ГЛАВА
ОКЕАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
В предыдущих разделах мы оценили эффективность действия земного шара как устройства, преобразующего тепло океана и атмосферы в работу, затрачиваемую на циркуляцию потоков. Согласно установленному механизму, вначале компрессионный эффект обеспечивает незначительную “закрутку” Земли. Затем включается в действие ротационный эффект и за сравнительно короткое время выводит Землю на требуемое по тепловому балансу число оборотов.
Причем ротационный эффект нечувствителен к направлению вращения планеты: Земля получает ускорение в том направлении, в котором действовали силы первоначальной закрутки.
Оба эффекта возникают лишь в динамических условиях, т. е. связаны с подводом и отводом тепла при течении потоков.
Особенностью рассматриваемой системы является то, что реакция, возникающая в результате испарения и конденсации воды, сообщает Земле ровно столько механической энергии, сколько ей необходимо для поддержания постоянной скорости вращения вокруг своей оси.
Это положение вытекает их того факта, что в создавшихся условиях не наблюдается какого-либо перегрева Земли. Следовательно, всю получаемую от Солнца лучистую энергию Земля отправляет вновь в космос. По той же причине Земля не может накапливать и механическую энергию. Слабое колебание скорости вращения Земли служит наглядным тому подтверждением.
Как видим, поведение Земли крайне чувствительно к притоку энергии от Солнца и ее стоку в космос.
Отсюда становится понятным, почему формирование горных хребтов так резко влияет на колебание климата на Земле. Помимо горообразования, число оборотов Земли может изменяться в результате извержения вулканов и падения астероидов. В первом случае в атмосфере создается слой витающих частиц пепла, отражающих солнечные лучи, а во втором —
из глубин океана на поверхность поднимаются потоки холодной воды. То и другое надолго нарушает тепловой баланс планеты.
Перечисленные природные явления можно предвидеть, но нельзя предотвратить. Иная ситуация с рассматриваемым нами искусственным отбором энергии из океана.
Конечной целью нашего исследования, как уже говорилось, является получение данных для проектирования океанических электростанций (ОЭС).
Для достижения поставленной цели нам необходимо решить ряд серьезных задач.
Во-первых, следует доказать, что извлечение значительных количеств энергии из океана не приведет к изменению сегодняшнего динамического состояния Земли. Главное здесь — избежать нарушения скорости вращения Земли, что, как мы уже знаем, может повлечь за собой радикальные климатические преобразования.
Во-вторых, необходимо показать, что количество получаемой из окружающей среды энергии имеет промышленное значение.
И наконец, желательно найти оптимальный вариант транспорта энергии на объекты, расположенные на расстоянии сотен и тысяч километров от ОЭС.
Решению перечисленных задач посвящены последующие разделы монографии.
4.1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ ОКЕАНА И АТМОСФЕРЫ
Произведем приближенную оценку времени, в течение которого океан и атмосфера могут повысить скорость вращения Земли с 365 до 400 оборотов в год.
Воспользуемся для этого известными данными. В частности, подсчитано, что сезонные вариации земных суток с амплитудой около 0,5 мс соответствуют скорости изменения кинетической энергии вращения Земли на величину [51]
N0,5 = A/τ = 1015 Дж/с, где А — работа, Дж; τ — время, с.
Запись размерности величины N0,5 означает, что для сокращения продолжительности земных суток на 0,5 мс необходим источник энергии с мощностью 1015 Дж/с [53].
Поскольку 1 Дж/с = 1 Вт, то мы можем записать
N0,5 = 103 ТВт.
Примем количество ежегодно испаряющейся воды на уровне [22]
М = 350000 км3
или в удобной для нас размерности
М = 1,11 х 1010 кг/с.
Определяем мощность океана и атмосферы по формуле
N = η х Q,
где N — мощность, Вт;
η — КПД преобразования тепловой энергии в механическую;
Q — поток тепла, уходящего с водяным паром в атмосферу, Вт.
В экваториальной зоне вода испаряется при 28 °С. Для этих температурных условий по справочным данным, пренебрегая атмосферным давлением, находим значение удельной теплоты парообразования
r = 2425,6 Дж/кг.
Рассчитываем поток тепла, поступающий в атмосферу с водяным паром
Q = r х M = 26,91 ТВт.
Допустим, что действует лишь ротационный эффект, с КПД преобразования тепловой энергии в механическую в пограничном слое океан—атмосфера
η = 0,25 %.
Тогда получаемая за счет испарения воды мощность будет
N = η х Q = 0,067 ТВт.
Полученные значения N существенно ниже величины N0,5.
Здесь следует подчеркнуть, что мощность определяется быстротой совершения работы. Для равномерно работающей системы, каковой является Земля, мощность измеряется работой, совершаемой в единицу времени. Естественно, что ту же самую работу А = 1015 Дж не обладающая высокой мощностью система выполнит за более длительное время.
По сути дела, время необходимо увеличить в Z раз, где величина Z определяется из выражения 
Таким образом, океан и атмосфера в состоянии изменить продолжительность земных суток на 0,5 мс за время τ' = Z х τ = 1,49 х 104 c, т. е. примерно за 4,14 часа.
Далее после несложных расчетов находим, что скорость вращения Земли изменяется на1 с за один год, на один оборот за 86,4 тыс. лет и на 35 оборотов в году через 3 млн лет.
Но в настоящее время Земля находится в некотором динамическом равновесии, характеризующимся постоянством скорости вращения. Большую часть получаемой механической энергии планета затрачивает на перемещение масс воды и воздуха с полюсов к экватору и обратно. Определенное количество вырабатываемой энергии Земля расходует, по-видимому, на предотвращение синхронизации своего вращения с движением ближайших планет и, в первую очередь, с наиболее массивной из них — Юпитером.
Не нужно забывать, что основная часть тепловой энергии, способной при определенных условиях быстро преобразоваться в кинетическую энергию потоков, находится в атмосфере. В сложившихся условиях крайне важно во время отбора энергии из океана не спровоцировать возникновения и роста ледников. По достижении некоторой критической массы ледниковых щитов резко возрастут температурные перепады в атмосфере между зонами, расположенными над морями и горами. Рост поверхности ледников увеличит степень взаимодействия воздушных потоков с поверхностью Земли. Оба фактора усилят влияние компрессионных эффектов, и Земля начнет ускорять свой бег.
Отсюда появляется запрет на размещение океанических станций в районах максимальной активности компрессионных эффектов, т. е. в средних широтах Тихого океана и в северной части Индийского океана.
С тех же позиций возможных климатических изменений следует считать крайне рискованным мероприятием попытки использования энергии Гольфстрима, Куросио, Бразильского и других теплых течений для выработки электроэнергии.
Таким образом, в нашем распоряжении остается узкая полоса, ограниченная пятым градусом северной широты и пятым градусом южной широты. Эту полосу часто называют “горячим поясом планеты”. Здесь происходят наиболее активные природные процессы, обеспечивающие отвод поступающей от Солнца энергии.
Но в определенные периоды года установившийся механизм циркуляции потоков явно не справляется со своей задачей. В итоге “избыток” энергии “выплескивается” в средние широты в виде энергии неконтролируемых ураганов и тайфунов.
Наша задача — умело взять этот “излишек” энергии, что, очевидно, не нарушит скорость вращения Земли.
Итак, определив места размещения ОЭС, мы частично приблизились к решению первой из поставленных задач.
Окончательное решение связано со статистическим расчетом количества кинетической энергии, ежегодно выносимого ураганами и тайфунами из экваториального пояса планеты. Объем механической энергии, извлекаемой нами с помощью ОЭС, не должен превышать значения, найденного в результате статистического расчета.
К сожалению, природные динамические структуры имеют переменные параметры, что не позволяет получить достаточно надежные статистические данные. Скорее всего, число и мощность ОЭС будут подбираться экспериментальным путем.
На данном этапе исследований попытаемся, используя наши общие представления об энергетических процессах, найти то минимальное количество энергии, которое мы можем извлечь из “горячего” пояса океана.
На первый взгляд кажется, что общая мощность океана N = 0,067 ТВт, рассчитанная по массе ежегодно испаряемой воды, весьма незначительна, если сравнить ее с установленной мощностью электростанций Мира, составляющей Nм = 3 ТВт [54].
Однако в нашем случае речь идет о тепловой энергии, уже запасенной океаном за многие годы поглощения солнечной радиации. Теплую воду можно рассматривать как низкокалорийное топливо. Подтвердим свою мысль несложными расчетами.
Как известно, плотность потока солнечной энергии составляет [22]
q = 153,4 Дж/(м2 х с).
Водная поверхность теряет столько же тепла, сколько океан получает за счет солнечной радиации. Около половины потерь приходится на обратное излучение, оставшаяся часть отправляется в атмосферу путем испарения воды, теплопроводности и конвекции.
Примем затраты на испарение равными
q' = 76,7 Дж/(м2 х с).
Напомним, что температура воды в поверхностном слое достигает 28 °С, а на глубине 500 м снижается до 4 °С. Таким образом, полезный температурный перепад составляет 24 °С.
В энергетической установке, действующей по предельному термодинамическому циклу, теплая вода за счет вскипания под вакуумом охлаждается до 4 °С.
По справочным данным находим, что каждый м3 воды при охлаждении от 28 °С до 4 °С теряет тепло в количестве
q'' = 108 Дж/м3.
Плавающая энергетическая установка оставляет после себя поверхностный слой воды с температурой 4 °С. Это влечет за собой прекращение явных потерь тепла поверхностным слоем и уменьшение испарения. Вода начинает поглощать солнечную радиацию в количестве q'.
Отсюда время, необходимое для восстановления первоначальной энергоемкости выбранного слоя океана, составляет
где L — высота слоя, м.
В частности, кубический метр воды восстановит свою температуру за
или за 15 суток. Слой толщиной L = 100 м придет в свое прежнее состояние за время
Отсюда следует, что суммарная мощность плавающих ОЭС должна быть выбрана таким образом, чтобы тепла, сосредоточенного в настоящее время в экваториальной зоне океана, хватило бы для выработки электроэнергии на 4,1 года. В течение этого периода Солнце восстановит энергоемкость начальных районов отбора энергии, и флотилия станций может вновь возвратиться на начальное место и отправиться по своему прежнему маршруту.
Определим установленную мощность ОЭС.
Водная поверхность ограниченного нами пояса планеты составляет F = 18 млн км2.
Эта величина равна примерно 10 % зеркала испарения океана.
Количество воды, содержащейся в поверхностном слое толщиной L = 100 м, составляет
V = L x F = 1,8 x 1015 м3.
Слой обладает тепловой энергией в количестве
Примем величину минимального КПД преобразования тепловой энергии в механическую на уровне значения КПД природного термокомпрессора, действующего в горах
η = 0,5 %.
Тогда установленная мощность ОЭС будет
Эта величина значительно превышает мощность ротационного эффекта.
Здесь уместно привести слова одного из пионеров гелиотехники Эриксона: “Архимед при помощи рычага брался поднять мир. Я же утверждаю, что, концентрируя солнечное тепло, можно получить силу, способную остановить Землю на ходу” [55].
Ранее высказывалось предположение, что малая плотность потока солнечной энергии на земной поверхности не позволяет надеяться на реализацию экономически оправданных крупных энергоустройств. Так, для того, чтобы получить 100 МВт с освещенной Солнцем поверхности, необходима площадь собирающего устройства в 1 км2. В этом случае капзатраты не оправдывают полученной энергии. Кроме того, солнечная радиация имеет колебания не только суточные, но также зависимые от времени года и от погоды [56].
Но эти рассуждения справедливы для прямого превращения солнечной энергии в электрическую или механическую. При утилизации разницы температур между слоями воды в океане речь идет об уже запасенной в воде в виде тепла солнечной энергии. Солнце непрерывно восстанавливает энергетический потенциал поверхностного слоя.
Само собирающее устройство у электростанции отсутствует, его функции выполняет верхний слой воды в океане. И, наконец, прогретая в верхнем слое вода не охлаждается за ночь, а поступление солнечных лучей в экваториальную зону океана слабо зависит от времени года.
Как уже отмечалось, скорость вращения Земли крайне чувствительна к изменению теплового баланса в атмосфере и океане. Поэтому желательно сократить до минимума зону действия океанических электростанций. В дальнейшем выясним, на какую площадь экваториального пояса Земли можно рассчитывать.
Кроме того, доказав промышленное значение извлекаемой из поверхностного слоя океана энергии, мы еще не обосновывали тип двигателя, способного эффективно использовать тепло низкого потенциала. Осветим эти вопросы в следующем разделе.
