Новая энергетика

Градиент-температурная энергетика (системы ОТЕС)

Новая энергетика - Тепловая энергия океана

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 (максимум 15) 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 воды 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 рабочей 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. Труба сваривалась на берегу из 58 секций. Выбор полиэтилена связан с тем, что он как будто не подвержен обрастанию и, следовательно, коррозии (создание 700-метрового трубопровода было самым трудным долом). Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случае необходимости его 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 OTEС 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.

ОТЕС-1 — плавучая лаборатория: как и мини-ОТЕС, она не предназначена для коммерческой выработки электрической энергии, хотя ее мощность достигает 1 МВт, т. е. в 20 раз больше, чем у мини-ОТЕС. В качестве вторичного рабочего тела в ОТЕС-1 также применяется аммиак. Питательный насос забирает воду из поверхностного слоя океана с температурой 27 °С и прогоняет ее через нагреватель аммиака, состоящий из 6304 титановых трубок диаметром 2 см. Это — паровой котел установки. Аммиак распыляется в теплых трубках и вскипает. Пар аммиака идет в турбину и вращает ее, а оттуда, совершив работу, поступает в конденсатор — холодильник. Конденсатор также сделан из тонких трубок, охлаждаемых водой с температурой немного более 4 °С.. Там пары аммиака конденсируются и превращаются снова в жидкость, перекачиваемую обратно в испаритель. Общая длина трубок в двух теплообменниках (испарителе и конденсаторе) составляет 140 км.

Под установку ОТЕС-1 переоборудован танкер с турбоэлектрическим приводом. Электрическая силовая установка танкера позволяет с удобством использовать ее энергетические ресурсы во время проведения различных экспериментов или привода насосов и других целей. На этой установке предполагается проверить некоторые эксплуатационные характеристики ОТЕС, чтобы в дальнейшем их можно было использовать при создании опытного образца. Число вопросов, подлежащих изучению, достаточно велико. К ним относятся, например, следующие: Какого типа теплообменники будут оптимальными, и из какого материала их следует делать? Титан — дорог, нельзя ли его заменить на алюминий или что-нибудь другое? Как быстро будут развиваться морские организмы - обрастатели в теплообменниках и в других частях системы и как с ними бороться? Как повлияют на состояние окружающей морской среды мощные установки такого типа? Как лучше выполнить трубопровод для подъема холодной воды?

Последний вопрос становится традиционным для конструкторов всех установок ОТЕС. Для ОТЕС-1 он был решен в пользу применения трех параллельных полиэтиленовых труб диаметром 1 м каждая, длиной по 900 м. Трубы были доставлены на Гавайские острова секциями длиной по 27 м и сварены на берегу. Потом все три трубы были связаны вместе и уложены на тележки, установленные на специальном рельсовом пути, спускающемся прямо в океан. Суммарная масса трубопровода достигла 450 т, укладка его на тележки была выполнена с помощью лебедки. Для закрепления нижнего конца трубопровода вблизи дна потребовалось 50 т балласта. А для поддержания трубопровода в вертикальном положении его верхний конец окружен плавучим кольцом, имеющим буй, к которому прикреплен прочный конец; с его помощь трубопровод можно несколько перемещать. Такой СПОСОБ крепления верхнего конца трубы к днищу судна позволил очень быстро (за 2 часа) произвести постановку трубы в океане. Так же просто происходит и разъединение трубопровода холодной воды с судном, если возникает сильное волнение или по какой-либо другой причине.

Конструкторы установки ОТЕС-1 ввели между трубопроводом холодной воды и судном новую деталь, которая сделала всю систему более надежной. Речь идет о карданном подвесе трубы к судну. При наличии кардана судно может произвольно качаться на волнах при относительно малоподвижном длинном трубопроводе, если волны не слишком велики (не более 2 м). А если волнение увеличивается, судно отцепляется от трубы и уходит в укрытие. Защелка для быстрого разъединения судна с трубой была опробована еще в системе мини-ОТЕС.

Применением карданного подвеса трубы и защелки решился старый спор судна с трубой, начавшийся еще при Клоде. Надо сказать, что, видимо, труба все же «победит» судно, в том смысле, что новые станции ОТЕС на мощность в десятки и сотни мегаватт проектируются без судна. Это — одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии. Верхний конец трубопровода холодной воды расположится в океане на глубине 25—50 м. Машинный зал проектируется вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут установлены турбоагрегаты, работающие на парах аммиака, а также все остальное оборудование. Масса всего сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр, уходящая почти на километр в холодную глубину океана, а в ее верхней части что-то вроде маленького островка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов, необходимых для обслуживания системы и для связи с берегом. Это любопытный эпизод из новейшей истории развития техники преобразования тепла океана.