ПОДВОДНЫЙ РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ВОДЫ
UNDERGROUND RESERVOIR FOR WATER

Данное изобретение относится в целом к резервуарам для хранения жидкости и, в частности, к подводному резервуару для хранения воды.
Хранение воды может быть проблемой, в частности, в городских условиях. Многие города развивались в прибрежных зонах, где имеются относительно большие дождевые осадки. Если бы сток воды из этих городских зон в виде дождевых потоков можно было улавливать и вторично использовать, то сократилась или полностью отпала бы необходимость строительства дополнительных дамб.
Обычно воду улавливают с помощью дамбы поперек долины реки. Эти дамбы очень дорого строить, и они часто приводят к утрате драгоценных сельскохозяйственных земель. Кроме того, такие дамбы разрушают всю предыдущую жизнь в долине реки, и растительный материал, захваченный внутри искусственного озера, может приводить к созданию значительного количества парниковых газов вследствие разложения растительных материалов. Хотя в некоторых случаях это образование парниковых газов можно компенсировать генерированием гидроэлектроэнергии, в целом нежелательно строить дамбы.
Во многих географических местах источник пресной воды обычно расположен относительно близко к окружению города, однако этот источник пресной воды может быть не подходящим для улавливания с помощью обычных средств, таких как дамба. Например, обычно источник пресной воды находится внутри 100 км от зоны плотной городской застройки.
Было бы предпочтительным иметь возможность улавливания этих не используемых в настоящее время источников воды внутри или вблизи городских зон для снабжения водой этих городских зон.
Согласно первому аспекту изобретения предлагается способ хранения воды, при котором:
- удерживают, по меньшей мере, один гибкий резервуар для хранения в погруженном состоянии внутри массы морской воды;
- создают наземное впускное устройство, соединенное с возможностью прохождения жидкости с гибким резервуаром хранения; и
- создают наземное выпускное устройство, соединенное с возможностью прохождения жидкости с гибким резервуаром хранения, для выпускания хранимой воды, при этом выпускное устройство отличается от впускного устройства;
в котором используют клапан во впускном устройстве и в выпускном устройстве так, что во время загрузки резервуара или каждого резервуара хранения впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт, и так, что во время разгрузки резервуара или каждого резервуара хранения впускной клапан закрыт, а выпускной клапан открыт; и
в котором во время загрузки воды давление напора из наземного резервуара используют для принудительного впуска воды в резервуар или каждый резервуар хранения.
В способе согласно первому аспекту во время разгрузки сохраненное давление напора и/или давление наружной массы морской воды можно использовать для принудительного выпуска воды из резервуара или каждого резервуара хранения.
Согласно второму аспекту изобретения предлагается способ хранения воды, при котором осуществляют удерживание, по меньшей мере, одного гибкого резервуара для хранения в погруженном состоянии внутри массы морской воды; создание наземного впускного устройства, соединенного с возможностью прохождения жидкости с гибким резервуаром хранения; создание наземного выпускного устройства, соединенного с возможностью прохождения жидкости с гибким резервуаром хранения, для выпускания хранимой воды, при этом выпускное устройство отличается от впускного устройства; и создание дополнительного впускного устройства, соединенного с возможностью прохождения жидкости с гибким резервуаром хранения, для обеспечения желаемого распределенного впуска воды.
Согласно третьему аспекту изобретения предлагается способ, при котором осуществляют:
- удерживание, по меньшей мере, одного гибкого резервуара для хранения в погруженном состоянии внутри массы морской воды;
- создание наземного впускного устройства, соединенного с возможностью прохождения жидкости с гибким резервуаром хранения; и
- создание наземного выпускного устройства, соединенного с возможностью прохождения жидкости с гибким резервуаром хранения, для выпускания хранимой воды, при этом выпускное устройство отличается от впускного устройства;
в котором имеются, по меньшей мере, два гибких резервуара хранения, и, по меньшей мере, два гибких резервуара хранения соединены друг с другом с возможностью прохождения жидкости с помощью соединительного коллектора.
Указанные выше аспекты обеспечивают то преимущество, что не занимается ценная земля для хранения воды. Другим преимуществом является то, что более плотная морская вода приводит к тому, что свободная поверхность хранимой воды расположена над свободной поверхностью соленой воды, в которой удерживается резервуар. Это может экономить значительное количество энергии при извлечении воды из резервуара.
В одном варианте выполнения впускное устройство и выпускное устройство соединены с возможностью прохождения жидкости с гибким резервуаром хранения через отдельные каналы. В качестве альтернативного решения, впускное устройство и выпускное устройство могут быть отделены друг от друга или находиться в общей трубе.
В еще одном варианте выполнения имеются, по меньшей мере, два гибких резервуара хранения, и эти резервуары соединены друг с другом с возможностью прохождения жидкости с помощью соединительного коллектора.
Там, где имеется более одного источника воды для улавливания, в одном варианте выполнения изобретения может быть предусмотрено создание более одного наземного впускного устройства для улавливания воды, например, из рек, каналов штормовой воды или систем дождевой воды.
Различные источники воды обычно имеют различные характеристики подачи. Например, сток штормовой воды обычно обеспечивает большой объем воды в относительно короткий период времени. Количество воды, улавливаемой в этой ситуации, можно увеличить путем предусмотрения промежуточного резервуара, соединенного с возможностью прохождения жидкости с наземным впускным устройством. Когда происходит штормовой наплыв, то избыточный поток можно аккумулировать внутри промежуточного резервуара, а затем со временем пропускать в резервуар хранения.
Промежуточный резервуар можно формировать с помощью одного из множества способов. Резервуар может быть выполнен в виде обычного бетонного резервуара, однако такие резервуары могут быть довольно бросающимися в глаза. В качестве альтернативного решения, промежуточный резервуар может быть сформирован посредством выемки грунта там, где это позволяет обстановка. Это обеспечивает преимущество сокрытия промежуточного резервуара.
Промежуточный резервуар не обязательно должен быть расположен в береговой зоне. Он может быть расположен, например, среди холмов или в горах далеко от резервуара хранения и/или далеко от впускного устройства.
В некоторых ситуациях вода в ее уловленном виде непригодна в качестве питьевой воды. В этих ситуациях в одном варианте выполнения изобретения может быть предусмотрена дополнительная стадия обработки воды из выпускного устройства. Обработку можно выполнять также у впускного устройства.
Согласно другому аспекту изобретения предлагается способ лицензирования хранимой воды, в котором стоимость лицензии основана на площади улавливания перед наземным впускным устройством. В качестве альтернативного решения, стоимость может основываться на среднем объеме воды, которая проходит через наземное впускное устройство в период времени. Другие возможные модели лицензирования включают модели, где стоимость основана на максимальной емкости резервуара хранения или использовании этой емкости в заданный период времени.
Согласно другому аспекту изобретения предлагается гибкий резервуар для хранения воды для использования в погруженной системе хранения воды, содержащий гибкий, непроницаемый для текучей среды контейнер, по меньшей мере, одно средство крепления коллектора, по меньшей мере, один коллектор, расположенный внутри контейнера, при этом, по меньшей мере, одно средство крепления коллектора предназначено для удерживания, по меньшей мере, одного коллектора в таком положении, что поток воды может поддерживаться при опустошении резервуара хранения.
Расположение коллектора является важным, когда вода высасывается из резервуара хранения. В некоторых условиях возможно образование карманов в гибких стенках резервуара хранения, при этом эти карманы препятствуют извлечению воды из резервуара хранения. Расположение коллектора может смягчать это.
Имеется несколько конфигураций коллекторов, которые могут облегчать извлечение воды из резервуара хранения. В одном варианте выполнения коллектор является удлиненным, и входной поток воды и выходной поток воды входят и выходят на противоположных концах коллектора. В другом варианте выполнения входной поток воды и выходной поток воды входят и выходят через различные коллекторы.
Извлечение воды из резервуара хранения может быть также облегчено за счет наличия опоры, которая предотвращает сдерживание стенками гибкого контейнера потока воды при опустошении резервуара хранения. Гибкий контейнер может быть также снабжен клапаном сброса давления, который предотвращает повреждение гибкого контейнера вследствие чрезмерного давления.
В одном альтернативном варианте выполнения контейнер дополнительно содержит крепежный механизм для крепления гибкого резервуара для хранения воды в конфигурации с одним или несколькими другими гибкими резервуарами для хранения воды. Этот крепежный механизм позволяет собирать резервуары хранения в несколько различных конфигураций. Эти конфигурации включают, например, расположение вблизи друг друга или штабелирование друг над другом. В одном частном варианте выполнения крепежный механизм позволяет конфигурировать и располагать гибкие резервуары для хранения воды в сотовой конфигурации. Эта сотовая конфигурация минимизирует пространство между резервуарами и тем самым минимизирует доступное пространство для роста на резервуарах морских организмов. Кроме того, когда резервуары расположены в такой конфигурации, наружные резервуары защищают внутренние резервуары от повреждения.
Согласно другому аспекту изобретения предлагается система хранения воды, содержащая множество гибких резервуаров для хранения воды, в которой коллекторы для резервуара или каждого резервуара соединены друг с другом с использованием соединительного коллектора.
В частном варианте выполнения этой системы гибкие резервуары для хранения воды расположены в сотовой конфигурации.
В других вариантах выполнения соединительный коллектор соединен с возможностью прохождения жидкости с наземным впускным устройством, или с наземным выпускным устройством, или же с обоими из них.
Варианты выполнения системы могут иметь также промежуточный резервуар, соединенный с возможностью прохождения жидкости с наземным впускным устройством. При необходимости, варианты выполнения изобретения могут иметь этот промежуточный резервуар, образованный посредством выемки грунта. Варианты выполнения системы могут также иметь установку обработки воды, соединенную с наземным выпускным устройством (или даже с впускным устройством).
Когда варианты выполнения системы расположены в массе соленой воды, то гибкие резервуары для хранения воды могут быть поставлены на якорь для предотвращения их перемещения из заданного положения. Кроме того, когда гибкие резервуары для хранения воды находятся в заданном положении, то якоря могут предотвращать перемещение возможно плавучих резервуаров хранения.
Согласно другому аспекту изобретения предлагается система хранения воды, содержащая гибкий резервуар хранения, который погружен в толщу соленой воды; и наземный резервуар, предназначенный для расположения на земле при использовании и соединенный с возможностью прохождения жидкости с резервуаром хранения; при этом система имеет такую конфигурацию, что нет ограничения для воды, протекающей из резервуара хранения в наземный резервуар.
В частном варианте выполнения из полной массы хранимой воды масса воды, удерживаемой в наземном резервуаре над свободной поверхностью толщи соленой воды, составляет приблизительно 2,5% общей массы хранимой воды. Эту массу воды, удерживаемой над свободной поверхностью соленой воды, можно использовать для подъема воды в резервуары или в другие места для использования в качестве источника воды. Эта масса воды может также удерживаться над свободной поверхностью соленой воды за счет действия толщи соленой воды на гибкий резервуар хранения.
В частных вариантах выполнения можно использовать клапаны, которые переводятся в состояние загрузки, когда напорное давление воды из наземного резервуара нагнетает воду в резервуар хранения. После загрузки клапаны могут переходить в состояние разгрузки, когда сохраненное напорное давление нагнетает хранимую воду через вспомогательную магистраль, так что часть хранимой воды выталкивается в удаленное место.
Ниже приводится подробное описание специальных вариантов выполнения способа, резервуара и системы лишь в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1А - разрез первого варианта выполнения системы хранения воды;
фиг.1В - система хранения воды согласно фиг.1А, на виде сверху;
фиг.1С - разрез системы хранения воды согласно фиг.1А;
фиг.2А - разрез другого варианта выполнения системы хранения воды;
фиг.2В - система хранения воды согласно фиг.2А, на виде сверху;
фиг.3А - разрез другого варианта выполнения системы хранения воды в удаленной от моря конфигурации;
фиг.3В - система хранения воды согласно фиг.3А, на виде сверху;
фиг.4 - другой вариант выполнения системы хранения воды с географически удаленным наземным впускным устройством;
фиг.5A и 5B - пример расчета резервуара хранения;
фиг.6А-6С - различные гибкие резервуары хранения.
В последующем описании используются аналогичные позиции для обозначения подобных элементов в разных вариантах выполнения.
На фиг.1-4 показаны различные конфигурации возможных вариантов выполнения системы для хранения воды. На фиг.1 показана система 10 хранения воды, имеющая пять гибких резервуаров хранения в виде контейнеров 12, удерживаемых в толще соленой воды 14 и соединенных с возможностью прохождения жидкости с наземным впускным устройством 16, расположенным на удаленной от моря территории 17, и наземным выпускным устройством 18, расположенным вблизи морской воды 14.
При использовании вода, например из реки, штормовой воды или дождевой воды, проходит через впускное устройство 16 и из него - в контейнеры 12. Воду можно извлекать из контейнеров 12 посредством извлечения воды из наземного выпускного устройства 18.
В этом варианте выполнения также вырыт в грунте бак 26 для хранения воды в качестве промежуточного резервуара. В альтернативных вариантах выполнения этот бак может быть в виде обычного бака над уровнем земли, такой как бетонный или стальной бак. Бак 26 служит в качестве аккумулятора для обеспечения впуска избыточного потока воды для промежуточного хранения на время, необходимое для прохождения воды через наземное впускное устройство 16 и в контейнеры 12. Эта способность торможения воды увеличивает количество воды, улавливаемой посредством системы, и может снижать потери перелива.
Воду можно извлекать из выпускного устройства 18 для типичного использования сохраняемой воды. Например, вода может проходить в установку обработки воды (не изображена) для последующего распределения в качестве домашней питьевой воды. Другие применения включают использование обработанной или необработанной воды для промышленных и сельскохозяйственных целей (например, орошения).
Впускное устройство 16 и выпускное устройство 18 соединены с контейнерами 12 посредством отдельных каналов 12. Однако впускное устройство 16 и выпускное устройство 18 могут быть в общем канале. Каналы 20 могут быть врезаны в грунт, а затем проходить в виде труб по дну моря к контейнерам 12.
Контейнеры 12 соединены друг с другом соединительным коллектором 22, который забирает воду из коллекторов 24 извлечения, расположенных внутри каждого из контейнеров 12. Соединительный коллектор 22 пропускает воду в каналах 20 и из них и распределяет воду между контейнерами 12.
В варианте выполнения, показанном на фиг.1, имеются два коллектора 24 извлечения в каждом контейнере 12. Впускной коллектор 28 принимает воду из впускного устройства 16, а выпускной коллектор 30 извлекает воду из контейнера. В других вариантах выполнения изобретения единственный коллектор может действовать как в качестве впускного коллектора, так и в качестве выпускного коллектора.
В альтернативном варианте выполнения предусмотрены два соединительных коллектора, расположенных на противоположных концах контейнера. Эти соединительные коллекторы соединены с противоположными концами комбинации из впускного/выпускного коллектора. При использовании вода из впускного устройства проходит в контейнер через первый из коллекторов, и вода проходит из контейнера в выпускное устройство через другой коллектор.
На фиг.6А-6С показано несколько конфигураций контейнера 12. Показаны как различные конфигурации формы контейнеров 12, так и конфигурации коллекторов 24 извлечения.
На фиг.6А(i) и 6A(ii) показан вариант выполнения системы в пустом состоянии и в полностью заполненном состоянии соответственно, при этом коллекторы 24 извлечения расположены внутри контейнера 12. Вертикальная опора 24 выступает из жесткого основания 36 контейнера 12 и при использовании поддерживает гибкую мембрану 38 контейнера 12, когда контейнер 12 находится в пустом состоянии.
Каждый из коллекторов 24 прикреплен к крепежному механизму 32, который интегрирован в опору 34. Расположение коллекторов на опоре 34 посредством крепежного механизма 32 способствует сохранению потока воды посредством предотвращения закрывания гибкой мембраной 38 входа и выхода коллекторов 24 извлечения. Контейнер 12 снабжен также предохранительным клапаном 44.
Предохранительный клапан 44 предотвращает повреждение контейнера 12 при возникновении внутри контейнера 12 избыточного давления воды.
Альтернативный вариант выполнения системы как в пустом, так и в полностью заполненном состоянии показан на фиг.6 В(i) и 6 В(ii). В этом варианте выполнения четыре коллектора 24 извлечения (два впускных и два выпускных коллектора) плавают у дальнего конца 40 вертикального опорного элемента 34, который выступает из жесткого основания 36 контейнера 12. В этом варианте выполнения при приближении контейнера 12 к пустому состоянию сохраняется пустота в зоне ниже дальнего конца 40 вертикального опорного элемента 34, где гибкая мембрана 38 образует завесу над опорой и коллекторами 24 извлечения. В этом варианте выполнения четыре коллектора 24 извлечения находятся на плаву и скользят по опоре 34.
Другой альтернативный вариант выполнения системы как в пустом, так и в полностью заполненном состоянии показан на фиг.6С(i) и 6С(ii). В этом варианте выполнения имеющие шестиугольную форму контейнеры 12 соединены друг с другом в штабельную сотовую конфигурацию. Это сотовое расположение имеет то преимущество, что при приближении контейнеров 12 к пустому состоянию коллекторы 24 извлечения из находящихся на одной вертикальной линии контейнеров 12 накладываются друг на друга для облегчения предотвращения закрывания гибкой мембраной 38 входов и выходов коллекторов 24 извлечения.
Для облегчения запирания контейнеров 12 в заданной конфигурации предусмотрены запирающие элементы 45, как показано на фиг.6С(iii), на кромках контейнеров 12. Чередующиеся штырьковые и гнездовые запирающие элементы расположены на противоположных сторонах контейнеров 12 для обеспечения запирания в конфигурацию последовательности аналогичных контейнеров.
В альтернативных вариантах выполнения овальные или прямоугольные контейнеры можно штабелировать в аналогичные конфигурации с плотной упаковкой. Посредством расположения контейнеров в штабельной конфигурации минимизируется пространство, доступное для морских организмов, между контейнерами. Штабельная конфигурация также обеспечивает то преимущество, что наружные контейнеры защищают внутренние контейнеры от повреждения. Поэтому, даже в случае нападения морских обитателей на систему или другого повреждения, например вследствие шторма, самые наружные контейнеры обеспечивают защитный барьер для внутренних контейнеров.
Для предотвращения загрязнения хранимой воды в неповрежденном контейнере вследствие разрыва контейнера система снабжена монитором 46 солености. Когда обнаруживается повышенное содержание соли в контейнере 12, то срабатывает клапан для изоляции коллектора 24 извлечения загрязненного контейнера 12 от соединительного коллектора 22.
Имеется несколько возможных способов закрепления контейнеров 12 на дне массы соленой воды. В одном варианте выполнения в дне моря просверливаются нейлоновые якоря, и контейнеры 12 привязываются к этим якорям. В альтернативном варианте выполнения в каждом контейнере можно использовать бетонные грузы, размещаемые в карманах, которые действуют в качестве балласта. Способ крепления контейнеров 12 на дне толщи морской воды зависит также от места расположения. Например, если контейнеры необходимо расположить на дне озера, то использование бетонных грузов может быть достаточным для крепления контейнеров. Однако, если необходимо размещать контейнеры в море, то более вероятно использование более устойчивого крепежного механизма, такого как нейлоновые якоря.
На фиг.2-4 показаны альтернативные варианты выполнения подводного резервуара для воды.
На фиг.2 система выполнена в прибрежной конфигурации, при этом промежуточный бак 26 для воды расположен вблизи реки 48. Подающий канал 50 отводит воду из реки 48 в промежуточный бак 26. Промежуточный бак 26 и наземное выпускное устройство 18 соединены с контейнерами 12 посредством каналов 20. Эти каналы расположены на дне реки. Выпускное устройство 18 соединено с установкой для обработки воды (не изображена). При использовании избыточный поток воды из реки можно собирать в баке 26, пока вода имеет достаточное время для прохождения вниз по каналу 20 в контейнер 12 хранения.
На фиг.3 показана система в удаленной от моря конфигурации. В этом варианте выполнения при заполнении каналов 20 водой объем воды, вытесненной из контейнеров 12 плотной морской водой, удерживает каналы в заполненном состоянии и уменьшает стоимость выкачивания, необходимого для извлечения воды из контейнеров 12. В такой системе можно использовать единственный канал как для впуска, так и для выпуска воды из контейнеров 12.
На фиг.4 показана система с первичным впускным устройством 16, удаленным на несколько сотен километров от контейнеров 12. Промежуточный бак 26 расположен вблизи удаленной реки, при этом подающий канал 50 отводит воду в промежуточный бак 26. В этом варианте выполнения предусмотрено также вторичное впускное устройство 16'. Как первичное впускное устройство 16, так и вторичное впускное устройство 16' соединены с общим соединительным коллектором 22 для соединения контейнеров 12 с впускными устройствами.
Когда воду необходимо транспортировать на дальние расстояния, можно использовать насос для увеличения напорного давления в канале 20, который проводит воду в контейнеры 12.
На фиг.5 показан пример вычисления емкости резервуаров. После определения требований к хранению в данном месте можно выбирать компоненты системы для обеспечения заданных условий хранения. На фиг.5А показаны требования к конструкции для системы емкостью 10 миллионов литров.
На фиг.5В приведено вычисление площади улавливания и объем улавливания для площади улавливания. В этом примере рассчитана площадь крыши стадиона для улавливания 10 миллионов литров воды в год для хранения.
При лицензировании этих систем стоимость лицензии можно определять с использованием различных параметров. Например, стоимость лицензии может быть основана на размере улавливания или размере хранения. Стоимость может основываться на среднем годовом объеме улавливания воды в течение заданного периода времени или площади улавливания. В качестве альтернативного решения, стоимость лицензии может основываться на максимальной емкости хранения воды или использовании этой емкости. Стоимость можно вычислять посредством определения объема улавливания, а затем перемножения этой величины с единицей стоимости. Затем эта стоимость может выплачиваться ежегодно лицензиатом.
Хотя описание способа, резервуара и системы было приведено со ссылками на частные варианты выполнения, для специалистов в данной области техники понятно, что их можно осуществлять во многих других видах. Например, гибкие резервуары хранения могут удерживаться пилонами. Кроме того, в соединении с системой можно использовать другие стадии обычной обработки воды. Например, можно выполнять предварительную обработку воды перед входом в резервуары хранения.