МОРСКОЙ ЭКОЛОГО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
MARINE ECOLOGY-POWER COMPLEX

Изобретение относится к устройствам мониторинга и очистки акваторий от различных загрязнений.
Известны морские экологические станции (патенты RU 2123476 С1, 20.12.1998 [1], RU 2180366 С2, 10.03.2002 [2], RU 2038422 С2, 27.06.1995 [3], US 5833834 А, 10.10.1998 [4], US 3947333 А, 30.03.1976 [5], US 4080271 А, 21.03.1978 [6], RU №2224117 [7]).
Наиболее близкой по технической сути к заявляемому объекту является морская экологическая станция (МЭС), предназначенная для борьбы с сероводородным загрязнением Черного моря, содержащая рабочую платформу комплекса, блок забора глубоководной воды, блок обработки глубоководной воды, энергетический комплекс, фотоэлементную станцию, ванну десероводородизации, электролизную ванну, ванну выпаривания морской воды, фотолизер, приемник водорода, топливохимическую элементную станцию и др. ([7]).
Основным недостатком известного устройства является узкая направленность станции, а именно она предназначена для борьбы с сероводородным загрязнением.
Между тем, не менее важным экологическим фактором является загрязнение мелководья и акваторий портов, бухт, курортно-санаторных зон органическими отходами, в том числе нефтепродуктами, а также недостаточная энерговооруженность морских объектов, особенно расположенных на значительных расстояниях от источников электроэнергии.
Данный недостаток исключен в известном техническом решении, представляющим собой морской эколого-энергетический комплекс (патент на полезную модель RU №73398 [8]).
Задачей известного технического решения [8] является: очистка морской глубинной воды, в частности, Черного моря от сероводородного загрязнения; очистка морской воды в прибрежной зоне моря, в акваториях портов, морских бухт, санаторно-курортных зонах и т.п. от органических загрязнителей, в том числе нефтепродуктов; получение электроэнергии, снабжающей прибрежные и морские объекты, вне зависимости от географического расположения, сезонных, суточных и климатических условий. Для выполнения задачи в состав устройства по сравнению с устройством [7] включены: блок очистки поверхностных вод, блок утилизации загрязнений, лаборатория контроля состава воды, метеостанция, блок управления и контроля работы агрегатов комплекса, портальный кран, блок гребных валов, силовой соединительный угольник, защитный форштевень.
Известный морской эколого-энергетический комплекс содержит рабочую платформу комплекса, ветроэнергетическую установку, фотоэлементную станцию, газгольдерный блок, электролизный блок, блок очистки поверхностных вод, блок утилизации загрязнений, лабораторию контроля состава воды и метеостанцию, блок управления и контроля работы агрегатов комплекса, портальный кран, блок гребных валов, командную рубку, защитный форштевень, силовые соединительные угольники, очистные щетки, якорный блок. А силовой блок состоит из двигатель-генераторного отсека, аккумуляторной и суперконденсаторной станций, при этом двигатель-генераторный отсек содержит двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, получаемом на комплексе, а двигатели изготовлены с соосно смонтированными электрогенераторами с возможностью производить накопление и хранение электроэнергии в аккумуляторной и суперконденсаторной станциях, а также равномерно распределять ее между потребителями, которые через блок управления и контроля работы агрегатов комплекса имеют электрические связи и обеспечивают работу всех систем, устройств и агрегатов морского эколого-энергетического комплекса. Причем блок служебных помещений; блок управления и контроля работы комплекса; блок обработки глубинной воды; командная рубка; наблюдательный мостик смонтированы на рабочей платформе, которая может выполняться в виде понтонов, плавучих платформ, кораблей или волностойких платформ. Рабочая платформа комплекса установлена на 10-ти морских понтонах, соединенных между собой штатными замками, а по углам - силовыми, соединительными угольниками, и снабжена по периметру ограждающими сигнальными устройствами, а также спасательными средствами.
Блок управления и контроля работы агрегатов комплекса оборудован панелью управления, электрифицированной системой контроля работы агрегатов и узлов комплекса, выходными устройствами систем, радиостанцией, телевизионной, громкоговорящей, телефонной и мобильной связью, охранной и сигнальной системами и имеет электрические связи со всеми системами, устройствами и агрегатами морского эколого-энергетического комплекса.
Ротор ветроэнергетической установки образует две геликондные лопасти, опирающиеся на верхний и нижний обручи, при этом к нижнему обручу крепится обод червячного колеса, находящегося в зацеплении с червяком, приводящим в движение вал генератора, с возможностью преобразования кинетической энергии в электрическую, что позволяет расширить диапазон используемых скоростей ветра от 0,2 м/с до 50 м/с. Лаборатория контроля состава воды оборудована с возможностью определения степени загрязнения морской воды и контроля ее химического и бактериологического состава как в прибрежной, так и в глубинной зонах.
Электролизный блок состоит из электролизной ванны, системы электродов, устройств подготовки электролита, системы вывода водорода и кислорода, набора соединительных междуэлектродных шин с возможностью получения водорода и кислорода из морской воды, при этом водород может использоваться для работы электрохимических элементов питания, двигателей-генераторов, работающих на водороде, вырабатывающих электроэнергию, а кислород - в очистном блоке для интенсификации очистки воды путем барботирования его в воду, например, в санаторно-курортных зонах, акваториях портов, рыбоводческих хозяйствах и т.д.
Солнечный коллектор выполнен в виде спиралеобразного змеевика, при этом верхняя часть его находится над ванной глубинной воды, а нижняя - в воде ванны глубинной воды с возможностью ее подогрева. Солнечный коллектор заполняется жидкостью-теплоносителем, циркулирующей под давлением.
Газгольдерный блок содержит два газгольдера, выполненных в мягком исполнении, предназначенных для раздельного хранения водорода и кислорода.
Блок забора глубинной воды содержит глубоководный водяной насос, набор труб и механический фильтр, устанавливаемый на входе заборной трубы.
Блок очистки поверхностной воды состоит и трех емкостей аэротэнков, выполненные в гибком исполнении и служащих для забора и очистки поверхностной воды, причем в каждой емкости аэротэнка очистка производится различными методами, например кислородным барботированием, химическим или ультразвуковым.
Фотоэлементная станция состоит из двух фотоэлементных блоков, смонтированных в общих рамах, каждый из которых выполнен из отдельных фотоэлементных панелей, причем рамы поворачиваются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и в автоматическом режиме, отслеживающих положение солнца.
Защитный форштевень состоит из двух ворот, каждая из которых закреплена к силовому соединительному угольнику, на которых смонтированы устройства для открывания и закрывания ворот форштевня с возможностью создания входного шлюза, через который происходит забор загрязненной воды в блок очистки поверхностной воды.
Блок утилизации загрязнений включает герметизированную высокотемпературную печь с очистными устройствами с возможностью сжигания выловленных с поверхностных воды загрязнений.
По сравнению с известными аналогичными устройствами [1-7], устройство [8] выгодно отличается от них. Однако применение известного устройства ограничено в основном бассейном Черного моря. Кроме того, экологический контроль имеет узкую направленность, так как состав технических средств экологического мониторинга позволяет выполнять только химический анализ воды.
Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей морского эколого-энергетического комплекса (МЭЭК).
Поставленная задача решается за счет того, что в морском эколого-энергетическом комплексе, содержащем рабочую платформу комплекса, ветроэнергетическую установку, фотоэлементную станцию, газгольдерный блок, электролизный блок, блок очистки поверхностных вод, блок утилизации загрязнений, лабораторию контроля состава воды и метеостанцию, блок управления и контроля работы агрегатов комплекса, портальный кран, блок гребных валов, командную рубку, защитный форштевень, силовые соединительные угольники, очистные щетки, якорный блок, метеостанцию, силовой блок, состоящий из двигатель-генераторного отсека, аккумуляторной и суперконденсаторной станций, при этом двигатель-генераторный отсек содержит двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, получаемом на комплексе, а двигатели изготовлены с соосно смонтированными электрогенераторами с возможностью производить накопление и хранение электроэнергии в аккумуляторной и суперконденсаторной станциях, а также равномерно распределять ее между потребителями, которые через блок управления и контроля работы агрегатов комплекса имеет электрические связи и обеспечивает работу всех систем, устройств и агрегатов морского эколого-энергетического комплекса, причем блок служебных помещений; блок управления и контроля работы комплекса; блок обработки глубинной воды; командная рубка; наблюдательный мостик смонтированы на рабочей платформе, которая может выполняться в виде понтонов, плавучих платформ, кораблей или волностойких платформ, в котором, в отличие от прототипа, рабочая платформа по периметру снабжена выносными полыми штангами, между которыми установлены гребные колеса, внутри выносных полых штанг размещены узлы и элементы системы пневмообмыва, гидравлический вход которой соединен со спиралеобразным каналом, на выходе которого установлена турбина, сочлененная через редуктор с ротором электрогенератора, выход которого соединен с аккумуляторной станцией силового блока, а вход спиралеобразного канала соединен с гидравлическим выходом блока очистки поверхностной воды; метеостанция включает аппаратуру приема спутниковой, факсимильной и телеграфной метеорологической информации, блок сопряжения, блок процессорный, пульт управления и индикации, датчик атмосферного давления, датчик температуры и относительной влажности воздуха, датчик метрологической дальности видимости, датчик высоты нижней границы облаков, датчик скорости и направления ветра; дополнительно введены блок измерения гидрологических параметров, блок измерения геофизических параметров и соединенные посредством блока сопряжения с блоком процессорным метеостанции, эхоледомер.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами (фиг.1, 2).
Фиг.1. Схема морского эколого-энергетического комплекса: 1 - блок управления и контроля работы агрегатов комплекса (БУКРА); 2 - ветроэнергетическая установка (ВЭУ); 3 - лаборатория контроля состава воды (ЛКСВ); 4 - рабочая платформа комплекса (РПК); 5 - электролизный блок (ЭБ); 6 - портальный кран (ПК); 7 - блок обработки глубинной воды (БОГВ); 8 - солнечный коллектор (СК); 9 - блок гребных валов (БГВ);10 - блок служебных помещений (БСП); 11 - ванна глубинной воды (ВГВ); 12 - газгольдерный блок (ГБ); 13 - блок забора глубинной воды (БЗГВ); 14 - силовой блок (СБ); 15 - блок очистки поверхностной воды (БОПВ); 16 - метеостанция (МС); 17 - командная рубка (КР); 18 - фотоэлементная станция (ФС); 19 - силовой соединительный угольник (ССУ); 20 - защитный форштевень (ЗФ); 21 - блок утилизации загрязнений (БУЗ); 22 - очистные щетки (ОЩ); 23 - якорный блок (ЯБ); 24 - блок измерения гидрологических параметров; 25 - блок измерения геофизических параметров; 26 - эхоледомер; 27 - полые штанги; 28 - гребные колеса; узлы 29 и элементы 30 системы пневмообмыва 31, спиралеобразный канал 32; турбина 33, редуктор 34, ротор 35 электрогенератора 36.
Фиг.2. Блок-схема метеостанции 16. Метеостанция 16 состоит из аппаратуры 37 приема спутниковой, факсимильной и телеграфной метеорологической информации, блока сопряжения 38, блока процессорного 39, ПУИ 40, датчика атмосферного давления 41, датчика температуры и относительной влажности воздуха 42, датчика метрологической дальности видимости 43, датчика высоты нижней границы облаков 44, датчика скорости и направления ветра 45.
Принцип действия и устройство блоков 1-15, 17-23 аналогичны прототипу.
Блок управления и контроля работы агрегатов комплекса (БУКРА) 1 оборудован панелью управления, электрифицированной системой контроля работы агрегатов и узлов комплекса, выходными устройствами систем, радиостанцией, телевизионной, громкоговорящей, телефонной и мобильной связью, охранной и сигнальной системами. Он имеет электрические связи и обеспечивает работу всех систем, устройств и агрегатов морского эколого-энергетического комплекса (МЭЭК).
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) 2 предназначена для получения электроэнергии под воздействием воздушных потоков. При этом роторы устанавливаются на силовых, соединительных угольниках 19 рабочей платформы комплекса 4. Количество установок может меняться. Предложенная конструкция ВЭУ выгодно отличается большой эффективностью. Это обусловлено 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 геликондные лопасти, опирающиеся на верхний и нижний обручи. При этом к нижнему обручу крепится обод червячного колеса, находящегося в зацеплении с червяком, приводящим в движение вал генератора, вырабатывающего электроэнергию.
Вырабатываемая ВЭУ электрическая энергия используется в работе электролизного блока 5 для получения водорода и кислорода.
Лаборатория контроля состава воды (ЛКСВ) 3 предназначена для определения степени загрязнения морской воды и контроля ее химического и бактериологического состава. Она обеспечивает контроль как в прибрежной, так и в глубинной зонах, что позволяет выбирать оптимальные методы очистки воды, при этом определяющим фактором очистки глубоководной воды является концентрация сероводорода.
Рабочая платформа комплекса (РПК) 4 может выполняться в виде понтонов, плавучих платформ, кораблей, волностойких платформ и т.п. На рисунке представлен вариант платформы катамаранного типа. Она составлена из 10-ти морских понтонов, соединенных между собой штатными замками, а по углам - силовыми, соединительными угольниками 19. Она служит для размещения узлов и блоков комплекса и снабжена по периметру ограждающими и сигнальными устройствами, а также спасательными средствами.
Электролизный блок (ЭБ) 5 состоит из электролизной ванны, системы электродов, устройств подготовки электролита, системы вывода водорода и кислорода, набора соединительных междуэлектродных шин. Он предназначен для получения водорода и кислорода из морской воды, при этом водород может использоваться, например, для работы электрохимических элементов питания, двигателей-генераторов, работающих на водороде, вырабатывающих электроэнергию, а кислород - в очистном блоке для интенсификации очистки воды путем барботирования его в воду, например, в санаторно-курортных зонах, акваториях портов, рыбоводческих хозяйствах и т.д.
Портальный кран (ПК) 6 смонтирован на рабочей платформе комплекса 4 и предназначен для проведения погрузо-разгрузочных операций, в том числе и при монтаже-демонтаже заборной трубы. Одновременно служит и для повышения жесткости рабочей платформы комплекса 4.
Блок обработки глубинной воды (БОГВ) 7 предназначен для получения водорода и серы путем фотолиза паров сероводорода. Водород подается затем в силовой блок 14, а серу собирают в контейнер механическим путем.
Солнечный коллектор (СК) 8 служит для подогрева глубинной воды за счет принудительной циркуляции теплоносителя, выполненный, например, в виде спиралеобразного змеевика, при этом верхняя часть его находится над ванной глубинной воды 11, а нижняя - в воде ванны глубинной воды 11.
Блок гребных валов (БГВ) 9 предназначен для обеспечения перемещения комплекса по воде и состоит, например, из двух гребных валов с электроприводами.
Блок служебных помещений (БСП) 10 включает в себя, например, столовую, кухню, ванную и туалетную комнаты, комнату отдыха и т.д., предназначенные для удовлетворения бытовых условий обслуживающего комплекс персонала.
Ванна глубинной воды (ВГВ) 11 предназначена для сбора и хранения глубинной морской воды.
Газгольдерный блок (ГБ) 12 предназначен для сбора, хранения и использования, по необходимости, водорода и кислорода. Количество газгольдеров определяется размерами МЭЭК или его назначением. На рисунке представлены два газгольдера. В представленной полезной модели они выполнены в мягком исполнении.
Блок забора глубинной воды (БЗГВ) 13 предназначен для транспортировки морской воды с различной глубины от 20 до 200 м. Он состоит из механического фильтра и секционированного заборного трубопровода. 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 ванны глубинной воды 11. Подача воды производится с помощью глубоководного водяного насоса.
Силовой блок (СНБ) 14 предназначен для получения энергии и снабжения потребителей МЭЭК, а также создания ее запаса на борту комплекса. Он может состоять из двигатель-генераторного отсека, аккумуляторной и суперконденсаторной станции. При этом двигатель-генераторный отсек содержит двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, получаемом на комплексе. Двигатели изготовлены с соосно смонтированными электрогенераторами. Накопление и хранение электроэнергии производится в аккумуляторной и суперконденсаторной станциях. Использование аккумуляторной и суперконденсаторной станций позволяет не только запасать электрическую энергию, но и равномерно распределять ее между потребителями.
Все источники электрической энергии имеют электрические связи с блоком управления и контроля работы агрегатов комплекса 1. Применение несколько автономных электрических источников позволяет повысить независимость МЭЭК от погоды, времени года и суток, а также вырабатывать энергию для обеспечения других объектов как на море, так и на берегу.
Блок очистки поверхностной воды (БОПВ) 15 состоит, например, из емкостей аэротэнков. На рисунке показаны три такие емкости, выполненные в гибком исполнении. Они служат для очистки поверхностной воды. Причем в каждом аэротенке очистка производится различными методами, например кислородным барботированием, химическим или ультразвуком. Над емкостями аэротэнков установлен мост для обслуживания механизмов заполнения и очистки емкостей аэротэнков. Эти механизмы установлены на мосту обслуживания емкостей аэротэнков и позволяют осуществлять смену очищаемой воды и выгрузку шлама. Который затем направляется по трубам (лоткам) в печи утилизации. В печах шламом подвергается высокотемпературной обработке. В качестве топлива используется водород, получаемый на МЭЭК. Продуктом сжигания шлама является пек. Это высококачественный строительный материал, применяющийся для облицовки служебных помещений, дорожных конструкций и т.д. Он не гигроскопичен, тверд, хорошо полируется, долгостоек, имеет продолжительный срок службы.
Метеостанция (МС) 16 предназначена для определения метеоусловий в месте дислокации, а также выдачи рекомендаций в организации работы комплекса.
Командная рубка (КР) 17 предназначена для управления перемещениями комплекса, а также организации рабочего процесса комплекса.
Фотоэлементная станция (ФС) 18 предназначена для выработки электрической энергии за счет использования энергии солнца и состоит, например, из двух фотоэлементных блоков, каждый из которых выполнен из отдельных фотоэлементных панелей, смонтированных в общей раме.
Расположение фотоэлементных блоков изменяется автоматически в соответствии с изменением угла падения солнечных лучей.
Силовой соединительный угольник (ССУ) 19 устанавливается в случае использования понтонов в МЭЭК. Он предназначен для соединения понтонов в П-образную конструкцию, соединяющихся впоследствии в катамаран, образуя рабочую платформу комплекса. Для качественного крепления используются четыре силовых соединительных угольников.
Защитный форштевень (входной шлюз) (ЗФ) 20 предназначен для забора поверхностной воды с целью очистки ее от поверхностных загрязнений в комплексе. Защитный форштевень 20 состоит из двух ворот, каждая из которых закреплена к силовому соединительному угольнику 19. На силовых соединительных угольниках 19 смонтированы устройства для открывания и закрывания ворот форштевня. При очистке прибрежных акваторий от органических загрязнений ворота открываются и образуют входной шлюз, через который происходит забор загрязненной воды в блок очистки поверхностной воды 15.
Блок утилизации загрязнений 21 предназначен для сжигания выловленных с поверхностной воды загрязнений. Он включает герметизированную высокотемпературную печь с очистными устройствами. Для сжигания загрязнений в печи используется водород.
Очистные щетки 22 предназначены для сбора загрязнений поверхностной воды, поступающей в защитный форштевень, и транспортировки их в блок утилизации загрязнений 21. В предлагаемой полезной модели установлены две очистные щетки 22. Одним концом они крепятся к рабочей платформе комплекса 4, а другим скреплены между собой. Очистные щетки 22 при работе могут двигаться по дугам окружностей, сгребая поверхностные загрязнения воды к отстойникам, устанавливаемым перед входами в блок утилизации загрязнений 21. В отстойниках вода фильтруется через сетки, а нефтепродукты, оставшиеся в сетке, направляются в высокотемпературные печи.
Якорный блок (ЯБ) 23 предназначен для фиксации комплекса в заданном месте работы. В предложенном варианте полезной модели он состоит из двух якорных позиций, расположенных на противоположных концах комплекса и включающих в себя якорь, якорную цепь, механизм подъема-опускания якоря и панель управления. Работа МЭЭК может проводиться в нескольких режимах, в зависимости от ее комплектации, удаления от берега, расположения в бухте или на море, а также от конкретных задач.
При этом МЭЭК может выполнять следующие функции:
очищать прибрежные акватории от органических загрязнений;
насыщать морскую воду кислородом;
производить подъем и очистку глубинной воды от сероводорода;
вырабатывать электроэнергию и производить энергообеспечение объектов прибрежной зоны или на море и др.
В зависимости от назначения МЭЭК может выполнять одну или несколько функций одновременно.
Выработка электроэнергии силовыми блоками и электролизерной станцией производится параллельно во всех режимах работы МЭЭК.
Параллельно может осуществляться насыщение морской воды кислородом.
При очистке прибрежных акваторий от органических загрязнений ворота защитного форштевеня 20 разводятся в стороны. Вода поступает в образовавшийся шлюз, проходит через очистные щетки 22 и поступает в емкости аэротэнков блока очистки поверхностной воды 15. Где параллельно или последовательно (в зависимости от типа загрязнений) производится очистки поверхностной воды. Причем в каждой емкости аэротэнков очистка производится различными методами, например кислородным барботированием, химическим или ультразвуковым. Очистка воды осуществляется циклами по 2-4 часа, в зависимости от степени загрязненности воды. На время цикла очистки МЭЭК не передвигается. После завершения цикла МЭЭК перемещается по акватории до очередного заполнения блока очистки.
Далее загрязнения подаются в блок утилизации загрязнений 21, где в герметизированной высокотемпературной печи сжигаются.
В этом режиме блок обработки глубинной воды 7 не работает, заборная труба глубоководной воды находится в собранном состоянии.
Режим десероводоризации глубинной воды начинается при достижении глубины моря 100-200 м. Собирается заборная труба с помощью портального крана и опускается на глубину для забора морской воды, насыщенной сероводородом. МЭЭК устанавливается на якоря, и начинается работа комплекса по подъему и очистке глубинной воды от сероводорода. Глубинная вода поступает в специальные ванны, где происходит выделение сероводорода за счет фотолиза и нагрева солнечными коллекторами. В этом режиме блок очистки поверхностной воды 15, как правило, не работает, защитный форштевень (входной шлюз) 20 закрыт, а емкости аэротэнков собраны и обезвожены. В режиме энергообеспечения объектов прибрежной зоны или морских объектов электроэнергией МЭЭК может пришвартовываться к берегу или к морским объектам.
Основными преимуществами МЭЭК являются:
очистка морской глубинной воды, в частности, Черного моря от сероводородного загрязнения;
получение экологически чистой электрической энергии;
обеспечение экологической безопасности прибрежных территорий за счет очистки и обезвреживания акваторий;
получение высококачественных строительных материалов для дорожных сооружений и облицовки зданий;
получение жидкого водорода в качестве топлива для автомобильного транспорта прибрежных районов;
получение кислорода и снабжение им прибрежных зон предприятий рыборазведения и морепродуктов;
получение кристаллической серы.
В отличие от прототипа метеостанция 16 обеспечивают получение, обработку, регистрацию, отображение и выдачу потребителям следующей информации:
- гидрометеорологических параметров окружающей среды;
- метеорологической информации от метеорологических искусственных спутников (МИСЗ) типа «Метеор», «NOAA» в виде снимков подстилающей поверхности и облачного покрова Земли;
- факсимильной и телеграфной информации от радиометеорологических центров (РМЦ).
Аппаратные и программные устройства обеспечивают:
а) измерение, вычисление, отображение и регистрацию следующих гидрометеорологических параметров окружающей среды:
- скорости кажущегося ветра (для дрейфующей платформы);
- направления кажущегося ветра (для дрейфующей платформы);
- скорости истинного ветра;
- направления истинного ветра;
- атмосферного давления;
- температуры воздуха;
- относительной влажности воздуха;
- высоты нижней границы облаков;
- метеорологической (оптической) дальности видимости;
б) прием, обработку и отображение гидрометеорологической информации, поступающей от МИСЗ типа «Метеор», «NOAA» в международном аналоговом формате APT, факсимильной и телеграфной информации от РМЦ, принимаемой в форматах FAX и RTTY.
Погрешность выработки параметров при реализации новых признаков приведена в таблице.
Наименование, обозначение параметра
Диапазон
Пределы допускаемой погрешности при P=0,95
1. Скорость кажущегося ветра W, м/с
от 1 до 50
±(0,50+0,05W)
2. Направление кажущегося ветра, град
от 0 до 360
±6,0 (при W более 5 м/с)
3. Скорость истинного ветра V, м/с
от 1 до 50
±(0,50+0,07V)
4. Направление истинного ветра, град
от 0 до 360
±7,0 (при V более 5 м/с)
5. Атмосферное давление, ГПа
от 880 до 1050
±0,5
6. Температура воздуха, °C
от минус 40 до 50
±0,5
7. Относительная влажность воздуха при температуре от минус 20 до 50°C, %
от 30 до 100
±8,0
8. Высота нижней границы облаков h, м
от 15 до 5000
±(15,00+0,05h)
9. Метеорологическая (оптическая) дальность видимости S, м
от 10 до 5000
±(10,0+0,28)
Период обновления отображаемой информации о текущих значениях параметров кажущегося и истинного ветра, атмосферном давлении, температуре и влажности воздуха, высоте нижней границы облаков и метеорологической (оптической) дальности видимости не превышает 5 с.
Расчет параметров "истинного" ветра осуществляется по результатам измерения параметров "кажущегося" ветра и данных о курсе, скорости и координатах дрейфующей платформы, получаемых от системы типа «ЛАДОГА-11430» (устанавливается дополнительно на дрейфующих платформах) через блок сопряжения 38. При этом скорость "истинного" ветра рассчитывается для неподвижной точки с географическими координатами дрейфующей платформы, а направление - относительно направления на Север. По результатам измерения и расчета параметров ветра изделие индицирует значения минимальной, средней и максимальной скорости "кажущегося" и "истинного" ветра за периоды 2 и 10 мин. При установке метеостанции 16 на стационарных платформах определяется скорость "истинного" ветра.
Метеостанция 16 обеспечивает прием информации о географических координатах (широте, долготе), скорости и курсе платформы при ее нахождении в дрейфе от приемника спутниковой навигационной системы и инерциальной навигационной системы, входящих в систему типа «Ладога-11430», выдачу метеорологической информации потребителям в стандарте IEC 1162-1, прием сигналов в формате APT от метеорологических ИСЗ в диапазоне от 135 до 138 МГц с шагом перестройки частоты 0,01 МГц, обработку и отображение принятой информации, а также обеспечивает получение и обработку факсимильной (в формате FAX) и телеграфной (в формате RTTY) гидрометеорологической информации, принимаемой радиоприемным устройством от передающих радиометеорологических центров.
Прием, обработка, накопление, регистрация и отображение спутниковой, факсимильной и телеграфной метеорологической информации, а также массива данных гидрометеорологических параметров осуществляются с помощью вычислительных средств устройства приема и отображения информации со следующими техническими характеристиками:
- тактовая частота процессора, МГц, не менее 300;
- объем оперативной памяти не менее 128 Мбайт;
- объем видеопамяти не менее 16 Мбайт;
- объем носителя информации на жестком диске не менее 4.1 Гбайт;
- объем носителя информации на гибком диске 1.44 Мбайт;
- звуковая плата;
- сетевая плата.
Интерфейсы включают:
- 6 последовательных портов RS-232/422;
- 1 параллельный порт (LPT);
- порт PS/2 для подключения манипулятора трекбол.
Блок процессорный 39 представляет собой настенный приборный шкаф, обеспечивающий энергоснабжение датчиков скорости и направления ветра 45, датчика атмосферного давления 41, датчиков температуры и относительной влажности воздуха 42, датчика метеорологической (оптической) дальности видимости 43, а также обеспечивает прием текущей информации от вышеуказанных датчиков и от датчика высоты нижней границы облаков 44, обрабатывает и выдает ее для визуального отображения оператору на пульт управления и индикации 40 и при необходимости на выносные табло потребителей, а также транслирует через блок сопряжения 38 на системы потребителей информации. Датчик скорости и направления ветра 45 содержит измерительный преобразователь и два анемометрических измерительных датчика: - скорости ветра (анемометр) и направления ветра (флюгер). Датчик скорости ветра состоит из трехчашечной крыльчатки, вращаемой ветром. На одной оси с крыльчаткой установлен перфорированный диск с отверстиями, который при вращении крыльчатки перекрывает луч света оптоэлектронного преобразователя. Частота импульсов, формируемых оптоэлектронным преобразователем, пропорциональна скорости вращения крыльчатки.
Чувствительный элемент датчика направления ветра - флюгер, ориентирующийся по направлению ветра. На оси вращения установлен перфорированный диск с отверстиями. Оптоэлектронный преобразователь снимает отсчет углового положения диска с шагом 5,6° и выдает цифровой код положения флюгера в виде кода Грея. Измерительный преобразователь преобразует дискретные отсчеты в линейно изменяющийся ток для токовых измерительных каналов скорости и направления ветра в блоке БП-3.
Датчик скорости и направления ветра 45 содержит нагревательный элемент, который включает термореле при понижении температуры ниже 4°C и поддерживает внутри датчика необходимую рабочую температуру и исключает образование льда.
Датчик атмосферного давления 41 представляет собой цифровой барометр, чувствительным элементом которого является кремниевая диафрагма, работающий по принципу преобразования атмосферного давления в частоту.
Датчик температуры и относительной влажности воздуха 42 содержит измерительный преобразователь и чувствительные элементы (платиновый датчик сопротивления и кварцевый преобразователь влажности емкостного типа).
Температура и влажность воздуха изменяют величину сопротивления и емкость преобразователя чувствительного элемента и преобразуются измерительным преобразователем в линейно изменяющиеся аналоговые сигналы, пропорциональные измеряемой температуре и влажности.
Датчик метеорологической (оптической) дальности видимости 43 содержит оптический передатчик - светодиодный излучатель инфракрасного (ИК) света и чувствительный фотодиод-приемник. Приемник и передатчик установлены под определенным углом друг к другу и на определенном расстоянии. Оценка метеорологической (оптической) видимости осуществляется путем измерения показателя ослабления инфракрасного света, вызванного рассеянием и поглощением его в фиксированном зондируемом пространстве. После анализа интенсивности рассеянного сигнала встроенным процессорным устройством измеренная величина рассеивания преобразуется в показатель оптической дальности видимости и в цифровом коде ASCII передается по линии связи.
Датчик высоты нижней границы облаков 44 представляет собой оптический импульсный лазер, зондирующий в вертикальном направлении воздушное пространство импульсом длительностью 100 нс с энергией 1,6 мкДж. Неоднородность воздушного пространства в вертикальном направлении (облака, туман, осадки) вызывает отражение зондирующего импульса, который принимается приемником датчика. По времени задержки между посылкой зондирующего импульса и приходом отраженного сигнала процессор датчика рассчитывает высоту нижней границы облаков и в виде цифрового кода выдает на блок процессорный 39 по линии интерфейса RS-485.
Метеостанция 16 обеспечивает следующие режимы работы:
- режим приема информации от МИСЗ;
- режим приема факсимильных карт и телеграмм;
- режим измерения гидрометеорологических параметров;
- режим контроля функционирования.
Режим приема информации от МИСЗ обеспечивает получение снимков подстилающей поверхности и облачного покрова Земли, выполняемых в видимом и инфракрасном диапазонах аппаратурой МИСЗ типа "МЕТЕОР", "NOAA" и передаваемых узкополосным частотно-модулированным сигналом в метровом диапазоне 135-138 МГц. Режим выбирается оператором и осуществляется комплексом программного обеспечения (КПО) типа «СПУТНИК», установленным на приборе управления и индикации.
При нахождении МИСЗ в зоне радиовидимости излучаемый передатчиком спутника сигнал принимается антенной MB, усиливается антенным усилителем и по кабелю поступает на вход основного (или резервного) канала приема. Каждый канал приема содержит радиоприемник типа Н-89М и блок синтезатора частоты типа Г-223М. Сигнал гетеродина синтезируется в соответствии с управляющим кодом, поступающим на синтезатор основного или резервного каналов через основной (или резервный) СОМ-порт ПУИ. КПО «СПУТНИК» вырабатывает управляющие коды, выбирающие канал приема (основной или резервный), задающие частоту настройки и время включения и выключения канала приема для организации сеанса приема информации от МИСЗ.
Принятый основным (или резервным) радиоприемником Н-89М низкочастотный аналоговый APT сигнал преобразуется в последовательный цифровой поток в блоке Г-223М и выдается на основной или резервный выходы канала приема. Цифровой поток основного (или резервного) канала с выхода канала приема поступает соответственно на разъемы СОМ-порта ПУИ и с помощью программного обеспечения записывается на жесткий диск, преобразуется в соответствующий графический формат и отображается на экране монитора. Обмен информацией между ПУИ и каналом приема осуществляется по интерфейсу RS-232.
Функционально СПО АРМ ГМУ подразделяется на следующие блоки:
а) Блоки устройства первичной обработки, выполняющие следующие функции:
- аналого-цифровое преобразование видеосигнала;
- осреднение по дальности и количеству импульсов;
- корректировка сигналов в зависимости от углов бортовой и килевой качки и рыскания, поступающие от НК;
- включение РЛС «КОНТУР-К» и управление режимами сканирования антенны по углу места;
б) Блоки устройства вторичной обработки (УВО) осуществляют распознавание метеорологических явлений, отображение и передачу информации потребителям. Конфигурация схемного решения позволяет решать все вышеперечисленные задачи с помощью специального программного обеспечения (СПО).
СПО состоит из отдельных программных модулей, которые выполняют определенные функции по приему, обработке, представлению метеорологической информации, а также управлению РЛС и передаче этой информации через сервер пользователя.
При работе на АРМ ГМУ используются следующие программные средства:
- операционная система (OC),WINDOWS 95, 98, 2000;
- драйверы платы АЦП ADLink 9812 для WINDOWS 98 или 2000;
- драйверы платы RS 485.
Режим приема факсимильных карт погоды или режим приема телеграмм (текстовых сообщений) обеспечивается КПО «ФАКС» («FAX-МАР») и КПО «ТЛГ» («RTTY»), установленными на приборе управления и индикации ПУИ, и выбирается оператором. Факсимильные метеорологические карты и телеграммы передаются радиометеорологическими центрами в диапазоне коротких волн соответственно частотно-модулированными сигналами FM-FAX и RTTY.
Сигнал FM-FAX или RTTY, принятый радиоприемным устройством (РПУ) типа «Бригантина», демодулируется и выдается на входной разъем блока сопряжения 38 в виде низкочастотного сигнала звукового диапазона с амплитудно-частотной (АЧМ) модуляцией.
Согласующее устройство блока сопряжения 38 обеспечивает гальваническую развязку и нормирование сигнала от РПУ. С выходного разъема блока сопряжения 38 сигнал поступает на разъем LINE IN встроенного в пульт управления и индикации 40 контроллера обработки звуковых сигналов, где он синхронизируется, оцифровывается, преобразуется в графический формат, записывается на жесткий диск и отображается на экране монитора в виде факсимильных карт или текстовых сообщений.
Полученная информация может быть распечатана на принтере формата А4, подключенном к разъему LPT, или на цветном принтере формата A3, подключенном к разъему USB пульта управления и индикации 40.
Режим измерения гидрометеорологических параметров заключается в измерении датчиками текущих значений метеорологических параметров, преобразовании их в цифровые или аналоговые электрические сигналы и передаче по кабельным линиям связи в блок процессорный 39. Текущая информация от датчиков поступает на входные разъемы блока процессорного 39, обрабатывается и выдается в цифровом виде соответственно с выходных разъемов на пульт управления и индикации 40 и выносные индикаторные табло, в блок сопряжения 38 для трансляции другим потребителям. Одновременно обработку, отображение и документирование информации осуществляет пульт управления и индикации 40, подключенный к выходному разъему блока процессорного 39.
При установке датчиков на дрейфующей платформе алгоритм обработки информации в блоке процессорном 39 построен таким образом, что информация о параметрах ветра, относительной влажности воздуха и температуре выбирается и выдается потребителям от датчиков, расположенных на наветренном борту дрейфующей платформы. Такой алгоритм позволяет уменьшить погрешность измерений, вносимую элементами конструкции платформы.
При движении платформы собственная скорость и курс платформы складываются с физическими параметрами скорости и направления истинного ветра, вследствие чего датчик измеряет и выдает параметры "кажущегося" ветра. На основании данных о скорости и курсе, поступающих от навигационных систем через блок сопряжения 38, блок процессорный 39 реализует алгоритм пересчета результатов измерения "кажущегося" ветра в параметры "истинного" ветра и выдает их для отображения. (Согласно алгоритму скорость "истинного" ветра рассчитывается для неподвижной точки с географическими координатами корабля, а направление - относительно направления на Север.)
Текущие значения основных метеорологических параметров отображаются на экране монитора пульта управления и индикации 40 в виде информационного окна, формируемого программным обеспечением типа «Гидрометеопост».
Структурно изделие представляет собой аппаратно-программный комплекс, функционально объединяющий аппаратуру приема спутниковой, факсимильной и телеграфной метеорологической информации (АСФТИ), аппаратуру контроля гидрометеорологических параметров (АКГМП) и средства сопряжения этих составных частей с навигационными системами-датчиками и потребителями гидрометеорологической информации платформы.
Аппаратура АСФТИ обеспечивает прием информации от МИСЗ и радиометеорологических центров, обработку, запоминание, документирование и отображение ее на экране монитора пульта управления и индикации 40.
Аппаратура АКГМП осуществляет измерение параметров окружающей среды, их обработку, отображение данных измерений на экране монитора пульта управления и индикации 40.
Аппаратные средства изделия соединены между собой высокочастотными и сигнальными кабелями, кабелями связи, управления и питания.
Аппаратура приема спутниковой, факсимильной и телеграфной метеорологической информации (АСФТИ) функционально объединяет:
- устройство антенное MB;
- приемные каналы, представляющие собой блок приема и обработки информации типа Б-2361М;
- устройство приема и отображения информации (УПОИ);
- стойку регистраторов.
Устройство антенное MB представляет собой разборную конструкцию стоечного типа, которая состоит из антенны в виде волнового крестообразного вибратора и стойки-основания с кожухом, в котором размещается антенный усилитель.
Антенный усилитель (АУ) обеспечивает усиление принятого антенной ВЧ-сигнала до уровня, обеспечивающего компенсацию ослабления сигнала в коаксиальном кабеле, соединяющем устройство антенное MB и радиоприемник. Питание на АУ поступает по коаксиальному кабелю от радиоприемника. В основании антенна MB оканчивается установочным фланцем с отверстиями под болты крепления к горизонтальной установочной площадке.
Антенное устройство MB (выход антенного усилителя) подключается к блоку приема и обработки информации.
Блок приема и обработки информации выполнен в виде конструкции, установленной на амортизационных опорах. В блоке установлены пять съемных блоков:
- два блока синтезатора частоты типа Г-223М;
- два радиоприемника универсальных типа Н-89М;
- блок питания.
С лицевой стороны указанные блоки закрываются общей дверцей. На верхней панели блока установлены сетевые предохранители, тумблер включения питающей сети и разъемы. На лицевых панелях съемных блоков имеются контрольные светодиоды, цифровые индикаторы, входные и выходные малогабаритные ВЧ-разъемы.
Устройство приема и отображения информации включает в себя:
- прибор управления и индикации 40 с клавиатурой и манипулятором трекбол;
- два блока бесперебойного питания;
- две коробки распределительные.
Прибор управления и индикации 40 представляет собой малогабаритный вычислительный комплекс, системный блок и монитор которого объединены в единую конструкцию, к которой подключены клавиатура и манипулятор трекбол. На задней стенке прибора управления и индикации расположены разъемы подключения питания, клавиатуры, манипулятора трекбол и внешних устройств, а также выключатель питания.
Устройства ввода информации - дисководы для чтения дисков CD-ROM и дискет размером 3,5'' - расположены под крышкой на лицевой стороне прибора управления и индикации 40. Блок сопряжения 38 конструктивно представляет собой приборный настенный шкаф. Функционально блок обеспечивает связь изделия с системами навигационной информации судна (о местоположении, курсе, скорости) и системами потребителями метеорологической информации. Мультиплексорные устройства блока сопряжения 38 организуют прием навигационной информации и выдают ее на процессорный блок 39 АКГМП и на пульт управления и индикации 40.
Метеостанция 16 работает следующим образом.
Посредством измерительных датчиков измеряют атмосферные параметры, такие как текущие значения истинного ветра, атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, высоты нижней границы облаков и метеорологической дальности видимости на разнесенных в пространстве пунктах наблюдений, оборудованных на нефтяных платформах или погрузочных терминалах. Одновременно с измерениями принимают информацию от метеорологических спутников Земли, радиометеорологических центров и метеорологических локаторов.
Обрабатывают измеренную и принятую информацию от внешних источников информации. При обработке информации, полученной от нескольких метеорадиолокаторов, определяют метеорологический потенциал для каждой станции.
Посредством метеорологического потенциала можно сравнить различные радиолокаторы с точки зрения их эффективности для метеорологических наблюдений. Чем больше потенциал, тем лучше станция приспособлена для метеорологических наблюдений (Брылев Г.Б., Гашина С.Б., Низдойминога Г.Д. Радиолокационные характеристики облаков и осадков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 231 с).
При обработке информации, полученной от радиолокаторов, информацию, полученную от радиолокатора, имеющего больший потенциал, принимают за эталонную, относительно которой выполняется последующая обработка.
Скорость, направление и продолжительность ветра фиксируют не менее чем на трех высотных эшелонах 3÷10 м, 30÷150 м (путем непосредственных измерений посредством датчиков), 0,5÷100 км (косвенным путем посредством обработки информации, полученной от метеолокаторов.
Измеренные параметры наносят на метеокарты, полученные от внешних источников информации. На эти же карты наносят сезонные параметры, полученные за многолетние наблюдения в данном районе и хранящиеся в ПЗУ блока процессорного 39.
Выполняют анализ на содержание аномальных значений, характеризующих опасные явления, путем построения полуэмпирической модели колебаний уровня течений и волнений в зависимости от скорости, направления и продолжительности ветра. При этом верикацию полуэмпирической модели выполняют на основе многолетних гидрометеорологических наблюдений для конкретного района.
При прогнозировании опасных и особо опасных явлений, по полученным результатам измерений, посредством блока измерения геофизических параметров 25, включающего гравиметр, магнитометр и сейсмограф, строят карты распределения аддитивных показаний и отождествляют явления, характеризующиеся распределением аномальных значений аддитивных показателей.
Посредством блока измерения гидрологических параметров 24, включающего многолучевой эхолот, однолучевой эхолот, гидролокатор бокового обзора, параметрический профилограф, измеритель скорости звука в морской воде, акустический измеритель скорости течения, выполняют зондирование гидросферы для выявления загрязнений водной среды техногенного характера.
Посредством эхоледомера 28 определяют толщину льда при работе в морях Северного Ледовитого океана.
Рабочая платформа 4 по периметру снабжена выносными полыми штангами 27, между которыми установлены гребные колеса 28, внутри выносных полых штанг 27 размещены узлы 29 и элементы 30 системы пневмообмыва 31, гидравлический вход которой соединен с выходом спиралеобразного канала 32, на выходе которого установлена турбина 33, сочлененная через редуктор 34 с ротором 35 электрогенератора 36, выход которого соединен с аккумуляторной станцией силового блока 14, а вход спиралеобразного канала 32 соединен с гидравлическим выходом блока очистки поверхностной воды 15.
Ввиду того что при использовании МЭЭС в ледовых условиях требуется надежное и бесперебойное энергоснабжение, то вода из блока очистки поверхностной воды 15 поступает в спиралеобразный канал 32, в котором ламинарный поток преобразуется в во вращательный турбулентный поток, который будет раскручивать турбину 33, установленную в нижней части спиралеобразного канала 32. Турбина 33 сочленена через редуктор 34 с ротором 35 электрогенератора 36, выход которого соединен с аккумуляторной станцией силового блока 14, что обеспечит получение дополнительной электроэнергии. Гидравлический выход спиралеобразного канала 32 соединен со входом системы пневмообмыва 31, которая включает нагреватели и центробежный насос для нагрева воды и подачи ее в выносные полые штанги 27, снабженные узлами 29 и элементами 30, представляющими собой клапаны, диффузоры и форсунки, через которые подогретая вода подается на поверхность льда, на которой размещают выносные полые штанги 27. Подогретая вода частично растапливает лед. После этого приводятся в движение гребные колеса 28, рабочий орган которых выполнен в виде фрез, посредством которых разбивают лед вокруг рабочей платформы 4, что позволяет МЭЭС переместиться в новый район работы.
Реализация предлагаемого устройства технической сложности не представляет, так как могут быть использованы измерительные датчики и аппаратные средства, агрегаты и механизмы, имеющие широкое применение или апробацию.
Источники информации
1. Патент RU №2123476 С1, 20.12.1998.
2. Патент RU №2180366 С2, 10.03.2002.
3. Патент RU №2038422 С2, 27.06.1995.
4. Патент US №5833834 А, 10.10.1998.
5. Патент US №3947333 А, 30.03.1976.
6. Патент US 4080271 А, 21.03.1978.
7. Патент RU №2224117.
8. Патент RU №73398U.