Морская волновая электростанция (варианты), магнитогидродинамический генератор, магнитогидродинамический канал, водородно-кислородный турбогенератор, насосная установка и применение электрохимического генератора
SEA WAVE POWER STATION (OPTIONS), MAGNETOHYDRODYNAMIC GENERATOR, MAGNETOHYDRODYNAMIC CHANNEL, HYDROGEN-OXYGEN TURBOGENERATOR, PUMP INSTALLATION AND APPLICATION OF ELECTROCHEMICAL GENERATOR

1. Область техники, к которой относится изобретение
Группа изобретений относится к возобновляемым источникам электроэнергии, преобразующим механическую энергию колебания морских волн непосредственно в электрическую в магнитогидродинамическом (МГД)генераторе, при этом водород и кислород, выделяющиеся при электролизе морской воды, который возникает при подключении электрической нагрузки, собираются и используются в электрохимическом генераторе с водородно-кислородными топливными элементами с протонообменной мембраной, или в качестве двухкомпонентного топлива для работы турбогенератора, а также к возобновляемым источникам растворов кислот, щелочей и обессоленной воды, получаемых как побочный продукт.
2. Уровень техники
Из реализованных на практике известны следующие волновые электростанции - аналоги изобретения.
- Поплавковая установка близ острова Оаху на Гавайях, в которой выработка энергии происходит в 20-метровом поплавке-генераторе и по подводному кабелю подается потребителям
(www.techcult.ru/technology/3537-volnovaya-elektrostanciya).
- Лопастная установка (США) с двумя поворотными лопастями со свободно-плавающей погруженной платформой (http://aenergy.ru/3596#more-3596).
- Станция у побережья Корнуолла (Великобритания), работающая за счет вертикального перемещения крупного поплавка-буя, скользящего вдоль колонны, заякоренной на дне на глубине 50 м (http://www.membrana.ru/particle/13933).
- Станция Oyster (устрица). Поплавки, закрепленные на дне на мощных рычагах на глубине 12 м, приводят в действие поршневые гидронасосы, подающие воду на берег, где в гидромоторе происходит преобразование в электрическую энергию (http://www.membrana.ru/particle/3311).
- Конвертеры волновой энергии Pelamis Р-750, расположенные у берегов Португалии представляют собой цепь вытянутых в длину буев, между которыми располагаются поршневые гидронасосы, перекачивающие масло к гидромоторам, с помощью которых и происходит выработка электроэнергии
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Волновая электростанция). К этому же типу можно отнести установки, в которых насосы нагнетают жидкометаллическую среду, в которых преобразование механической энергии в электрическую происходит в МГД генераторах на жидких металлах.
Аналогом является морская волновая электростанция, содержащая магнитогидродинамический генератор, включающий реверсивный магнитогидродинамический канал прямоугольного сечения, оснащенного плоскими постоянными магнитами или электромагнитами и электродами, размещенный вертикально, с балластной полостью и состоящий из двух раструбов (US 5136173 А, 04.08.1992, F03B 13/12). Технической проблемой свойственной аналогу является то, что поплавковые генераторы должны быть достаточно массивными и объемными, так как источниками движения является подъемная сила поплавка и сила тяжести. Поплавок выполнен в виде длинного стержня, что требует создание устройств для его ориентации вдоль фронта волны. Магнитогидродинамический канал размещается на большой глубине в зоне спокойной воды, что затрудняет его обслуживание. Низкая эффективность электростанции, так как значительная часть выработанной электрической энергии расходуется на процесс электролиза с выделением водорода, который никак не используется, и его использование затруднено по причине размещения канала на большой глубине. Размещение нескольких таких генераторов вблизи друг друга, например, для увеличения мощности, затруднено, так как они постоянно движутся относительно друг друга и требуется их взаимное позиционирование относительно друг друга, что требует создания дополнительных устройств или затрат энергии.
При работе МГД генератора на морской воде при подключении нагрузки происходит выделение водорода и кислорода. Возможные формы использования накопленных компонентов при работе возобновляемых источников рассмотрены в патенте ЕА 201300067 А1, 30.06.2014, F03B 13/12, которые также являются прототипами применения электрохимического генератора и водородно-кислородного турбогенератора. В данном патенте предлагаются различные формы использования водорода и кислорода, которые вырабатываются в процессе электролиза при потреблении электрической энергии, вырабатываемой в различных возобновляемых источниках электрической энергии, работающих в схемах с сезонно-цикловым режимом энергопотребления. В предлагаемых устройствах выделение водорода и кислорода - побочный результат работы МГД генераторов в морской воде.
Побочным же результатом работы МГД генераторов в морской воде являться возможное накопление кислотных, щелочных сред или деионизированной воды, которые необходимо доставлять по трубопроводам на берег в склады накопления и распределения потребителям при помощи насосов, привод которых целесообразно выполнить от ветровых волн, аналогом которых является волновая насосная установка поршневого типа, содержащая насосы и поплавок UA 90591 С2, 11.05.2010, F03B 13/12.
Предлагаемый насос решает техническую проблему расширения арсенала технических средств.
3. Раскрытие сущности группы изобретений
Морская вода содержит большое количество ионов различных химических элементов и соединений и поэтому преобразование механической энергии волн в электрическую может происходить непосредственно в МГД генераторе, конструкция которого предлагается в данном изобретении.
Такая установка позволяет решить так же техническую проблему расширения арсенала технических средств, предназначенных для преобразования энергии морских волн в электроэнергию.
Станция предназначена для применения в прибрежных районах без образования льда на поверхности морской воды соленостью не ниже  и проводимостью не ниже 3 См/м или для электроснабжения нефтяных или газовых платформ.
Для решения указанной технической проблемы морская волновая электростанция, состоящая из магнитогидродинамических (МГД) генераторов, характеризуется расположением МГД генераторов ниже уровня впадин ветровых волн, закрепляемых ко дну металлоконструкциями, тросовыми оттяжками и фундаментами, подводными и подземными кабельными линиями постоянного тока от комплектных выключателей и секционирующих шин до генераторного распредустройства, расположенного на берегу, системами трубопроводов: смеси гидроксидов натрия, калия, кальция и магния с водородом, смеси серной и угольной кислоты с кислородом и хлором от насосных установок с приводом от волн до расположенных на берегу накопителей-газоотделителей, преобразовательной подстанцией, связанной с генераторным распредустройством и участком электрической сети, электрохимическим генератором (ЭХГ) или водородно-кислородным турбогенератором, системами трубопроводов водорода и кислорода от накопителей-газоотделителей и установки для отделения хлора с сосудами для хранения компонентов в сжатом состоянии и компрессорами до ЭХГ или водородно-кислородного турбогенератора, трубопроводами охлаждения ЭХГ или конденсатора, площадками для погрузки и резервуарами для хранения готовой продукции.
Для решения указанной технической проблемы морская волновая электростанция, состоящая из МГД генераторов, характеризуется расположением ниже уровня впадин ветровых волн, закрепляемых ко дну металлоконструкциями, тросовыми оттяжками и фундаментами, подводными и подземными кабельными линиями постоянного тока от комплектных выключателей и секционирующих шин до генераторного распредустройства, расположенного на берегу, системами трубопроводов: смеси гидроксидов натрия, калия, кальция и магния с водородом, смеси серной и угольной кислоты с кислородом и хлором от МГД генераторов до накопителей-газоотделителей, расположенных под ними, системами трубопроводов: водорода, смеси гидроксидов натрия, калия, кальция и магния, смеси кислорода и хлора от насосных установок с приводом от волн до компрессора водорода и установки для отделения хлора, расположенных на берегу, системами трубопроводов водорода и кислорода от компрессоров и установки для отделения хлора с сосудами для хранения компонентов в сжатом состоянии до ЭХГ или водородно-кислородного турбогенератора, преобразовательной подстанцией, связанной с генераторным распредустройством и участком электрической сети, трубопроводами охлаждения ЭХГ или конденсатора, площадками для погрузки и резервуарами для хранения готовой продукции, расположенными на береговом участке электростанции.
Для решения указанной технической проблемы в магнитогидродинамическом генераторе, состоящем из реверсивных магнитогидродинамических (МГД) каналов, соединенных друг с другом при помощи металлоконструкций и при помощи постоянных магнитов, северный полюс которых является стенкой одного канала, а южный полюс - стенкой соседнего с ним канала, размещаемых вертикально и образующих между собой балластные полости, согласно изобретению, МГД генератор фиксируется неподвижно в вертикальном направлении под уровнем впадин ветровых волн при помощи металлоконструкций, тросовых оттяжек и фундаментов ко дну, а при глубине дна более 50 м содержит, прикрепленные к металлоконструкциям опорные пластины, находящиеся в толще воды вне зоны вертикального движения слоев воды, а также шинами постоянного тока, соединенными с электродами МГД каналов, и трубопроводами, проложенными между МГД каналами, в том числе в балластных полостях, присоединенными к соответствующим патрубкам МГД каналов и к насосным установкам, кингстонами и воздушными клапанами, установленными на боковых поверхностях корпуса генератора.
Для решения указанной технической проблемы в магнитогидродинамическом канале, состоящем из двух раструбов, закрепленных непосредственно на канале прямоугольного сечения, оснащенного плоскими постоянными магнитами или электромагнитами и электродами, согласно изобретению, электроды подключены к шинам постоянного тока через диоды и по периметру электродов расположены перфорированные патрубки для отбора образующихся в результате эффекта Холла и электролиза смеси гидроксидов натрия, калия, кальция и магния с водородом отдельно и смеси серной и угольной кислоты с кислородом и хлором - отдельно, а также в середине канала на входе и выходе воды между электродами - перфорированные патрубки для отбора деионизированной воды, подключенные к трубопроводам МГД генератора по видам сред через обратные клапаны.
Указанная техническая проблема решена применением электрохимического генератора с водородно-кислородными топливными элементами с протонообменной мембраной, в качестве второй ступени генерации электроэнергии на станции для использования водорода и кислорода, выделяющегося в процессе работы МГД генератора.
Для решения указанной технической проблемы водородно-кислородный турбогенератор, в котором дополнительно происходит выработка электрической энергии при сжигании водорода в среде кислорода, полученных при работе МГД генератора, состоящий из компрессора, камеры сгорания, газовой и паровой турбины, генератора, характеризуется наличием компрессора водорода и компрессора кислорода, связанным через зубчатую передачу с силовым валом, на котором установлены: газовая турбина, паровая турбина среднего давления, паровая турбины низкого давления и электрогенератор, камеры сгорания, связанной на входе каналами в корпусе компрессоров для подачи водорода и кислорода и на выходе связанной каналами в корпусе с испарительной камерой, в которую распыливается вода, поступающая по трубопроводу, выход паровой турбины низкого давления связан с входом конденсатора.
Для решения указанной технической проблемы в насосной установке с приводом насосов от волн - вспомогательное оборудование, позволяющее снизить расход электроэнергии на собственные нужды волновой электростанции, закрепляемая на металлоконструкциях МГД-генератора, состоящей из поплавка, закрепленного на коромысле, согласно изобретению, коромысло закреплено с входными валами двух обгонных муфт, связанных валами с мультипликаторами, выходные валы которых являются входными валами конической зубчатой передачи, от которой происходит привод комплекта центробежных насосов по количеству транспортируемых сред.
Волновая электростанция (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5) состоит из следующих основных элементов: МГД генераторов с постоянными магнитами (или электромагнитами) 1, закрепляемых ко дну металлоконструкциями, тросовыми оттяжками и фундаментами; подводных 2 и подземных 4 кабельных линий постоянного тока от комплектных выключателей 3 и секционирующих шин 6 до генераторного распредустройства 5, системы трубопроводов воды, смеси щелочи с водородом, кислоты с кислородом и хлором 7 от насосных установок с приводом от волн 8 до накопителей - газоотделителей 9; преобразовательной подстанции 10, электрохимического генератора (ЭХГ) или турбогенератора (ТГ) 11, участка электрической сети 12, системы трубопроводов водорода и кислорода 13 с сосудами для хранения компонентов в сжатом состоянии и компрессорами 18 от накопителей-газоотделителей и установки для отделения хлора 14 до ЭХГ 11 или турбогенератора 11, трубопроводов охлаждения конденсатора 15 или водоохладителя ЭХГ 15, площадки для погрузки 16 и резервуаров для хранения 17 готовой продукции.
МГД генераторы целесообразно размещать в составе электростанции вдоль береговой линии на расстоянии 0,3 - 0,8 км от берега, тогда фронт волны будет иметь преимущественное направление - к берегу и часть оборудования можно разместить на берегу. Если на данном участке вектор скорости фронта волны будет иметь значительно меняющееся направление, то генератор необходимо выполнить короче, но увеличить их количество вдоль берега, переориентировать генераторы по направлению распространения фронта в процессе эксплуатации - нет необходимости. Если глубина дна будет менее 50 м целесообразно закрепить генератор жестко непосредственно ко дну на фундаменты (Фиг. 1). Если глубина больше (Фиг. 2), то под генератором на глубине 20 м горизонтально располагаются тормозные пластины 25, жестко связанные с генератором. Тогда связь с дном может быть на стальных тросах 26 с гидроизолирующей оболочкой. На глубине 20 м колебания воды незначительны, поэтому генератор может опираться через тормозные пластины на низлежащие слои воды при передаче колебаний от волн к генератору.
Если длина генератора будет больше длины волны, механическое воздействие на генератор восходящих потоков воды будет компенсироваться нисходящими потоками. Результирующее воздействие будет значительно меньше энергии колебаний и будет гаситься либо низлежащими слоями воды, либо дном.
МГД генератор (магнитогидродинамический) (Фиг. 9, 10, 11) состоит из большого количества МГД каналов 21, соединенных друг с другом, и размещаемых вертикально.
Полости 35 между каналами (Фиг. 9, 11) выполняются герметичными, используются в качестве балластных полостей и служат для выравнивания положения генератора под поверхностью воды и изменения плавучести путем закачки или вытеснения воды в определенные полости через кингстоны 37, размещенные в боковой части генераторов, которые закрыты герметично панелями, и воздушные клапаны 38. Для обеспечения жесткости и прочности генератора в этих же полостях размещаются металлоконструкции каркаса 40.
Для удобства монтажа и обслуживания генератор целесообразно располагать на месте жесткими секциями 100*30 м - 100*20 м, а в жесткие секции собирать на месте из узлов 20*30 м - 20*20 м, которые собирать на берегу. Каждую секцию крепить ко дну отдельно оттяжками.
Каждый МГД канал (Фиг. 12, 13, 14, 15, 16, 17) состоит из двух раструбов из токонепроводящих полимеров 22, служащих для ускорения потока воды и направления его в канал, и, закрепленных на нем сверху и снизу. Канал имеет прямоугольное сечение и образован по одним сторонам набором плоских постоянных магнитов 23 (блоков), например неодимовых (или электромагнитов), заключенных в магнитопроницаемую, электро- и гидроизолирующую оболочку (например, из ПВХ-пленки), ориентированные внутрь канала с одной стороны северным полюсом, с другой - южным. Электромагниты выполняются в виде плоских соленоидов с обмоткой прямоугольной формы вдоль всей длины канала с сердечниками из электротехнической стали. Однородность поля обеспечивается расположением магнитов цепочкой друг за другом. Магнитное поле подобно полю внутри катушек Гельмгольца. По другим сторонам канал образован полимерными пластинами с нанесенными с внутренней стороны канала электродами 24. Для выравнивания вектора магнитной индукции между постоянными магнитами на всей их поверхности магнитные панели выполнены немного шире короткой стороны канала, и расстояние между боковыми поверхностями магнитов должно быть несколько больше длинной стороны канала. Магнит одного канала одновременно является магнитом соседнего канала. Ускорение потока воды в раструбах позволяет уменьшить общую площадь магнитов в генераторе, а значит и их стоимость. Мощность МГД установки имеет квадратичную зависимость от скорости ионов, поэтому увеличение скорости воды в канале, компенсирует уменьшение площади магнитов и дополнительно увеличивает мощность установки, но одновременно увеличивает механическую нагрузку на генератор. При применении электромагнитов производительность станции снизится и для первичного пуска потребуется автономный источник электроснабжения.
Пластины электродов (Фиг. 17) через диоды 27 соединяются с шинами постоянного тока 28 с водостойкой изоляцией, как показано на схеме. Шины проходят вдоль всех каналов (Фиг. 9, 10, 11) и обеспечивают присоединение всех электродов МГД каналов. Полимерные раструбы предотвращают короткое замыкание (обеспечивают достаточно большое сопротивление) электродов между собой через воду вне активной части каналов за счет большой длины пути отекания заряда. Диоды предотвращают замыкание положительных и отрицательных шин между собой, и электродов через шины, при этом обеспечивают выдачу мощности от электродов на шины. Шины постоянного тока разных генераторов соединяются в соответствии с зарядом с секционирующими шинами 6 электростанции.
По периметру электродов (Фиг. 12, 13, 14, 15, 16) размещаются патрубки для сбора смеси водорода и растворов щелочей 29, смеси кислорода с хлором и раствором кислот 30, перфорированные в направлении параллельном электродам, как показано на схеме. В средней части канала вверху и внизу размещаются патрубки с перфорацией для сбора деионизированной воды 31. Патрубки для отведения воды 32, кислот 33 и щелочей 34 выводятся в полости 35, образованные соседними каналами и присоединяются через обратные клапаны 36 к соответствующим коллекторам 72, собирающим определенные среды со всех МГД каналов генератора.
Патрубки разных каналов для отбора разных сред через обратные клапаны в пределах одного МГД генератора объединяются патрубками и трубопроводами для отведения сред 32, 34, 33 (Фиг. 19, 20, 21), которые в свою очередь подключены к общим трубопроводам генератора 72 по видам сред, которые подключены к входу перекачивающих насосов 8, выход которых подключен к трубопроводам 7.
В качестве электродов может быть использован, например, (как самый дешевый вариант) алюминий, который в виде фольги наклеивается или вплавляется на полимерную подложку, обеспечивающую достаточную механическую прочность и жесткость электрода. Защитная оксидная пленка будет защищать алюминий от взаимодействия с водой, а в процессе электролиза растворов алюминий не участвует. Периодически около поверхности электрода, когда электрод является катодом, щелочная среда будет ослаблять пленку, но чередующееся с этим образование кислотной среды и выделение кислорода на аноде, будет восстанавливать защитную оксидную пленку. В качестве электродов могут использоваться токопроводящие материалы, не участвующие в электролизе, коррозионностойкие, например стальные с токопроводящим, гидроизолирующим, коррозионностойким покрытием.
Генераторы сверху и снизу должны иметь сеть с ячеей размером перфорации патрубков из прочных, полимерных, токонепроводящих, гибких и упругих материалов для предотвращения попадания посторонних предметов в каналы, которые могут привести к их разрушению или замыканию электродов, засорению отверстий патрубков. Благодаря реверсивности потоков воды, загрязнения, оседающие на сетке, будут сноситься за пределы генератора.
Над генераторами в надводном положении должны быть маяки, сигнализирующие о наличии подводных преград, подающие звуковой сигнал при приближении судна или пловца и световой сигнал - постоянно.
Выделяющиеся в процессе электролиза водород и кислород могут использоваться для выработки электроэнергии в электрохимическом генераторе с водородно-кислородными топливными элементами с протонообменной мембранной или в турбогенераторе (Фиг. 26, Фиг. 27), который состоит из следующих основных элементов: компрессора водорода 41 и компрессора кислорода 42, зубчатой передачи 43, обеспечивающей привод компрессоров от силового вала 44, газовой турбины 45, паровой турбины среднего давления 4 6, паровой турбины низкого давления 47, камеры сгорания 48, испарительной камеры 4 9, механической нагрузки (генератора) 50, конденсатора 51. Турбина среднего давления может быть выполнена с отбором, в случае потребности в тепловой энергии.
Для транспортировки жидкостей, в целях экономии электроэнергии, целесообразно использовать насосы с приводом от волн (Фиг. 28, 29). Один из вариантов конструкции состоит из следующих основных элементов: поплавка 61, коромысла 62, обгонной муфты 63, мультипликатора 64, конической зубчатой передачи 65, комплекта центробежных насосов 67 (по количеству транспортируемых сред).
4. Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Представлена схема волновой электростанции. Поверхность воды, дно, берег, подводное оборудование и коммуникации, а также оборудование, размещаемое на берегу.
Фиг. 2. Представлена схема закрепления МГД генераторов при глубине менее 50 м. Боковая проекция Фиг. 1.
Фиг. 3. Представлена схема размещения МГД-генераторов, если глубина дна в месте установки превышает 50 м. Боковая проекция Фиг. 4.
Фиг. 4. Представлена схема размещения МГД-генераторов, если глубина дна в месте установки превышает 50 м.
Фиг. 5. Представлен схематичный план участка волновой электростанции, которая может вырабатывать от 0,5 до 11 МВт электроэнергии в зависимости от волнения, при этом комплект генераторов будет размещаться на участке около 500 м.
Фиг. 6. Представлена схема электрохимических процессов в МГД-канале, происходящих вблизи катода, анода и в средней части канала под действием потока морской воды в магнитном поле, направленном в сторону наблюдателя.
Фиг. 7. Представлена схема действия эффекта Холла в МГД канале при движении воды вниз. Магнитное поле направлено к наблюдателю.
Фиг. 8. Представлена схема действия эффекта Холла в МГД канале при движении воды вверх. Магнитное поле направлено к наблюдателю.
Фиг. 9. Представлен разрез главного вида МГД генератора (условно не показаны крепежные металлоконструкции). Показано движение слоев воды в разных каналах.
Фиг. 10. Представлен разрез боковой проекции МГД генератора. Показано расположение трубопроводов, подключенных к обратным клапанам каждого МГД канала.
Фиг. 11. Представлена конструкция МГД генератора, вид сверху.
Фиг. 12. Представлена конструкция одного МГД канала, главный вид.
Фиг. 13. Показан разрез боковой проекции Фиг. 12, вид на один из электродов, когда он является анодом при движении воды вниз. Показано расположение перфорированных патрубков, места перфорации и направление потока воды вблизи электрода, отклоненное от вертикального ускорением Кориолиса. Показано место отведения смеси растворов кислот, кислорода и хлора.
Фиг. 14. Показан разрез боковой проекции Фиг. 12, вид на один из электродов, когда он является катодом при движении воды вниз. Показано расположение перфорированных патрубков, места перфорации и направление потока воды вблизи электрода, отклоненное от вертикального ускорением Кориолиса. Показано место отведения смеси щелочи и водорода, а также обессоленной воды.
Фиг. 15. Показан разрез боковой проекции Фиг. 12, вид на один из электродов, когда он является катодом при движении воды вверх. Показано направление потока воды вблизи электрода. Показано место отведения смеси щелочи и водорода.
Фиг. 16. Показан разрез боковой проекции Фиг. 12, вид на один из электродов, когда он является анодом при движении воды вверх. Показано направление потока воды вблизи электрода. Показано место отведения смеси растворов кислот, кислорода и хлора, а также обессоленной воды.
Фиг. 17. Показан вид сверху МГД канала с условно снятым верхним раструбом. Схематично показано расположение шин постоянного тока и их подключение через диоды к электродам. Показано расположение перфорированных патрубков и обратных клапанов.
Фиг. 18. Показан главный вид двух МГД каналов, расположение перфорированных патрубков, обратных клапанов и трубопроводов, соединяющих все МГД каналы по видам отбираемых сред.
Фиг. 19. Показан разрез Фиг. 18 часть одного ряда каналов. С левой стороны происходит отбор кислот, кислорода и хлора через обратные клапаны в общий трубопровод при движении воды вниз, справа
- гидроксидов и водорода.
Фиг. 20. Показан разрез Фиг. 18 часть одного ряда каналов. С правой стороны происходит отбор кислот, кислорода и хлора через обратные клапаны в общий трубопровод при движении воды вверх, слева
- гидроксидов и водорода.
Фиг. 21. Показан разрез Фиг. 18 часть одного ряда каналов. С правой стороны происходит отбор обессоленной воды через обратные клапаны в общий трубопровод при движении воды вверх, слева - при движении воды вниз.
Фиг. 22. Показан местный разрез верхней части МГД канала при движении воды вниз. Верхние обратные клапаны закрыты. Слева - анод, справа - катод.
Фиг. 23. Показан местный разрез нижней части МГД канала при движении воды вниз. Через нижние обратные клапаны происходит отведение сред.
Фиг. 24. Показан местный разрез верхней части МГД канала при движении воды вверх. Через верхние обратные клапаны происходит отведение сред. Слева - катод, справа - анод.
Фиг. 25. Показан местный разрез нижней части МГД канала при движении воды вверх. Нижние обратные клапаны закрыты.
Фиг. 26. Представлена принципиальная схема турбогенератора, работающего на водороде и кислороде в варианте с газовой турбиной.
Фиг. 27. Представлена принципиальная схема турбогенератора, работающего на водороде и кислороде в варианте без газовой турбины.
Фиг. 28. Показано расположение насоса для перекачки сред с приводом от волн.
Фиг. 29. Представлен пример насоса для перекачки жидкостей с приводом от волн.
Фиг. 30. Представлена схема варианта волновой электростанции без получения щелочей и кислот.
Фиг. 31. Показано подводное размещение накопителей-газоотделителей для варианта волновой электростанции без получения щелочей и кислот.
Фиг. 32. Показано размещение МГД генераторов волновой электростанции вокруг нефтяной или газовой платформы.
Фиг. 33. Представлен вариант волновой электростанции для электроснабжения нефтяных и газовых платформ.
5. Осуществление изобретения
Морская вода содержит значительное количество ионов (Табл. 1.)
(http://fb.ru/article/224306/iz-chego-sostoit-morskaya-voda-sostav-v-protsentah-i-plotnost;
2
2
2
2
4
3
-
+
2+
2+
+
2+
+
2-
-
http://www.o8ode.ru/article/answer/pnanetwater/Review of methods of desalination of sea water). При движении морской воды вниз в магнитном поле, как показано на схеме (Фиг. 6, 7, 8), левая пластина будет катодом, а правая - анодом, наоборот, при движении воды вверх, левая пластина будет анодом, правая - катодом. При работе МГД генератора вследствие эффекта Холла у катода будут скапливаться катионы, у анода - анионы. При подключении нагрузки через воду «потечет» ток, при этом, как при обычном электролизе морской воды, на катоде выделяется молекулярный водород в виде газа Н и вблизи него создается щелочная среда, образованная анионами гидроксидного основания ОН и катионами металлов Na, Mg, Са, K, Sr. При этом на аноде выделяется молекулярный кислород O и хлор Cl в виде газа и молекулярный бром Br в виде жидкости, и вблизи него создается кислая среда, образованная катионами водорода Н и кислотными основаниями SO и HCO. В средней части вертикального потока воды образуется деионизированная водяная среда.
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитогидродинамический эффект;
https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект Холла;
https://cyberleninka.ru/article/v/konduktsionnoe-vozbuzhdenie-elektromagnitnoy-sily-v-elektrolite-pri-elektrolize-vody;
http://www.membrana.ru/particle/13603).
Ионный состав морской воды при солености .
Положительно заряженные ионы движутся к катоду, от которого ионы щелочных металлов получают электроны и сразу взаимодействуют с водой, при этом образуется раствор щелочей металлов и выделяется водород. Далее процесс повторяется вновь.
Отрицательно заряженные ионы движутся к аноду, которому ионы оснований кислот передают лишние электроны и сразу вступают в реакцию с нейтральной водой, при этом образуется раствор кислот и выделяется кислород. Далее процесс повторяется вновь.
Отрицательные ионы хлора и брома движутся к аноду, отдают электроны и выделяются на аноде хлор - в виде газа, бром - в виде жидкости.
-
+
+
-
Ионы ОН устремляются к аноду, а ионы Н - к катоду. В средней части потока ионы Н и ОН взаимодействуют с образованием нейтральных молекул воды, избыточное количество которых вытесняется к электродам, вблизи которых они вновь вступают в реакцию электролиза.
2
При фазовой скорости волн - 8-14 м/с, высоте волн - 2-4 м, длине волн - 50-100 м, индукции магнитного поля постоянных магнитов В = 1 Тл, размерах сечения канала 0,33 м*1 м, длине активной части канала -3м, проводимости морской воды σ=3 см/м электрическая мощность с 1 м генератора составит от 3 до 150 Вт. Таким образом, чтобы получить, 1 МВт электроэнергии при длине генератора (поперек волн) 100 м, его ширина составит от 3300 м до 50 м. Расчет мощности производится по формуле:
2
2
P=σθBSh, ВТ/ где
θ, м/с - средняя вертикальная скорость воды;
S, м - площадь электродов (в примере 1 м*3м);
h, м - расстояние между электродами (0,33 м в примере);
2
2
С раструбом один МГД канал занимает в плане 1 м. Станция с полем МГД генераторов в 500*100 м (50000 м, 5 га) в зависимости от волнения позволяет получить от 0,14 до 8 МВт электроэнергии.
Ток, вырабатываемый каждым каналом, будет пропорционален мгновенному значению скорости ионов в данном канале, которые будут ускоряться под действием потока воды и тормозиться под действием пондеромоторной силы ампера в магнитном поле при включенной нагрузке. При этом каждый канал будет участвовать в выдаче мощности. Напряжение при такой схеме подключения будет одинаковым для всех каналов и зависеть от средней скорости воды (интенсивности волнения). При уменьшении скорости в каждом отдельном канале ток будет уменьшаться и станет равным нулю при неподвижной воде.
Фронт волны в прибрежных районах движется преимущественно из открытого моря к берегу (Фиг. 5, 9). Вода совершает колебания в горизонтальной и вертикальной плоскости. Волны в зоне генераторов создают вертикальные потоки воды вверх и вниз в разных каналах, то есть, в половине каналов вода движется вниз, в другой половине вверх. При изменении направления движения в части каналов скорость близка к нулю. Вода, попадая на генератор 1 устремляется через раструб 22 с ускорением в МГД канал 21, при этом горизонтальная составляющая вектора скорости преобразуется в вертикальную. Проходя через магнитное поле постоянных магнитов 23 или электромагнитов, катионы морской воды движутся к катодам, на которых появляется положительный потенциал, анионы движутся к анодам, на которых появляется отрицательный потенциал. Благодаря подключению электродов через диоды к шинам постоянного тока 28, на них появляется потенциал, передающийся через секционирующие шины 7, комплектные выключатели 3, подводные 2 и подземные 4 кабельные линии на генераторное распредустройство 5, далее на преобразовательную подстанцию 10, преобразующую постоянный ток в переменный и повышающую напряжение при помощи трансформатора связи до уровня напряжения в сети. При включении нагрузки в цепи появляется электрический ток, а между электродами начинается процесс электролиза.
В случае применения электромагнитов для создания магнитного поля появляется возможность для регулирования индукции магнитного поля, что позволяет выравнивать напряжение и ток генератора в зависимости от волнения. При снижении индукции уменьшается сопротивление генератора движению воды в случае возникновения шторма.
При движении воды в магнитном поле и наличии нагрузки (Фиг. 6, 7, 8) электроны переходят с поверхности катода в воду, диод пропускает электроны к катоду от положительной шины. Кроме того, электроны из воды переходят на поверхность анода, диод пропускает электроны на отрицательную шину генератора. Второй диод, подключенный к катоду, не пропускает электроны от отрицательной шины к катоду. Второй диод, подключенный к аноду, не пропускает электроны от положительной шины к аноду. Так замыкается электрическая цепь и при движении воды в магнитном поле возникает однонаправленная ЭДС. При изменении направления потока воды в каждом канале электроды меняют заряд, но при таком подключении электродов через диоды во всех каналах при любом направлении потока воды всегда происходит выработка постоянного тока между положительными и отрицательными шинами.
Регулирование подводного положения генератора по дифференту и крену (в варианте большой глубины) и снижение нагрузок на опоры (в варианте жесткого крепления ко дну) происходит периодически при обслуживании путем открытия кингстонных клапанов 37 и воздушных клапанов 38 и (или) подачи сжатого воздуха в балластные полости 35, при этом в них поступает, либо вытесняется морская вода.
Использование эффекта Холла для деионизации воды известно и используется в различных устройствах очистки. В предлагаемом генераторе, получение очищенной воды - это побочный эффект, который используется намеренно, при необходимости. Нагнетание воды и смесей растворов кислот и щелочей с газами в трубопроводы происходит через соответствующие перфорированные патрубки под действием динамического давления потока воды через открытые обратные клапаны 36 (Фиг. 12, 13, 14, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25). В моменты времени, когда поток воды направлен от перфорации, обратные клапаны закрываются. При движении потока вниз и вверх на воду будет действовать ускорение Кориолиса. При движении воды вниз поток в МГД канале будет закручиваться по часовой стрелке и наоборот. Это приведет к тому, что околоэлектродные слои среды, в которых содержатся водород и кислород, необходимо отбирать дополнительно вдоль боковых сторон электродов. Таким образом, если магнитный поток направлен, как показано на схеме (Фиг. 14), то при движении воды вниз, у катода через правые и нижние патрубки 29 будет отводиться щелочная среда с водородом, у анода (Фиг. 13) через его правые и нижние патрубки 30 будет отводиться кислая среда с кислородом и хлором. В центре потока из нижней части МГД канала из перфорированного вдоль верхней образующей патрубка 31, расположенного между электродами, будет отводиться обессоленная вода. При движении воды вверх направления процессов будут обратными (Фиг. 15, 16).
В МГД генераторе происходит выработка электрической энергии при волнении на море. Кроме того, устройство данной конструкции (Фиг. 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) позволяет отбирать через отдельные перфорированные патрубки 29,30,31, патрубки для отведения сред 32, 34, 33 и общие трубопроводы 72 в сосуды смеси растворов щелочи с молекулярным водородом, смеси растворов серной и угольной кислоты с молекулярным кислородом и хлором и деионизированную воду. В накопителях-газоотделителях 9 (Фиг. 1, 2, 5, 30, 31) водород отдельно и кислород с хлором отделяются от жидкостей. Смесь хлора и кислорода пропускается через часть объема отобранного в ходе техпроцесса раствора щелочи в барботере установки отделения хлора 14. В результате кислород очищается от хлора. Хлор взаимодействует со щелочью с образованием солей хлорноватистой и соляной кислот, которые могут использоваться для отбеливания, дезинфекции или дегазации и накапливаются в резервуарах для хранения готовой продукции 17 и отгружаются потребителям на площадке отгрузки готовой продукции 16.
Водород накапливается в газовой части накопителей-газоотделителей 9 и далее, как и очищенный от хлора кислород, компрессорами нагнетается в сосуды для хранения компонентов в сжатом состоянии 18. Сосуды заполняются при интенсивном волнении на море и недостаточной производительности ЭХГ или ТГ для потребления всего топлива или при низкой нагрузке в сети. Наоборот, в периоды штиля или повышенной нагрузки в сети водород и кислород из сосудов подаются в ЭХГ 11 или ТГ 11 для выработки недостающей электроэнергии.
2
Электрохимическй генератор 11 с водородно-кислородными топливными элементами с протонообменной мембраной предлагается использовать традиционной конструкции, производительность его должна быть около 3 МВт электроэнергии на 50000 м МГД генераторов. Выделяющаяся в процессе окисления водорода тепловая энергия либо сбрасывается в море через трубопроводы охлаждения водоохладителя ЭХГ 15, либо с потенциалом 80°С используется для нужд теплоснабжения близлежащих объектов или при применении абсорбционных чиллеров для нужд холодоснабжения, например при производстве продуктов питания и так далее. Основным отходом ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами является вода, которая может быть использована для хозяйственно-бытовых нужд.
Электрический КПД ЭХГ составляет 50%, при этом КПД парогазовых установок может достигать 60%. Но применение ЭХГ более технологично, так как ЭХГ не содержит движущихся элементов, которые изнашиваются и требуют обслуживания и замены, и более экологично, так как ЭХГ при работе не создает шум, поэтому может использоваться в курортных или жилых районах. Удельная стоимость ЭХГ примерно в 2 раза выше стоимости ПГУ и практическое применение ЭХГ нашли в космонавтике, микроэлементах питания, поэтому выбор второй ступени генерации на волновой электростанции с МГД генераторами является вопросом не однозначным. Со временем прогнозируется снижение стоимости ЭХГ и повышение их экономичности, поэтому для такого применения они являются более перспективными.
В случае применения турбогенератора возможен следующий вариант конструкции. В двух компрессорах 41 и 42 (Фиг. 26, Фиг. 27) компоненты компримируются до давления ~6МПа и подаются в камеру сгорания 48 для воспламенения. После полного сгорания водорода и кислорода получаем пар с температурой более 2000°С. Такой пар (газ) нельзя подавать на лопатки даже газовой турбины, поэтому для снижения температуры газа в испарительную камеру 49 распыливается вода. Рабочее тело увеличивается в объеме и с параметрами 6МПа и 1700°С подается на лопатки рабочего колеса газовой турбины 45. После газовой турбины пар с параметрами 3МПа и 600°С подается в цилиндр среднего давления паровой турбины 46, затем с параметрами 0,2МПа и 200°С подается в цилиндр низкого давления паровой турбины 47, после чего поступает в конденсатор 51, охлаждаемый морской водой, и оснащенный устройствами откачки подсасываемого воздуха и охлаждающей воды. Конденсатным насосом поддерживается необходимое разряжение ~ 0,0035МПа.
Если возникнет необходимость создания турбомеханизма менее дорогостоящего, но и менее эффективного (Фиг. 27), тогда нужно снизить давление на выходе из водородного и кислородного компрессоров 41 и 42 до 3 МПа, увеличить подачу воды в испарительную камеру 49 для снижения температуры пара до 600°С и подать его сразу в цилиндр среднего давления 46, тогда можно не применять дорогостоящую и в изготовлении, и в обслуживании ступень газовой турбины.
Таким образом, энергия образующегося высокотемпературного пара преобразуется в газовой турбине, паровой турбине среднего и низкого давления, находящимися на одном валу 44, в механическую энергию вращения, например электрогенератора, насоса, компрессора. Далее пар конденсируется в конденсаторе в воду, часть которой подается в камеру сгорания, а часть смешивается с деионизированной водой. Вода технического качества с уменьшенным содержанием солей может быть использована для производственных нужд или дальнейшей очистки и получения воды для хозяйственно-бытовых нужд, которая накапливается в резервуарах хранения готовой продукции 17 и отгружается потребителям либо транспортируется по трубопроводу.
-8
-7
Выход водорода для условий примера составит от 8,8*10 до 6,6*10 кг/с. При высшей теплоте сгорания водорода 142,2 МДж/кг и КПД турбогенератора 60% можно получить дополнительно от 0,4 до 3 МВт электроэнергии. Таким образом, в сумме с выработкой электроэнергии в МГД генераторах мощность электростанции составит от 0,5 до 11 МВт.
Динамическое давление воды определяется по формуле:
3
где: ≈ρ*1000 кг/м - плотность воды.
Для скорости воды в канале из примера (1-7 м/с) давление среды на входе в коллектора будет составлять 0,005-0,25 атм. Сечение трубопроводов должно подбираться таким образом, чтобы этого напора было достаточно для транспортировки требуемого количества сред до накопителей или при необходимости до перекачивающих насосов с учетом кавитационного запаса.
Перекачивающие насосы (Фиг. 28, 29) целесообразно выполнить с приводом от волн. Одна из возможных конструкций предполагает использование комплекта центробежных насосов в зависимости от количества перекачиваемых сред. Поплавок 61 совершает колебательные движения под действием волн и передает крутящий момент через коромысло 62 на валы привода обгонных муфт 63. Левая обгонная муфта передает момент на мультипликатор 64 при движении поплавка вверх (под действием подъемной силы), правая - при движении поплавка вниз (под действием силы тяжести). Мультипликаторы 64 увеличивают частоту вращения центробежных насосов. Инерционные массы поддерживают вращение рабочего колеса насоса при изменении направления движения поплавка. Масса и объем поплавка подбираются под производительность и напор насосов.
Для уменьшения потребления электроэнергии на собственные нужды электростанции целесообразно привод большинства насосов выполнить с приводом от волн. Насосы могут быть также поршневого типа с клапанами.
В случае отсутствия необходимости в щелочах и кислотах (Фиг. 30, 31), после отделения водорода и кислорода с хлором, в результате смешения эти жидкости нейтрализуются и без ущерба для окружающей среды могут быть «возвращены» морю. В этом случае, накопители-газоотделители 9 целесообразно разместить в виде герметичных резервуаров, не требующих частого обслуживания, ниже уровня воды на 20 м рядом с генераторами, а также устройство для смешения кислот и щелочей 19 и сброса раствора солей в море перед МГД генераторами через сбросные трубопроводы 20, при этом произойдет повышение их мощности за счет увеличения проводимости воды. Тогда от МГД генераторов к берегу пройдут газопроводы водорода и кислорода с хлором 7 и периодически необходимое для работы установки для отделения хлора 14 количество щелочи, которое может отбираться из накопителей-газоотделителей и транспортироваться на берег при помощи водного транспорта или по одному из трубопроводов системы трубопроводов 7. В этом случае затраты на строительство трубопроводов и насосных установок будут меньше.
Аналогично описанному осуществлению изобретения для электроснабжения прибрежных районов, данная электростанция может использоваться в целях электроснабжения нефтяных или газовых платформ (Фиг. 32, 33), при этом МГД генераторы 1 размещаются вокруг платформы 71 и помимо выработки электроэнергии, они будут снижать негативное воздействие волн на опоры платформы, но при этом эффективность генераторов будет ниже, так как одна часть из них будет находиться в «тени» другой части. В случае если существует преимущественное направление распространения фронта волны (в результате действия ветров определенного направления), тогда генераторы можно расположить вдоль фронта перед платформой и эффективность их использования повысится. Все оборудование электростанции, которое в варианте (Фиг. 1, 2) расположено на берегу, а именно ЭХГ или ТГ, преобразовательная подстанция, установка для отделения хлора, резервуары, располагается на платформе.
Размещение генераторов вдоль береговой линии или вокруг платформ ослабляет волнение и разрушающее берег или опоры платформ действие ветровых волн, создает благоприятные условия для судоходства. Потребители на берегу или платформах обеспечиваются электроэнергией, деионизированной водой, растворами щелочей, кислот и солей, необходимых в хозяйственной деятельности и промышленности без ухудшения экологической ситуации в прибрежных, как правило, густонаселенных районах или в районах нефте- и газодобычи.