морская экологическая станция

Формула изобретения

1. Морская экологическая станция, состоящая из источника энергии, электролизной ванны c электродами для получения водорода из морской воды, соединенной с блоком сжижения водорода, блока забора глубоководной воды и соединительных трубопроводов, отличающаяся тем, что в качестве источника энергии используются ветроэнергетические установки, фотоэлектрическая станция, гидроэлектрическая установка, топливно-химическая элементная станция, с возможностью использования в качестве топлива водорода, аккумуляторные батареи, а блок забора глубоководной воды состоит из заборного глубоководного трубопровода с фильтром, удерживаемого якорем на заданной глубине, причем второй конец заборного глубоководного трубопровода соединен с бассейном десероводоризации, содержащим приемный отсек с вакуумным насосом, соединенный с ванной десероводоризации, имеющей низкотемпературный электронагреватель, светопрозрачный купол и компрессор с возможностью перекачки сероводорода в фотолизер, который имеет возможность отбора кристаллической серы в емкость для сбора кристаллической серы, а водорода в топливно-химическую элементную станцию и блок сжижения водорода через приемник водорода, куда, кроме того, поступает водород из электролизной установки через светопрозрачный купол и компрессор, электролизная установка соединена с блоком сжижения кислорода через компрессор с возможностью отвода кислорода в морскую воду и подачу жидкого кислорода в раздаточную станцию жидкого водорода и кислорода через приемный пункт хранения жидкого кислорода, а блок сжижения водорода имеет возможность подавать жидкий водород на приемный пункт хранения жидкого водорода через компрессор.

2. Морская экологическая станция по п.1, отличающаяся тем, что ветроэнергетическая установка, фотоэлектрическая станция, гидроэлектрическая установка, топливно-химическая элементная станция, аккумуляторные батареи соединены через устройство регулирования и распределения электрической энергии с вакуумным насосом, низкотемпературным электронагревателем, компрессорами, электродами, блоком сжижения водорода и блоком сжижения кислорода.

3. Морская экологическая станция по п.1, отличающаяся тем, что энергетический комплекс, блок забора глубоководной воды, комплекс обработки морской воды, блок обработки и перекачивания продуктов переработки расположены на понтонах, закрепленных на якорях или платформе, установленной на сваях.

Описание изобретения к патенту

Морская экологическая станция (МЭС) относится к экологическим системам, а конкретно к устройствам получения и использования электрической энергии из природных возобновимых источников энергии на море без загрязнения окружающей среды.

Известно применение электрических станций на море (см. А.Беляков. О водяных турбинах и не только о них. Независимая газета - наука, №8, 2000), использующих неисчерпаемые возможности Мирового океана для решения экологических задач. Расположение электростанций на море (океане) диктуется наличием большого числа возобновимых экологически чистых источников энергии, отсутствием территориальных ограничений, возможностями практического использования получаемой на них энергии на месте. К таким источникам энергии относятся:

энергия движения морской воды (морских течений, приливов и отливов, морской зыби и т.д.);

солнечная энергия;

энергия ветра;

электрохимическая энергия самой воды и ее компонентов - кислорода и водорода;

биохимическая энергия морской воды.

Появлению морских (океанских) электростанций - развитию морской энергетики способствовало обострение глобальных энергетических и сырьевых проблем. Так, в России в 1968 г. пущена в эксплуатацию приливная электростанция на побережье Баренцева моря в губе Кислов. Находится в стадии освоения Тенжинская приливно-отливная электростанция на Камчатке. Построены и эксплуатируются ветроэлектростанции в Голландии и Дании на побережье Северного моря.

Однако эти станции используются лишь для получения электроэнергии, т.е. решается лишь первая часть задачи нашего изобретения.

Более близкая к экологической системе энергетическая установка, использующая энергию течения Гольфстрима, монтирующаяся в мексиканском заливе (см. Давид Рохленко. Плавучие фабрики водорода. Независимая газета - наука, №4, 1999. Прототип), состоит из источников энергии, электролизной ванны для получения водорода из морской воды, установки сжижения водорода, соединительных трубопроводов.

Приемниками (преобразователями) энергии океанического течения являются небольшие (1,5 м высотой и 1 м диаметром) геликоидные турбины, в каждой из которых смонтированы небольшие генераторы, вырабатывающие электрическую энергию. Генераторы объединяются в единую сеть, в которой потребителем энергии является электролизная ванна, где из морской воды получают водород и кислород. Одним из вариантов применения водорода является его использование в качестве экологического топлива, для двигателей внутреннего сгорания. В этой установке привлекает внимание прямое использование получаемой энергии, что позволяет избежать ее потерь, а также получение экологически чистого топлива - водорода.

Однако вышеперечисленные устройства не могут использоваться для получения чистого топлива в акватории Черного моря.

Кроме того, эта станция не использует другие источники энергии, такие как энергию волн и зыби, энергию ветра, солнечную энергию, электрохимическую энергию веществ, растворимых в морской воде, биохимическую энергию представителей морской флоры и др.

А самое главное, эта станция не создает возможности производить очистку воды в акваториях приморских городов, например Сочи, Туапсе, Новороссийск, и самого Черного моря, от отравляющего все живое, избыточного сероводорода и других загрязнителей.

Задачей изобретения является противодействие сероводородной токсикации Черного моря (и других морей), использование неисчерпаемых возможностей нетрадиционных источников энергии и получение экологически чистого топлива (водорода), а также таких продуктов, как кристаллическая сера, жидкий кислород и морская соль.

Техническим решением задачи является создание морской экологической станции, состоящей из источника энергии, электролизной ванны для получения водорода из морской воды, установки сжижения водорода, соединительного трубопровода, а в качестве источника энергии используются ветроэнергетические установки, фотоэлектрическая станция, гидроэлектрическая установка, топливно-химическая элементная станция, с возможностью использования в качестве топлива водорода, аккумуляторные батареи, а блок забора глубоководной воды состоит из заборного глубоководного трубопровода с фильтром, удерживаемый якорем на заданной глубине, причем второй конец заборного глубоководного трубопровода соединен с бассейном десероводоризации, содержащим приемный отсек, вакуумный насос, причем приемный отсек соединен с ванной десероводоризации, имеющей низкотемпературный электронагреватель, светопрозрачный купол, и компрессор с возможностью перекачки сероводорода в фотолизер, который имеет возможность отбора кристаллической серы в емкость для сбора кристаллической серы, а водорода в топливо-химическую элементную станцию, и блок сжижения водорода через приемник водорода, куда, кроме того, поступает водород из электролизной установки через светопрозрачный купол и компрессор, причем электролизная установка имеет электроды и соединена с блоком сжижения кислорода через компрессор с возможностью отвода кислорода в морскую воду и подачи жидкого кислорода в раздаточный пункт жидкого водорода и кислорода через приемный пункт хранения жидкого кислорода, а блок сжижения водорода имеет возможность подавать жидкий водород на приемный пункт хранения жидкого водорода через компрессор. Причем ветроэнергетическая установка, фотоэлектрическая станция, гидроэлектрическая установка, топливно-химическая элементная станция, аккумуляторные батареи соединены через устройство регулирования и распределения электрической энергии с вакуумным насосом, низкотемпературным электронагревателем, компрессорами, электродами, блоком сжижения водорода и кислорода. А энергетический комплекс, блок забора глубоководной воды, комплекс обработки морской воды, блок обработки и перекачивания расположены на понтонах, закрепленных на якорях или платформе, установленной на сваях.

Изобретение поясняется чертежом, где:

I - энергетический комплекс (ЭК);

II - блок забора глубоководной воды (БЗГВ);

III - комплекс переработки морской воды (КПМВ);

IV - блок обработки и перекачивания продуктов переработки (БОП);

V - наземный (приемный) комплекс (НПК);

VI - комплекс очистки морской акватории (КОМА);

1- фильтр (Ф);

2 - заборный глубоководный трубопровод (ЗГТ);

3 - ветроэнергетическая установка (ВЭУ);

4 - фотоэлектрическая станция (ФЭС);

5 - гидроэлектрическая установка (ГЭУ);

6 - аккумуляторные батареи (АБ);

7 - топливнохимическая элементная станция (ТХЭС);

8 - устройство регулирования и распределения электрической энергии (УРР);

9 - приемный отсек (ПО);

10 - вакуумный насос (ВН);

11 - светопрозрачный купол (СПК);

12 - ванна десероводородизации (ВДС);

13 - низкотемпературный электронагреватель (НТЭН);

14 - компрессор (К);

15 - светопрозрачный купол (СПК);

16 - электролизная ванна (ЭВ);

17 - электроды (ЭД);

18 - компрессор (К);

19 - компрессор (К);

20 - ванна выпаривания морской воды (ВВМВ);

21 - емкость для сбора соли (ЕСС);

22 - фотолизер (ВЛ);

23 - емкость для сбора кристаллической серы (ЕСС);

24 - приемник водорода (ПВ);

25 - блок сжижения водорода (БСВ);

26 - компрессор (К);

27 - блок сжижения кислорода (БСК);

28 - компрессор (К);

29 - приемный пункт хранения жидкого водорода (ППХВ);

30 - раздаточная станция жидкого водорода и кислорода (РСВК);

31 - приемник жидкого кислорода (ППК);

32 - якорь (Я);

33 - бассейн десероводородизации (БСВ);

34 - электролизная установка (ЭУ);

35 - установка выпаривания (УВ);

36 - вентилятор с элекгронагревом воздуха;

37 - генератор ультракоротких волн (ГУКВ);

38 - генератор ультразвуковых колебаний (ГУЗК).

I - энергетический комплекс предназначен для получения электрической энергии, хранения и распределения ее по различным потребителям. Источниками электрической энергии на МЭС являются:

ветроэнергетическая установка 3 (ВЭУ), например, роторного типа, вырабатывающая энергию от перемещения воздуха (ветра) со скоростью от 0,5 до 25 м/с, при этом электрическая мощность установки может составлять до 10 кВт. Таких установок может быть несколько, в зависимости от требуемой МЭС потребности. Ветроэнергетические установки данного типа освоены отечественной промышленностью и выпускаются серийно;

фотоэлектрическая станция 4 (ФЭС) вырабатывает электрическую энергию на основе преобразования солнечной энергии фотоэлементами, укрепленными на плоском ячеистом щите, установленном нормально по отношению к солнечным лучам. Расположение щита изменяется автоматически в соответствии с изменением угла падения солнечных лучей. При площади щита 10 м² с него может быть снята электрическая энергия порядка 10 кВт. Так же, как и в случае с ВЭУ, таких установок может быть несколько, устанавливаемых в виде пакета параллельно расположенных щитов с фотоэлементами;

гидроэлектрическая установка 5 (ГЭУ), вырабатывающая электрическую энергию, используя кинетическую энергию движущейся морской воды, например прилива-отлива или морских подводных течений. Преобразование энергии движущейся воды в электрическую возможно с помощью применения геликоидных турбин Горлова, позволяющих получать электрическую энергию при малых удельных мощностях потока воды. Турбины могут быть установлены в виде сети, размещенной под водой, на глубинах до нескольких десятков метров от поверхности воды. Опытная установка такой сети, сооруженная во Флоридском проливе компанией “Гольфстрим энерджи”, рассчитана на производство 30 мегаватт энергии;

топливно-химическая элементная станция 7 (ТХЭС), состоящая из водородовоздушных элементов, преобразующих химическую энергию сгорания водорода в воздухе в присутствии твердого полимерного электролита в электрическую энергию. В институте водородной энергетики разработан блок элементов мощностью 10 кВт, для работы этого блока необходима подача водорода и воздуха. На предлагаемой МЭС топливохимическая элементная станция работает на водороде, поступающем от комплекса обработки морской воды III через фотолизер 22;

блок аккумуляторов электрической энергии 6 необходим для непрерывной работы энергетического блока. Использование аккумуляторов электрической энергии позволяет запасать ее в пиках вырабатываемой источниками 3,4 и 5 энергии и равномерно распределять ее между потребителями. В качестве аккумуляторов могут быть использованы, например, конденсаторные батареи повышенной емкости, обладающие способностью к быстрому заряду и повышенным (до 5 лет) сроком службы. Все источники электрической энергии имеют электрические связи с устройством регулирования и распределения энергии 8 (УРР). Впервые на МЭС применены несколько автономных электрических источников, что позволяет повысить независимость МЭС от погоды, времени года и суток, а также вырабатывать энергию для обеспечения других объектов как на море, так и на берегу;

устройство регулирования и распределения электрической энергии 8 предназначено для согласования параллельной работы различных источников (3,4,5,6) и преобразования выработанной энергии к виду, наиболее соответствующему требованиям потребителей энергии, находящихся на МЭС. Электрическая энергия подается от УРР 8 к вакуумному насосу 10, низкотемпературному электронагревателю 13, электродам 17, компрессорам 14,18,19,26,28, блоку сжижения водорода 25 и блоку сжижения кислорода 27, а также на освещение морской экологической станции, бытовых нужд, сигнальных и т.д. Данные связи на чертеже не представлены. Энергетический комплекс I может устанавливаться на нескольких понтонах, закрепленных на якорях, или на платформе, установленной на сваях.

II - блок забора глубоководной воды, состоящий из механического сетчатого фильтра 1 и секционированного заборного трубопровода 2 общей длиной свыше 140 м, предназначен для транспортировки морской воды, насыщенной сероводородом с глубин, например, 140 и более метров, при этом для удержания трубы в вертикальном положении она снабжается анкерным якорем 32, соединенным с механическим фильтром; трубопровод изготавливается из армированных композитных материалов и состоит их свинчиваемых между собой 10-метровых секций; верхний конец собранного трубопровода закрепляется в приемном отсеке 9 ванны десероводородизации 12.

Комплекс обработки морской воды III включает бассейн десероводоризапии 33, электролизную установку 34 и установку выпаривания 35.

КОМВ предназначен для получения конечного продукта т.е. водорода, кислорода, серы, морской соли и других продуктов.

Водород и кислород получают в двух состояниях - газообразном и жидком. Газообразный водород используют для питания ТХЭС 7, а также в блок сжижения водорода 25, откуда он по трубопроводам транспортируется в приемный пункт хранения жидкого водорода 29.

Полученный газообразный кислород впервые применяется для лечения воды Черного моря, для чего его направляют по трубопроводам в воду. Трубы на чертеже не показаны. Жидкий кислород подается по трубопроводу в приемный пункт 31.

Полученную серу собирают в емкость для сбора кристаллической серы 23 для ее дальнейшей переработки.

Бассейн десероводоризации 33 включает помимо приемного отсека 9 и ванны десероводоризации 12 вакуумный насос 10, светопрозрачный купол 11 для сбора сероводорода, низкотемпературный электрический нагреватель 13, предназначенный для нагрева морской воды в ванне 12 до заданной температуры, с целью выделения сероводорода. Кроме того, здесь установлен компрессор 14 для перекачки сероводорода в фотолизер 22.

В светлое время нагрев воды осуществляется за счет световой энергии солнца, поступающей через светопрозрачный купол 11.

Морская вода из КОМВ III по трубопроводу поступает самотеком в электролизную ванну 16.

Электролизная установка 34 предназначена для получения газообразного водорода и кислорода. ЭУ состоит из электролизной ванны 16, электродов 17, светопрозрачного купола с перегородкой 15, компрессоров 18 - для перекачки газообразного водорода и 19 - для откачки газообразного кислорода.

Кислород и водород накапливаются при электролизе морской воды, соответственно, в районе катода и анода, откуда и выделяются в газообразном виде в светопрозрачный купол 15. Во избежание их смешивания светопрозрачный купол 15 разделен перегородкой, доходящей до поверхности воды в ванне 16. В ходе электролиза концентрация соли в ванне 16 непрерывно повышается, и образующийся “рассол” самотеком стекает в ванну выпаривания морской воды 20, где происходит получение морской соли путем выпаривания.

Установка выпаривания 35 включает в себя ванну 20, нагреватели 17, емкости 21 для сбора морской соли. Выпаривание воды из рассола происходит как за счет воздействия солнечных лучей, так и за счет подогрева рассола нагревателями, при этом водяной пар удаляется из ванны с помощью потока горячего воздуха, создаваемого вентилятором 36.

Блок обработки и перекачивания (продуктов переработки морской воды) IV предназначен для более глубокой обработки полученного сероводорода, кислорода и водорода. Он состоит из фотолизера 22, емкости для сбора соли 23, приемника водорода 24, блока сжижения водорода 25, компрессоров 26 и 28, блока сжижения кислорода 27, трубопроводов.

Фотолизер 22 - это известное устройство, где на поступающий сероводород воздействует ультразвуковое излучение, создаваемое, например специальными кварцевыми лампами. Под воздействием ультрафиолетового облучения сероводород разлагается на газообразный водород и кристаллическую серу. Газообразный водород подается в топливно-химическую элементную станцию 7 и приемник водорода 24. Выпадающая кристаллическая сера собирается в емкость для сбора кристаллической серы 23 механическим путем.

Приемник водорода 24 представляет резервуар, в котором собирается водород из фотолизера 22 и электролизной установки 34.

В приемнике водорода 24 производят осушение газа, например, с помощью силикагеля или другого сорбента.

В качестве блока сжижения водорода 25 используют известное устройство. Он соединен трубопроводом с компрессором 26, который перекачивает жидкий водород на приемный пункт хранения жидкого водорода 29 по подводному трубопроводу.

В качестве блока сжижения кислорода 27 используют известное устройство, к нему подсоединяется газопровод и трубопровод. Трубопровод идет на компрессор 28, а газопровод опущен в воду для аэрирования акватории места расположения МЭС.

Необходимым дополнением к МЭС является наземный приемный комплекс V, включающий в себя приемный пункт хранения жидкого водорода 29 и кислорода 31, а также раздаточный пункт жидкого водорода и кислорода 30, на котором производится отпуск экологически чистого топлива для автомобилей и баллонов с жидким кислородом.

Комплекс очистки акватории VI предназначен для очистки морской акватории в районе расположения МЭС с помощью магнитных и ультразвуковых колебаний. Он включает в себя генератор ультракоротких волн 37 диапазона 100-150 МГц и антенну-излучатель, погруженную в воду (не показана), и генератор ультразвуковых колебаний 38 с излучателем, погруженным в воду (не показан).

Упомянутые выше колебания интенсифицируют процессы коагуляции примесей загрязнителей, находящихся в морской воде (органические вещества и нефтепродукты).

Работает МЭС следующим образом.

Энергетический комплекс I вырабатывает электрическую энергию от естественных факторов окружающей среды (солнечного излучения, движения воздуха и моря и химической энергии окисления водорода в воздухе) в автономном режиме. Неравномерность в выработке энергии отдельными источниками, связанная со сменой времени суток, погодных условий и времени года, компенсируется за счет использования аккумуляторных батарей 6. Выработанная энергия энергетическим комплексом I поступает к потребителям через УРР 8. Новым в работе ЭК I является совмещение работы различных по устройству и электрическим показателям источников на систему потребителей, расположенных здесь же на МЭС.

Основными потребителями являются БСВ 33, ЭУ 34 и УВ 35, БОП IV, а также служебные помещения и контрольно-измерительная аппаратура, установленная на блоках МЭС.

Назначением потребителей энергии является впервые применяемая глубокая переработка морской воды с целью извлечения из нее растворенного сероводорода, получения экологически чистого топлива (водорода), а также ценных химических продуктов: кислорода, кристаллической серы и морской соли.

Особое экологическое значение, в частности, для бассейна Черного моря имеет осуществляемая МЭС десероводородизация глубинных вод.

Она осуществляется путем забора морской воды из глубины с наибольшим содержанием сероводорода (H₂S), то есть с глубины более 140 м от поверхности. Забор производится через фильтр 1, заборный глубоководный трубопровод 2, приемный отсек 9 путем создания разрежения (например 0,7...0,8 атмосфер) вакуумным насосом 10, что обеспечивает свободное поступление глубоководной воды в ванну десероводородизации 12. Объем воды в ВДС 12 определяется мощностью источников энергии, а также потребностями в конечных продуктах переработки.

Вода в ВДС 12 нагревается за счет солнечного излучения через светопрозрачный купол 11, а в ночное время низкотемпературным электронагревателем 13. Здесь впервые применены композитные электронагреватели, не имеющие контактов с морской водой. Выделяющийся в результате нагрева воды сероводород собирается в СПК II, где создается разрежение компрессором 14, который перекачивает сероводород в фотолизер 22.

Вода после извлечения из нее сероводорода поступает самотеком (за счет разности уровней ванны 12,16 и 20) в электролизную установку 34 и поступает в электролизную ванну 16 через регулировочное устройство (не показано).

В электролизной ванне 16 осуществляется электролиз морской воды с помощью постоянного низкопотенциального напряжения на электродах 17, один из которых является анодом, а другой - катодом. В соответствии с полярностью электрода на них накапливаются газообразные водород и кислород, которые собираются в СПК 15, разделенный перегородкой, уходящей в электролит (морская вода). Новым в этом процессе является установка светопрозрачного купола 15, который обеспечивает использование солнечной энергии для интенсификации электролиза.

Электроды выполняются из композитных материалов (углепластиков) стойкими к воздействию агрессивных газов и составляющих электролита. Из отделений СПК 15 водород и кислород отсасываются компрессорами 18 и 19 и направляются в приемник водорода 24 и блок сжижения кислорода 27. В БСК 27 предусмотрен отвод части газообразного кислорода в воду под давлением через рассеиватели (диспергирующие устройства) для очистки акватории месторасположения МЭС от органических загрязнителей. Возможно направление потока кислорода и его рассеивания в курортных зонах.

Вода из ЭВ 16 самотеком через регулирующее устройство (не показано) поступает в установку выпаривания 35, накапливаясь в ванне выпаривания морской воды 20. Для ускорения выпаривания воды в ВВМВ 20 установлены низкотемпературные нагреватели 13, СПК 15 и вентилятор с электроподогревом воздуха. Впервые в ванне выпаривания морской воды 20 применены кассеты с перегородками, ускоряющими процесс очистки от морской соли, что позволяет механизировать процесс получения конечного продукта. После заполнения кассет морской солью они поступают в ЕСС 21, где очищаются от морской соли и поступают обратно в ВВМВ 20.

Сероводород, который поступает из БСВ 33 в фотолизер 22, подвергается воздействию мощного потока ультрафиолетовых лучей и разлагается на газообразный водород и порошкообразную кристаллическую серу высокой чистоты. Ультразвуковое излучение создается кварцевыми газосветными лампами, обладающими высоким КПД (по свету).

Из фотолизера 22 сера механически ссыпается с помощью вибрационного транспортера (не показан) в ЕСС 23, а газообразный водород поступает в ТХЭС 7 и приемник водорода 24. Туда же поступает водород из ЭУ 34. После осушения водорода, с использованием влагопоглотителей, он поступает в блок сжижения водорода 25. После сжижения водорода он с помощью компрессора 26 по подводному трубопроводу подается на наземный (приемный) комплекс V.

Кислород из ЭУ 34 подается также на БСК 27 и после сжижения с помощью компрессора 28 по подводному трубопроводу подается на наземный (приемный) комплекс V.

Создание МЭС и ее эксплуатация позволяет решать комплексно ряд экологических и экономических задач. К экологическим задачам относятся десероводородизация бассейна Черного моря, очистка прибрежных акваторий от органических загрязнителей и получение экологически чистого топлива для использования в наземном транспорте приморских (особенно курортных) городов.

К экономическим задачам относятся получение недорогого химического сырья - серы и морской соли, а также кислорода для строительных, промышленных и медицинских целей.

Создание значительного количества МЭС вдоль морского побережья позволит существенно улучшить экологическую ситуацию в районе Черноморского бассейна и увеличить количество отдыхающих и туристов.

Высокая концентрация экологически чистых источников и потребителей энергии является полезной с точки зрения обучения и прохождения практики будущих специалистов-экологов.

Массовое производство МЭС даст существенный толчок научно-техническому прогрессу по совершенствованию устройства и удешевлению экологически чистых источников энергии, в том числе к созданию экологически чистого транспорта.

МЭС является совершенно новым типом экологического предприятия XXI века в силу присущих ей характерных черт. К ним относятся высокая степень юридической независимости, поскольку ее деятельность основывается на использовании общенародной собственности: морской территории, природных факторов, морской воды, энергии солнца, гидросферы, атмосферы принадлежащих исключительно государству. Сюда же следует отнести ее исключительную экономическую независимость - поскольку ее деятельность практически не зависит от деятельности внешней среды и вырабатывает экологическую продукцию самостоятельно без поставки исходного сырья и энергии извне. И, наконец, МЭС работает по замкнутому циклу в безотказном режиме, т.е. не наносит ущерба окружающей среды, а, наоборот, способствует ее улучшению.