Океан — колоссальный аккумулятор солнечной энергии. Притяжение Луны создает в морях и океанах приливы, энергия которых также весьма велика. В последние десятилетия па шельфе Мирового океана нашли нефть, началась разработка и других органических богатств его дна. Еще совсем недавно использование энергии океана считалось фантастикой. Однако сейчас, когда запасы минерального топлива на суше истощаются, все больше усилий прилагается для того, чтобы найти пути прямого преобразования энергии океана в электрический ток.
Энергия, запасенная в градиентах температуры и солености, является, по-видимому, самым большим энергетическим источником океана. Возможность извлечь энергию из перепада температуры между теплыми, приповерхностными и холодными, глубинными слоями океана подтверждает следующее. Если имеется два резервуара тепла разной температуры, то от резервуара с большей температурой (нагревателя) с помощью периодически работающей тепловой машины можно отобрать часть тепла и превратить его в полезную работу.
Для непрерывного получения работы из теплоты необходимо иметь рабочее тело, которое осуществляет последовательность круговых процессов, т. е. таких процессов, при которых оно периодически возвращается в исходное состояние. В каждом таком круговом процессе, называемом циклом, рабочее тело получает некоторое количество теплоты Q1 от первичного источника энергии при достаточно высокой температуре и отдает меньшее количество теплоты Q2 окружающей среде. Так как само рабочее тело, вернувшись в исходное состояние, имеет первоначальную внутреннюю энергию, то в соответствии с первым законом термодинамики разность теплот превращается в работу: A=Q1—Q2.
Эффективность преобразования теплоты в другие формы энергии (механическую, электрическую) в первую очередь определяется температурой, при которой теплота Q1 может быть передана рабочему телу. Степень преобразования теплоты в работу оценивают термическим КПД η1, под которым понимают отношение работы А, получаемой за цикл, к теплоте Q1, получаемой рабочим телом от первичного источника энергии: η1=A/Q1. Из термодинамики известно, что если задана температура Т1 подвода теплоты Q1 и температура Т2 отвода теплоты Q2, то наибольший возможный термический КПД определяется следующим выражением:
Из формулы можно сделать вывод, что с точки зрения эффективности преобразования теплоты в работу источники теплоты не равноценны. Чем выше температура первичного источника энергии и ниже температура окружающей среды, тем большую долю теплоты можно превратить в работу. Например, если иметь источник теплоты с температурой 360° С (типичная температура геотермальных источников), то из 1 Дж такой теплоты можно в лучшем случае получить 0,2 Дж механической работы (КПД 20%). Если же источник теплоты имеет температуру 2000° С, то из 1 Дж такой теплоты уже можно получить 0,85 Дж механической работы. Теплота при температуре окружающей среды Т^Т2 не имеет энергетической ценности, ибо из нее нельзя получить механическую работу или электроэнергию (ηтах~0).
Идея использования тепловой энергии океана была впервые выдвинута в 1881 г. французским физиком Ж. д’Арсонвалем. Он обратил внимание па то, что во многих районах Мирового океана существует устойчивая разница между температурой приповерхностных и глубинных слоев воды, которую можно использовать для производства электричества. В ряде тропических районов она достигает 20° С (25° С на поверхности океана и 5° С на глубинах порядка 400 м) (рис. 15). Термодинамическая эффективность извлечения полезной энергии из океанической разности температур составляет в лучшем случае 7%. Следовательно, требуется высокое техническое совершенство устройств океанских тепловых электростанций (рис. 16).
Рис. 15. Зависимость температуры океана от глубины
1 — в бухте Тояма; 2 — в проливе Осуми; 3 — у острова Ириомото
Рис. 16. Схема основных элементов ОТЭС замкнутого цикла
1 — теплая вода; 2 — теплая вода, охлажденная до 23° С; 3 — рабочий нар высокого давления; 4 — рабочая жидкость высокого давления; 5 — рабочая жидкость низкого давления; 6 — рабочий пар низкого давления; 7 — конденсатор; 8 — холодная вода; 9 — холодная вода, подогретая до 7° С; 10 — турбогенератор; 11 — электричество
Ученик Ж. д’Арсонваля Ж. Клод первым продемонстрировал возможность практического осуществления этой идеи. Вначале он провел ряд экспериментов на барке в Средиземном море, а затем построил в конце 20-х годов демонстрационную установку в заливе Матансас на Кубе. В ходе этих опытов в конце концов удалось генерировать электроэнергию в течение нескольких дней. Мощность установки была около 22 кВт, но трубы, по которым поступала холодная вода, были разрушены штормом. Поскольку нефть в те годы была дешевой и имелась в избытке, установка так и не была восстановлена. Ж. Клод использовал морскую воду в качестве рабочего тела так же, как в наши дни используют пар для производства электроэнергии. В 1944 г. во Франции была создана частная компания «Энергия морей», которая спроектировала две достаточно крупные для того времени электростанции, работающие на тепловой энергии океана. Техническая реализация этих проектов была принципиально возможна, однако экономически они были убыточны.
В начале 70-х годов в связи с энергетическим кризисом работы по использованию тепловой энергии океана в ряде стран развернулись значительно шире. В частности, общий объем финансирования американских работ достигает почти 100 млн долл. в год. В Японии планируется создание ОТЭС мощностью 100 МВт. Во Франции проектируется ОТЭС мощностью 1 МВт. Организован консорциум ряда европейских крупных частных компаний «Евроокеан».
В августе 1979 г. в США вступила в строй установка ОТЭС, дающая «чистый» выход энергии. Миниустановка была смонтирована на барже вблизи мыса Кеахоле на Гавайских островах (рис. 17). На примере этой установки была показана возможность производства в небольшом масштабе энергии за счет перепада температур в океанских водах. На барже размером 10X35 м была размещена небольшая установка в 50 кВт, состоящая из теплообменников и турбогенераторной системы. Рабочей жидкостью служил аммиак, циркулирующий в замкнутой системе, действующей по принципу кондиционера воздуха, включенного наоборот.
Миниустановка ОТЭС использует 10 тыс. л тепловой воды при температуре 27,2° С и такое же количество воды при 6° С для производства 50 кВт энергии. Холодная вода подается на поверхность по трубе длиной почти 675 м. сделанной из высокоплотного полиэтилена. Труба служит еще и основой якорной системы судна. Полный выход энергии был немного выше расчетной величины. Установка была смонтирована в основном из стандартных деталей. Расчетный КПД цикла Карно составлял около 7,5%.
