Арктический энергетический комплекс
ARCTIC ENERGY COMPLEX

Изобретение относится к области альтернативной энергетики, использующей энергию солнца и ветра для получения электроэнергии и генерации водорода, используя воду в качестве рабочего вещества, его накопление, хранение и использование.
Освоение арктических территорий Российской Федерации, богатых природными ресурсами, затруднено как суровым климатом, так и ограниченностью использования привычных источников электроэнергии. Сегодня энергообеспечение объектов в районах Арктики осуществляется преимущественно за счет дизельных электростанций, топливо для которых поступает раз в год по северному завозу. Решение проблемы использования местных, экологически чистых источников получения энергии позволит решить как проблему обеспечения электроэнергией различных объектов в Арктике и северных областях страны, так и проблемы сохранения природы в этом регионе. Использование установок для получения альтернативной энергии особенно актуально для обеспечения жизнедеятельности удаленных объектов. Для таких специфичных условий необходимы особые устройства генерирования электроэнергии, без которой невозможно освоение и развитие этих территорий, эффективная защита от внешних посягательств.
Известна ветроэнергетическая установка (патент RU 2390654, 2010 г.), содержащая роторный ветрогенератор с вертикальной осью вращения, выполненный в виде модуля с возможностью вертикальной сборки модулей, включающий прикрепленные к несущему цилиндру лопасти ротора ветротурбины, размещенного внутри выполненной соосно с ротором ветротурбины неподвижной системы ветронаправляющих экранов, выполненной в виде вертикальных отклоняющих пластин, ветронаправляющие экраны выполнены с возможностью изменения площади каждой из вертикальных отклоняющих пластин за счет телескопического перемещения их подвижного сектора, лопасти ротора ветротурбины, выполненные плоскими, снабжены завихрителями, выполненными в виде цилиндрически изогнутых полосок, а размещение лопастей ротора ветротурбины относительно несущего цилиндра выполнено с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора.
Недостатком этого устройства является ограниченное использование только ветровой энергии, отсутствие возможности накопления энергии и потребления ее в безветренный период.
Известна также гелиоветровая энергетическая установка (патент RU 2714584, 2000 г.), содержащая лопастную ветровую турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри ветронаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси лопастной ветровой турбины, фотоэлектрический преобразователь световой энергии, установленный на верхней крышке, лопастная ветровая турбина выполнена в виде параллельных дисков, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом, диски образуют пустотелые барабаны, между внутренними поверхностями дисков жестко закреплены вертикальные лопасти, турбина размещена в центре ветронаправляющего аппарата, выполненного в виде равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных спиралевидных ветронаправляющих экранов.
Недостатками этого устройства является, во-первых, невозможность полностью использовать вырабатываемую электроэнергию в моменты максимальной генерации, во-вторых, невозможность накапливать энергию и использовать ее в моменты пиковых нагрузок и при отсутствии источников альтернативной энергии используемых для генерации, таких как солнечного света и ветра.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является способ генерации электроэнергии на основе накопления энергии, использующий природную энергию, и система генерации электроэнергии (патент RU 2583168, 2016 г.), включающий этапы, на которых используют природную энергию для генерации электроэнергии, и используют электростанцию, работающую на природной энергии, для генерации электроэнергии и приводят в действие устройство сжатия воздуха, а затем используют устройство сжатия воздуха для получения сжатого воздуха в качестве аккумулирующей энергию среды с последующим хранением сжатого воздуха в устройстве для хранения воздуха, причем затем сжатый воздух полагают основным источником движущей силы или вспомогательным источником движущей силы для других электростанций.
Недостатком этого изобретения является необходимость использования нескольких электростанций, больших резервуаров для хранения сжатого воздуха, выдерживающих давление до 120-180 атмосфер, что усложняет управление конструкцией системы генерации, повышает ее стоимость.
Задачей изобретения является создание арктического энергетического комплекса, который, используя энергию солнца и ветра, обеспечивает снабжение энергией объектов инфраструктуры, эксплуатацию средств наблюдения, устройств и механизмов, комфортные условия проживания персонала, при использовании в обитаемом варианте, комплекса, способного за счет излишков генерируемой энергии осуществлять гидролиз воды и накапливать водород, используемый в дальнейшем для производства электроэнергии, тепла и топлива для двигателей механических устройств.
Требуемый технический результат достигается тем, что арктический энергетический комплекс располагается на ажурной пирамидальной вышке, где над техническо-жилым помещением располагается резервуар для хранения водорода, на внешнюю поверхность которого нанесена солнечная батарея, а сверху находятся средства наблюдения, прежде всего радиолокационные станции, помещенные в радиопрозрачный корпус, и камеры оптического и инфракрасного диапазона. В техническо-жилом помещении располагается ветрогенератор, ось вращения которого направлена вертикально вниз между опорами вышки с расположенными на ней модулями лопастей вертикальной сборки, выполненными из стеклопластика для уменьшения их массы. В техническо-жилом помещении расположен также электролизер с запасом воды и топливные элементы, аккумуляторная батарея; система управления и связи. Топливные элементы через компрессор соединены с резервуаром для хранения водорода. Компрессор с системой клапанов и трубопроводов также соединен с находящимся на поверхности земли баллоном высокого давления.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на Фиг. 1 представлен арктический энергетический комплекс, где:
1 - антенны системы связи;
2 - радиопрозрачный корпус;
3 - средства наблюдения;
4 - солнечные батареи;
5 - резервуар для хранения водорода;
6 - топливные элементы;
7 - техническо-жилое помещение;
8 - система управления и связи;
9 - компрессор;
10 - аккумуляторная батарея;
11 - электрогенератор;
12 - электролизер;
13 - модули лопастей;
14 - ажурная пирамидальная вышка;
15 - баллон высокого давления.
На Фиг. 2 представлена схема генерации, сбора, хранения и использования водорода с системой клапанов, где:
Изобретение работает следующим образом: при состоянии природной среды способствующей генерации электроэнергии, в солнечную погоду солнечная батарея (4) производит выработку электроэнергии, при наличии ветра, вращающего модули лопастей (13), электрогенератор (11) также подключается к процессу производства электроэнергии. Полученная от этих источников электроэнергия поступает потребителям и обеспечивает работу системы управления и связи (8), средств наблюдения (3) и жизнеобеспечения арктического энергетического комплекса. При превышении объема вырабатываемой электроэнергии над объемом потребляемой производится зарядка аккумуляторной батареи (10). Неиспользованная электроэнергия также поступает на электролизер (12), где запускается процесс генерации водорода, его сбор и закачка в резервуар для хранения водорода (5) компрессором (9) по трубопроводам при открытых соответствующих клапанах.
В темное время суток или года, когда невозможно использовать солнечные батареи (4) для производства электроэнергии и при отсутствии ветра, исключающего поступление электроэнергии и от электрогенератора (11) системой управления и связи (8), для производства электроэнергии подключаются топливные элементы (6), использующие для производства электроэнергии водород, накопленный в резервуаре для хранения водорода (5). Открываются соответствующие клапаны и по трубопроводу за счет избыточного давления в резервуаре для хранения водорода (5) или с помощью компрессора (9) водород поступает на топливные элементы (6). Топливные элементы (6) генерируют электроэнергию, которая поступает потребителям.
Система управления и связи (8) осуществляет контроль работоспособности всех систем комплекса, управление ими и представление информации на пункт управления по радиосвязи, при работе в автоматизированном и автоматическом режиме. Для контроля параметров система управления и связи (8) использует данные различных датчиков, датчиков давления в резервуаре для хранения водорода (5) и на входе баллона высокого давления (15), наличия воды в электролизере (12) и др.
Автоматизация всех процессов арктического энергетического комплекса не исключает обслуживание и эксплуатацию человеком. Сохраняется необходимость технического обслуживания систем комплекса, устранение возникающих неисправностей, пополнение запасов воды используемой в электролизере (12) и т.п.
Для этого понадобится доставлять специалистов и использовать специальный транспорт, адаптированный для суровых условий Арктики. Слабое развитие или полное отсутствие инфраструктуры заставляет опираться на имеющиеся возможности. Арктический энергетический комплекс способен решить и транспортную проблему при условии использования двигателей работающих на водороде. При накоплении большого объема водорода компрессором (9) по команде системы управления и связи (8) осуществляется заполнение баллона высокого давления (15), из которого пополняются запасы используемых транспортных средств.
Построение разветвленной сети арктических энергетических комплексов, получающие электроэнергию за счет альтернативных, экологически чистых источников позволит эффективно осваивать огромные территории богатые различными природными ресурсами. На постоянной основе осуществлять сбор метеорологической информации, отслеживать изменения климата, развернуть сеть ретрансляторов и базовых станций для обеспечения надежной связи. Осуществлять контроль территории и обеспечивать охрану биоресурсов.