СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ЧИСТОЙ ВОДЫ
METHOD AND DEVICE FOR RENEWABLE PRODUCTION OF ELECTRIC POWER AND CLEAN WATER

Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии и чистой (питьевой) воды.
Известным способом является возобновляемое получения электроэнергии на гидростанциях, использующих для вращения турбин и связанных с ними генераторов перепад напоров на плотине, отделяющей речное водохранилище и ниже расположенную по течению часть реки (Малинин Н.К. Теоретические основы гидроэнергетики. Москва, Энергоатомиздат, 1983, 312 с. и Золотарев Т.Л. Гидроэнергетика, ч.1, Москва, Госэнергоиздат, 1950, 390 с.).
Такие водохранилища также являются основным источником для получения пресной воды, в большинстве случаев требующей дорогой очистки при использовании в качестве питьевой. Пополнение воды рек происходит главным образом за счет атмосферных осадков, образующихся за счет самого мощного природного процесса - круговорота воды, потребляющего основную часть поступающей на Землю солнечной энергии.
Недостатком такого способа является низкий напор (потенциал), использующийся большинством гидростанций (в среднем 40-60 м, за исключением относительно маломощных высокогорных гидростанций с напорами в сотни метров). Поэтому на гидростанциях используются весьма крупногабаритные и дорогие гидротурбины, пропускающие большие расходы воды для получения необходимых мощностей. Кроме того, плотины можно поставить в ограниченном числе мест и существенно нарушается экология вследствие затопления прилегающих часто плодородных земель. Аварии на таких гидростанциях приводят к большим человеческим и материальным потерям.
Также для получения чистой (питьевой) воды из источников, соприкасающихся с земными породами, необходимы дорогие сооружения, очищающие даже пресную воду от растворенных и твердых примесей. Еще более дорога дистилляция воды, необходимая для технических целей (например, для электролиза воды или паротурбинных установок).
Задача настоящего изобретения состоит в использовании существенно большего потенциала атмосферной воды, первоначально располагающейся на высоте облаков (3-4 км, а не 40-60 м) и использование этой дистиллированной воды до контакта с земными породами и пылью низких слоев атмосферы. Кроме того, могут использоваться не только выпадающие осадки над водосборным бассейном реки, но гораздо большие области, над которыми перемещаются облака (например, над мировым океаном).
Это достигается путем поднятия сборника воды (вместо верхнего водохранилища!) на уровень облаков с помощью привязных аэростатов, вызова конденсации и выпадения влаги с помощью распыления мелкодисперсного реагента с аэростата, расположенного выше сборника (если осадки не выпадают самопроизвольно) и доставки собранной воды на землю по соединяющей трубе.
Для реализации способа используется конусообразный матерчатый сборник с кольцевым краевым баллоном, надутым легким газом под давлением, превышающим атмосферное, и центральной трубой, соединяющей сборник с наземным энергетическим турбоагрегатом.
На чертеже представлено устройство для получения энергии и чистой воды.
Для получения энергии и дистиллированной воды с помощью трех или более гелиевых привязных аэростатов 1 поднимают конусообразный сборник 2 из промышленной аэроткани несколько ниже уровня облака. К верхнему краю сборника прикреплен кольцевой баллон 3, надутым легким газом под давлением, превышающим атмосферное, что обеспечивает жесткость и форму конструкции. К вершине конуса прикреплена труба 4 из аэроткани, длиной, превышающей расстояние до земли в поднятом состоянии сборника. Еще один аэростат 5 с экологически чистыми мелкодисперсными реагентами (например, экологичным сухим льдом, кристаллами парения жидкого азота) поднимают выше сборника. С него по команде с земли эти вещества разбрасываются в облако, вызывая искусственный ливень. Вода стекает по поверхности сборника и собирается в гибкой трубе 4, исходящей из вершины конуса. Труба соединена с находящимся на земле входным коллектором 6 гидротубины. На выходе сопел этого коллектора установлено рабочее колесо 7 гидротурбины. Вал, на котором расположено рабочее колесо гидротурбины, соединен с электрическим турбогенератором (не показан). Выход гидротурбины связан трубопроводами с накопительными водяными емкостями 8, которые могут быть баками танкера. Надо отметить, что вследствие высоких концентрации энергии и скорости (до 200 м/с) поступающей воды, турбина и генератор могут быть выполнены высокооборотными и малогабаритными, в десятки раз меньшими сегодняшних энергетических гидротурбин с равной мощностью. Это дает возможность располагать наземную часть установки вместе креплениями тросов привязных аэростатов на транспортном средстве (например, танкере).
Работа установки происходит следующим образом. При наличии облаков надувают кольцевой баллон 3. После этого аэростаты 1, привязанные тросами к емкости 8 и транспортному средству, на котором располагается наземная часть, поднимают конусообразный сборник 2 на уровень облаков. Тросовая аэростатная обвязка поддерживает сборник и центральную трубу 4, воспринимая вертикальные и боковые усилия. Тросы содержат токопроводящую часть для защиты (а может быть и использования) от атмосферного электричества. Одновременно поднимают выше сборника привязной аэростат 5 с устройством для распыления мелкодисперсного реагента и запасом его. По сигналу с земли мелкодисперсный реагент распыливается в облаке, вызывая конденсацию и выпадение влаги. Вода попадает в сборник 2 и стекает к центральной трубе 4, в трубе под действием силы тяжести разгоняется до высоких скоростей и через коллектор 6 попадает на лопатки рабочего колеса 7 гидротурбины. Чистая дистиллированная, не загрязненная пылью нижних слоев атмосферы вода с выхода турбины направляется в емкости для питьевых и технических целей. Гидротурбина 6 приводит во вращение ротор турбогенератора, вырабатывающим электрический ток для внешнего потребления.
Для пополнение запаса расходуемых реагентов необязательно спускать аэростат 5, можно использовать саморазгружающееся подъемное устройство, поднимающееся по специальному тросу, соединяющему этот аэростат с землей (аналогичному проектируемому для космического лифта). После выработки потенциальных осадков на данном участке облака для продолжения генерирования энергии транспортное средство с турбиной и креплениями тросов аэростатов (например, танкер), не опуская привязных аэростатов и сборника, может передвигаться вдоль большого облака или направляться к другому облаку.
В местах с постоянными дождями простая и дешевая стационарная энергоустановка подобного типа может быть установлена без аэростата с оборудованием для вызова искусственных ливней. Основные аэростаты крепятся стационарно к земле или ближайшей горе. Получаемую атмосферную чистейшую воду после турбины можно отводить прямо в муниципальный водопровод, экономя на сооружениях для очистки, или накапливать в специальном водохранилище.
В качестве примера рассчитана пилотная установка с вырабатываемой энергией 1430 кВт·час и поступлением 175 т дистиллированной воды за полчаса. Для этого используется матерчатый конусообразный сборник радиусом 50 м (это примерно площадь футбольного поля), поднятый на высоту около 3 км с помощью трех привязных аэростатов грузоподъемностью 700 кг. Поступающая по трубе из сборника вода приводит во вращение высокооборотные турбину и генератор, вырабатывающий электрический ток. Габаритный диаметр турбоагрегата не превышает 0.4-0.5 м. Турбоагрегат находится на танкере, в емкости которого собирается полученная дистиллированная вода. Танкер с привязанными к нему аэростатами может передвигаться вслед за облаками, не опуская сборника. Для вызова осадков могут использоваться мелкодисперсные твердая углекислота, переохлажденный лед и другие реагенты.
Техническим результатом предлагаемого способа и устройства является получение большого количества дистиллированной воды за счет непосредственного отбора ее от одной из стадий мощнейшего глобального природного процесса - круговорота воды на Земле - без дополнительных затрат энергии. Другим результатом является существенное снижение металлоемкости, габаритов и капиталоемкости приводной гидротурбины и связанного с ним электрогенератора вследствие подвода к ней сконцентрированной на большой высоте потенциальной энергии атмосферной воды (эквивалентно давлению до 30-40 МПа, что сравнимо с давлением в лучших двигателях внутреннего сгорания или паротурбинных установках). При этом используются постоянно возобновляемые мощнейшие атмосферные источники воды и энергии. К тому же для сбора воды и энергии может использоваться не только суша, но и гораздо более обширные акватории мирового океана. Надо отметить, что водный транспорт является одним из самых экономичных средств доставки, а зоны дождей в океане и прибрежные засушливые зоны, где человечество страдает от недостатка пресной воды, располагаются относительно недалеко. Вырабатываемую электроэнергию можно также использовать в электролизерах для получения из дистиллированной воды высокоэнергетического, легко транспортируемого и экологичного топлива - водорода.