Мощный поток солнечного излучения, падающий на поверхность океана, аккумулируется громадной массой воды естественного накопителя. Гидроло­гические исследования показали, что между поверхностными и глубинными (до 1000 м) слоями воды устанавливается разность температур, равная в эква­ториальных районах океана 25—30 К, т. е. почти такая же, как нормальная гео­термальная ступень в земной толще.

Эта разность температур существует и на российском побережье Север­ного Ледовитого океана в устьях крупных сибирских рек. В течение многих холодных месяцев температура воздуха на 30-35 К ниже, чем подледной во­ды. Таким образом, на базе этих двух неисчерпаемых источников с различны­ми температурами заманчиво создать тепловой двигатель. Термодинамическая эффективность подобного двигателя невысока: идеальный цикл Карно в пре­делах указанных температур не превышает 7%. Однако безграничные воз­можности океана побуждают исследователей и конструкторов работать над совершенствованием энергетических установок.

С 1930 г., когда на Кубе была сооружена первая океанская тепловая элек­тростанция — ОТЭС, были проведены многочисленные исследования, созда­ны десятки проектов опытно-промыпшенных установок. Некоторые из них мощностью 50-200 кВт успешно продемонстрировали возможность выраба­тывать электроэнергию, используя аккумулированную океаном теплоту.

Одновременно установлено, что кроме электроэнергии, ОТЭС могут да­вать питательные вещества для морских животных и растительного мира, а также полученную попутно в больших количествах пресную воду. Последнее очень важно для населения многочисленных островов, разбросанных в тропи­ческой зоне океана.

По опубликованным сведениям, термоградиентные станции постепенно увеличиваются в масштабах и вскоре появятся на коммерческом рынке. Один из проектов ОТЭС мощностью 100 МВт реализуется американскими фирмами у побережья Индии. ОТЭС должна поставлять электроэнергию на территорию Индии.

В термодинамическом плане ОТЭС могут работать по открытому и замк­нутому циклам. Первый, открытый цикл был предложен Джорджем Клодом и носит его имя (рис. 5.4, а). В этом цикле рабочим телом является водяной пар. Теплая вода поверхностных слоев насосом 1 подается в предварительный де­аэратор 2, где выделяется часть неконденсирующихся газов, растворенных в воде. Затем вода поступает в вакуумный испаритель 3. В этом устройстве с помощью вакуумного насоса создается разрежение такого уровня, при кото­ром теплая морская вода мгновенно вскипает при окружающей температуре. Насыщенный пар низкой температуры очищается в деаэраторе 4 и поступает в турбину низкого давления 5, соединенную с электрогенераторм 6. При этом вырабатывается электроэнергия. Затем пар конденсируется в конденсаторе 8, охлаждаемом водой, которую насос 9 качает из глубинных слоев. Из конден­сатора потребитель получает в качестве побочного продукта пресную воду 7.

Отличительной особенностью замкнутого цикла Ренкина в ОТЭС является использование в качестве рабочего тела низкокипягцих жидкостей: аммиака, хладона, бутана, пропана и др. Подготовка рабочего тела происходит в тепло­обменнике — испарителе 2* (рис. 5.4, б), куда насос 1* закачивает теплую воду поверхностных слоев. Аммиак в газообразном состоянии попадает в турбину 3*, расширяется там, совершает работу и подается в конденсатор 5’, охлаждаемый холодной водой с глубины до 1000 м. Она подается насосом Т, а насос 6* осу­ществляет циркуляцию рабочего тела в замкнутом контуре. Оба цикла испыта - ът в различных странах: США, Франции, Японии, Голландии [100].

Рис. 5.4. Схема ОТЭС открытого (а) и закрытого (6) циклов

По мнению специалистов, целесообразно компоновать ОТЭС средней мощности в 40 МВт хорошо отлаженными блоками по 10 МВт. Верхний пре­дел мощности проектных ОТЭС может достигать 400 МВт.

Применяются различные схемные решения: берегового базирования (японский остров Науру) ил» в открытом океане на заякоренных или плаваю­щих судах, на шельфовых мачтах. При сооружении прибрежных ОТЭС требу­ется прокладка подводных кабельных линий с дополнительными затратами.

Вырабатываемая на плавучих ОТЭС электроэнергия может потребляться энергоемкими производствами, выпускающими жидкий водород, аммиак, ме­танол, алюминий. За счет этой энергии удобно вести добычу полезных иско­паемых донного залегания.

Одной из серьезных технических проблем при реализации любого цикла ОТЭС является прокачка большого количества холодной воды с глубины 800- 1000 м через конденсатор, в котором устанавливается небольшая разность температур. Обеспечить большие расходы воды можно с помощью мощных насосов и труб большого диаметра. Последние должны отличаться небольшой массой и значительной жесткостью, чтобы не деформироваться при всасыва­нии воды. Жесткость трубопровода обеспечивается бетонными арматурными

кольцами. Оригинальным выглядит решение обеспечить положительное дав­ление в трубопроводе, если насосы разместить у основания трубопровода в холодной зоне. Еще одно решение —- монтаж трубопровода большого диамет­ра на башенных решетках, укрепленных на морском дне.

Выкачиваемая с глубины холодная вода насыщена сероводородом, тре­бующим улавливания и утилизации. С другой стороны, она богата мельчай­шими микроорганизмами, позволяющими выращивать ценные сорта рыбы: лосося, камбалу, американского лобстера и других. К тому же, при смешива­нии холодных и теплых вод создаются благоприятные условия роста морской биомассы, которая перерабатывается в метанол.

Экономические расчеты показывают перспективность ОТЭС мощностью 1 МВт для небольших населенных пунктов на островах. С учетом 30-летней эксплуатации стоимость вырабатываемой электроэнергии составит 11-19 цент./кВтч, в то время как дизельная электростанции на привозном топливе генерирует электроэнергию с затратами 16-44 цент./кВт ч.

Особый интерес для России представляют арктические океанские ТЭС.

Они способны обеспечить автономное энергоснабжение отдаленных и труднодоступных районов Крайнего Севера. В этих районах в зимнее время температура держится на уровне -26°С, а сток пресноводных рек разогревает морскую воду подо льдом до 3°С. В прибрежных районах стабильная скорость ветра достигает 10 м/с. Расчеты показывают, квадратный метр поверхности океана способен обеспечить мощность 4-9 кВт.

С учетом климатических условий и экономической целесообразности ме­стом для создания опытной АОТЭС выбран порт Диксон, расположенный на одноименном острове в Енисейском заливе. Порт важен как узел управления навигацией на трассе Северного морского пути. В период с осени до весны продолжительность работы АОТЭС составляет 6 месяцев. С определенной до­лей вероятности (до 50%) она продолжит безостановочную работу в апреле и ноябре [101].

Разработанный для порта Днксона проект предусматривает размещение оборудования опытной АОТЭС мощностью 210-500 кВт на списанном крей­сере. Рабочим телом в замкнутом цикле АОТЭС является аммиак. Он испаря­ется в парогенераторе 1 (рис. 5.5) и поступает в турбину 2, связанную с элек­трогенератором 3. Пар рабочего вещества генерируется при теплообмене с морской водой, которая подается насосом 8. Отработанный в турбине пар пре­вращается в жидкость в конденсаторе 4. Она закачивается насосом 7 в пароге­нератор.

С целью интенсификации процесса охлаждения конденсатора предусмот­рен промежуточный теплоноситель (раствор хлорида натрия NaCb). Пройдя через конденсатор, промежуточный теплоноситель разбрызгивается в виде ка­пель в оросительной градирне 5, которые контактируют с холодным воздухом и охлаждаются. Жидкий теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру с помощью насоса 6. Дополнительная интенсификация теплообмена в градирне обеспечивается при ее продувке ветром. При этом отпадает необходимость в применении вентиляторов.