СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2003 года по МПК F03B17/02 

Настоящее изобретение относится к энергетике, в частности к способам получения энергии за счет использования физических особенностей поведения растворимых газов в воде. Настоящий способ направлен на использование энергии океана и может найти применение для обеспечения электроэнергией потребителей, расположенных вблизи океана и вдали от других электроэнергоносителей.

В настоящее время в некоторых регионах применяются так называемые гидроволновые установки получения энергии (например, US 5359229, 290-53, опубл. 1994, US 4495424, 290-53, F 03 B 13/12, опубл. 1985), особенностью которых является наличие в том или ином виде выполненных поплавковыми устройств, располагающихся на поверхности океана и связанных кинематически с преобразователем колебательного волнообразного перемещения этих устройств во вращательное движение на общем выходном валу, который обеспечивает вращение агрегата - производителя энергии. Такие гидроволновые установки имеют серьезные недостатки, заключающиеся в прямой зависимости мощности получаемой энергии от количества одновременно участвующих в процессе колебания поплавковых устройств, а также в габаритах, шумности работы и нестабильности, определяемой неконтролируемым состоянием водной поверхности океана.

Настоящее изобретение базируется на физическом явлении растворимости газов в воде. Известно, что растворимость газов в воде с повышением температуры уменьшается, что обусловлено непрочностью связей между молекулами растворенного вещества и растворителя, а с понижением температуры увеличивается. При этом согласно закону Генри растворимость газа прямо пропорциональна давлению над жидкостью.

Согласно исследованиям профессора Долгова (см. http://www.com2com. ru/cantbe/nl/4. htm, обнаружено в Интернет, 01.11.2001), он установил следующее.

Из-за разной сжимаемости углекислого газа и воды под действием внешнего давления на глубине 2-4 километра (плоскость раздела) плотности газа и воды равны. Ниже этой плоскости накапливается тяжелый газ в чистом виде, выше - газ, растворенный в воде. Тяжелый слой чистого газа скачком переходит в смесь "легкий углекислый газ - вода". Достигая слоя смеси, избыток газа тяжелого (чистого) насыщает легкий слой. Объем углекислого газа, попадающего в последний, резко увеличивается, выделяя множество пузырьков. Образуется мощный слой пены, плотность которого много меньше плотности воды. Вес легкого слоя уменьшается, а раз так, то падает и давление на границу раздела. Выше остаются воды, перенасыщенные углекислым газом - он выделяется в виде пузырьков. Пузырьки, увеличиваясь в объеме и все быстрее, устремляются к зоне пенообразования. Из нее они с большой скоростью выбрасываются в атмосферу. Вода опускается - насыщение и выброс начинается снова. Площадь пенного слоя может быть разной.

Данный процесс объясняет, как суда в пене тонут. Корабли на площади пенного слоя быстро погружаются в него. Это и есть трагический момент исчезновения судна. Он исчезает со столь высокой скоростью, которая не позволяет подать сигнал бедствия. Пенное состояние может, видимо, длиться по-разному. Это зависит от величины полости-накопителя газа и ее положения по глубине. Более или менее длительное поступление углекислого газа снижает плотность воды и содействует погружению корабля. Корабль может утонуть или всплыть. Его прочность и герметичность помогают судну всплыть при схлопывании пузырьков газа и увеличении плотности среды.

Учитывая данные объяснения, предлагается использовать энергию растворенного на заданной глубине газа для совершения работы на поверхности воды.

Из уровня техники не выявлено техническое решение, которое можно было бы использовать в качестве прототипа.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по реконсервации растворенного газа в глубинных слоях, в которых состояние растворенного газа и воды стабилизировано и при соответствующей низкой температуре и высоком давлении отсутствует перемешивание слоев воды между собой (эффект термоклина), и приведении стратифицированной структуры глубинных слов в метастабильное состояние с выводом газа и глубинных вод на поверхность океана по ограниченному стенками каналу, изолирующему поднимающиеся донные воды от вод внешнего окружения. Достигаемый при этом технический результат заключается в получении энергии.

Указанный технический результат достигается тем, что, согласно способу получения энергии, опускают один конец трубы на глубину океана, соответствующую нахождению стратифицированных слоев воды с растворенным газом, плотность которого на данной глубине равна плотности воды, выводят над поверхностью океана другой конец трубы, оснащенный турбиной, затем запускают стартовый насос и поднимают глубинные воды в область низкого давления в направлении к поверхности океана, а после появления водно-газовой смеси, вытекающей из выведенного наружу конца трубы на лопатки турбины, отключают стартовый насос.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Реализация настоящего способа поясняется конкретным примером, где
на фиг.1 - общий вид энергетической установки получения энергии океана;
на фиг.2 - график растворимости углекислого газа в воде в зависимости от давления.

Согласно изобретению способ получения энергии заключается в опускании одного конца трубы 1 (фиг.1) на глубину океана, соответствующую нахождению стратифицированных слоев воды с растворенным газом, плотность которого на данной глубине равна плотности воды, с выводом над поверхностью океана другого конца трубы 1, оснащенного турбиной 2, запуске стартового насоса 3, подъеме глубинных вод в область низкого давления в направлении к поверхности океана, а после появления водно-газовой смеси, вытекающей из выведенного наружу конца трубы на лопатки турбины, отключении стартового насоса. Последующий процесс выхода на поверхность океана воды и газа будет проходить самостоятельно без включения насоса, так как при первом запуске последнего в стратифицированный слой воды, насыщенный газом, вводится внешнее возмущение, приводящее к метастабилизации. В результате метастабилизации начинается процесс бурного выделения газа и перемещение водногазовой смеси к поверхности океана.

Особенностью данного способа является использование глубинных слоев воды, насыщенных при определенной низкой температуре и высоком давлении газом, плотность которого на данной глубине равна плотности воды. Данные стратифицированные слои воды находятся в зоне ниже плоскости раздела. А при возмущении данных слоев и перемещении их в область низкого давления растворимость газов уменьшается, вызывая выплеск газа на поверхность воды. Данный газ одновременно увлекает за собой и воду, выплескиваясь в виде водногазовой смеси.

Для оценки работоспособности данной энергетической установки рассмотрим следующую задачу: На глубину 600 м погружена труба. Примем насыщенность газами на этой глубине вдвое меньше предельной. Верхний конец трубы находится над уровнем моря. Из верхнего конца трубы воду откачивает слабый насос, мощностью которого можно пренебречь (т.е. насос еле-еле переливает воду через край трубы). Определить, под каким давлением вода будет входить в нижний конец трубы.

Решение: Насос постепенно начнет поднимать воду с глубины 600 м (давление 60 атм) по горизонтальному графику в область более низких давлений. Когда давление снизится до значения, при котором растворенный газ становится предельно насыщенным (точка пересечения двух графиков), то избыточный газ начнет выделяться в виде пузырьков, и, чем ближе к поверхности подходит вода, тем больше газа выделяется. Так, если на глубине 600 м было растворено 15 л СО₂ (при предельно возможном кол-ве 30 л), то на глубине 200 м может быть растворено только 13 л СО₂, а это значит, что 2 л будут лишними и выделятся в виде пузырьков, как при открывании бутылки нарзана. Так как вода является практически несжимаемой жидкостью, то объемный вес одного литра воды с пузырьками на этой глубине станет приблизительно на 10% меньше. У самой поверхности оказываются избыточными 13 л газа, которые уходят в пузырьки. Это значит, что при таких исходных данных с глубины приблизительно 230 м столб воды с пузырьками в трубе становится легче столба воды вне трубы, причем существенно. Эти процессы мы часто наблюдаем в бокале шампанского, когда после отстоя пены, вина остается на донышке, т.е. жидкости значительно меньше, чем пены.

Применительно к предлагаемому способу плотность пены, начиная с глубины 200 м и до 0 м, - не более 0,3. Тогда вес столба воды в трубе уменьшится на
Н•(р_воды-р_пены•g•S,
где S - площадь сечения трубы,
Н - высота пенной области,
p_воды - плотность волы, р_пены - плотность пены.

Перепад давлений, который потащит воду вверх (и без насоса) будет
Н•(р_воды-р_пены)•g,
что равно приблизительно 200•(1000-300)•10=1400000 н/м²=14 атм, что в идеале (пренебрегая трениями и проч.) выбросит фонтан на 100 м вверх.

Пользуясь графиком на фиг.2, аналогично определим высоту фонтана при тех же начальных условиях, но насыщенность газами глубинных слоев воды возьмем в 6 раз ниже предельной, т.е. 5 л. Тогда пузырьки начнут выделяться приблизительно с 50 метровой глубины и пена будет не столь воздушна. Перепад давлений будет равен приблизительно 50•(1000-500)•10=250000 н/м²=2,5 атм, что выбросит фонтан уже всего на 25 м вверх.

Если насыщенность газами будет в 20 раз меньше предельной, то пузырьки вообще не будут выделяться и в такой воде, фонтана не будет и электростанция не заработает. В Мировом Океане есть участки с различной насыщенностью газами, поэтому подобные энергетические установки должны монтироваться именно в зонах, отвечающих заданным условиям.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как основано на использовании природного явления нахождения растворенного газа в глубинных водах в стратифицированном состоянии, при котором плотность газа равна плотности воды.

Изобретение может быть использовано для создания генераторов электрической энергии, использующих энергию океана. Способ получения энергии заключается в том, что нижний конец трубы опускают на глубину океана, соответствующую нахождению слоев воды с растворенным газом, плотность которого на данной глубине равна плотности воды. Другой конец трубы, оснащенный турбиной, выводят над поверхностью океана, запускают стартовый насос и осуществляют подъем глубинных вод в область низкого давления в направлении к поверхности океана. После появления водно-газовой смеси, вытекающей из выведенного наружу конца трубы на лопатки турбины, отключают стартовый насос. Изобретение позволяет вырабатывать электрическую энергию, используя энергию растворенного газа, расположенного на глубине океана. 2 ил.

Способ получения энергии, заключающийся в том, что нижний конец трубы опускают на глубину океана, соответствующую нахождению слоев воды с растворенным газом, плотность которого на данной глубине равна плотности воды, а другой конец трубы, оснащенный турбиной, выводят над поверхностью океана, запускают стартовый насос и осуществляют подъем глубинных вод в область низкого давления в направлении к поверхности океана, а после появления водно-газовой смеси, вытекающей из выведенного наружу конца трубы на лопатки турбины, отключают стартовый насос.