Альтернативные источники энергии

Более трети поверхности Мирового океана (130 млн. км'") имеет дно, грунт которою пригоден для выращивания быстрорастущих водорослей, из которых можно легко получить горючие газы метан и этан, широко исполь-зуемые для самых разных целей. В настоящее время обра-щено внимание на выращивание бурой водоросли -- весьма урожайной культуры (от 600 до 1000 т с гектара в сыром весе). Бурая водоросль не имеет корней, поэтому для нее не очень важен состав грунта. Растет она в толще морской воды, но вода должна быть достаточно богата питатель-ными солями и должно быть много солнца.

Имеются в Мировом океане и другие источники энер-гии. Например, обсуждался вопрос об использовании сероводорода -- горючего газа с неплохой калорийностью. Сероводородом очень богато Черное море, и к тому же его количество там непрерывно возрастает. Есть сероводород и в других районах Мирового океана -- общие запасы его очень велики (недостаток этого вида топлива -- непри-ятный запах, но, возможно, будет найден способ его устранения).

Весьма перспективный вид энергии Мирового океана -- это энергия волн. В океане много видов воли. Однако с точки зрения выработки электрической энергии заслу-живают внимания лишь три их типа: приливные волны, ветровые волны и зыбь. Ветровые волны обладают боль-шой разрушительной силой, т. е. несут значительную энер-гию. Несколько миллионов штормов ежегодно случается в Мировом океане. По подсчетам академика Н. В. Мель-никова, 1 км² водной поверхности с волнами высотой около 5 м обладает мощностью около 3 млн. кВт. А штор-мовая погода может охватить площадь в несколько тысяч квадратных километров. Соответственно волновая мощ-ность Мирового океана оценивается цифрой около 3 млрд. кВт! Запасы энергии ветровых волн и зыби огромны, но степень разработанности проблемы ее использования пока недостаточна, лишь в последнее десятилетие были сде-ланы некоторые шаги в деле практического использования энергии ветровых волн и зыби -- для выработки электри-ческой энергии Значительно раньше началось использование энер-гии приливных волн, отличающихся четкой регуляр-ностью: два раза в сутки в определенное время появля-ются приливные волны заранее известной высоты. Эти свойства -- строгая периодичность и определенная вы-сота -- позволили людям очень рано научиться использо вать их энергию: уже в XI в. строили мельницы, работа-ющие за счет энергии прилива (например, во Франции в г. Шербуре до сих пор действует старая мельница, ис-пользующая энергию приливных волн). В наши дни при-ливные электростанции -- самые мощные среди других волновых электростанций, но их можно построить не на любом участке побережья (и, как правило, не там, где особенно нужна энергия). У нас в стране, например, при-рода распорядилась так, что самые мощные приливы име-ются вдали от индустриальных центров или районов с большим потреблением энергии. В Советском Союзе самые мощные приливы -- у берегов Камчатки, где общая энергия приливных волн равна примерно 10¹⁹ Дж в год.

Ветровые волны и зыбь хороши тем, что для использо-вания их энергии не надо искать особых мест с благо-приятными географическими условиями, как для при-ливных волн. Они бывают на любой акватории -- был бы ветер да пространство для разгона. Чтобы утилизировать энергию ветровых волн (и зыби), не надо строить больших и дорогих плотин, что также очень важное преимущество. Именно поэтому в разных странах ведутся исследования по выбору наилучших способов преобразования энергии ветровых волн и зыби. Созданы волноэнергетические уста-новки разных мощностей, использующие различные фи-зические принципы для преобразования энергии волн.

Почти полвека назад академик В. В. Шулейкин от-метил три основных направления, по которым шла кон-структорская мысль в решепии проблемы использования энергии поверхностных волн . На одно из первых мест он ставил использование энергии качки: движение по-плавка передается поршням насосов. Если учесть, что поплавок может иметь массу в сотни тонн, а размах коле-бательного движения принять порядка нескольких мет-ров, то, очевидно, таким путем может быть получена весьма значительная мощность. Современные английские проекты использования волновой энергии («утка» Солтера и «плот» Коккереля) основываются именно на этом прин-ципе. Второй способ -- использование ударного давле-ния: волны ударяют в подвижную деталь волновой ма-шины и отдают ей свою кинетическую энергию. Этот принцип с успехом применялся в конце прошлого столе-тия в установках, использовавших энергию волн для на-качки воды. Не потерял он своего значения и в наши дни (правда, для маломощных установок). Третий путь -- использование гидравлического тарана. По этому спо-собу была построена экспериментальная установка на станции Морского гидрофизического института АН СССР в Крыму. Ныне эта идея в большем масштабе реализу-ется на острове Маврикий и в других местах.

Различные виды энергии океана американский спе-циалист Д. Д. Айзеке предложил условно оценивать одной мерой -- в метрах водяного столба ². Эта величина на-зывается им плотностью потока, она характеризует сте-пень концентрации данного вида энергии. С помощью этого понятия удобно сравнивать между собой различные виды энергии в океане. Например, для теплового гради-ента (т. е. разности температур между теплым и холодным слоями) 20 °С плотность потока составляет 570 м водя-ного столба, ее напор -- как в грандиозном водохрани-лище, подпертом плотиной высотой более полукилометра. А для градиента 12 °С плотность потока равна 210 м. Обе цифры (210 и 570 м) рассчитаны с учетом КПД тепло-вой машины, работающей по циклу Карно. Такую плот-ность потока в океане имеет еще только энергия градиента солености (осмоса) -- 240 м. Другие виды энергии океана имеют значительно меньшие значения плотности потока. Так, для ветровых волн она составляет 1,5 м, а для океан-ских течений --лишь 0,05 м. Но, как сказал Д. Д. Ай-зеке, еще остаются неоткрытыми совершенно новые прин-ципы, простые и сложные, обнаружив которые, можно использовать ресурсы океана, связанные с энергией, для блага человечества.

§2.2ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА

ИДЕЯ Д'АРСОНВАЛЯ И РАБОТЫ КЛОДА

В 20-е годы нашего века многие журналы мира обошел странный рисунок (рис. 27): из-под киля судна в глубину уходила труба больше самого судна. Столь необычная труба понадобилась французскому ученому Жоржу Клоду . для подъема из глубин океана холодной воды. Клод в те годы начал экспериментальные работы по использованию тепла океана для получения электрической энергии. \ Но чтобы извлечь энергию из теплой воды, одновременно необходима и холодная. Теплой воды сколько угодно на поверхности океана в тропиках, а холодная вода (4--5 °С) есть только на больших глубинах океана -- около 1 км. Для ее получения оттуда и понадобилась длинная труба, которая оказалась самой уязвимой частью энерге-тической установки и отломилась во время шторма, а судно потерпело аварию.

Это была уже не первая попытка Клода использовать тепло океана для выработки электрической энергии'. Перед опытом: с трубой на судне он испытывал энергети-ческую установку на берегу океана (Атлантического). Но чтобы с берега достать холодную воду, потребовалась труба длиной около 1,8 км (по другим данным, 2,5 км). Потери напора в длинной трубе были так велики, что на них шла значительная часть мощности, которую могла выработать установка. Слишком длинная труба практи-чески не позволяла реализовать прекрасную идею. Длину трубы можно было бы значительно сократить, если смонти-ровать установку не на берегу, а на судне, трубу же опустить прямо с судна в глубину. Что и было сделано. Однако конструкция не выдержала первого шторма.

Но главное было сделано -- две недели установка проработала и дала мощность 22 кВт за счет тепла океана. Правда, на собственные нужды она потребила значительно больше. Однако правильность принципа была доказана -- и в этом заслуга Клода. Надо сказать, что соединить с судном трубу длиной более полукилометра -- далеко не простое дело.

Удовлетворительно решить этот вопрос удалось только в конце 80-х годов нашего века, когда была создана установка мини-ОТЕС.

Клод вместе с французским ученым Бушеро сделали несколько попыток по созданию энергетических тепловых установок в разных частях Атлантического океана: в за-ливе Мантанзас на Кубе, на побережье Абиджана и в при-брежных водах Бразилии. Но ни разу им не удалось получить из океана больше энергии, чем установка потреб-ляла на собственные нужды, и поэтому для своей работы она требовала дополнительной энергии от вспомогатель-ного источника. Эта печальная особенность отчасти была связана с малой мощностью установки, из-за чего различ-ные потери составляли слишком высокий процент в общем балансе. Потерь оказалось больше, чем первоначально предполагалось.

Первым обратил внимание на громадные запасы тепло-вой энергии в океане французский ученый Жак Д'Арсон-валь более 100 лет назад (1881 г.) и теоретически показал возможность ее использования. Жоржа Клода называют его учеником, но между ними были серьезные разногласия в вопросе о выборе наилучшей жидкости в качестве рабо-чего тела для океанической тепловой машины. Этот вопрос надо было решить прежде всего. Рабочая жидкость должна закипать при температуре нагревателя, а пары ее после совершения работы в турбине должны сконденсироваться при температуре холодильника.

Нагреватель -- теплая вода из верхних слоев океана. Наиболее высокая температура воды наблюдается в Пер-сидском заливе в августе -- более 33 °С (а самая высокая температура воды зафиксирована в Красном море --плюс 36 °С). Но на максимальную температуру рассчитывать преобразователь нельзя: она встречается на ограниченных участках Мирового океана, а обширные районы имеют температуру поверхностного слоя около 25 °С. Это доста-точно высокая температура, при которой кипят многие жидкости. Д'Арсонваль предложил применить в качестве рабочей жидкости аммиак -- жидкость с температурой кипения минус 33,4 °С, которая будет хорошо кипеть при 25 °С. При нормальной температуре (20 °С) аммиак -- бесцветный газ с едким запахом. При повышении давления газообразный аммиак снова превращается в жидкость. При 20 °С для этого давление надо повысить до 8,46 атм, но при 5 °С -- значительно меньше.

Выбор аммиака в качестве вторичного рабочего тела связан с отличными термодинамическими свойствами его паров. Пары аммиака имеют низкий молекуляр-ный вес, достаточно боль-шой удельный объем и хо-рошие характеристики теп-лопередачи. Они обеспечи-вают турбине вращение с большой скоростью, что очень важно. Благодаря этим качествам аммиак широко2применяется в наши дни в энергетических установках, использующих тепло океан-ских вод. При этом схема тепловой энергетической^уста-новки должна быть замкнутой, т. е.^после холодильника жидкий аммиак снова закачивается в нагреватель. Цикл непрерывно повторяется, пока работает установка. Коли-чество рабочей жидкости, залитой в систему теплового преобразователя, практически не изменяется в процессе работы. Замкнутый цикл имеет ряд преимуществ перед открытым циклом, предложенным Клодом, благодаря чему он получил широкое применение в наши дни в уста-новках OTEG.

Но Клод не захотел воспользоваться аммиаком. Он ре-шил в качестве рабочей жидкости использовать морскую воду. Чтобы добиться ее кипения при температуре поверх-ностных вод в тропиках, создал в установке пониженное давление. Если понизить атмосферное давление в 15 раз, т. е. примерно до 50 мм рт. ст., морская вода закипит при температуре не выше 27 °С. Образовавшийся пар пойдет в турбину, заставит ее вращаться и вращать элек-трогенератор. А потом пар поступит в холодильник, где с помощью холодной глубинной воды превратится в прес-ную воду. Клод спускал ее в море: тогда она была никому не нужна. Такой цикл называется открытым, или не-замкнутым.

Схема энергетической установки, работающей по этому принципу, представлена на рис. 2.2. По этой схеме была построена первая экспериментальна!! установка Клода и Бушеро.

При практической реализации установки ее авторы столкнулись с рядом специфических трудностей. Одна из первых -- это создание низконапорной турбины.

Дело в том, что давление водяного пара, получаемого при не-высокой температуре в условиях частичного вакуума, мало. Чтобы снять сколько-нибудь заметную мощность, турбина должна иметь большие размеры. С этим затрудне-нием Клоду и Бушеро удалось справиться вполне удовле-творительно. Однако при первых же испытаниях обнаружив лась неожиданность. При нагреве из морской воды в боль-шом количестве выделялся растворенный в ней воздух, что повышало давление в системе и нарушало процесс кипения. Для поддержания достаточного разрежения систему приходилось непрерывно откачивать, на что требо-валась дополнительная мощность. В результате умень-шался и без того небольшой КПД установки. С этой проблемой изобретателям не удалось справиться. Были и другие проблемы. Поэтому в последующие годы основ-ное внимание ученых и инженеров обращалось на разра-ботку тепловых преобразователей с замкнутым циклом. Итог их усилий -- действующие ныне системы OTEG.

Рис. 2.2. Схема теплоэнергетп* ческой океанской установки от-крытого цикла

1 -- испаритель, г -- турбина, 3 -- генератор, 4 -- конденсатор, 5 -- пресная вода, в -- теплая вода и,ч верхних слоев, 7 -- холодная вода с больших глубин

Но теперь, спустя более полувека, внимание снова привлечено к открытому циклу. «Открытый цикл вызывает огромный интерес. Он устраняет все проблемы, касаю-щиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. н. Пресная вода вырабатывается в качестве побочной продукции», -- считают американские специалисты. В США разрабаты-вается океанская энергетическая установка, которая одно-временно с производством электроэнергии будет давать пресную воду -- один из самых ценных в наше время продуктов, особенно в жарких и индустриальных странах, где все острее ощущается ее недостаток.

Но остаются нерешенные проблемы, в частности созда-ние больших низконапорных турбин и удаление из системы преобразователя выделяющегося из морской воды воз-духа. Ближайшей задачей считается найти такой способ удаления воздуха, чтобы на него затрачивалось не более 10 % вырабатываемой энергии. Для ее решения в схему энергетической установки включается деаэратор -- камера, в которой морская вода будет дегазироваться перед поступлением в нагреватель.

Теоретически оба вида преобразователей -- с откры-тым и закрытым циклом -- имеют близкие и одинаково малые коэффициенты полезного действия.

Примем температуру нагревателя T1=273+25=298 К, температуру холодильника T₂=273+5=278 К. Согласно формуле Карно КПД будет равен

nk==(T1-T2)/T1=(298-278)/298=0,067, или 6,7 %,

Полученная цифра еще недавно считалась близкой к теоретическому пределу КПД для океанской тепловой машины при принятых значениях температуры нагрева-теля и холодильника (как и для любой другой). Но не-давно было показано ², что из-за специфических особен-ностей преобразования энергии тепла в океане теоретиче-ский КПД теплового цикла в этом случае следует оценивать по формуле n0=(T1-T2)/(T1+T2)

При малом значении разности температур ^T=T₁-- Т₂ КПД океанской тепловой машины может быть вдвое меньше теоретического значения, вычисленного по фор-муле Карно, т. е.

n0=1/2nk

Поправка весьма существенная. Фактически КПД пре-образователя в любом случае будет еще меньше из-за неизбежных потерь в теплообменниках, насосах, трубо-проводах и др. Величина потерь будет зависеть от степени совершенства конструкции тепловой машины. Для пре-образователей с замкнутым циклом реальным считается получение КПД в пределах до 2--3 %. Эти цифры близки к КПД отвергнутого паровоза. Но он сжигал драгоценное топливо, а здесь энергия вырабатывается за счет дарового тепла океана, топлива не требуется.

Интересно отметить переоценку значения малых цифр КПД, происшедшую за последние полвека. Пятьдесят лет назад теоретическое значение КПД около7% считалось

ничтожным и едва ли заслуживающим внимания. В наше же время строятся мощные океанские энергоцентрали с КПД примерно в половину этой величины. Существен-ного улучшения КПД можно ожидать только при исполь-зовании в океанских тепловых энергоцентралях большего перепада температуры между нагревателем и холодильни-ком. Принципиально такая возможность имеется. В раз-ных районах на дне океана обнаружены места, где раз-ность температуры воды значительно превышает принятые .для расчета 20 °С. Например, в термальных впадинах на дне Красного моря температура воды достигает 60 ^СС, к тому же она ежегодно несколько повышается. А на дне Тихого океана бьют гидротермальные источники с тем-пературой более 350 °С, как в котле вполне современной ТЭЦ высокого давления. Вблизи от этих горячих источ-ников имеется вода с низкой температурой, пригодная для холодильника. При использовании такой воды воз-можно получение КПД океанской установки, как у луч-ших наземных ТЭЦ высокого давления. Однако примене-ние горячих гидротермальных вод для выработки электри-ческой энергии потребует особой технологии.

СИСТЕМЫ ОТЕС

В августе 1979 г, вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с поло-виной 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, точ-нее -- на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабаты-ваемая 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 трубо-провода было самым трудным делом). Трубопровод при-креплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случае необходимости ого быстрое отсоеди-нение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба--судно. Оригиналь-ность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной пробле-мой.

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

ОТЕС-1 -- плавучая лаборатория: как и мини-ОТЕС, она не предназначена для коммерческой выработки элек-трической энергии, хотя ее мощность достигает 1 МВт, т. е. в 20 раз больше, чем у мини-ОТЕС. В качестве вто-ричного рабочего тела в ОГЕС-1 также применяется аммиак. Питательный насос забирает воду из поверх-ностного слоя океана с температурой 27 °С и прогоняет ее через нагреватель аммиака, состоящий из 6304 титано-вых трубок диаметром 2 см. Это -- паровой котел уста-новки. Аммиак распыляется в теплых трубках и вскипает. Пар аммиака идет в турбину и вращает ее, а оттуда, со-вершив 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 п жидкость, пере-качиваемую обратно и испаритель. Общая длина трубок в двух теплообменниках (испарителе и конденсаторе) составляет 140 км.

Под установку ОТЕС-1 переоборудован танкер с турбо-электрическим приводом. Электрическая силовая уста-новка танкера позволяет с удобством использовать ее энергетические ресурсы во время проведения различных экспериментов для привода насосов и других целей. На этой установке предполагается проверить некоторые эксплуатационные характеристики ОТЕС, чтобы в даль-нейшем их можно было использовать при создании опыт-ного образца. Число вопросов, подлежащих изучению, достаточно велико. К ним относятся, например, следую-щие. 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 оргаппзмы-обрастатели в теплообменниках и в других частях системы и как с ними бороться? Как повлияют на состояние окру-жающей морской среды мощные установки такого типа? Как лучше выполнить трубопровод для подъема хо-лодной воды?

Последний вопрос становится традиционным для кон-структоров всех установок ОТЕС. Для OTEG-1 он был решен в пользу применения трех параллельных поли-этиленовых труб диаметром 1 м каждая, длиной но 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, установлен-ные 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 поддержа-ния трубопровода в вертикальном положении его верх-ний конец окружен плавучим кольцом, имеющим буй, к которому прикреплен прочный конец; с его помощью 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 друюй при-чине.

Конструкторы установки ОТЕС-1 ввели между трубо-проводом холодной воды и судном новую деталь, которая сделала всю систему более надежной. Речь идет о кардан-ном 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 увеличи-вается, судно отцепляется от трубы и уходит в укрытие.

Защелка для быстрого разъ-единения судна с трубой была опробована еще в си-стеме 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 во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это -- одна грандиозная тру-ба, в верхней части которой находится круглый машин-ный зал,, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии (рис. 29). 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 па-рах 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, не-обходимых для обслуживания системы и для связи с бе-регом. Это любопытный эпизод из новейшей истории развития техники преобразования тепла океана.

Намечено окончание строительства новой, третьей по счету, экспериментальной станции ОТЕС, мощность которой будет находиться в пределах 40--100 МВт. При строительстве этой станции исполь-зуется модульный принцип, она собирается из отдельных блоков по 10 МВт каждый. Такой подход позволит легко наращивать мощность до желательной величины в установленных пределах. Трубопровод холодной воды по-прежнему остается одним из наиболее сложных узлов этой станции. Станции мощностью в 40 МВт требуется трубопровод диаметром 10 м и длиной 900 м. А для про-ектируемой коммерческой станции OTEG на 400 МВт при той же длине трубопровод должен иметь диаметр 30 м. Каждую секунду насосы через него будут прокачи-вать около 1500 м³ холодной воды. Столько же потре-буется прокачать и теплой воды. Суммарный расход воды в этой мощной установке получится, как v реки Нил, -- 2600 м⁸/с, Полное водоизмещение корпуса станции на 400 МВт с заборной трубой оценивается цифрой около 500 тыс. т. Станция должна устанавливаться в районах океана с глубинами более 1200 м. Для ее удержания в районе постановки требуется якорная система с большой массой. В целом -- поистине циклопическое сооружение, строитель-ство его предполагалось начать в 1985 г. Было также сообщение о строительстве станции типа ОТЕС в Японии, но значительно менее мощной.

Рис. 2.3. Один из вариантов стан-ции ОТЕС на мощность в сотни мегаватт

I -- платформа, 2 -- труба холодной воды, з -- якорная система

ТЕПЛО ИЗ ХОЛОДА

Энергию можно получать не только из теплых вод тропических или субтропических районов Мирового оке-ана, но и из крайних северных или южных бассейнов пла-неты, т. е. из вод Арктики и Антарктики. Была бы только достаточная разность температур для эффективной ра-боты тепловой машины. А разность там обычно есть, и иногда не меньше, чем в тропиках. Но не между слоями поверхностной и глубинной воды, как в тропиках.

Например, в Северном Ледовитом океане температура в поверхностном слое подо льдом близка к 0 °С. Ниже, на нескольких сотнях метров глубины, температура воды немного повышается и доходит примерно до 0,6 °С. Там находится теплый промежуточный слой, образовавшийся за счет притока вод атлантического происхождения. А глубже нескольких сот метров температура воды снова понижается до минус 1 °С. Самая холодная вода встре-чается в Датском проливе близ Гренландии, где темпера-тура ее падает до минус 2,2 °С; такая же холодная вода бывает и в море Уэддела в Антарктике. Где же при подоб-ных условиях взять достаточно высокую разность темпе-ратур в этих широтах планеты?

На помощь энергетикам приходит холодный воздух.

Во многих районах Арктики большую часть года темпера-тура воздуха ниже минус 10 °С. Например, на Ново-сибирских островах в году бывает всего 2--4 дня с тем-пературой воздуха выше минус 10 °С, на побережье моря Лаптевых таких дней от 10 до 14, а на архипелаге Север-ная Земля их только 10--12. В остальное время года здесь царствуют морозы, временами значительно превыша-ющие минус 10 °С.

На возможность использования энергетического по-тенциала высоких широт, по-видимому, первым обратил внимание в 1928 г. французский инженер Баржо. В ка-честве нагревателя им предлагалась морская вода с тем-пературой,, 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 конден-сировалось бы в жидкость при температуре минус 20 °С. Баржо рекомендовал углеводородные соединения типа пропана, бутана или изобутана. Для предотвращения потерь рабочего вещества предлагался замкнутый цикл работы энергетической установки. Схема Баржо имеет много общего с идеей Д'Арсонваля. Но, учитывая аркти-ческие условия, Баржо предлагал вызывать кипение ра-бочего тела путем разбрызгивания в нагревателе морской воды, чтобы замерзая, она отдавала рабочему телу свою скрытую теплоту льдообразования. Это -- остроумное предложение, но, как лучше реализовать его, до сих пор неизвестно.

Предложение Баржо не было практически реализо-вано. Пятьдесят лет назад указывались минимум две при-чины этого: малый КПД установки и практически не-приемлемые размеры теплообменника (нагревателя) для получения достаточной мощности из-за низкой рабочей температуры нагревателя.

А недавно опубликована работа А. К. Ильина, где показана возможность практической реализации пре-образования тепловой энергии океана в арктических районах ³. В ней отмечается не только важность наличия достаточного градиента температуры, но также и не-обходимость достаточной скорости ветра и скорости те-чения воды в океане. Два последних условия, на которые раньше не обращалось должного внимания, необходимы для обеспечения нормальной работы теплообменников. Благоприятные условия для работы энергетических уста-новок имеются в устье сибирских рек.

Допустимая максимальная степень охлаждения воды в арктических силовых установках определяется неравен-ством

Тж-Тз=^Т<2К,

где Т_ж -- температура морской воды, забираемой в нагре-ватель преобразователя; Т₃ -- температура замерзания морской воды при данной солености.

Физический смысл этого неравенства заключается в том, что морскую воду нельзя доводить до точки замерза-ния, как предлагал в свое время Баржо. Если ола будет замерзать в теплообменнике, служащем нагрева! ел ем для вторичной рабочей жидкости, то образуется лед. который нарушит работу преобразователя.

По расчетам Ильина, КПД энергетической установки мощностью около 50 кВт в арктических условиях полу-чается в пределах 0,79--2,08 %. Речь идет о КПД исполь-зования тепла воды, что же касается КПД самой уста-новки, то он достаточно высок и достигает 43 %. Эта цифра относится к аммиачной установке мощностью 1 МВт. На основании детальных расчетов автор приходит к вы-воду, что в арктических районах океана зимой энергия, обусловленная разностью температур между морской во-дой подо льдом и атмосферным воздухом, может использо-ваться достаточно эффективно.

Имеется и другой путь использования тепловой энер-гии океана в высоких широтах. Речь идет о термоэлектри-ческих преобразователях, на перспективность применения которых для этой цели указывал академик А. Ф. Иоффе еще в 1932 г. В наше время этот вопрос исследуется в Тихоокеанском океанологическом институте . По расчетам, при разности температур 10 °С и разности глубин 100 м при использовании термоэлектрических преобразователей энергии с КПД 1 % с 1 км² поверхности океана можно получить электрическую мощность около 100 МВт. Необходимым условием является наличие тече-ния со скоростью не менее 0,1 м7с. Отмечается, что «общая энергия Мирового океана, которую можно использовать подобным образом, превышает 10²⁰ Дж в год, т. е. сравнима

С энергией, получаемой от сжигания химического топлива на Земном шаре в течение года».

Использование новых источников энергии весьма важно для развития энергетики Крайнего Севера.

§2.3.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ МАГНИТАМИ

Фарадей открыл закон электромагнитной индукции с помощью постоянного магнита в виде стержня, который он вводил (рукой) в катушку с медной проволокой. При каждом вводе или выводе магнита в катушку на концах ее обмотки наблюдалось возникновение электрического напряжения. Согласно закону электромагнитной индук-ции, величина возникающей электродвижущей силы прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через катушку и числу витков катушки.

Закон электромагнитной индукции определил путь развития электрических машин. Их главный принцип: чтобы получить быстрые изменения магнитного потока, надо вращать магнит при неподвижной катушке или, на-оборот, вращать катушку при неподвижном магните. Именно так действовала первая электрическая машина, изобретенная итальянцем Граммом более 100 лет назад и спустя примерно 50 лет после открытия Фарадеем электро-магнитной индукции, -- так называемое «Кольцо Грамма». «Кольцом» она была названа по той причине, что в каче-стве якоря имела тороидальное кольцо из тонких железных проволок, вращавшееся на оси в поле подковообразного постоянного магнита. На кольце крепилось несколько катушек из медной проволоки. Кольцо приводилось во вращение рукой с помощью ременной передачи.

Грамм не мог вращать магнит, поскольку 100 лет назад магниты должны были быть достаточно длинными. Те-перь же новейшие магниты (типа РЗМ ) хорошо работают только при малой длине, поэтому конструктивно их просто привести во вращение. РЗМ -- редкоземельные магниты, или магниты на основе редких земель, -- самые сильные (но хрупкие) постоянные магниты. РЗМ сделаны на основе самария в соединении с ко-бальтом (SmCo₅). Речь идет преимущественно об электрических машинах малой мощности, когда желательно избежать применения коллектора или контактных колец. Это важно для машин, длительно работающих в тяжелых условиях эксплуатации, без частых осмотров и своевре-менной профилактики, например велогенераторов, гене-раторов для тракторов и т. п. Для волновых энергетиче-ских установок также удобнее бесконтактные генераторы, особенно для установок в открытом море.

Электрические машины в своем развитии прошли гро-мадный путь, теория электрических машин -- одна из наиболее разработанных глав современной электротехники. Но вращение якоря или ротора и сегодня остается основ-ным принципом получения высокой скорости изменения магнитного потока и соответственно высокой электрической мощности, необходимой современной индустрии . Однако в наше время развиваются и иные способы получения большой электрической мощности, не обязательно связанные с вращательным движением. Например, МГД-генераторы не имеют вращающихся частей. Струя раскаленной плазмы с большой скоростью пронизывает сильное магнитное поле (силовые линии поля расположены по нормали к струе), в плазме индуцируется электрический ток, отводящийся с помощью системы электродов.

Вместо вращательного или прямолинейного движений для получения электрической энергии можно применить также колебательное движение. Так (или почти так), как это делал Фарадей, только работу (движения) руки заменить работой волн. Мысль об использовании колеба-тельного движения, естественно, возникает при поиске способов использования энергии поверхностных волн: как известно, волны являются самым наглядным при-мером колебательного движения. Можно по-разному выполнить преобразователь для работы в колебательном режиме. Схема одного из простей-ших (макета) изображена на рис. 5. Приемником энергии волн здесь служит тонкая плоская плита (пластина) 1, в которую ударяют набегающие волны. Под давлением волн плита совершает колебания относительно горизон-тальной оси 2. Ось может вращаться в подшипниках В. До сих пор это устройство очень походило на первую волноэнергетическую установку в Ошен-Грове. Однако дальше начинаются серьезные различия.

Колебания плиты с помощью штанги 4 передаются не поршню гидравлического насоса, а генератору электри-ческой энергии. Он размещен подальше от поверхности воды, поэтому потребовалась достаточно длинная штанга. Нижний конец штанги болтами скреплен с плитой, а на ее верхнем конце укреплена перемычка (ярмо) 5 из транс-форматорного железа с двумя магнитами 6. Перемычка с магнитами является существенной частью колебатель-ного генератора, она соответствует ротору или якорю в обычном генераторе. Неподвижная часть генератора (статор) состоит из магнитопровода 7 П-образной формы, собранного из полосок тонкого трансформаторного железа. Применение трансформаторного железа для магнитопро-вода и перемычки необходимо для уменьшения потерь на вихревые токи. На вертикальных стержнях (частях) магнитопровода насажены две катушки 8, каждая имеет по 400 витков толстого медного изолированного провода. Катушки соединены последовательно и включены на общую нагрузку. Вся конструкция связана сварной рамой 9 из угловой стали (на ней укреплены и два под-шипника скольжения, поддерживающие ось), которая кре-пится к причалу. Под ударами волн плита периодически совершает ко-лебания, т. е. качается. Качается и жестко связанная с ней штанга, поэтому перемычка с магнитами периоди-чески замыкает и размыкает цепь магнитопровода. В тот момент, когда перемычка с магнитами замыкает маг-нитопровод, в нем появляется нарастающий магнитный поток, пересекающий витки обеих катушек. А когда волна продвигает плиту дальше, перемычка с магнитами размы-кает магнитопровод,

поэтому магнитный поток уменьша-ется, снова пересекая витки катушек.

Рис. 2.4. Графики, поясняющие процесс индукции

(Ф--изменение магнитного потока в цепи магнитопровода, Е-- инду-цированная электродвижущая сила)

Рис.2.5 Кинематическая схема преобразователя энергии поверх-ностных волн с колеблющимися магнитами и приемником энергии волн в виде пластины

По закону электромагнитной индукции в обоих случаях в цепи катушек возникает электродвижущая сила, вызывающая элек-трический ток. Процесс индукции поясняется с помощью рис. 6.

В качестве примера оценим электрическую мощность, которая может быть получена в режиме колебаний с по-мощью описанного устройства при следующих условиях: период поверхностных волн Т=6 с; амплитуда поверх-ностных волн А-=1 м; размер постоянных магнитов в на-правлении качания перемычки (т. е. ярма) 6=0,05 м (эта величина равна соответствующей стороне поперечного сечения магнитопровода); полное число витков на двух катушках W_B-=800; максимальное значение магнитного потока через магнитопровод Ф=BS = 1,7-10⁵; максималь-ное значение индукции в сердечнике магнитопровода g=8000 Гс; площадь поперечного сечения магнитопровода S=19,6 см².

Определим время, в течение которого магнитный поток в сердечнике будет нарастать от начального значения, близкого к нулю, до максимальной величины, принятой в расчете (1,7 -10⁵ силовых линий). Нарастание потока нач-нется при подходе перемычки с магнитами к магнитопро-воду и будет продолжаться до тех пор, пока она не встанет точно под ним. Совпадение проекций плоскостей попереч-ного сечения вертикальных стержней магнитопровода с плоскостями магнитов на перемычке будет соответство-вать максимуму магнитного потока через сердечник; при дальнейшем движении перемычки магнитный поток будет уменьшаться.

При выходе перемычки с магнитами РЗМ за площадь проекций стержней магнитопровода магнитный поток снова примет значение, близкое к нулю. Для упрощения расчетов примем площади поперечного сечения стержней магнитопровода и магнитов РЗМ одинаковыми, а скорость движения перемычки неизменной и равной максимальной скорости орбитального движения частиц воды в волне при принятой амплитуде (А--1 м). Тогда длительность индук-ции, определяемая нами как время достижения магнит-ным потоком своего максимального или минимального зна-чений, определится формулой

Фактически оно будет несколько больше, так как рост магнитного потока начнется через воздушный зазор не-сколько раньше подхода кромки магнитов к краю стержня. Вычислим максимальное значение электродвижущей силы, возникающей на концах обмотки при принятых условиях. Согласно формуле Максвелла, она будет равна

Для определения мощности необходимо вычислить квадрат эффективного значения электрического напряже-ния за период поверхностной волны. Искомая величина определится выражением од

где (w=2тс/=62,8 -- угловая частота переменного тока, возбуждаемого в обмотках преобразователя (800 витков)

при колебаниях перемычки с постоянными магнитами РЗМ;

f=1/2t=(2-3,14-0,05)-¹-10 Гц.

Чтобы вычислить квадрат действующего значения электрического напряжения за период поверхностной волны согласно приведенному выше интегралу, восполь-зуемся подстановкой

sin² wt = 1/2 -- 1/2 cos 2wt = 1/2(1 -- cos 2wt). Подставляя принятые выше значения, получаем

Чтобы вычислить электрическую мощность, необхо-димо знать внутреннее сопротивление обмотки и сопротив-ление полезной нагрузки. Сопротивление обмотки пре-образователя, состоящей из 800 витков медной проволки диаметром 2,56 мм, равно примерно 1 Ом. Исходя из условия получения максимальной мощности, примем со-противление полезной нагрузки также в 1 Ом; в этом слу-чае суммарная электрическая мощность преобразователя

Nэл=6,1/1+1=3,1 Вт.

При равенстве сопротивления нагрузки внутреннему со-противлению генератора электрический КПД преобра-зователя составляет 50 %. Следовательно, на полезной нагрузке выделится только половина от полученной цифры, т. е. всего 1,55 Вт.

По поводу этого расчета необходимо сделать несколько замечаний. Если правильно выбрать размеры плиты, то за один период поверхностной волны движимая ее энергией плита совершит два полуколебания.

Первое -- при прохождении гребня в направлении его движения, второе -- при прохождении ложбины волны, в этом случае направление движения плиты будет прямо противоположно направлению ее движения за счет гребня. Чтобы плита в действительности совершала эти колебания, ее размер по вертикали а_п должен быть достаточно велик и составлять не менее 2,5 А (где А -- амплитуда поверх-ностной волны). Это условие определяется необходимостью иметь достаточную смоченную поверхность плиты во время прохождения ложбины волны. При его выполнении по-лезная электрическая мощность преобразователя удво-ится, т. е. мы получим не 1,55, а около 3,1 Вт.

Фактически мощность была даже несколько больше при меньшей амплитуде поверхностных волн. Увеличение мощности произошло благодаря некоторым нелинейным эффектам, не учтенным в расчете ⁸. Речь идет прежде всего о силе притяжения магнитов РЗМ к сердечнику пре-образователя из трансформаторного железа. Сила эта до-статочно велика; она не подчиняется закону синуса и за-висит от многих параметров, в том числе от положения маг-нитов относительно сердечника. Существенную нелиней-ность вносит тангенциальная составляющая этой силы, изменяющаяся hj направлению и величине от нуля до максимума при колебаниях перемычки с магнитами РЗМ под действием волн. Максимальная величина тангенциаль-ной составляющей силы притяжения при применении двух магнитов РЗМ достигает 40 кг; цифра эта достаточно ве-лика для маленького макета. Она сравнима по своей ве-личине с силой давления both на плиту, которая также не подчиняется гармоническому закону.

Оценим величину си ты давления волн на плиту по формуле

F=Kp_uS_a,

где F -- суммарная сила давления волн, кг; К=1 -- коэф-фициент обтекания плиты (приближенное значение); р_я=102 кгс²/м⁴ -- массовая плотность воды; S_n--0,5 м² -- площадь плиты; V_c=l м/с -- горизонтальная составляю-щая волновой скорости;

F=l*102*0,5*l²=50 кг.

Расчет силы давления соответствует моменту, когда гребень волны набегает на плиту, стоящую неподвижно в положении равновесия. Принимается, что перед набега-нием волны плита висит вертикально под действием силы тяжести и силы притяжения магнитов РЗМ к торцам сер-дечника; в этот момент тангенциальная составляющая силы притяжения магнитов равна нулю.

Расчет показывает, что при принятых параметрах ве-личина силы волнового давления близка к силе статиче-ского притяжения магнитов. Если сила волнового давления по какой-либо причине уменьшится до 40 кг. то плита не сдвинется заметным образом or положения равновесия и акта индукции не произойдет. Это может случиться, на-пример, при прохождении ложбины волны, так как смо-ченная площадь плиты будет значительно меньше, чем во время прохождения гребня. Это свидетельствует о том, что у преобразователя имеется порог срабатывания по орби-тальной скорости поверхностных волн; если горизонталь-ная составляющая орбитальной скорости и соответственно давление волн на плиту становятся ниже некоторой ве-личины, то колебания плиты прекращаются.

Рис.2.6. Осциллограммы электрического напряжения, возникающего на нагрузке при колебаниях плиты под действием волн

Поэтому процесс возбуждения электрических колебаний имеет существенно нелинейный характер, что подтверждается осциллограммой, приведенной на рис. 7. Осциллограмма показывает электрическое напряжение, зарегистрирован-ное на омической нагрузке преобразователя во время его испытаний на морском причале. Импульсы электрического напряжения на нагрузке весьма далеки от синусоидаль-ной формы кривой; они имеют сложную форму, причем большие импульсы чередуются с малыми, что объясняется сложной игрой нелинейных сил.

На осциллограмме, соответствующей одному периоду поверхностной волны, можно увидеть всего четыре от-носительно больших импульса электрического напряже-ния. Первый импульс (считая слева направо) соответ-ствует выходу магнитов из-под торцов сердечника под давлением гребня подошедшей волны; максимальное значе-ние напряжения достигает 3 В. После прохождения гребня давление волны на плиту ослабевает и она возвращается в положение равновесия; магниты входят под торцы сер-дечника. Процесс этот совершается быстрее их выхода, поэтому индуцируемое напряжение достигает примерно 4,5 В. Третий импульс соответствует второму выходу маг-нитов за счет прохождения ложбины волны, его макси-мальное значение напряжения достигает лишь 2,5 В, По Окончании прохождения ложбины плита и связанная с ней перемычка с магнитами снова возвращаются в по-ложение равновесия, при этом возбуждается четвертый импульс величиной около 4 В.

Большие импульсы напряжения получаются, когда магниты входят в рабочий зазор сердечника. В этом случае направление момента тангенциальной составляющей силы притяжения магнитов совпадает с моментом силы тяжести плиты и штанги; кроме того, при окончании любой фазы волны (т. е. гребня или ложбины) направление момента силы давления от начинающейся новой фазы совпадает с моментами этих двух сил. Поэтому возрастает скорость движения магнитов, увеличивается скорость изменения магнитного потока через магнитопровод, возрастает ин-дуцируемая ЭДС и напряжение на нагрузке. Пики на-пряжения меньшей величины всегда наблюдались при выходе перемычки с магнитами из положения равновесия. В этом случае момент тангенциальной составляющей силы притяжения противоположен моменту силы волнового давления. Естественно, что скорость движения магнитов меньше, меньше индуцируемая ЭДС и напряжение на нагрузке.

На осциллограмме рис. 7 после второго импульса можно увидеть еще два импульса малой амплитуды; их происхож-дение, возможно, связано с отраженными от берега вол-нами.

Во время проведения экспериментов отмечено влияние собственной частоты колебаний плиты на генерируемую мощность.

При более строгом анализе процесса преобразования энергии необходимо также учесть так называемую пондеро-моторную силу (или силу Ампера). Она вызвана взаимо-действием индуцированного тока в обмотках с магнитным полем возбуждающих магнитов. Пондеромоторную силу можно оценить по формуле

Fa=1,02BlI10 ⁷ кг,

где В -- магнитная индукция в зазоре, Гс; I -- суммарная длина провода обмотки, см; / -- ток через обмотку, А. Расчет показывает, что в нашем случае значение силы F_a не превосходит 0,25 кг, поэтому в ориентировочном расчете ею можно пренебречь. Незначительность этой ве-личины свидетельствует, в частности, о том, что у пре-образователя имеются значительные возможности в смысле увеличения генерируемой мощности. Этого можно достигнуть различными путями.

Например, для увеличения генерируемой мощности в 10 раз можно увеличить магнитный поток в \/10, т. е. примерно в 3,16 раза; для этого потребуются два магнита РЗМ площадью по 6 J см². При выполнении этого условия легко получить мощность в 30--40 Вт. Такой мощности вполне достаточно для обеспечения энергоснабжения навигационного буя или буя для передачи информации о гидрофизических параметрах океана. Для увеличения мощности в 100 раз, т. е. для получения 300--400 Вт, магнитный поток при всех остальных неизменных данных потребуется увеличить в 10 раз; этого можно добиться применением нескольких пар магнитов РЗМ вместо одной. Такой способ удобнее, так как позволяет ввести автомати-ческую компенсацию силы статического притяжения маг-нитов, что облегчит условия работы преобразователя и по-зволит говорить о создании генераторов такого типа мощ-ностью до нескольких десятков киловатт.

Вопрос стоит о цене киловатта в зависимости от разме-ров установки. Преобразователи этого типа отличаются простотой, но дорога основная часть -- магниты РЗМ. Возможная область их применения -- малая энергетика, т. е. небольшие силовые установки для отдельных ферм, рыбозаводов или совхозов, расположенных вблизи по-бережья.

Основное преимущество устройств подобного типа --предельная простота устройства. Они вполне соответству-ют второму типу преобразователей приведенной выше клас-сификации. Преобразование идет по короткой схеме: волны -- механический приемник энергии волн--генератор электрической энергии; эта схема отличается от идеальной (схемы I) введением лишь одного элемента -- приемника энергии в виде плиты.

Одна из особенностей преобразователей с колебатель-ным движением заключается в необходимости применения постоянных магнитов типа РЗМ (с другими известными ныне типами постоянных магнитов нужного эффекта не получится из-за недостаточности их остаточной индукции), но РЗМ -- относительно дороги и дефицитны, что скажется на их применении.

Для нормальной работы преобразователей рассмотрен-ного типа необходимо иметь неподвижное основание, на чем можно было бы укрепить раму, поддерживающую го-ризонтальную ось, относительно которой колеблется плита со штангой и магнитами. Подобное требование не всегда

можно выполнить в условиях открытого моря, однако име-ются способы обойти это затруднение. Первый из них за-ключается в применении якоря. Он может обеспечить до-статочную неподвижность одной из частей преобразова-теля, относительно которой будет колебаться вторая часть, несущая магниты или обмотки. В этом случае конструкция преобразователя должна несколько измениться. Еще лучше вместо якоря использовать стабилизированный буй (типа «вехи Фрудл») с достаточной плавучестью. Можно решить эту задачу н на принципиально ином физическом принципе, использовав силы инерции вместо прямого дав-ления волн на плиту.