарник.
2. Тепло передається від морської води до робочої рідини.
3. Робоча рідина випаровується.
4. Пара розширюється через турбіна.
5. Турбіна приводить в дію електричний генератор.
6. Холодна морська вода проходить через конденсатор.
7. Пара робочої рідини конденсується назад у рідину.
8. Насос повертає рідину до випарника.

Робоча рідина безперервно циркулює.

Основні переваги:

• Робочу рідину можна вибрати відповідно до діапазону робочих температур.
• Цикл можна спроектувати відповідно до встановлених принципів теплових двигунів.
• Він може бути придатним для систем, орієнтованих на електроенергію.

Основні проблеми:

• Потрібні два основні теплообмінники.
• Утримання робочої рідини має бути надійним.
• Теплообмінники можуть бути пошкоджені забрудненням і корозією.
• Накачування енергії зменшує чистий вихід електроенергії.

4.2 OTEC відкритого циклу

У системі відкритого циклу використовується морська вода сам як робоча рідина.

Тепла морська вода потрапляє в камеру низького тиску. Під достатньо низьким тиском частина води випаровується або перетворюється на пару за нижчої температури, ніж за атмосферного тиску.

Пара низького тиску проходить через турбіну, з’єднану з генератором.

Холодна глибока морська вода потім охолоджує пару в конденсаторі.

Оскільки пара відділяється від більшості первинної солі, конденсація може призвести до опріснення. вода.

Тому процес може забезпечити два потенційних виходу:

• Електроенергія.
• Прісна вода.

Однак системи відкритого циклу вимагають ретельного контролю вакууму та великого обладнання низького тиску. Дуже низький тиск пари також створює труднощі для проектування турбін.

4.3 OTEC з гібридним циклом

Гібридні системи поєднують елементи конфігурацій відкритого та закритого циклів.

Одна з можливих схем використовує швидке випаровування теплої морської води для створення пари. Ця пара передає тепло до окремої робочої рідини, яка приводить в рух турбіну в замкнутому циклі.

Залежно від конструкції гібридні схеми можуть підтримувати як виробництво електроенергії, так і виробництво прісної води.

Найкраща конфігурація залежить від необхідної потужності, місцевих умов морської води, масштабу підприємства та економіки проектування.

Міністерство енергетики США описує всі три основні цикли OTEC. типи.

5. Основні компоненти установки OTEC

Завод OTEC потребує кількох взаємопов’язаних механічних, теплових, гідравлічних та електричних систем.

Забір теплої води

Забір теплої води збирає морську воду з верхнього шару океану.

Його глибину та розташування слід вибирати, використовуючи вимірювання температури, інформацію про якість води та місцеву гідродинаміку. умови.

Труба для холодної води

Велика труба транспортує холодну морську воду з глибоких шарів океану до заводу.

Це одна з найважливіших і складних частин установки OTEC.

Труба має бути розроблена таким чином, щоб витримувати:

• Зовнішню воду тиск.
• Власна вага.
• Струмове та хвильове навантаження.
• Вібрація, спричинена вихровим рухом.
• Втома.
• Морський ріст.
• Навантаження під час встановлення та обслуговування.

Необхідна глибина впуску залежить від місцевого температурного профілю та проекту.

Випарник

У замкнутому циклі установка, випарник передає тепло від теплої морської води до робочої рідини.

Його продуктивність впливає на те, скільки теплової енергії надходить у цикл.

Турбіна або детандер

Пара, що розширюється, приводить в дію турбіну або інший відповідний розширювальний пристрій.

Механічний вихід передається генератору.

Конденсатор

Конденсатор відбирає тепло від робочої рідини або пара з використанням холодної морської води.

Він повертає пару в рідкий стан, щоб цикл міг продовжуватися.

Насоси

Насоси переміщують теплу морську воду, холодну морську воду та робочу рідину через відповідні контури.

Оскільки OTEC потребує великої швидкості потоку морської води, споживання енергії насосом може суттєво вплинути на чисте виробництво електроенергії.

Електрогенератор і потужність. система

Генератор перетворює механічне обертання в електрику.

Силова електроніка, захисне обладнання, трансформатори та кабелі потім використовуються для доставки електроенергії до відповідного навантаження або розподільної мережі.

6. Чому труба для холодної води є головним інженерним викликом

Труба для холодної води може простягатися на сотні метрів під поверхнею моря та може досягати значно більших глибин залежно від ресурсу та місця.

Його конструкція полягає не просто у виборі діаметра труби.

Інженери повинні дослідити:

Гідростатичний тиск: зовнішній тиск води зростає з глибиною. Труба має протистояти руйнуванню та зберігати структурну цілісність.

Динамічне навантаження: хвилі та течії можуть спричинити рух, вібрацію та циклічні навантаження.

Матеріал труби: матеріали мають бути придатними для впливу морської води, тривалого навантаження та необхідного методу монтажу.

Швартування та підтримка: Морські системи потребують відповідного розташування для підтримки розташування труби.

Встановлення: Для транспортування, опускання та з’єднання великої труби на глибокій воді може знадобитися спеціальне морське обладнання.

Перевірка та ремонт: Труба має бути доступною для моніторингу та обслуговування.

Збій у системі подачі холодної води може призвести до переривання роботи всієї установки. Тому надійність труби холодної води є центральною для здійсненності проекту OTEC.

7. Теплообмінники та теплові характеристики

Теплообмінники передають теплову енергію між морською водою та робочою рідиною.

В OTEC доступна різниця температур є відносно невеликою. Це робить ефективну теплопередачу особливо важливою.

Загальні інженерні міркування включають:

• площу поверхні теплопередачі.
• різницю температур в теплообміннику.
• швидкість потоку морської води.
• швидкість потоку робочої рідини.
• тиск падіння.
• Сумісність матеріалів.
• Стійкість до забруднення.
• Вимоги до очищення та обслуговування.

Швидкість теплопередачі можна виразити у спрощеній формі так:

Q = U × A × ΔTₘ

Де:

• Q = швидкість теплопередачі.
• U = загальний коефіцієнт теплопередачі.
• A = площа поверхні теплопередачі.
• ΔTₘ = відповідна середня різниця температур.

Може знадобитися велика площа теплопередачі, оскільки різниця температур між потоками обмежена.

Такі матеріали, як титан та інші можна розглянути корозійностійкі сплави залежно від хімічного складу морської води, проектного тиску та вартості.

Морське біообростання може з часом знизити ефективність теплопередачі. Тому стратегія обслуговування повинна бути включена з самого початку.

8. OTEC і кондиціонування повітря морською водою

OTEC можна підключити до іншої корисної технології, відомої як кондиціонування повітря морською водою (SWAC).

SWAC використовує холодну морську воду як охолоджувач.

Замість того, щоб повністю покладатися на звичайне холодильне обладнання, система охолодження будівлі передає тепло до контуру холодної морської води через теплообмінники.

Основний процес такий:

1. Холодна глибоководна вода транспортується до відповідного приміщення.
2. Теплообмінник передає тепло від Контур охолодження будівлі до морської води.
3. Контур охолоджуваної води в будівлі забезпечує обладнання для кондиціонування повітря.
4. Морська вода скидається або повертається через належним чином розроблену систему.

SWAC не виробляє електроенергію так само, як OTEC. Він використовує ресурс холодної води безпосередньо для охолодження.

Для об’єктів на тропічних островах його варто оцінити як окремий або інтегрований варіант енергообслуговування.

Це здійсненність залежить від відстані до глибокої води, висоти, вартості встановлення труб, потреби в охолодженні та вимог до насосів.

9. Чи може OTEC також видобувати прісну воду?

Так. Відкритий цикл і вибрані гібридні системи OTEC можуть виробляти опріснену воду.

У системі відкритого циклу тепла морська вода випаровується під зниженим тиском. Отримана водяна пара містить набагато менше солі, ніж вихідна морська вода.

Коли пара конденсується, збирається прісна вода.

Це є важливою потенційною перевагою для острівних застосувань, де постачання прісної води може бути проблемою планування.

Однак виробництво прісної води слід оцінювати разом із електроенергією. Швидкість виробництва води заводом, потреби в енергії, якість води та розподільна інфраструктура – ​​все це має значення.

OTEC не слід описувати як автоматичне рішення для потреб острова у воді. Для цього знадобиться повна оцінка водоочищення та водопостачання.

10. Потенційні дослідницькі програми OTEC навколо острова Саона

Тропічне розташування може зробити OTEC вартим дослідження, але проект має спочатку встановити, чи доступний необхідний температурний градієнт і глибоководний доступ на практичній відстані.

Потенційні застосування дослідницької програми включають:

Оцінка відновлюваної електроенергії

Дослідження може дослідити, чи існує відповідний температурний градієнт океану поблизу можливого місця водозабору та чи очікуваний чиста потужність електроенергії виправдовувала б інфраструктуру.

Дослідження виробництва прісної води

OTEC відкритого циклу можна розглядати як потенційну комбіновану технологію електроенергії та прісної води.

Охолодження морською водою

Глибоке охолодження морською водою можна оцінити для відповідних установок, якщо необхідний трубопровід холодної води та система розподілу є економічно доцільними.

Об’єкти морських досліджень

Концепцію комбінованої енергії та охолодження можна оцінити для наукових або освітніх установ відповідно до умов розташування та екологічних дозволів.

Гібридні енергетичні системи

OTEC можна вивчати разом із сонячною фотоелектричною генерацією та накопиченням акумуляторів.

Гібридна схема може допомогти диверсифікувати енергопостачання, але її технічні й економічні переваги мають бути продемонстровані за допомогою даних про попит і ресурси.

Це можливі дослідницькі застосування, а не докази. існуючого об’єкта OTEC або підтвердженого ресурсу навколо острова Саона.

11. Чи підходить Карибський басейн для OTEC?

Карибський регіон часто обговорюється в оцінках ресурсів OTEC, оскільки температури тропічного океану можуть забезпечувати суттєву різницю між поверхневими та глибокими водами.

Огляд регіональних технологій, опублікований Міжамериканським банком розвитку, вивчає операційні вимоги OTEC і потенціал ресурсів у Карибському басейні.

Огляд визначає приблизний Різниця температур у 20°C є важливою умовою перевірки та пояснює, чому доступ до глибокої холодної води поблизу берега є важливим для економіки проекту.

Однак регіональний потенціал не встановлює місцеву здійсненність.

Для проекту острова Саона дослідникам потрібно вивчити:

• температуру поверхні по всій території рік.
• Температурні профілі на різних глибинах.
• Відстань від берега до необхідної глибини забору холодної води.
• Нахил морського дна та батиметрія.
• Морська течія та умови хвиль.
• Маршрут трубопроводу та обмеження щодо монтажу.
• Попит на електроенергію та варіанти підключення.
• Екологія та охоронна територія вимоги.

Відстань до глибокої води може бути так само важливою, як різниця температур. Місце може мати корисний температурний градієнт, але все одно бути неекономічним, якщо труба холодної води має бути надзвичайно довгою або важкою для встановлення.

12. Вплив OTEC на навколишнє середовище

OTEC використовує морську воду, а не спалює викопне паливо під час процесу перетворення енергії. Незважаючи на це, великі установки можуть впливати на морське середовище.

Глибоководний скид

Холодна вода, що потрапляє на поверхню, може відрізнятися від поверхневої за температурою, концентрацією поживних речовин і розчинених газів.

Скидання на невідповідній глибині чи місці може змінити місцеві умови води.

Перерозподіл поживних речовин

Глибока морська вода може містити вищі концентрації певних поживних речовин, ніж поверхневі води.

Скидання може впливати на місцеву біологічну продуктивність. Ефект залежатиме від об’єму, хімічного складу, глибини та змішування викиду.

Морські організми

Забірні системи можуть захоплювати морські організми або стикатися з ними, якщо екранування та конструкція водозабору є невідповідними.

Порушення морського дна

Трубопроводи, якорі та морські фундаменти можуть порушувати морське дно під час будівництва та обслуговування.

Хімічні ризики та ризики робочої рідини

Системи замкнутого циклу вимагають надійного утримання їх робочих рідина. Необхідно запобігати витокам за допомогою відповідного обладнання, моніторингу та аварійних процедур.

Тепловий вплив і вплив на якість води

Спільне скидання теплих і холодних потоків має бути спроектовано та ретельно оцінено.

Моделювання навколишнього середовища та польовий моніторинг слід використовувати для оцінки потенційних впливів до схвалення проекту.

Звіт про екологічну оцінку PNNL Tethys підкреслює важливість розуміння глибоководних скидів, морських вплив і залучення спільноти.

13. Економічні проблеми OTEC

OTEC може забезпечити потенційно стабільний ресурс відновлюваної енергії у відповідних тропічних місцях, але ця технологія потребує значної інфраструктури.

Основні елементи витрат включають:

• Офшорні та берегові установки будівництво.
• Глибоководні водозабірні трубопроводи.
• Теплообмінники.
• Турбіни та генератори.
• Насоси та електричне обладнання.
• Морські монтажні судна.
• Системи швартування та фундаменту.
• Захист від корозії.
• Технічне обслуговування суден.
• Моніторинг навколишнього середовища.
• Передача електроенергії та розподіл води.

Низька термодинамічна ефективність означає, що великий об’єм морської води повинен бути переміщений для отримання корисної електроенергії.

Потужність насосів може споживати значну частину валового виробництва. Тому інженери повинні розраховувати чисту потужність, а не лише електроенергію, вироблену турбіною.

Проект також потребує реалістичної оцінки терміну служби обладнання, доступу до технічного обслуговування, вартості заміни та попиту на електроенергію.

Для острова Саона OTEC слід порівняти з сонячною енергією, накопичувачем акумуляторів, іншими варіантами відновлюваних джерел енергії та існуючими схемами електроенергії, перш ніж приймати рішення про інвестування.

14. Пропоноване техніко-економічне обґрунтування OTEC для острова Саона

Відповідальне дослідження може бути організовано у вісім етапів.

Етап 1 – Дослідження температури океану

Зберіть надійні профілі температури від поверхні до необхідного глибоководного діапазону. Перегляньте сезонні та довгострокові коливання.

Етап 2 – Батиметричне дослідження

Використовуйте авторитетні батиметричні дані та, за потреби, нові гідрографічні дослідження, щоб визначити, як швидко морське дно досягає належної глибини.

Етап 3 – Скринінг місця

Визначте можливі місця, враховуючи різницю температур, відстань до глибокої води, умови морського дна, чутливість навколишнього середовища та доступ.

Етап 4 – Концептуальний вибір системи

Порівняйте конфігурації замкнутого циклу, відкритого циклу та гібридного циклу відповідно до запланованих результатів.

Етап 5 – Інженерне проектування

Розробити попередні проекти для трубопроводи холодної води, теплообмінники, насоси, турбіни, фундаменти та електричні системи.

Етап 6 – Енергетичне та економічне моделювання

Оцінка валової та чистої продукції, допоміжного енергоспоживання, річної продуктивності та вартості життєвого циклу.

Етап 7 – Оцінка навколишнього середовища

Оцінка впливу забору та скидання, морське дно порушення, морські середовища проживання, хімічний склад води та можливі проблеми громади.

Етап 8 – пілотне або демонстраційне рішення

Тільки після того, як технічні, екологічні та економічні оцінки підтвердять здійсненність, слід розглядати демонстраційний проект.

Це запропонована структура дослідження. У ньому не стверджується, що вимірювання, встановлення або техніко-економічні обґрунтування OTEC вже завершені навколо острова Саона.

15. Майбутнє теплової енергії океану

Дослідження OTEC продовжують досліджувати вдосконалення в:

• продуктивності теплообмінника.
• матеріалах холодної води та надійності конструкції.
• виборі турбіни та робочої рідини.
• накачування. ефективність.
• Запобігання біологічному обростанню.
• Інтегроване виробництво прісної води.
• Охолодження морської води.
• Гібридні системи відновлюваної енергії.
• Моніторинг навколишнього середовища та проектування скидів.
• Модульні та менші масштаби застосування.

Дослідники також вивчають інтегроване використання глибоководної води поза електроенергією. покоління.

Довгостроковий успіх OTEC залежатиме від покращення вихідної чистої потужності, зниження витрат на встановлення та технічне обслуговування та демонстрації надійної роботи в реальних морських умовах.

Часті запитання

1. Що таке OTEC?

Перетворення теплової енергії океану – це технологія, яка генерує електроенергію за допомогою різниці температур між теплою поверхневою морською водою та холодною глибоководною.

2. Яка різниця температур потрібна для OTEC?

Приблизно 20°C зазвичай використовується як попередній еталон для перевірки ресурсу. Фактичні вимоги залежать від конструкції установки та її продуктивності.

3. Чи працює OTEC вночі?

Так. На відміну від сонячних фотоелектричних систем, OTEC не залежить безпосередньо від сонячного світла в момент виробництва електроенергії. Він використовує температурний градієнт океану, хоча фактична продуктивність залежить від зміни умов океану та роботи установки.

4. Які три основні цикли OTEC?

Три основні конфігурації: замкнутий цикл, відкритий цикл і гібридний цикл OTEC.

5. Чи може OTEC виробляти питну воду?

Відкритий цикл і деякі гібридні системи можуть виробляти опріснену воду. Якість, очищення та розподіл води все ще потребують вирішення.

6. Чому OTEC потрібна глибоководна труба?

Системі потрібна холодна морська вода з глибших шарів океану, щоб діяти як холодний резервуар у термодинамічному циклі.

7. Чи підходить OTEC для острова Саона?

Це потенційна тема дослідження, але придатність не можна підтвердити без профілів місцевої температури, батиметрії, оцінки траси трубопроводу, екологічних досліджень та економічного моделювання.

8. Яка різниця між OTEC та енергією хвиль?

Енергія хвиль фіксує механічну енергію від рухомих океанських хвиль. OTEC перетворює теплову енергію від різниці температур між теплою поверхневою водою та холодною глибокою водою.

9. Що таке SWAC?

Система кондиціонування повітря з морською водою використовує холодну глибоководну воду для підтримки охолодження будівлі через систему теплообміну. Це пов’язано з глибоководною інфраструктурою, але не те саме, що виробництво електроенергії за допомогою OTEC.

Висновок

Перетворення теплової енергії океану пропонує незвичайний спосіб генерувати відновлювану електроенергію, використовуючи природну різницю температур між тропічною поверхневою водою та холодною глибоководною водою.

Її конфігурації замкнутого циклу, відкритого циклу та гібридні конфігурації демонструють, як термодинаміка, теплопередача, морські структури та електротехніка може працювати разом. Деякі системи також можуть забезпечувати охолодження прісною або морською водою.

Для острова Саона OTEC є предметом ретельного технічного дослідження, а не підтвердженою можливістю розробки. Корисне техніко-економічне обґрунтування потребуватиме точних температурних профілів океану, детальної батиметрії, проекту трубопроводу холодної води, розрахунків корисної потужності та оцінки навколишнього середовища.

Основне інженерне завдання полягає в тому, щоб отримати достатньо корисної енергії з відносно невеликої різниці температур, зберігаючи при цьому великі вимоги до перекачування морської води та інфраструктури.

Градієнт температури океану може запропонувати можливість відновлюваної енергії для тропічних островів, але локальні вимірювання та повні інженерний аналіз має визначити, чи практична така можливість.