Для преобразования энергии перепада температур в океане в настоящее время предложено несколько типов устройств. Наибольший объем исследований ведется по разработке систем, действующих по двухконтурной схеме с промежуточным рабочим телом на основе термодинамического цикла Ренкина, устройств, выполненных по одноконтурной схеме и работающих непосредственно на морской воде (открытый цикл Клода).
К основным на сегодняшний день (имеются в виду промышленно разрабатываемые установки) можно причислить и устройства, работающие по одноконтурной схеме, но нагруженные на обычную гидравлическую турбину (цикл Фетковича). Далее следует целый ряд модификаций схем тепловых машин, использующих кроме того и другие перепады температур (воздух–вода, точнее атмосфера–гидросфера, гидросфера–литосфера), а также системы для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.
Схема установки, работающей по замкнутому циклу, приведена на рис. 7.17.
В такой системе с помощью теплых поверхностных вод, прокачиваемых насосом через теплообменник испарителя, превращают в пар какое-либо подходящее рабочее тело (аммиак, фреон, пропан), создают пар повышенного давления, давая ему возможность расшириться через турбину в холодильник, где пар конденсируется при контакте с охлаждаемыми поверхностями второго теплообменника, омываемого водой, закачиваемой из глубинных слоев океана.
Рисунок 7.17 – Схема термальной установки, работающей по замкнутому циклу:
1 – насос теплой воды; 2 – испаритель; 3 – насос осушителя парообразного рабочего тела; 4 – осушитель; 5 – турбина с электрогенератором; 6 – конденсатор; 7 – насос для забора холодной воды; 8 – насос для подачи рабочего тела
На рис. 7.18 показан термодинамический цикл такой тепловой машины (цикл Ренкина) в координатах абсолютная температура-энтропия.
Рисунок 7.18 – Термодинамический цикл ОТЭС (цикл Ренкина)
Полезная работа, совершаемая паром в турбине, определяется ветвью 1–2, на участке 2–3 происходит конденсация, затем насосом рабочее тело подается в испаритель 3–4, где нагревается (ветвь 4–5) и испаряется (ветвь 5–1). Таким образом, подвод рабочего тела к системе тепла осуществляется на ветви 3–4–5, а отвод – на ветви 2–3. Дополнительную работу приходится затрачивать на закачку конденсата в испаритель (3–4) и на подачу воды в нагреватель и холодильник.
Максимальный теоретический КПД такой системы определяется разностью температур воды, подаваемой в нагреватель и холодильник, как КПД эквивалентного цикла Карно:
. (7.43)
Для перепадов температур между поверхностными и глубинными слоями воды в пределах от 15 до 26°С он соответственно изменяется в диапазоне от 5 до 9%. Реальный КПД, как правило, существенно ниже. Это связано с конструктивными ограничениями, не позволяющими в реальной установке довести температуру паров и конденсата до температуры теплых и холодных вод соответственно (на рис. 7.18 это подчеркнуто с помощью разностей температур 
и 
. Конкретные температуры приведены на рис. 7.17. Можно подсчитать, что при теоретическом КПД, равном 7,3%, на турбине получаем величину примерно в 2 раза меньшую – 3,6%. Причем она не учитывает еще потерь на собственные нужды станции, которые сведут КПД до величины, меньшей 2,5%. Это, в свою очередь, означает, что для получения 1 МВт «полезной» мощности через теплообменники такой станции должно пройти не менее 40 МВт тепловой мощности. Именно поэтому ОТЭС требуют огромных расходов теплой и холодной воды, измеряемых в тысячах кубометров в секунду.
Для того чтобы представить себе, что же такое реальная промышленная ОТЭС, достаточно указать такие ориентировочные цифры: станция мощностью 40 МВт (плавучая) должна иметь водоизмещение примерно 70 тыс. т, диаметр трубопровода холодной воды 10 м и рабочую поверхность теплообменника около 45 тыс. м2. Соответственно, для станции с полезной мощностью 500 МВт водоизмещение будет составлять примерно 500 тыс. т (водоизмещение современного супертанкера), трубопровод должен иметь диаметр не менее 30 м, площадь теплообменника будет около 2106 м2.
Схема установки, работающей по открытому циклу Клода, показана на рис. 7.19.
Рисунок 7.19 – Схема ОТЭС, работающей по открытому циклу (цикл Клода):
1 – насос теплой воды; 2 – деаэратор; 3 – вакуумный насос; 4 – испаритель; 5 – турбина с электрогенератором; 6 – конденсатор; 7 – насос для подъема холодной воды
В качестве рабочего тела здесь использована морская вода, подаваемая в испаритель через деаэратор, освобождающий воду от растворенных в ней газов. Предварительно из полостей испарителя и конденсатора удаляется воздух, так что давление над поверхностью жидкости определяется только давлением насыщенных паров, которое сильно зависит от температуры. При характерных для ОТЭС температурах этот перепад составляет примерно 1,6 кПа (при замкнутом цикле на аммиаке около 500 кПа), под действием этого перепада пары воды приводят в движение турбину, попадают в конденсатор, где и превращаются в жидкость. Основное отличие цикла как раз и состоит в малости перепада давлений, что требует использования соответствующих гигантских турбин диаметром в несколько десятков метров. Это, пожалуй, основной технический недостаток систем открытого цикла. Основное же их достоинство – отсутствие гигантских нетехнологичных теплообменников.
Кроме того, при работе систем открытого цикла могут быть получены большие количества пресной воды, что немаловажно в жарком поясе планеты.
На рис. 7.20 приведена обобщенная схема, описывающая работу по крайней мере трех устройств, предложенных в 1975–1976 гг. Е. Беком, К. Зенером и Дж. Фетковичем.
Рисунок 7.20 – Обобщенная схема двухфазной термоэнергетической установки (схема Бека):
1 – парообразователь; 2 – накопитель; 3 – гидравлическая турбина; 4 – конденсатор
В основе способа преобразования энергии – подобие существующего в природе круговорота воды под действием солнечной радиации. Подъем воды на требуемый уровень осуществляется путем либо создания в столбе кавитационных пузырьков, либо вспениванием (эффекты аналогичные подъему жидкости с помощью эрлифта), либо созданием разрежения над ее поверхностью за счет образования тумана. Гидротурбина при этом может быть установлена непосредственно в трубопроводе теплой воды, забираемой с поверхности.
Более конкретная реализация описанного принципа с использованием парожидкостного тумана, образующегося над поверхностью теплой воды в том случае, когда конденсатор размещен значительно выше, поясняется рис. 7.21 (С. Риджуэй и А. Шомет, Калифорнийский университет).
Парожидкостная смесь, с удельным объемом от 200 до 3000 см3/г, содержащая капельки воды размером около 200 мкм, поднимаясь в поле отрицательного градиента температур, выполняет работу по прокачиванию теплой поверхностной воды через турбину. Общая проблема при реализации подобных устройств в промышленных масштабах (лабораторные образцы уже осуществлены) – возможная нестабильность тумана, пены, кавитационных пузырьков.
Рисунок 7.21 – Вариант схемы парожидкостного устройства:
1 – теплая вода; 2 – парожидкостная смесь (туман); 3 – холодная вода
К этому же классу систем относится преобразователь Фетковича, схема которого поясняется рис. 7.22.
Это система периодического действия, основанная на поочередном подключении внутренней полости рабочей камеры к блокам испарения теплой и холодной воды, в результате чего в первой создается разрежение, под действием которого и засасывается забортная вода. После подъема на максимальный уровень вода сбрасывается через турбину. Вне зависимости от выбора типа термодинамического цикла при разработке преобразователей тепловой энергии океана требуется создавать достаточно материалоемкие конструкции, протяженные трубопроводы для забора холодной воды, приходится решать задачи как предохранения от воздействия среды (силовое при штормах, коррозия, обрастание), так и предохранения среды от воздействия реагентов или продукции, вырабатываемой такими устройствами.
Рисунок 7.22 – Преобразователь Фетковича:
1 – гидравлическая турбина; 2 – клапан турбины; 3, 4 – клапаны испарителей теплой и холодной воды; 5 – рабочая камера; 6 – обратный клапан рабочей камеры