Комплексная морская эколого-энергетическая станция

Полезная модель относится к энергетическим системам, а конкретно к устройствам противодействия сероводородному загрязнению Черного моря, использования неисчерпаемых возможностей нетрадиционных источников энергии и получение экологически чистого топлива (водорода), а также очистки акваторий от различных загрязнений. Техническим решением полезной модели является: очистка морской глубинной воды, в частности. Черного моря от сероводородного загрязнения; очистка морской воды в прибрежной зоне моря, в акваториях портов, морских бухт, санаторно-курортных зонах и т.п. от органических загрязнителей, в том числе нефтепродуктов; получение электроэнергии, снабжающей прибрежные и морские объекты, вне зависимости от географического расположения, сезонных, суточных и климатических условий.

Полезная модель относится к энергетическим системам, а конкретно к устройствам противодействия сероводородному загрязнению Черного моря, использования неисчерпаемых возможностей нетрадиционных источников энергии и получение экологически чистого топлива (водорода), а также очистки акваторий от различных загрязнений.

Известен Морской эколого-энергетический комплекс (МЭЭК), содержащий рабочую платформа, ветроэнергетическую установку, фотоэлементную станцию, блоки газгольдерный, электролизный, очистки поверхностных вод, утилизации загрязнений, лабораторию контроля состава воды и метеостанцией, блок управления и контроля работы агрегатов комплекса, портальный кран, блок гребных валов, командную рубку, защитный форштевень, силовые соединительные угольниками, очистные щетки, якорный блок, силовой блок, блок служебных помещений; блок управления и контроля работы комплекса; блок обработки глубинной воды; командная рубка; наблюдательный мостик и др. (см. Патент RU 73398. 2008 г.).

Данное устройство наиболее близко к предлагаемой полезной модели и взято за прототип.

Основными недостатками прототипа являются: большой расход энергии при подъеме значительных объемов глубинных вод, МЭЭК не обеспечивает штормоустойчивость (само стабилизацию станции при волнении моря), низкая экологическая обеспеченность (отсутствие возможности закачивания использованной воды назад в глубинные слои).

Кроме того, не менее важным экологическим фактором является загрязнение мелководья и акваторий портов, бухт, курортно-санаторных зон органическими отходами, в том числе нефтепродуктами, а также недостаточная энерговооруженность морских объектов, особенно расположенных на значительных расстояниях от источников электроэнергии.

Задача полезной модели является: очистка морской глубинной воды, в частности. Черного моря от сероводородного загрязнения; очистка морской воды в прибрежной зоне моря, в акваториях портов, морских бухт, санаторно-курортных зонах и т.п.от органических загрязнителей, в том числе нефтепродуктов; получение электроэнергии, снабжающей прибрежные и морские объекты, вне зависимости от географического расположения, сезонных, суточных и климатических условий, использование возобновляемой энергии морских ветровых, поверхностных волн при подъеме значительных объемов глубинных вод, обеспечение штормоустойчивости станции и повышение ее экологической обеспеченности.

Техническим решением полезной модели является обеспечение экологической чистоты в прибрежной зоне Черного моря.

Полезная модель «Комплексная морская эколого-энергетическая станция» (КМЭЭС), содержащая рабочую платформа, ветроэнергетическую установку, фотоэлементную станцию, блоки газгольдерный, электролизный, очистки поверхностных вод, утилизации загрязнений, лабораторию контроля состава воды и метеостанцией, блок управления и контроля работы агрегатов комплекса, портальный кран, блок гребных валов, командную рубку, защитный форштевень, силовые соединительные угольниками, очистные щетки, якорный блок, силовой блок, блок служебных помещений; блок управления и контроля работы комплекса; блок обработки глубинной воды; командная рубка; наблюдательный мостик, устройство для подъема глубинных вод, устройство для закачивания использованной воды в глубинные слои, систему стабилизации станции.

Известно, что Черное море с глубины 40-100 м и до дна содержит сероводород, концентрация которого в воде увеличивается с глубиной. Общие запасы этого газа в черноморской акватории оцениваются специалистами в 28-63 млрд. тонн, а его ежегодное поступление из донных пород по тектоническим разломам и из нефтеносных пластов составляет не менее 4-9 млн. тонн. Поэтому предложенная полезная модель направлена на обеспечение экологической чистоты за счет уменьшения загрязнения вод Черного моря сероводородом, газом, убивающим в нем все живое. Как известно, постоянно увеличение содержания сероводорода в водах Черного моря губительно сказывается на морской флоре и фауне, угрожая перерасти в экологическую катастрофу Черноморского региона.

Устройство для подъема глубинных вод подает насыщенную сероводородом воду в блок обработки глубинной воды для извлечения водорода и серы из сероводорода путем фотолиза паров сероводорода. Водород подается в силовой блок, а серу собирают в контейнер механическим путем. Очищенная вода подается в электролизный блок для получения водорода и кислорода. Водород, как чистый источник энергии, используется для работы электрохимических элементов питания, двигателей-генераторов, вырабатывающих электроэнергию, а кислород, после насыщения им очищенной воды путем барботирования, подается устройством для закачивания использованной воды в глубинные слои в придонные воды для уменьшения ее концентрации сероводородом. Это обеспечивает улучшение экологической чистоты в прибрежной зоне Черного моря.

Система стабилизации станции обеспечивает стабилизацию станции при волнении моря для увеличения продолжительности работы КМЭЭС. Это дает возможность не изменять место размещения КМЭЭС в зависимости от волновой активности акватории и сезонных условиях и тем самым обеспечить улучшение экологической чистоты в прибрежной зоне Черного моря и добычу дешевой энергии.

То есть введенные признаки влияют на возможность получения технического результата и находятся в причинно - следственной связи с указанным результатом.

Заслуживают внимание работы, проводимые под руководством членов - корреспондентов Российской Экологической Академии проф. Резниченко B.C. и проф. Старостиным М.М., совместно с рядом других организаций по получению водорода из растворенного в морской воде сероводорода с помощью специальных морских комплексных установок. Проведен комплексный анализ данных, посвященный процессу получения электроэнергии из водорода и возобновляемых источников энергии. Произведен выбор и разработаны конструктивно - технологические параметры некоторых агрегатов КМЭЭС, получен ряд патентов.

Полезная модель поясняется чертежом, где:

1 - блок управления и контроля работы агрегатов комплекса (БУКРА);

2 - ветроэнергетическая установка (ВЭУ);

3 - лаборатория контроля состава воды (ЛКСВ);

4 - рабочая платформа комплекса (РПК);

5 - электролизный блок (ЭБ);

6 - портальный кран (ПК);

7 - блок обработки глубинной воды (БОГВ);

8 - солнечный коллектор (СК);

9 - блок гребных валов (БГВ);

10 - блок служебных помещений (БСП);

11 - ванна глубинной воды (ВГВ);

12 - газгольдерный блок (ГБ);

13 - блок забора глубинной воды (БЗГВ);

14 - силовой блок (СБ);

15 - блок очистки поверхностной воды (БОПВ);

16 - метеостанция (МС);

17 - командная рубка (КР);

18 - фотоэлементная станция (ФС);

19 - силовой соединительный угольник (ССУ);

20 - защитный форштевень (ЗФ);

21 - блок утилизации загрязнений (БУЗ);

22 - очистные щетки (ОЩ);

23 - якорный блок (ЯБ);

24 - устройство для подъема глубинных вод;

25. устройство для закачивания использованной воды в глубинные слои;

26. система стабилизации станции.

Блок управления и контроля работы агрегатов комплекса 1 оборудован панелью управления, электрифицированной системой контроля работы агрегатов и узлов комплекса, выходными устройствами систем, радиостанцией, телевизионной, громкоговорящей, телефонной и мобильной связью, охранной и сигнальной системами. Он имеет электрические связи и обеспечивает работу всех систем, устройств и агрегатов КМЭЭС.

Ветроэнергетическая установка 2 предназначена для получения электроэнергии под воздействием воздушных потоков. При этом роторы устанавливаются на силовых, соединительных угольниках 19 рабочей платформы комплекса 4. Количество установок может меняться. Предложенная конструкция ВЭУ выгодно отличается большой эффективностью. Это обусловлено конструкцией ротора и нового метода преобразования кинетической энергии в электрическую, что позволяет расширить диапазон используемых скоростей ветра от 0,2 м/с до 50 м/с.

Ротор этой ветроустановки образует две геликондные лопасти, опирающиеся на верхний и нижний обручи. При этом к нижнему обручу крепится обод червячного колеса, находящегося в зацеплении с червяком, приводящим в движение вал генератора, вырабатывающего электроэнергию.

Вырабатываемая ВЭУ электрическая энергия используется в работе электролизного блока 5 для получения водорода и кислорода.

Лаборатория контроля состава воды 3 предназначена для определения степени загрязнения морской воды и контроля ее химического и бактериологического состава. Она обеспечивает контроль, как в прибрежной, так и в глубинной зонах, что позволяет выбирать оптимальные методы очистки воды, при этом определяющим фактором очистки глубоководной воды является концентрация сероводорода.

Рабочая платформа комплекса 4, может выполняться в виде понтонов, плавучих платформ, кораблей, волностойких платформ и тп. На рисунке представлен вариант платформы катамаранного типа. Она составленная, из 10-ти морских понтонов, соединенных между собой штатными замками, а по углам - силовыми, соединительными угольниками 19. Она служит для размещения узлов и блоков комплекса и снабжена по периметру ограждающими и сигнальными устройствами, а также спасательными средствами.

Электролизный блок 5 состоит из электролизной ванны, системы электродов, устройств подготовки электролита, системы вывода водорода и кислорода, набора соединительных междуэлектродных шин. Он предназначен для получения водорода и кислорода из морской воды, при этом водород может использоваться, например, для работы электрохимических элементов питания, двигателей-генераторов, работающих на водороде вырабатывающих электроэнергию, а кислород - в очистном блоке для интенсификации очистки воды путем барботирования его в воду, например, в санаторно-курортных зонах, акваториях портов, рыбоводческих хозяйствах и т.д.

Портальный кран 6 смонтирован на рабочей платформе комплекса 4 и предназначен для проведения погрузо-разгрузочных операций, в том числе и при монтаже-демонтаже заборной трубы. Одновременно служит и для повышения жесткости рабочей платформы комплекса 4.

Блок обработки глубинной воды 7 предназначен для получения водорода и серы путем фотолиза паров сероводорода. Водород подается затем в силовой блок 14, а серу собирают в контейнер механическим путем.

Солнечный коллектор 8, служит для подогрева глубинной воды за счет принудительной циркуляции теплоносителя, выполненный, например, в виде спиралеобразного змеевика, при этом верхняя часть его находится над ванной глубинной воды 11, а нижняя - в воде ванны глубинной воды 11.

Блок гребных валов 9, предназначен для обеспечения перемещения комплекса по воде и состоит, например, из двух гребных валов с электроприводами.

Блок служебных помещений 10 включает в себя, например, столовую, кухню, ванную и туалетную комнаты, комнату отдыха и т.д., предназначенных для удовлетворения бытовых условий обслуживающего комплекс персонала.

Ванна глубинной воды 11 предназначена для сбора и хранения глубинной морской воды.

Газгольдерный блок 12 предназначен для сбора, хранения и использования, по необходимости, водорода и кислорода. Количество, газгольдеров определяется размерами КМЭЭС или его назначением. На рисунке представлены два газгольдера. В представленной полезной модели они выполнены в мягком исполнении.

Блок забора глубинной воды 13 предназначен для транспортировки морской воды с различной глубины от 20 до 200 м. Он используется как резервное устройство при нарушениях в работе устройство для подъема глубинных вод 24.

Блок забора глубинной воды 13 состоит из механического фильтра и секционированного заборного трубопровода. Длина трубопровода может изменяться в зависимости от нахождения станции в акватории. При этом для удержания трубы в вертикальном положении она снабжается анкерным якорем, соединенным с механическим фильтром. Трубопровод изготавливается из армированных композитных материалов и состоит их свинчиваемых между собой секций. Верхний конец собранного трубопровода закрепляется в приемном отсеке ванны глубинной воды 11. Подача воды производится с помощью глубоководного водяного насоса.

Силовой блок 14 предназначен для получения энергии и снабжения потребителей КМЭЭС, а также создания ее запаса на борту комплекса. Он может состоять из двигатель-генераторного отсека, аккумуляторной и суперконденсаторной станции. При этом двигатель-генераторный отсек содержит двигатели внутреннего сгорания, работающие водороде, получаемом, на комплексе. Двигатели изготовлены с соосно-смонтированными электрогенераторами. Накопление и хранение электроэнергии производится в аккумуляторной и суперконденсаторной станциях. Использование аккумуляторной и суперконденсаторной станций позволяет не только запасать электрическую энергию, но и равномерно распределять ее между потребителями.

Все источники электрической энергии имеют электрические связи с блоком управления и контроля работы агрегатов комплекса 1. Применение несколько автономных электрических источников, позволяет повысить независимость КМЭЭС от погоды, времени года и суток, а также вырабатывать энергию для обеспечения других объектов, как на море, так и на берегу.

Блок очистки поверхностной воды 15 состоящий, например, их емкостей аэротэнков. На рисунке показаны три такие емкости, выполненные в гибком исполнении. Они служат для очистки поверхностной воды. Причем в каждом аэротенке очистка производится различными методами, например, кислородным барботированием, химическим или ультразвуком.

Метеостанция 16 предназначена для определения метеоусловий в месте дислокации, а также выдачи рекомендаций в организации работы комплекса.

Командная рубка 17 предназначена для управления перемещениями комплекса, а также организации рабочего процесса комплекса.

Фотоэлементная станция 18 предназначена для выработки электрической энергии за счет использования энергии солнца и состоит, например, из двух фотоэлементных блоков, каждый из которых выполнен из отдельных фотоэлементных панелей, смонтированных в общей раме.

Расположение фотоэлементных блоков изменяется автоматически в соответствии с изменением угла падения солнечных лучей.

Силовой соединительный угольник 19 устанавливается в случае использования понтонов в КМЭЭС. Он предназначен для соединения понтонов в П-образную конструкцию, соединяющихся впоследствии в катамаран, образуя рабочую платформу комплекса. Для качественного крепления используются четыре силовых соединительных угольников.

Защитный форштевень (входной шлюз) 20 предназначен для забора поверхностной воды с целью очистки ее от поверхностных загрязнений в комплексе. Защитный форштевень 20 состоит из двух ворот, каждая из которых закреплена к силовому соединительному угольнику 19. На силовых соединительных угольниках 19 смонтированы устройства для открывания и закрывания ворот форштевня. При очистке прибрежных акваторий от органических загрязнений ворота открываются и образуют входной шлюз, через который происходит забор загрязненной воды в блок очистки поверхностной воды 15.

Блок утилизации загрязнений 21 предназначен для сжигания выловленных с поверхностной воды загрязнений. Он включает герметизированную высокотемпературную печь с очистными устройствами. Для сжигания загрязнений в печи используется водород.

Очистные щетки 22 предназначены для сбора загрязнений поверхностной воды, поступающей в защитный форштевень и транспортировки их в блок утилизации загрязнений 21. В предлагаемой полезной модели установлены две очистные щетки 22. Одним концом они крепятся к рабочей платформе комплекса 4, а другим скреплены между собой.

Якорный блок 23 предназначен для фиксации комплекса в заданном месте работы. В предложенном варианте полезной модели он состоит из двух якорных позиций, расположенных на противоположных концах комплекса и включающих в себя, якорь, якорную цепь, механизм подъема-опускания якоря и панель управления.

Устройство для подъема глубинных вод 24 предназначено для подъема вод с глубины с использованием возобновляемой энергии морских ветровых, поверхностных волн. Оно представляет вертикально опущенный в воду водозаборный трубопровод, выполненный из материала плотностью, меньшей плотности воды. К нижнему торцу водозаборного трубопровода прикреплен груз, обеспечивающий стабилизацию вертикального положения водоподъемника. В верхней части водозаборный трубопровод укреплен на поплавке отслеживающим волны. Водозаборный трубопровод оборудован в верхней части клапаном, а корпус поплавка выполнен в виде обращенного малым диаметром вниз усеченного конуса.

Устройство для подъема глубинных вод 24 при движении на волнах вверх-вниз, преобразовывает кинетическую энергию волн в работу по перемещению объемов воды с нижнего горизонта вверх. Производительность устройства зависит от параметров волн, главным образом, от высоты волн и их периода. Оно дешевое, не потребляет традиционного горючего, не загрязняет окружающую среду, то есть экологически чистое.

Устройство для подъема глубинных вод 24 подает насыщенную сероводородом воду в блок обработки глубинной воды 7 для извлечения водорода и серы из сероводорода путем фотолиза паров сероводорода. Водород подается в силовой блок 14, а серу собирают в контейнер механическим путем. Очищенная вода подается в электролизный блок 5 для получения водорода и кислорода. Водород, как чистый источник энергии, используется для работы электрохимических элементов питания, двигателей-генераторов, вырабатывающих электроэнергию, а кислород, после насыщения им очищенной воды путем барботирования, подается устройством для закачивания использованной воды в глубинные слои 25 в придонные воды для уменьшения ее концентрации сероводородом. Это обеспечивает улучшение экологической чистоты в прибрежной зоне Черного моря и добычу энергии.

Устройство для закачивания использованной воды в глубинные слои 25 обеспечивает улучшение экологии района работы станции.

Система стабилизации станции 26 обеспечивает само стабилизацию КМЭЭС при волнении моря. При этом используют датчики колебаний исполнительные механизмы обеспечения волностойкости и подводный газгольдер.

Система стабилизации станции 26 обеспечивает стабилизацию станции при волнении моря для увеличения продолжительности работы КМЭЭС. Это дает возможность не изменять место размещения КМЭЭС в зависимости от волновой активности акватории и сезонных условиях и тем самым обеспечить улучшение экологической чистоты в прибрежной зоне Черного моря и не останавливать добычу энергии.

То есть введенные признаки влияют на возможность получения технического результата и находятся в причинно - следственной связи с указанным результатом.

Работа КМЭЭС может проводиться в нескольких режимах, в зависимости от ее комплектации, удаление от берега, расположении в бухте или на море, а также от конкретных задач.

При этом КМЭЭС может выполнять следующие функции:

очищать прибрежные акватории от органических загрязнений;

насыщать морскую воду кислородом;

производить подъем и очистку глубинной воды от сероводорода;

вырабатывать электроэнергию и производить энергообеспечение объектов прибрежной зоны или на море и др;

В зависимости от назначения КМЭЭС может выполнять одну или несколько функций одновременно.

Выработка электроэнергии силовыми блоками и электролизерной станцией может производиться параллельно во всех режимах работы КМЭЭС.

При очистке прибрежных акваторий от органических загрязнений ворота защитного форштевня 20 разводятся в стороны. Вода поступает в образовавшийся шлюз, проходит через очистные щетки 22 и поступает в емкости аэротэнков блока очистки поверхностной воды 15. Где параллельно или последовательно (в зависимости от типа загрязнений) производится очистки поверхностной воды. Причем в каждой емкости аэротэнков очистка производится различными методами, например, кислородным барботированием, химическим или ультразвуковым.

Далее загрязнения подаются в блок утилизации загрязнений 21, где в герметизированной высокотемпературной печи сжигаются. Скорость движения комплекса в этом режиме работы не выше 2-3 узлов.

Параллельно может осуществляться насыщение морской воды кислородом.

В этом режиме блок обработки глубинной воды 7 не работает, заборная труба глубоководной воды находится в собранном состоянии.

При достижении глубины моря 100-200 м, собирается заборная труба с помощью портального крана и опускается на глубину для забора морской воды, насыщенной сероводородом. КМЭЭС устанавливается на якоря и начинается работа комплекса по подъему и очистке глубинной воды от сероводорода. Глубинная вода поступает в специальные ванны, где происходит выделение сероводорода за счет фотолиза и нагрева солнечными коллекторами.

В этом режиме блок очистки поверхностной воды 15, как правило, не работает, защитный форштевень (входной шлюз) 20 закрыт, а емкости аэротэнков собраны и обезвожены.

В режиме выработки электроэнергии КМЭЭС имеет возможность пришвартовывается к берегу или к морским объектам и производить энергообеспечение объектов прибрежной зоны или морских объектов. Применение КМЭЭС обеспечит:

получение экологически чистой электрической энергии за счет широкого использования ВИЭ;

очистку морской глубинной воды, в частности. Черного моря от сероводородного загрязнения;

экологической безопасности прибрежных территорий за счет очистки и обезвреживания акваторий;

использование возобновляемой энергии морских ветровых, поверхностных волн при подъеме значительных объемов глубинных вод;

штормоустойчивость станции и повышение ее экологической обеспеченности.

1. Комплексная морская эколого-энергетическая станция (КМЭЭС), содержащая рабочую платформу комплекса, ветроэнергетическую установку, фотоэлементную станцию, газгольдерный блок, электролизный блок, блок очистки поверхностных вод, блок утилизации загрязнений, лабораторию контроля состава воды и метеостанцию, блок управления и контроля работы агрегатов комплекса, портальный кран, блок гребных валов, командную рубку, защитный форштевенем, силовые соединительные угольники, очистные щетки, якорный блок, силовой блок, состоящий из двигатель-генераторного отсека, аккумуляторной и суперконденсаторной станций, при этом двигатель-генераторный отсек содержит двигатели внутреннего сгорания, работающие на водороде, получаемом на комплексе, а двигатели изготовлены с соосно смонтированными электрогенераторами с возможностью производить накопление и хранение электроэнергии в аккумуляторной и суперконденсаторной станциях, а также равномерно распределять ее между потребителями, которые через блок управления и контроля работы агрегатов комплекса имеют электрические связи и обеспечивают работу всех систем, устройств и агрегатов комплексной морской эколого-энергетической станции, причем блок служебных помещений, блок управления и контроля работы комплекса, блок обработки глубинной воды, командная рубка, наблюдательный мостик смонтированы на рабочей платформе, которая может выполняться в виде понтонов, плавучих платформ или кораблей, отличающаяся тем, что дополнительно смонтированы устройство для подъема глубинных вод, устройство для закачивания использованной воды в глубинные слои и система стабилизации станции.

2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что устройство для подъема глубинных вод представляет вертикально опущенный в воду водозаборный трубопровод, выполненный из материала плотностью, меньшей плотности воды, к нижнему торцу водозаборного трубопровода прикреплен груз, обеспечивающий стабилизацию его вертикального положения, а верхняя часть водозаборного трубопровода укреплена на поплавке, внутри верхней части водозаборного трубопровода установлен клапан, а корпус поплавка выполнен в виде обращенного малым диаметром вниз усеченного конуса.

3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что система стабилизации станции обеспечивает самостабилизацию КМЭЭС при волнении моря, при этом используются датчики колебаний и исполнительные механизмы обеспечения волностойкости и подводный газгольдер.