АЭРО ГЭС
AERO HPP

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для получения энергии, запасенной в атмосферной влаге в любой точке мира.
Известны различные варианты ГЭС (см., например, http://ru.wikipedia.org/wiki/ГЭС), использующие энергию водяного потока, возникающую от перепада высот с двух сторон плотины, перегораживающей реку. Такая ГЭС имеет верхний бьеф (водохранилище перед плотиной), нижний бьеф (уровень реки за плотиной), соединяющий их водовод и турбогенератор, который использует энергию водяного потока в этом водоводе для выработки электроэнергии.
Общими недостатками таких ГЭС является то, что они требуют значительных капитальных затрат на сооружение плотины, занимают значительные территории под водохранилище, наносят ущерб экологии и обычно удалены от потребителя. Кроме того, всегда существует потенциальная опасность возможного разрушения плотины. В известной мере, все эти недостатки являются следствием сравнительно небольших перепадов высот при огромных объемах воды, характерных для большинства равнинных рек.
Наиболее близким к предлагаемому решению является патент RU 2407914 C1 (СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ЧИСТОЙ ВОДЫ). В этом способе предлагается получение электроэнергии и дистиллированной воды путем использования атмосферной воды облаков. Это достигается путем поднятия сборника воды (играющего роль верхнего бьефа) на уровень чуть ниже облаков с помощью привязных аэростатов, вызова конденсации и выпадения влаги с помощью распыления мелкодисперсного реагента с аэростата, расположенного выше сборника, и доставки собранной воды на землю по соединяющей трубе (безнапорному водоводу).
Данное устройство имеет ряд серьезных конструктивных и физических недостатков, связанных именно со способом конденсации воды путем создания спонтанного искусственного дождя и сбора этого дождя в горизонтальный водосборник: аэродинамическая неустойчивость водосборника при сильных ветрах, конструктивная сложность распыления и доставки реагента и очистки воды от него, неоднозначность выпадения влаги при введении реагента (http://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_seeding), высокая вероятность выпадения льда прямо под облаком с разрушением конструкции, огромная неравномерность гидравлического потока, и связанная с этим невозможность использования напорного водовода для уменьшения потерь энергии в водоводе.
Настоящее изобретение описывает ГЭС, содержащую верхний и нижний бьеф, водовод и турбогенератор, а также ГЭС снабжена поверхностями, выполненными с возможностью приема атмосферной влаги из воздушного потока и доставки ее к верхнему бьефу, причем эти поверхности подняты на высоту выше точки росы для данных атмосферных условий. Эти поверхности могут поддерживаться на данной высоте аэростатами или дирижаблями. Также они могут быть выполнены в виде воздушного змея или параплана. Поверхности могут быть снабжены дренажной системой сбора атмосферной влаги, выполненной в виде желобов и трубных каналов, передающих собранную воду в верхний бьеф. Также эти поверхности могут иметь полную или частичную металлизацию. В одном из вариантов исполнения водовод ГЭС может быть расчленен на несколько секций с промежуточными турбогенераторами.
Технический результат - расширение функциональных возможностей и увеличение удельной мощности ГЭС путем использования максимально возможного перепада высот между верхним и нижним бьефом (от высоты реальной конденсации атмосферной влаги в облаке до уровня земли, тогда как у прототипа только от уровня нижнего края облаков до уровня земли), расширение территориальной применимости ГЭС (в любом месте планеты, тогда как у прототипа либо в океане, либо в местах интенсивного выпадения осадков), уменьшение габаритов на поверхности земли, выполнение мобильной (в том числе и для использования на транспорте, например, для снабжения электроэнергией и водой океанских судов). Кроме того, она обеспечивает в любом месте получение чистой воды для питья и орошения, не нанося ущерб экологии из-за сравнительно небольших гидро потоков по сравнению с обычными ГЭС. Еще одним преимуществом является снижение капиталоемкости и материалоемкости ГЭС.
Известно (http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy#Energy_from_the_Sun), что солнечная энергия, доходящая до нашей планеты, примерно в 10000 раз превосходит потребности человечества. Из нее примерно четверть уходит на испарение воды, которая более-менее равномерно аккумулируется в атмосфере. Стандартная гидроэнергетика принципиально способна использовать только малую часть этой энергии, так как все осадки теряют основную часть своей потенциальной энергии по пути к земле на преодоление сопротивления воздуха и удар об землю, а кроме того большинство осадков выпадает в океан или на равнину, что делает невозможным или невыгодным их использование. Для того чтобы использовать эту потенциальную энергию более рачительно, надо собирать воду на той высоте, где она конденсируется, и срабатывать в ГЭС весь перепад высот и в любом месте планеты. Именно это и составляет сущность данного изобретения.
Устройство такой ГЭС показано на Фиг.1 и содержит нижний бьеф 1, верхний бьеф 2, водовод 3, турбогенератор 4, сетчатые, тканные или пленочные поверхности 5, аэростат или дирижабль 6 и крепежные тросы 7. Аэростат или дирижабль 6 поднимает поверхности 5 на высоту выше точки росы для данных атмосферных условий (также называемую в метеорологии линией конденсации или базой облаков). Там переохлажденная атмосферная влага из набегающего воздушного потока начинает конденсироваться (собираться) на сетчатых поверхностях 5 (например, из полипропиленовой сетки, используемой в системах сбора тумана). Дренажная система на поверхностях 5 отводит эту воду в резервуар (верхний бьеф 2), откуда вода под напором всего перепада высот (2-3 км) поступает по водоводу 3 в нижний бьеф 1 на земле, производя электроэнергию в турбогенераторе 4.
Механизм конденсации влаги на поверхностях 5 состоит как в создании центров конденсации или кристаллизации атмосферной влаги, что аналогично воздействию реагента в установке прототипа, так и в чисто механическом сборе капель влаги, уже сконденсированной в облаке, что аналогично работе систем сбора тумана (http://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection). При этом конденсация влаги происходит равномерно, а не спонтанно, как в установке прототипа. Оптимальная высота подъема поверхностей 5 зависит от типа облаков и соответствует максимальной водности в облаке (обычно это примерно на 1 км выше базы облаков).
Всю установку можно собрать на любой удобной промышленной площадке, а затем смонтировать окончательно в месте, необходимом для потребителя электроэнергии и воды, просто подняв и переместив ее целиком с помощью аэростата или дирижабля 6.
Если в данном месте дуют постоянные устойчивые ветры, или это портативная установка (например, для туристов, военных или спасателей МЧС), то можно выполнить поверхности 5 в виде воздушного змея или параплана для самостоятельного удержания всей установки в воздухе.
Устройство такой ГЭС показано на Фиг.2 и содержит нижний бьеф 1 (приемник питьевой воды), дренажную систему и водосборник 2 (верхний бьеф), безнапорный водовод 3 (он же полый канат или трос 7), турбогенератор 4 (который может отсутствовать у портативных или спасательных установок, предназначенных только для получения питьевой воды), тканные (например, из аэро или парашютной ткани) или пленочные (например, из полипропилена или высокопрочного полиэтилена) поверхности 5, являющиеся частью воздушного змея 6 (например, типа Flowform), удерживаемого тросом 7 (он же водовод 3). Такая установка может быть очень легкой и компактной в свернутом виде. Так она может, например, доставляться к месту проведения спасательных операций, и запускаться там для получения питьевой воды.
В общем случае водовод 3 может быть выполнен либо безнапорным (как и у прототипа), либо напорным (как у традиционных ГЭС), что может увеличить кпд такой установки. Современные конструкционные материалы позволяют использовать гибкий напорный водовод 3 с максимальным давлением воды до 200-300 атмосфер. Также конструкция может быть реализована путем расчленения водовода 3 на несколько секций с промежуточными турбогенераторами, срабатывающими напор своей секции и передающими электроэнергию вниз по проводам.
Также поверхности 5 могут быть выполнены с полной или частичной металлизацией (например, вплетением металлических проводников). Это позволит увеличить прочность конструкции, снизить солнечный нагрев, усилить конденсацию водяного пара за счет подачи электрического поля (например, имеются эксперименты по использованию для этого коронного разряда), а также при необходимости уменьшить обледенение за счет подачи тока.
Обледенение может использоваться как стандартный режим, так как система обладает автоматической устойчивостью - при накоплении льда вся конструкция самостоятельно снизится в область более высоких температур атмосферы, а после таяния льда сама поднимется на необходимую высоту.
2
Итак, такую ГЭС можно применять практически в любой точке мира, не нанося вреда окружающей среде. Расчеты показывают, что такая ГЭС может вполне обеспечить небольшие города, полагая, что ~100 м поверхностей 5 на каждого жителя обеспечивают его потребности в воде (~1000 л/сутки) и бытовой электроэнергии (~150-200 кВт-час/месяц).