КОМПЛЕКСНАЯ МОРСКАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2006 года по МПК F03B13/10 F01K13/00 C25B1/02 

Комплексная морская электростанция (КМЭ) относится к энергетическим системам, а конкретно к устройствам получения энергии из возобновляемых источников энергии без загрязнения окружающей среды.

Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для решения задач энергоснабжения в конце XX и начале XXI веков происходит нарастающими темпами (см.А.Беляков. О водяных турбинах и не только о них. Независимая газета - наука, № 8, 2000). Особенно широко используется солнечная энергия и энергия ветра, морских течений, зыби, приливов и отливов (см. Патент RU № 2224117, 2004 г.).

Наиболее близкой к предлагаемой комплексной морской электростанции является морская экологическая станция (см. Патент RU № 2224117, 2004 г).

Она включает блок забора глубоководной воды, энергетический комплекс, ванну десероводородизации, электролизную ванну, ванну выпаривания морской воды, фотолизер, приемник водорода, топливно-химическую элементную станцию и др.

Однако МЭС в основном используется для решения экологической задачи десероводородизации глубинных вод Черного моря, очистки акватории портов и гаваней, малым количеством вырабатываемой электроэнергии, которую можно использовать для энергоснабжения прибрежных и морских объектов, а выработка энергии зависит от сезонных, суточных и климатических условий. Кроме того, МЭС не обеспечивает самостабилизацию при волнении моря.

Задачей изобретения является получение источника электроэнергии, снабжающей прибрежные и морские объекты вне зависимости от географического расположения, сезонных, суточных и климатических условий, и обеспечение самостабилизации станции при волнении моря.

Техническим решением задачи является создание комплексной морской электростанции, состоящей из энергетического комплекса, включающего ветроэнергетическую установку, фотоэлектрическую станцию, гидроэлектрическую установку, гальваноэлектрическую батарею, аккумуляторные батареи, топливно-химическую элементную станцию; блока забора глубоководной воды, комплекса переработки морской воды, кроме того дополнительно введены силовой блок, блок стабилизации станции, блок управления, контроля и связи, причем термоэлементная батарея размещена в ванне десероводородизации с возможностью получения первичной электроэнергии за счет использования разности температур глубинной воды и воды, нагреваемой в ванне, и подачи электроэнергии на подогрев верхней части термоэлемента, а для обеспечения совместной работы первичных источников электроэнергии между потребителями, непрерывной работы энергетического комплекса, а также для обеспечения бесперебойной работы фотолизера, вырабатывающего водород для силового блока, функционирования всех элементов комплексной морской электростанции предусмотрен блок управления и распределения первичных источников электроэнергии, который имеет электрические связи с элементами энергетического комплекса, комплекса переработки морской воды, блока забора глубоководной воды, силового блока, блока стабилизации станции и блока управления, контроля и связи; а комплекс переработки морской воды содержит ванну десероводородизации со встроенными термоэлементами, электролизную ванну, ванну выпаривания морской воды, фотолизер, установку очистки и осушения водорода и блок сжижения кислорода, причем ванна десероводородизации со встроенными термоэлементами соединена трубопроводами с блоком забора глубоководной воды и через электролизную ванну соединена с ванной выпаривания морской воды, а фотолизер соединен трубопроводом с установкой очистки и осушения водорода, который соединен с топливно-химической элементной станцией и распределительным пунктом водорода; а силовой блок, включает подводный газгольдер водорода, распределительный пункт водорода, блок дизельгенераторов, трансформаторную подстанцию, причем блок дизельгенераторов является основным источником энергии комплексной морской электростанции, а топливом для блока дизельгенераторов служит водород, получаемый в фотолизере и электролизной ванне; все элементы силового блока имеют между собой электрические связи, а блок дизельгенераторов соединен трубопроводами с фотолизером и электролизной ванной через распределительный пункт водорода, причем газгольдер выполнен с возможностью аккумулирования получаемого водорода и хранения его в емкости, располагаемой в подводной части комплексной морской электростанции; а блок управления, контроля и связи содержит блок контроля работы узлов и агрегатов станции, сигнализации и связи и блок управления и контроля выходной мощности, которые имеют электрическую связь между собой, трансформаторной подстанцией и энергетическим комплексом, с возможностью обеспечения работы комплексной морской электростанции в автономном режиме, а блок стабилизации станции выполнен с возможностью самостабилизации комплексной морской электростанции при волнении моря.

Изобретение поясняется фиг.1 и 2. На фиг.1 представлена блок-схема комплексной морской электростанции. На фиг.2 показано устройство термоэлементной батареи.

На фигурах обозначено:

I - энергетический комплекс (ЭК)

II - блок забора глубоководной воды (БЗГВ)

III - комплекс переработки морской воды (КПМВ)

IV - силовой блок (СБ)

V - блок управления, контроля и связи (БУКС);

VI - блок стабилизации станции (БСС);

1 - фильтр (Ф);

2 - заборный глубоководный трубопровод (ЗГТ);

3 - ветроэнергетическая установка (ВЭУ);

4 - фотоэлектрическая станция (ФЭС);

5 - гидроэлектрическая установка (ГЭУ);

6 - термоэлементная батарея (ТБ);

7 - гальваноэлектрическая батарея (ГЭБ);

8 - топливно-химическая элементная станция (ТХЭС);

9 - блок аккумуляторных батарей (БАБ);

10 - ванна десероводородизации со встроенными термоэлементами (ВДСТЭ);

11 - электролизная ванна (ЭВ);

12 - ванна выпаривания морской воды (ВВМВ);

13 - фотолизер (ФЛ);

14 - установка очистки и осушения водорода (УООВ);

15 - блок сжижения кислорода (БСК);

16 - подводный газгольдер водорода (ПГВ);

17 - распределительный пункт водорода (РПВ);

18 - блок дизельгенераторов (БДГ);

19 - трансформаторная подстанция (ТП);

20 - блок контроля работы узлов и агрегатов станции, сигнализации и связи (БКСС);

21 - блок управления и контроля выходной мощности;

22 - термостабилизатор;

23 - термоизолирующая прокладка;

24 - генератор термоэдс;

25 - провода;

26 - термостабилизатор;

27 - нагревательный элемент;

28 - исполнительные механизмы обеспечения волностойкости (ИМОВ).

Энергетический комплекс I предназначен для получения первичной энергии от ВИЭ и снабжения ею различных потребителей с целью обеспечения получения водорода, являющегося основным топливом для дизельгенераторов, вырабатывающих электроэнергию - основной продукт КМЭ.

Энергетический комплекс I снабжен источниками первичной электрической энергии:

- ветроэнергетическая установка 3. Предложенная конструкция выгодно отличается от прототипа большой эффективностью. Это обусловлено новой 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, диаметром 2 м. При этом к нижнему обручу крепится обод червячного колеса, находящегося в зацеплении с червяком, приводящим в движение вал генератора, вырабатывающего электроэнергию;

- фотоэлектрическая станция 4, отличается от прототипа повышенным коэффициентом преобразования световой энергии в электрическую. Это происходит за счет использования концентратов света и применения фотоэлементов;

- гидроэлектрическая установка 5, в отличие от прототипа преобразует кинетическую энергию морских волнений (зыби) в электрическую энергию. Это осуществляется с помощью сети поплавковых микроэлектростанций;

- термоэлементная батарея 6 устанавливается в ванне десероводоризации 10 (фиг.2). Она состоит из ряда термоэлементов (на фиг.2 - в разрезе в позиции «а»).

Термоэлемент установлен на днище ванны десероводоризации 10. В нижней части он имеет термостабилизатор 22. К нему подается глубоководная вода с постоянной температурой + 4°С.

Верхняя часть термоэлемента представляет собой термостабилизатор 26. Внутри него расположен нагревательный элемент 27, соединенный проводами 25 с генератором термоэдс 24. Между верхней и нижней частями термоэлемента предусмотрена термоизолирующая прокладка 23.

Верхняя часть термоэлемента (термостабилизатор) 26 находится в верхней (нагретой) воде ванны. Кроме того, вода подогревается генератором термоэдс 24, который установлен на границе термостабилизаторов.

За счет разности температур на границе термоэлемента, разделяющего два металла, например железо и висмут, образуется термоэдс, пропорциональная разности температур верхнего и нижнего термостабилизаторов. От термогенератора подается напряжение на подогрев верхней части термоэлемента.

Гальваноэлектрическая батарея 7, состоящая из гальваноэлементов, вырабатывает электрическую энергию в результате химической реакции окисления между алюминием и электролитом, приготовленным из морской воды.

В отличие от прототипа для непрерывной работы гальвоэлементной батареи 7 предусмотрена автоматическая замена алюминиевых электродов, а также обновление электролита и выгрузка образующегося шлака (Al₃O₃). Выгруженная двуокись алюминия отправляется на восстановление. После восстановления получаются электроды для ГЭБ, что позволяет организовать безотходное производство электроэнергии.

Топливно-химическая элементная станция 8, состоит из водородовоздушных элементов и предназначена для преобразования химической энергии соединения водорода с кислородом воздуха в электрическую энергию. Для протекания такой реакции необходим электролит и платиновый катализатор, а также строгое поддержание теплового режима.

В предложенном устройстве подача водорода производится от фотолизера, выделяющего водород из сероводорода.

Блок аккумуляторных батарей 9 (БАБ) предназначен для обеспечения непрерывной работы энергетического комплекса, а также для обеспечения бесперебойной работы фотолизера 13, вырабатывающего водород для силового блока. В качестве аккумуляторов используются, например, конденсаторные батареи, обладающие большим сроком службы, или железоникелевые аккумуляторы, имеющие малый саморазряд.

Для обеспечения совместной работы первичных источников электроэнергии между потребителями предусмотрен блок управления и распределения первичных источников ВИЭ (не показан). Он обеспечивает работу насосов, компрессоров, устройств подогрева, фотолизера и др.

Блок забора глубоководной воды II предназначен для транспортировки морской воды с глубины свыше 100 м. Он состоит из механического сетчатого фильтра 1 и заборного глубоководного трубопровода 2. Длина трубопровода может изменяться в зависимости от нахождения станции в акватории. Верхний конец собранного заборного глубоководного трубопровода закрепляется в нижней части ванны десероводоризации 10.

Подача воды производится с помощью насоса (не показан).

Комплекс переработки морской воды (КПМВ) III предназначен для получения экологически чистого топлива - водорода, используемого дизель-генераторами, являющимися основными источниками энергии КМЭС.

Он содержит ванну десероводоризации 10 с расположенной в ней термоэлектрической батарей 6, электролизную ванну 11, ванну выпаривания морской воды 12, фотолизер 13, установку очистки и осушения водорода 14 и блок сжижения кислорода 15.

Продуктами обработки морской воды являются водород, кислород, сероводород, сера, морская соль и дистиллированная вода.

Водород используется в газообразном состоянии для очистки питания ТХЭС и дизель-генераторов силового блока. Часть водорода хранится в подводном газгольдере водорода 16.

Водород на КМЭ вырабатывается из двух источников:

из сероводорода - путем фотолизера. Этот водород идет на ТХЭС для выработки электрической энергии, обеспечивающей работу вспомогательных агрегатов блока;

путем электролиза морской воды. Особенностями получения водорода на КМЭ является использование в качестве электролита морской воды. При этом производится подогрев электролита до t°=70...80°С с помощью перфорированных многослойных электродов совместно с асбестовыми диафрагмами, предотвращающими образование взрывоопасных смесей водорода и кислорода. Как показывает практика, расход энергии в этих условиях составляет 5,3...5,9 кВт·ч на 1 м³ водорода.

В ходе электролиза концентрация морской соли в ванне непрерывно повышается. Образующийся рассол самотеком стекает в ванну выпаривания 12, где получают морскую соль путем испарения. Ванна выпаривания морской воды 12 служит для получения конечного продукта - морской соли, являющейся ценным лечебным и промышленным сырьем, а также получения дистиллированной воды, необходимой для очистки водорода.

Установка для получения водорода электролизом воды из ванны предусматривает, что выделенный водород вместе с электролитом (морской водой) поступает в разделительную колонку, охлаждаемую водой, протекающей по змеевику.

В разделительной колонке происходит отделение водорода от электролита. Последний поступает обратно в электролизер, а водород поступает в промыватель с дистиллированной водой, где производится его очистка от остатков электролита. Из промывателя водород направляют в установку очистки и осушки водорода 14 и далее в подводный газгольдер водорода 16.

Блок стабилизации станции (БСС) VI предназначен для обеспечения умеренной параметрической качки КМЭ в условиях морского волнения до 5-7 баллов включительно. Он снабжен устройствами измерения параметров волнения моря и исполнительными механизмами обеспечение самостабилизации КМЭ при волнении моря. Условия волностойкости КМЭ достигаются созданием платформы катамаранного типа, при этом станция опирается на два понтона, внутри которых располагаются энергетическая установка, балластные цистерны, запасы топлива и насосы. Геометрические размеры понтонов, расстояние между ними, осадка, объем цистерн балласта и положение центра масс КМЭ определяются исходя из одновременного выполнения условий плавучести по заданной полезной нагрузке, остойчивости, мореходности, волностойкости и минимума качки. Одной из проблем, которая всегда возникает при создании катамаранных платформ, являете проблема жесткости и прочности соединения между собой понтонов. Однако эти соединения можно сделать полезными для ходкости КМЭ и ее волностойкости. Для этого на уровне днища понтоны жестко связаны между собой крыльевыми профилями, установленными выпуклостью вверх и развернутыми под углом атаки при ходе КМЭ против волны.

Кроме того, для увеличения волностойкости КМЭ используется и подводный газгольдер водорода 16. При волнении моря исполнительные механизмы обеспечения волностойкости 28 перекачивает водород из газгольдера в наружные емкости, установленные на платформе КМЭ, поворачивают газгольдер в вертикальное положение, закачивают в него расчетное для данного волнения моря количества балласта. Причем наружная поверхность газгольдера представляет тело конусообразной формы - при вертикальном положении сужающее к верху под углом 10 -140°. Такая форма позволяет исключить изменение остойчивости МЭК вследствие того, что у сужающегося вверх тела при вертикальной качке происходит уменьшение момента инерции мгновенной ватерлинии при погружении в воду, и возрастание - при всплытии.

Работает КМЭ следующим образом. Энергетический комплекс I вырабатывает электрическую энергию от ВИЭ в автономном режиме. Выработанная КМЭ энергия используется для получения главным образом экологически чистого топлива - водорода. Используя разность температур глубинной и поверхностной воды, гальваноэлектрические батареи, применяющие в качестве электролита морскую воду, а также гидроэлектрическая станция, использующая волнение на море или энергию подводных течений, резко увеличилось количество получаемого водорода - главного топлива дизель-моторов, вырабатывающих основной продукт - электроэнергию в значительных объемах. Для бесперебойного снабжения дизель-генераторов в состав станции введен подводный газгольдер. Наличие газгольдера позволяет обеспечить равномерное поступление водорода в дизель генераторы и, соответственно, постоянство параметров выходного тока.

Помимо выработки электрического тока на КМЭ, в качестве побочных продуктов вырабатываемых кислород, кристаллическая сера и «морская соль». Одновременно станция проводит десероводородизации морской воды в месте стоянки, а также может выполнить задачи по очистки акватории от загрязняющих примесей.

Устройства измерения параметров волнения моря подают сигналы на исполнительные механизмы, обеспечение самостабилизации КМЭ при волнении моря, чем обеспечивают само стабилизацию КМЭ при волнении моря.

Основными преимуществами КМЭ перед прототипом является:

обеспечение само стабилизации КМЭ при волнении моря;

экологически чистое получение большего количества электрической энергии, что позволяет обеспечить энергоснабжение приморских и морских объектов;

обеспечение синэргенитического эффекта по многократному усилению получаемой от возобновимых источников энергии на море;

получение побочных полезных продуктов - кислорода, морской соли и т.д.

Комплексная морская электростанция предназначена для получения энергии от возобновляемых источников энергии без загрязнения окружающей среды. Устройство состоит из блока забора глубоководной воды, энергетического комплекса, ванны десероводородизации, электролизной ванны, фотолизера, приемника водорода, топливно-химической элементной станции. Кроме того, она включает термоэлементную батарею, размещенную в ванне десероводородизации с возможностью получения первичной электроэнергии за счет использования разности температур глубинной воды и воды, нагреваемой в ванне; силовой блок, включающий дизель-генераторы, топливом которых является водород, получаемый в фотолизере и электролизной ванне, гальваноэлектрическую станцию, использующую в качестве электролита морскую воду, и газгольдера для аккумулирования получаемого водорода и хранения его в емкости, располагаемой в подводной части; блок управления и контроля выходной электроэнергии и блок контроля за работой всех систем комплексной морской электростанции, сигнализации и связи для автономной работы, блок стабилизации станции для самостабилизации комплексной морской электростанции при волнении моря. Конструкция устройства позволяет обеспечить электроэнергией потребителя и сохранить надежность работы при волнении моря. 2 ил.

Комплексная морская электростанция, состоящая из блока забора глубоководной воды, энергетического комплекса, включающего ветроэнергетическую установку, фотоэлектрическую станцию, гидроэлектрическую установку, гальваноэлектрическую батарею, блок аккумуляторных батарей, топливно-химическую элементную станцию и комплекса переработки морской воды, включающего ванну десероводородизации, электролизную ванну, ванну выпаривания морской воды, фотолизер, установку очистки и осушения водорода и блок сжижения водорода, отличающаяся тем, что дополнительно введены силовой блок, блок стабилизации станции, блок управления, контроля и связи, термоэлементная батарея, размещенная в ванне десероводородизации с возможностью получения первичной электроэнергии за счет использования разности температур глубинной воды и воды, нагреваемой в ванне, и подачи электроэнергии на подогрев верхней части термоэлемента, а для обеспечения совместной работы первичных источников электроэнергии между потребителями предусмотрен блок управления и распределения первичных источников, установка очистки и осушения водорода соединена с топливно-химической элементной станцией и распределительным пунктом водорода, а силовой блок включает подводный газгольдер водорода, распределительнй пункт водорода, блок дизель-генераторов, трансформаторную подстанцию, причем блок дизель-генераторов является основным источником энергии комплексной морской электростанции, а топливом для блока дизель-генераторов служит водород, получаемый в фотолизере и электролизной ванне, а блок дизель-генераторов соединен с фотолизером и электролизной ванной, причем газгольдер выполнен с возможностью аккумулирования получаемого водорода и хранения его в емкости, располагаемой в подводной части комплексной морской электростанции, а блок управления, контроля и связи содержит блок контроля работы узлов и агрегатов станции, сигнализации и связи и блок управления и контроля выходной мощности с возможностью обеспечения работы комплексной морской электростанции в автономном режиме, а блок стабилизации станции выполнен с возможностью самостабилизации комплексной морской электростанции при волнении моря.