На возможность использования энергетического потенциала высоких широт, по-видимому, первым обратил внимание в 1928 г. французский инженер Баржо. В качестве нагревателя им предлагалась морская вода с температурой,, 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 конденсировалось 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 арктические условия, Баржо предлагал вызывать кипение рабочего 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 реализовано. Пятьдесят лет назад указывались минимум две причины этого: малый КПД установки и практически неприемлемые 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 преобразования тепловой энергии океана в арктических районах 3. В ней отмечается не только важность наличия достаточного градиента температуры, но также и необходимость достаточной скорости ветра и скорости течения воды в океане. Два последних условия, на которые раньше не обращалось должного внимания, необходимы для обеспечения нормальной работы теплообменников. Благоприятные условия для работы энергетических установок имеются в устье сибирских рек.
Допустимая максимальная степень охлаждения воды в арктических силовых установках определяется неравенством
Тж-Тз=^Т<2К,
где Тж — температура морской воды, забираемой в нагреватель преобразователя; Т3 — температура замерзания морской воды при данной солености.
Физический смысл этого неравенства заключается в том, что морскую воду нельзя доводить до точки замерзания, 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 получается в пределах 0,79—2,08 %. Речь идет о КПД использования тепла воды, что же касается КПД самой установки, то он достаточно высок и достигает 43 %. Эта цифра относится к аммиачной установке мощностью 1 МВт. На основании детальных расчетов автор приходит к выводу, что в арктических районах океана зимой энергия, обусловленная разностью температур между морской водой подо льдом и атмосферным воздухом, может использоваться достаточно эффективно.
Имеется и другой путь использования тепловой энергии океана в высоких широтах. Речь идет о термоэлектрических 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 течения 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 индукции, 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, наоборот, 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 электромагнитной индукции, — так называемое «Кольцо Грамма». «Кольцом» она была названа по той причине, что в качестве 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. Теперь 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 кобальтом (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 своевременной профилактики, например велогенераторов, генераторов для тракторов и т. п. Для волновых энергетических установок также удобнее бесконтактные генераторы, особенно для установок в открытом море.
Электрические машины в своем развитии прошли громадный путь, теория электрических машин — одна из наиболее разработанных глав современной электротехники. Но вращение якоря или ротора и сегодня остается основным 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 колебательного движения, естественно, возникает при поиске способов использования энергии поверхностных волн: как известно, волны являются самым наглядным примером колебательного движения. Можно по-разному выполнить преобразователь для работы в колебательном режиме. Схема одного из простейших (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 горизонтальной 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 электрической 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 трансформаторного железа с двумя магнитами 6. Перемычка с магнитами является существенной частью колебательного 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 магнитопровода 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 подшипника скольжения, поддерживающие ось), которая крепится к причалу. Под ударами волн плита периодически совершает колебания, т. е. качается. Качается и жестко связанная с ней штанга, поэтому перемычка с магнитами периодически 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 размыкает магнитопровод, поэтому магнитный поток уменьшается, снова пересекая витки катушек.
Рис. 2.4. Графики, поясняющие процесс индукции
(Ф—изменение магнитного потока в цепи магнитопровода, Е— индуцированная электродвижущая сила)
Рис.2.5 Кинематическая схема преобразователя энергии поверхностных 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 электрический ток. Процесс индукции поясняется с помощью рис. 6.
В качестве примера оценим электрическую мощность, которая может быть получена в режиме колебаний с помощью описанного устройства при следующих условиях: период поверхностных волн Т=6 с; амплитуда поверхностных волн А-=1 м; размер постоянных магнитов в направлении качания перемычки (т. е. ярма) 6=0,05 м (эта величина равна соответствующей стороне поперечного сечения магнитопровода); полное число витков на двух катушках WB-=800; максимальное значение магнитного потока через магнитопровод Ф=BS = 1,7-105; максимальное 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 начнется при подходе перемычки с магнитами к магнитопро-воду и будет продолжаться до тех пор, пока она не встанет точно под ним. Совпадение проекций плоскостей поперечного сечения вертикальных стержней магнитопровода с плоскостями магнитов на перемычке будет соответствовать максимуму магнитного потока через сердечник; при дальнейшем движении перемычки магнитный поток будет уменьшаться.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
