СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВТОРИЧНОГО ЭНЕРГОНОСИТЕЛЯ - ВОДОРОДА ПОСРЕДСТВОМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА
METHOD OF MAKING OF SECONDARY ENERGY CARRIER - HYDROGEN BY WIND ENERGY CONVERSION

Изобретение относится к области энергетики и экологии, в частности к проблеме освоения такого чистого и вечного первичного энергоисточника, как ветер.
Актуальность изобретения следует из того, что органическое топливо, копившееся в Земле миллиарды лет, стремительно исчезает. По оценкам академика Н.Н. Семенова, разведанные запасы органического топлива будут израсходованы в течение ближайших 200 лет [1].
Одновременно все возрастающее потребление невозобновляемых источников энергии: нефти, газа, угля, урана и т.п. до предела обострило экологическую обстановку на нашей планете.
В связи с изложенным человечество стоит перед небывалым энергетическим и экологическим кризисом. В создавшейся ситуации ученые всего мира вынуждены все больше обращать внимание на освоение вечно действующих первичных источников энергии, в первую очередь - солнца, воды (энергии рек, приливов, термальных вод) и ветра.
Энергию ветра люди использовали со времен парусных судов и ветряных мельниц. Ветер - вечный источник энергии, его не нужно ни добывать, ни пополнять. Но эффективное его использование представляет собой достаточно сложную техническую задачу: ветер изменчив по скорости, направлению и высоте, его нельзя накапливать. Поэтому общая проблема использования кинетической энергии ветра неразрывно связана с проблемой трансформации этого первичного энергоисточника во вторичные энергоносители, которые сравнительно просто поддавались бы накоплению и хранению. Вопросы превращения энергии ветра в электроэнергию, а затем во вторичные энергоносители к настоящему времени уже достаточно хорошо решены. В качестве вторичных энергоносителей используют такие энергоаккумулирующие вещества, как: водород, многократные восстанавливаемые вещества из природных и искусственных окислов, многократно заряжаемые гидриды, а также высокотеплоемкие вещества и соединения, при определенных условиях отдающие аккумулированную в них энергию.
Вместе с тем центральное место в ветроэнергетике занимает процесс преобразования кинетической энергии потока воздуха в механическую энергию.
Современные способы решения этой технической задачи, как правило, основаны на использовании эффекта подъемной силы крыла [7, 8]. Если лопасть, имеющая профиль крыла, омывается потоком воздуха, то за счет разной скорости воздуха над и под поверхностями крыла (лопасти) возникнет разность давлений, благодаря чему и образуется подъемная сила, вращающая ветровую турбину. Отношение кинетической энергии ветрового потока, преобразованного с помощью ветровой турбины в механическую энергию, к кинетической энергии невозмущенного ветрового потока называют коэффициентом использования энергии ветра (критерий Бетца), который в лучшем случае достигает 0,59 [7, стр. 206]. Реально, например, для двухлопастных ветротурбин коэффициент использования ветра может достигать 0,5, а для других устройств еще меньше. Это объясняется тем, что отработавший воздушный поток должен обладать определенной кинетической энергией, чтобы покинуть окрестность ветродвигателя.
Однако это не единственный недостаток известных технических решений, направленных на полезное использование ветра. Существенный недостаток известных способов полезного использования энергии ветра, реализованных в виде стационарных ветровых установок, вытекает из нестабильности наиболее важного параметра, определяющего энергетический потенциал ветра, - его скорости. Установлено [3], что при снижении скорости ветра ниже 5 м/с ветровые станции становятся бесполезными. Чтобы повысить мощность ветростанций, их головки вынуждены поднимать на большую высоту, до 50 м, где скорость ветрового потока заметно выше [7, стр. 220]. Из-за указанных и других недостатков известных ветростанций фактическая стоимость электрической энергии, вырабатываемой подобными установками, до сих пор, как правило, превышает стоимость выработки энергии на тепловых и атомных электростанциях, а это, в конечном счете, является основной побудительной силой, обусловливающей постоянное совершенствование известных ветростанций.
Наиболее близким по назначению, устройству и достигаемому эффекту к настоящему изобретению следует считать техническое решение, указанное в источнике [2], заявка FR №2301705, кл. F03D 5/00, 1976 г. «Устройство, обеспечивающее использование энергии ветра на море». Такое месторасположение указанной установки определяется тем, что скорость ветра на море примерно в два раза выше, чем на суше при прочих равных условиях. Данное техническое решение, принятое в качестве прототипа, представляет собой судно, соединенное пеньковыми тросами с подъемным парусом, и турбогенераторный агрегат, буксируемый судном. Когда судно перемещается с некоторой скоростью, регулируемой в зависимости от скорости ветра, возникает вращение гидравлической турбины. Судно имеет оборудование для использования энергии, представляющее собой, например, установку для электролиза воды и накопления водорода. Парус имеет форму части сферы, ограниченной передней кромкой, с которой соединены тросы, прикрепленные к судну, и нижней кромкой, с которой соединены стропы. Другие концы стропов прикреплены к поплавкам.
Существенный недостаток прототипа состоит в том, что использование в прототипе паруса в виде полусферы, вогнутой стороной навстречу ветру, работающего по принципу действия традиционного парашюта, существенно (в несколько раз) увеличивает сопротивление парусного движителя. Поэтому максимальный коэффициент использования энергии ветра в прототипе, как и в других ветродвигателях, использующих силу сопротивления ветра, не превышает 0,192, то есть в 2-3 раза ниже, чем в устройствах, использующих эффект подъемной силы крыла [8, стр. 35].
Кроме того, скорость ветра существенно (в несколько раз) уменьшается в непосредственной близости от земли или акватории [6, стр. 220]. Использование поплавков для крепления подъемного паруса также увеличивает вихреобразование в окрестности паруса.
Низкие мореходные качества существенно снижают его скорость прототипа, а следовательно, и его эффективность, поскольку объем выработанной электроэнергии пропорционален кубу скорости плавающей ветроэнергетической установки [6, стр. 195].
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании более эффективного способа использования ветровой энергии (в несколько раз) по сравнению с прототипом. Для решения поставленной задачи энергоустановку, предназначенную для движения в открытом океане при сильном ветре, выполняют в виде катамарана - двухкорпусного судна, связанного воедино платформой (соединительным мостом). Такое техническое решение отличается повышенной поперечной остойчивостью, предотвращающее опасность опрокидывания плавучей энергоустановки, особенно с парусным движителем, поскольку паруса повышают центр тяжести и снижают метацентрическую высоту обычных судов.
Кроме того, очень важно обеспечить максимальную скорость плавающей энергоустановки. О потенциальных возможностях заявленного способа можно судить из того исторического факта, что быстроходные суда - чайные клиперы под парусами еще в 19-м веке достигали скорости 39 километров в час.
Поэтому согласно заявленному техническому решению парусный движитель использует, в отличие от прототипа, не силу сопротивления, а эффект подъемной силы крыла. Кроме того, повышенный коэффициент использования энергии ветра достигают путем наиболее выгодного курса - направления движения энергоустановки (катамарана) в открытом океане за счет выбора самого выгодного угла атаки парусного движителя (угла между хордой паруса и направлением ветра), а следовательно, и достижения максимально возможной мощности плавающей энергоустановки при данной скорости ветра.
Одновременно силу сопротивления воды минимизируют уменьшением осадки катамарана, но обеспечивая его остойчивость (требуемую метацентрическую высоту) и способность восстанавливать нарушенное при крене равновесие при резких порывах ветра перемещением гидротурбин с электрогенераторами по вертикали.
Таким образом, в заявленном техническом решении гидротурбины вместе с электрогенераторами используются не только по прямому назначению - для выработки электроэнергии, но и в качестве подвижного балласта. Что очень важно при большой парусности энергоустановки (катамарана) и сильном ветре в открытом океане.
Как и в прототипе, полученную в электрогенераторах электрическую энергию направляют в электролизер, разделяющую океанскую воду на водород и кислород, которые направляют в накопительные емкости, предварительно увеличив их плотность, преимущественно путем ожижения в криогенной установке. Накопившиеся энергоносители передают в специальные танкеры для доставки их потребителям.
Схема устройства, реализующего заявленный способ, изображена на чертежах, где
на фиг. 1 показан продольный разрез энергоустановки;
на фиг. 2 - ее вид в плане.
Энергоустановка включает в себя плавающую конструкцию в виде катамарана 1, оснащенную парусным движителем 2. Кроме того, устройство снабжено гидравлической турбиной 3, сочлененной с электрогенератором 4, который посредством электрического кабеля 5 соединен с электролизером 6, который в свою очередь связан трубопроводом газообразного водорода 7 с криогенной установкой 8. Эта установка имеет связь по жидкой фазе водорода посредством трубопровода с криогенным насосом 9 с накопительной емкостью 10 и обратную связь - посредством паропровода выпара водорода 11. Для выдачи накопленного жидкого водорода в специальные танкеры предусмотрен трубопровод жидкого водорода с криогенным насосом 12.
Устройство работает следующим образом. Плавающая энергоустановка 1 выходит в открытый океан и начинает движение с помощью парусного движителя, осуществляя плаванье с оптимальным углом атаки [7, стр. 233], наибольшим коэффициентом использования ветра и наибольшей скоростью при данной скорости ветра. При движении энергоустановки 1 относительно неподвижной воды находящаяся в ней гидротурбина 3 начинает работать. Полученная при этом механическая энергия посредством электрогенератора 4 преобразовывается в электрический ток, который по кабелю 5 направляется в электролизер 6, где происходит разложение океанской воды на водород и кислород. Полученный водород по трубопроводу 7 поступает в криогенную установку 8, где он ожижается, и в жидком виде посредством трубопровода и криогенного насоса 9 направляется в накопительную криогенную емкость 10. Несмотря на то, что такие емкости снабжаются весьма эффективной тепловой изоляцией, например вакуумной, вакуумно-порошковой или вакуумно-многослойной теплоизоляцией, из-за низкой температуры жидкого водорода незначительный приток тепла к этому вторичному энергоносителю все же будет, что приведет к выпару его части. Образовавшийся выпар водорода посредством паропровода 11 возвращается в криогенную установку 3 для повторного ожижения. Накопленный на плавающей энергоустановке 1 жидкий водород с помощью трубопровода и криогенного насоса 12 перекачивают в специальные танкеры и доставляют этот вторичный энергоноситель потребителям. Аналогичным путем может собираться и кислород, однако ценность этого продукта намного ниже водорода. Целесообразность выработки жидкого кислорода должна быть обоснована технико-экономическим расчетом.
Поскольку для реализации предлагаемого способа получения вторичных энергоносителей предлагаются плавающие в открытом океане установки, то их размеры и производительность (мощность) могут быть практически неограниченны. Реализация данного способа позволит в значительной степени решить комплексно две чрезвычайно актуальные проблемы человечества: обеспечить все энергоемкие виды производства и другой деятельности людей возобновляемым вторичным энергетическим ресурсом, а также резко улучшить экологическую обстановку на Земле  путем перевода многочисленных потребителей не возобновляемых ресурсов: природного газа, нефти, угля на экологически чистое топливо - водород за счет энергии ветра.
Список источников
1. Подгорный А.Н. Водород и энергетика. - Киев: Наукова думка, 1984.
2. Заявка FR №2301705, кл. F03D 5/00, 1976 - прототип.
3. Свен Уделл. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии. - М.: Знание, 1980.
4. Кан С.И. Океан и атмосфера. - М.: Наука, 1982.
5. Александровский А.Ю. и др. Гидроэнергетика. - М.: Энергоатомиздат, 1988.
6. Твайделл Дж., Уэйтэ А. Возобновляемые источники энергии. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
7. Проскура Г.Ф. Экспериментальная гидроаэродинамика. - М.-Л.: Госавиаавтоиздат, 1933.
8. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. - М.: Сельхозгиз, 1948.