МОРСКОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Морской энергетический комплекс (МЭК) относится к энергетическим системам, а конкретно к устройствам получения энергии из возобновимых источников энергии без загрязнения окружающей среды.
Одной из характерных черт современного человеческого общества является постоянный рост энергопотребления как в жилищно-коммунальном, так и в промышленно-производственном секторах. Энергетика пронизывает всю социальную инфраструктуру общества, обеспечивая растущие потребности его при относительно приемлемых экологических и экономических затратах. Рост потребления энергии при ограниченности запасов традиционных энергоресурсов на Земле составляет внутреннее содержание нарастающего энергетического кризиса, выражающегося прежде всего в постоянном повышении цен на нефть, газ и уголь, причем темпы нарастания кризиса в свою очередь увеличиваются.
Энергетический кризис, в основе которого лежат планетные реалии и демографические особенности, (рост населения) общества сопровождается экологическими следствиями: изменением состава газовой оболочки Земли и связанным с этим изменениями климата, грозящими экологической катастрофой.
Приближающееся истощение не возобновимых источников энергии на Земле, глобальные изменения климата, растущие потребности населения в энергии вынуждают человечество обращаться к возобновляемым (природным) источникам энергии (ВИЭ). Использование ВИЭ - энергии солнца, движения водных и воздушных масс, геотермальной энергии и других природных явлений составляет основу нетрадиционной энергетики.
Радикальные изменения происходят в водородной энергетике, где с помощью высоких технологий, в частности, интенсивно внедряются электрохимические генераторы, обладающие невиданным коэффициентом полезного действия (65%) и высокой экологической чистотой. Не менее этого обнадеживает сторонников использования ВИЗ успехи в области повышения эффективности фото энергетических установок. Если в настоящее время КПД их составляет 12-15%, то недавние достижения российских физиков позволяют по недавнему заявлению лауреата Нобелевской премии Жореса Алферова в ближайшем будущем довести КПД ФЭУ до 35%, что сделает их массовое использование экономически выгодным.
Характерной особенностью развития нетрадиционных энергоустановок (НЭУ) последних лет является комплексирование различных ВИЭ - объединение в одной нескольких способов получения электроэнергии. Например, объединение водной, гелио- и ветроустановки с тем, чтобы обеспечить более устойчивую работу НЭУ. Это позволяет проявить синергетический эффект - действий отдельных ВИЭ. Совместная работа нескольких НЭУ позволяет также значительно снизить расходы на обслуживание их, вспомогательные электросети, аренду земли и т.д.
В этой связи заслуживает внимания создание комплексных энергоустановок на море: на специальных платформах или вспомогательных судах (понтонах, баржах). Помимо экономических вышеупомянутых причин комплексирования имеет еще одна немаловажная для работы например ВЭУ воздух над морем значительно чище, что обеспечивает более эффективную работу фотоэлементов. Кроме того, морская стихия сама по себе является источником энергии. Богатейшая химическая энергия растворенных в морской воде веществ - все это представляется неисчерпаемым легко доступным резервуаром энергии.
Попытки создания энергетических установок на море предпринимались с незапамятных времен. Вероятно, первой такой энергоустановкой являются
парусные суда использующие энергию ветра. В настоящее время, как известно ВЭУ сами «шагнули» в море.
Особенно широко используется солнечная энергия и энергия ветра, морских течений, зыби, приливов и отливов в Морской экологической станции (см. Патент RU №2224117, 2004 г.). Данное устройство наиболее близко к предлагаемой полезной модели и взято за прототип. Она включает блок забора глубоководной воды, энергетический комплекс, ванну десероводородизации, электролизную ванну, ванну выпаривания морской воды, фотолизер, приемник водорода, топливохимическую элементную станцию и др.
Однако МЭС в основном используется для решения экологической задачи десероводородизации глубинных вод Черного моря, очистки акватории портов и гаваней, малым количеством вырабатываемой электроэнергии, которую можно использовать для энергоснабжения прибрежных и морских объектов, а выработка энергии зависит от сезонных, суточных и климатических условий. Кроме того, МЭС не обеспечивает само стабилизацию при волнении моря.
Задачей полезной модели является получение источника электроэнергии, снабжающей прибрежные и морские объекты, вне зависимости от географического расположения, сезонных, суточных и климатических условий и обеспечение само стабилизации станции при волнении моря.
Техническим решением задачи является создание Морского энергетического комплекса, содержащего, блок забора воды (БЗВ), блок энергетический (БЭ), блок переработки морской воды (БПМВ), систему очистки морской акватории (СОМА), который дополнительно снабжен системой очистки, осушки водорода (СООВ); системой очистки, осушки и сжижения кислорода (СООСК); силовым блоком (СБ), системой хранения и перекачки (СХП); системой управления, контроля сигнализации и связи (СУКС); морской фермой (МФ); системой стабилизации морского энергетического комплекса (ССМЭК); системой приема, стоянки и отправки летательных средств (СПЛС); системой обеспечения жизнедеятельности персонала (СОЖП); системой
транспортирования продуктов морского энергетического комплекса (СТ); в качестве первичного источника энергии используются фотоэлектрическая станция (ФЭС), гидроэлектрическая установка (ГЭУ), ветроэнергетическая установка (ВЭУ), гальвано электрическая батарея (ГЭБ), блок аккумуляторных батарей (БАБ), топливнохимическая элементная станция (ТХЭС), которые через блок управления первичными источниками (БУПИ) имеет электрические связи и обеспечивает работу всех систем, устройств и агрегатов морского энергетического комплекса (МЭК), а основным источником энергии морского энергетического комплекса (МЭК) является блок дизель-генераторов (БДГ), источником питания которого используют газообразный водород, получаемый в фотоэлектролизере (ФЭЛ) и электролизной ванне (ВЭ); причем блок забора воды (БЗГВ) состоит из заборного трубопровода (ЗТ), с фильтром (Ф), удерживаемый якорем на заданной глубине, а второй конец заборного трубопровода соединен с блоком очисти заборной воды (БОЗВ), который в свою очередь соединен трубопроводом ванной электролизная (ВЭ) и фотоэлектролизером (ФЭЛ), а ванна электролизная соединена трубопроводом с ванной выпаривания морской воды (ВВМВ), которая имеет возможность отбора морской соли в емкость для сбора соли (ЕСС), а фотоэлектролизер (ФЭЛ) соединенен трубопроводом с топливнохимической элементной станцией (ТХЭС) и блоком дизель-генераторов (БДГ) через - установку очистки и осушения водорода (УООВ), и - распределительный пункт водорода (РПВ) который соединен с подводным газгольдером водорода (ПГВ), емкостью для транспортировки водорода (ЕТВ) через перекачивающую станцию водорода (ПСВ) а ванна электролизная (ВЭ) соединена трубопроводом с емкостью для транспортировки кислорода (ЕТК) через блок сжижения кислорода (БСК), емкость для хранения кислорода (БСК) и перекачивающую станцию кислорода (ПСК).
Система очистки морской акватории (СОМА) включает генератор ультракоротких волн (ГУКВ) и генератор ультразвуковых колебаний (ГУЗК).
Система хранения и перекачки (СХП) содержит перекачивающую станцию водорода (ПСВ) и емкость для транспортировки водорода (ЕТВ), перекачивающую станцию кислорода (ПСК), соединенную с емкостью для транспортировки кислорода (ЕТК).
Все оборудование энергетического комплекса расположено на понтонах, закрепленных на якорях или платформе, установленной на сваях.
Морская платформа модульного типа и состоит из отдельных секций, собираемых в зависимости от целей, задач или количества оборудования.
Система стабилизации морского энергетического комплекса (ССМЭК) соединена с подводным газгольдером водорода (ПГВ).
Система управления, контроля сигнализации и связи (СУКС) содержит блок управления и контроля работы систем, узлов и агрегатов станции (БКРС) и блок сигнализации и связи (БСС).
Система приема, стоянки и отправки летательных средств (СПЛС), снабжена блоком самолетным (БС) и блоком вертолетным (БВ).
Система обеспечения жизнедеятельности персонала (СОЖП) снабжена блоком персонала и охраны станции (БПОС).
Морская ферма (МФ) снабжена системой выращивания морепродуктов (СВМП).
Полезная модель поясняется фиг.1. Где обозначено:
I - энергетический блок (ЭБ);
II - блок забора морской воды (БЗМВ);
III - блок переработки морской воды (БПМВ);
IV - система очистки и осушки водорода (СООВ);
V - система очистки, осушки и сжижения кислорода (СООСК);
VI - силовой блок (СБ);
VII - система хранения и перекачки (СХП);
VIII - системой управления, автоматического контроля сигнализации и связи (СУКС);
IX - система очистки морской акватории (СОМА);
X - морская ферма (МФ);
XI - система стабилизации морского энергетического комплекса (ССМЭК);
XII - система приема, стоянки и отправки летательных средств (СПЛС);
XIII - система обеспечения жизнедеятельности персонала (СОЖП);
XIV - система транспортирования продуктов МЭК (СТ);
1 - фотоэлектрическая станция (ФЭС);
2 - гидроэлектрическая установка (ГЭУ);
3 - ветроэнергетическая установка (ВЭУ);
4 - гальвано электрическая батарея (ГЭБ);
5 - блок аккумуляторных батарей (БАБ);
6 - топливнохимическая элементная станция (ТХЭС);
7 - блок управления первичными источниками (БУПИ);
8 - фильтр (Ф);
9 - заборный трубопровод (ЗТ);
10 - блок очисти заборной воды (БОЗВ);
11 - фотоэлектролизер (ФЭЛ);
12 - ванна электролизная (ВЭ);
13 - ванная выпаривания морской воды (ВВМВ);
14 - установка очистки и осушения водорода (УООВ);
15 - блок очистки кислорода (БОК);
16 - блок сжижения кислорода (БСК);
17 - емкость для хранения кислорода (БСК);
18 - емкость для сбора соли (ЕСС);
19 - распределительный пункт водорода (РПВ);
20 - блок дизель-генераторов (БДГ);
21 - трансформаторная подстанция (ТП);
22 - перекачивающая станция водорода (ПСВ);
23 - подводный газгольдер водорода (ПГВ);
24 - емкости для транспортировки водорода (ЕТВ);
25 - перекачивающая станция кислорода (ПСК);
26 - емкости для транспортировки кислорода (ЕТК);
27 - блок управления и контроля работы систем, узлов и агрегатов станции (БКРС);
28 - блок сигнализации и связи (БСС);
29 - блок персонала и охраны станции (БПОС);
30 - генератор ультракоротких волн (ГУКВ);
31 - генератор ультразвуковых колебаний (ГУЗК);
32 - система выращивания морепродуктов (СВМП);
33 - датчики колебаний (ДК);
34 - исполнительные механизмы обеспечения волностойкости (ИМОВ);
35 - блок самолетный (БС);
36 - блок вертолетный (БВ);
Энергетический блок I предназначен для получения первичной энергии от ВИЭ и снабжения различных потребителей с целью обеспечения получения водорода, являющегося основным топливом для блока дизель-генераторов (БДГ), вырабатывающих электроэнергию - основной продукт МЭК.
Энергетический комплекс I снабжен источниками первичной электрической энергии:
2
фотоэлектрическая станция 1 (ФЭС) вырабатывает электрическую энергию на основе преобразования солнечной энергии фотоэлементами, укрепленными на плоском ячеистом щите установленном нормально по отношению к солнечным лучам. Расположение щита изменяется автоматически в соответствии с изменением угла падения солнечных лучей. При площади щита 10 м с него может быть снята электрическая энергия порядка 10 кВт. Таких установок может быть несколько, устанавливаемых в виде пакета параллельно расположенных щитов с фотоэлементами. Фотоэлектрическая станция 1, отличается от прототипа повышенным коэффициентом преобразования
световой энергии в электрическую. Это происходит за счет использования концентратов света и применения фотоэлементов;
Гидроэлектрическая установка 2, в отличие от прототипа преобразует кинетическую энергию морских волнений (зыби) в электрическую энергию. Это осуществляется с помощью сети поплавковых микро электростанций;
ветроэнергетическая установка 3. Предложенная конструкция выгодно отличается от прототипа большой эффективностью. Это обусловлено новой конструкцией ротора и нового метода преобразования кинетической энергии в электрическую, что позволяет расширить диапазон используемых скоростей ветра от 0,2 м/с до 50 м/с.
Ротор этой ветроустановки образует две геликоиндные лопасти, опирающиеся на верхний и нижний обручи, диаметром 2 м. При этом к нижнему обручу крепится обод червячного колеса, находящегося в зацеплении с червяком, приводящим в движение вал генератора, вырабатывающего электроэнергию;
Гальвано электрическая батарея 4, состоящая из гальвано элементов, вырабатывает электрическую энергию в результате химической реакции окисления между алюминием и электролитом, приготовленным из морской воды.
2
3
В отличие от прототипа, для непрерывной работы гальвано электрической батареи предусмотрена автоматическая замена алюминиевых электродов, а также обновление электролита и выгрузка образующегося шлака (AlO). Выгруженная двуокись алюминия отправляется на восстановление. После восстановления получаются электроды для ГЭБ, что позволяет организовать безотходной производство электроэнергии.
Блок аккумуляторных батарей 5 (БАБ) предназначен для обеспечения непрерывной работы энергетического комплекса, а также для обеспечения бесперебойной работы электорофотолизера, вырабатывающего водород для
силового блока. В качестве аккумуляторов могут использоваться конденсаторные батареи, обладающие большим сроком службы, или железо-никелевые аккумуляторы, имеющие малый саморазряд.
Использование блока аккумуляторов позволяет запасать электрической энергии в пиках вырабатываемых источниками 1, 2, 3, 4, и 6 энергии и равномерно распределять ее между потребителями. Все источники электрической энергии имеют электрические связи с блоком управления первичными источниками 7 электроэнергии. Применение несколько автономных электрических источников, позволяет повысить независимость МЭК от погоды, времени года и суток, а также вырабатывать энергию для обеспечения других объектов, как на море, так и на берегу.
Топливохимическая элементная станция 6, состоит из водородовоздушных элементов и предназначена для преобразования химической энергии соединения водорода с кислородом воздуха в электрическую энергию. Для протекания такой реакции необходим электролит и платиновый катализатор, а также строгое поддержание теплового режима.
В предложенном устройстве подача водорода производится от электрофотолизера, выделяющего водород из сероводорода. Этот процесс осуществляется только на глубоководных участках акватории, где глубина превышает 150 м.
Блок управления первичными источниками 7 электроэнергии предназначен для согласования параллельной работы различных источников (1, 2, 3, 4, 5, 6,) и преобразования выработанной энергии к виду наиболее соответствующему требованиям потребителей энергии, находящихся на МЭК. Электрическая энергия подается от БУЛИ 7 к насосам, электрофотолизеру, низкотемпературному электронагревателю, электродам, компрессорам, блоку сжижения кислорода, а также на освещение морской экологической станции, бытовых нужд, сигнальных и т.д. Данные связи на рисунке не представлены. Энергетический комплекс I может устанавливаться на нескольких понтонах, закрепленных на якорях или на платформе, установленной на сваях.
Блок забора воды II предназначен для транспортировки морской воды с различной глубины от 20 до 200 м. Он состоит из механического сетчатого фильтра 8 и секционированного заборного трубопровода 9. Длина трубопровода может изменяться в зависимости от нахождения станции в акватории. При этом для удержания трубы в вертикальном положении она снабжается анкерным якорем, соединенным с механическим фильтром. Трубопровод изготавливается из армированных композитных материалов и состоит их свинчиваемых между собой секций; верхний конец собранного трубопровода закрепляется в приемном отсеке блока очистки заборной воды 10.
Подача воды производится с помощью насоса (на рисунке не показан).
Блок переработки морской воды III предназначен для получения экологически чистого топлива - водорода используемого блоком дизель генераторов, являющимися основными источниками энергии МЭК, а также кислорода, серы, морской соли и других продуктов.
Он содержит блок очисти заборной воды 10; электрофотолизер 11 ванну электролизную 12, ванну выпаривания морской воды 13, емкость для сбора кристаллической серы 23.
БОЗВ 10 содержит механический фильтр, реактор подготовки электролита для ванны электролизной 12. БОЗВ очищает воду от механических и химических примесей, добавляет реактивы в воду, необходимые для эффективного процесса электролиза в ванне электролизной 12. Подготовленную вода (электролит) подают в ванну электролизную 12. В случае использовании МЭК глубинной воды (с использованием сероводорода) воду подают фотоэлектролизер 11.
Ванна электролизная 12 предназначена для получения газообразного водорода и кислорода. ВЭ состоит из ванны, батареи электродов, компрессоров для перекачки газообразного водорода и кислорода (на рисунке не показаны).
Кислород и водород накапливаются при электролизе морской воды, соответственно, в районе катодов и анодов в батареях элементов, и собирают в соответствующих коллекторах для дальнейшей их транспортировки.
Количество элементов в батареях определяется необходимой производительностью электролиза и может колебаться от 80 до 160 шт. В ходе электролиза концентрация соли в ванне непрерывно повышается и образующийся «рассол» самотеком стекает в ванну выпаривания морской воды 12, где производят получение морской соли путем выпаривания.
Ванная выпаривания морской воды 12 (ВВМВ) включает в себя ванну, нагреватели, (на рисунке не показаны) емкости для сбора морской соли 23. Выпаривание воды из рассола происходит как за счет воздействия солнечных лучей, так и за счет подогрева рассола нагревателями, при этом водяной пар удаляется из ванны с помощью потока горячего воздуха создаваемого вентилятором.
Электрофотолизер 11 это устройство, где на выделяющийся из морской воды ванна электролизной 12 сероводород воздействуют ультрафиолетовым излучением, создаваемым, например специальными кварцевыми лампами. Под воздействием ультрафиолетового облучения сероводород разлагается на газообразный водород и кристаллическую серу. Газообразный водород подается в топливнохимическую элементную станцию 6 через установку очистки и осушения водорода 14 и распределительный пункт водорода 19. Выпадающую кристаллическую серу собирают в емкость для сбора кристаллической серы механическим путем.
Полученный газообразный кислород в ВЭ 12 впервые применяется для лечения воды, например. Черного моря, для чего его направляют по трубопроводам в воду. Трубы на рисунке не показаны.
Водород используется в газообразном состоянии для питания ТХЭС и блока дизель-генераторов 20. Часть водорода хранится в подводном газгольдере водорода 23.
Водород вырабатывается из двух источников:
из сероводорода - путем электрофотолиза.
путем электролиза морской воды.
В ходе электролиза концентрация морской соли в ванне непрерывно повышается. Образующийся рассол самотеком стекает в ванну выпаривания 13, где получают морскую соль путем испарения. Ванна выпаривания морской воды служит для получения ценных химических элементов, а также морской соли.
Установка для получения водорода электролизом воды из ванны предусматривает, что выделенный водород направляют в установку очистки и осушки водорода 14. В установке очистки и осушки водорода 14 предусмотрена тонкая очистка водорода для питания ТХЭС и обычная осушка - для питания БДГ 20.
Система очистки, осушки и сжижения кислорода V (СООСК) оснащена блоком очистки кислорода 15, соединенным трубопроводом с емкостью для хранения кислорода 17 через блок сжижения кислорода 16.
Через перекачивающую станцию кислорода 25 жидкий кислород подают в емкости для транспортировки кислорода 26.
Силовой блок VI (СБ) включает блок дизель-генераторов 20 (БДГ) для питания которого использую водород в газообразном состоянии. Водород подают через распределительный пункт водорода (РПВ) 19 от блока переработки морской воды III (БПМВ). Полученную электрическую энергию направляют на трансформаторную подстанцию 21 (ТП). С трансформаторной подстанции ее снимают на внешние и внутренние нужды станции.
Система хранения и перекачки VII (СХП) предназначена для хранения и выдачи водорода и кислорода. Она снабжена перекачивающей станцией кислорода 25. Ее соединяют трубопроводами с емкостью для транспортировки кислорода 31. Перекачивающую станцию водорода 22 соединяют с подводным газгольдером водорода 23, а при выдачи водорода - с емкостью для транспортировки водорода 24. Объем подводной части газгольдера водорода может колебаться от 100 до 1000 кубических метров в зависимости от назначения МЭК. Газгольдер используют также в системе стабилизации морского энергетического комплекса IX (ССМЭК).
В системе управления, контроля сигнализации и связи VIII (СУКС) предусмотрены: блок управления и контроля работы систем, узлов и агрегатов станции 27 (БКРС), блок сигнализации и связи 28 (БСС).
Система очистки морской акватории IX (СОМА) предназначена для очистки морской акватории в районе расположения МЭК с помощью магнитных и ультразвуковых колебаний и эмиссии кислорода. Она включает в себя генератор ультракоротких волн 30 (ГУКВ) диапазона 100-150 МГц и генератором ультразвуковых колебаний 31 (ГУЗК) с излучателями погруженным в воду (на рисунке не показан).
Упомянутые выше колебания интенсифицируют процессы коагуляции примесей загрязнителей, находящихся в морской воде (органические вещества и нефтепродукты).
Морская ферма Х (МФ) предназначена для выращивания морепродуктов (мидий, съедобных и лечебных водорослей).
Система стабилизации морского энергетического комплекса XI (ССМЭК) обеспечивает само стабилизацию КМЭ при волнении моря. При этом используют датчики колебаний 33 (ДК), исполнительные механизмы обеспечения волностойкости 34 (ИМОВ) и подводный газгольдер водорода 23 (ПГВ).
Система приема, стоянки и отправки летательных средств XII (СПЛС) имеет блок самолетный 35 (БС) и блок вертолетный 36 (БВ). Блок вертолетный имеет твердое покрытие с нанесенной разметкой для посадки вертолета. Для удержания вертолета на площадке, при волнении моря, предусмотрены швартовочные узлы.
Система обеспечения жизнедеятельности персонала XIII (СОЖП) включает блок персонала и охраны станции 29 (БПОС).
Работает МЭК следующим образом. Энергетический блок I вырабатывает электрическую энергию от ВИЭ для обеспечения работы МЭК в автономном режиме.
БДГ 20 вырабатывает электрическую энергию для электроснабжения внешних потребителей.
МЭК обеспечивает очистку морской акватории от загрязнении, в том числе и от нефти продуктов.
Помимо этого МЭК производит кислород и водород для внешних потребителей (транспорт, строительство и тд), а также производит ценные продукты, необходимые для работы химической и медицинской промышленности.
МЭК может также использоваться для десероводоризации отдельных участков Черного и других морей.
Ценным свойством МЭК является возможность перемещения его в любую точку морских акваторий, а также способность укрыться от морских бурь, тайфунов и пр.
Наиболее предподчительным использованием комплекса является его применение для энергоснабжения отдельных населенных пунктов, промышленных и военных объектов.
Основными преимуществами МЭК перед прототипом является:
обеспечение само стабилизации МЭК при волнении моря;
получение экологически чистой электрической энергии за счет широкого использования ВИЭ.
обеспечение синергетического эффекта, что обеспечивает высокую экономичность данного способа получения энергии;
получение экологической безопасности прибрежных территорий за счет очистки и обезвреживания акваторий.
Литература: Патент RU №2224117, 2004 г.