Способ получения вторичного энергоносителя - водорода посредством преобразования энергии ветра



Способ получения вторичного энергоносителя - водорода посредством преобразования энергии ветра
Способ получения вторичного энергоносителя - водорода посредством преобразования энергии ветра

 

C25B1/04 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2567484:

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ имени генерала армии А.В. Хрулева" (RU)

Изобретение относится к способу получения вторичного энергоносителя - водорода посредством преобразования энергии ветра. Способ получения вторичного энергоносителя - водорода посредством преобразования энергии ветра включает преобразование посредством парусного движителя кинетической энергии ветра в кинетическую энергию движения судна, движущегося в районах открытого океана с мощными воздушными потоками, и затем посредством гидравлической турбины и электрогенератора в электрическую энергию, которую используют для разложения воды на водород и кислород с ожижением и накоплением водорода в криогенных резервуарах. В качестве плавающего судна используют катамаран с парусным движителем, работающим по физическому принципу подъемной силы крыла. Гидротурбину и электрогенератор используют одновременно в качестве балласта, перемещая их по вертикали, обеспечивая и требуемую остойчивость катамарана при сильных порывах ветра. Изобретение направлено на повышение коэффициента использования энергии ветра и мощности парусного движителя. 2 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики и экологии, в частности к проблеме освоения такого чистого и вечного первичного энергоисточника, как ветер.

Актуальность изобретения следует из того, что органическое топливо, копившееся в Земле миллиарды лет, стремительно исчезает. По оценкам академика Н.Н. Семенова, разведанные запасы органического топлива будут израсходованы в течение ближайших 200 лет [1].

Одновременно все возрастающее потребление невозобновляемых источников энергии: нефти, газа, угля, урана и т.п. до предела обострило экологическую обстановку на нашей планете.

В связи с изложенным человечество стоит перед небывалым энергетическим и экологическим кризисом. В создавшейся ситуации ученые всего мира вынуждены все больше обращать внимание на освоение вечно действующих первичных источников энергии, в первую очередь - солнца, воды (энергии рек, приливов, термальных вод) и ветра.

Энергию ветра люди использовали со времен парусных судов и ветряных мельниц. Ветер - вечный источник энергии, его не нужно ни добывать, ни пополнять. Но эффективное его использование представляет собой достаточно сложную техническую задачу: ветер изменчив по скорости, направлению и высоте, его нельзя накапливать. Поэтому общая проблема использования кинетической энергии ветра неразрывно связана с проблемой трансформации этого первичного энергоисточника во вторичные энергоносители, которые сравнительно просто поддавались бы накоплению и хранению. Вопросы превращения энергии ветра в электроэнергию, а затем во вторичные энергоносители к настоящему времени уже достаточно хорошо решены. В качестве вторичных энергоносителей используют такие энергоаккумулирующие вещества, как: водород, многократные восстанавливаемые вещества из природных и искусственных окислов, многократно заряжаемые гидриды, а также высокотеплоемкие вещества и соединения, при определенных условиях отдающие аккумулированную в них энергию.

Вместе с тем центральное место в ветроэнергетике занимает процесс преобразования кинетической энергии потока воздуха в механическую энергию.

Современные способы решения этой технической задачи, как правило, основаны на использовании эффекта подъемной силы крыла [7, 8]. Если лопасть, имеющая профиль крыла, омывается потоком воздуха, то за счет разной скорости воздуха над и под поверхностями крыла (лопасти) возникнет разность давлений, благодаря чему и образуется подъемная сила, вращающая ветровую турбину. Отношение кинетической энергии ветрового потока, преобразованного с помощью ветровой турбины в механическую энергию, к кинетической энергии невозмущенного ветрового потока называют коэффициентом использования энергии ветра (критерий Бетца), который в лучшем случае достигает 0,59 [7, стр. 206]. Реально, например, для двухлопастных ветротурбин коэффициент использования ветра может достигать 0,5, а для других устройств еще меньше. Это объясняется тем, что отработавший воздушный поток должен обладать определенной кинетической энергией, чтобы покинуть окрестность ветродвигателя.

Однако это не единственный недостаток известных технических решений, направленных на полезное использование ветра. Существенный недостаток известных способов полезного использования энергии ветра, реализованных в виде стационарных ветровых установок, вытекает из нестабильности наиболее важного параметра, определяющего энергетический потенциал ветра, - его скорости. Установлено [3], что при снижении скорости ветра ниже 5 м/с ветровые станции становятся бесполезными. Чтобы повысить мощность ветростанций, их головки вынуждены поднимать на большую высоту, до 50 м, где скорость ветрового потока заметно выше [7, стр. 220]. Из-за указанных и других недостатков известных ветростанций фактическая стоимость электрической энергии, вырабатываемой подобными установками, до сих пор, как правило, превышает стоимость выработки энергии на тепловых и атомных электростанциях, а это, в конечном счете, является основной побудительной силой, обусловливающей постоянное совершенствование известных ветростанций.

Наиболее близким по назначению, устройству и достигаемому эффекту к настоящему изобретению следует считать техническое решение, указанное в источнике [2], заявка FR №2301705, кл. F03D 5/00, 1976 г. «Устройство, обеспечивающее использование энергии ветра на море». Такое месторасположение указанной установки определяется тем, что скорость ветра на море примерно в два раза выше, чем на суше при прочих равных условиях. Данное техническое решение, принятое в качестве прототипа, представляет собой судно, соединенное пеньковыми тросами с подъемным парусом, и турбогенераторный агрегат, буксируемый судном. Когда судно перемещается с некоторой скоростью, регулируемой в зависимости от скорости ветра, возникает вращение гидравлической турбины. Судно имеет оборудование для использования энергии, представляющее собой, например, установку для электролиза воды и накопления водорода. Парус имеет форму части сферы, ограниченной передней кромкой, с которой соединены тросы, прикрепленные к судну, и нижней кромкой, с которой соединены стропы. Другие концы стропов прикреплены к поплавкам.

Существенный недостаток прототипа состоит в том, что использование в прототипе паруса в виде полусферы, вогнутой стороной навстречу ветру, работающего по принципу действия традиционного парашюта, существенно (в несколько раз) увеличивает сопротивление парусного движителя. Поэтому максимальный коэффициент использования энергии ветра в прототипе, как и в других ветродвигателях, использующих силу сопротивления ветра, не превышает 0,192, то есть в 2-3 раза ниже, чем в устройствах, использующих эффект подъемной силы крыла [8, стр. 35].

Кроме того, скорость ветра существенно (в несколько раз) уменьшается в непосредственной близости от земли или акватории [6, стр. 220]. Использование поплавков для крепления подъемного паруса также увеличивает вихреобразование в окрестности паруса.

Низкие мореходные качества существенно снижают его скорость прототипа, а следовательно, и его эффективность, поскольку объем выработанной электроэнергии пропорционален кубу скорости плавающей ветроэнергетической установки [6, стр. 195].

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании более эффективного способа использования ветровой энергии (в несколько раз) по сравнению с прототипом. Для решения поставленной задачи энергоустановку, предназначенную для движения в открытом океане при сильном ветре, выполняют в виде катамарана - двухкорпусного судна, связанного воедино платформой (соединительным мостом). Такое техническое решение отличается повышенной поперечной остойчивостью, предотвращающее опасность опрокидывания плавучей энергоустановки, особенно с парусным движителем, поскольку паруса повышают центр тяжести и снижают метацентрическую высоту обычных судов.

Кроме того, очень важно обеспечить максимальную скорость плавающей энергоустановки. О потенциальных возможностях заявленного способа можно судить из того исторического факта, что быстроходные суда - чайные клиперы под парусами еще в 19-м веке достигали скорости 39 километров в час.

Поэтому согласно заявленному техническому решению парусный движитель использует, в отличие от прототипа, не силу сопротивления, а эффект подъемной силы крыла. Кроме того, повышенный коэффициент использования энергии ветра достигают путем наиболее выгодного курса - направления движения энергоустановки (катамарана) в открытом океане за счет выбора самого выгодного угла атаки парусного движителя (угла между хордой паруса и направлением ветра), а следовательно, и достижения максимально возможной мощности плавающей энергоустановки при данной скорости ветра.

Одновременно силу сопротивления воды минимизируют уменьшением осадки катамарана, но обеспечивая его остойчивость (требуемую метацентрическую высоту) и способность восстанавливать нарушенное при крене равновесие при резких порывах ветра перемещением гидротурбин с электрогенераторами по вертикали.

Таким образом, в заявленном техническом решении гидротурбины вместе с электрогенераторами используются не только по прямому назначению - для выработки электроэнергии, но и в качестве подвижного балласта. Что очень важно при большой парусности энергоустановки (катамарана) и сильном ветре в открытом океане.

Как и в прототипе, полученную в электрогенераторах электрическую энергию направляют в электролизер, разделяющую океанскую воду на водород и кислород, которые направляют в накопительные емкости, предварительно увеличив их плотность, преимущественно путем ожижения в криогенной установке. Накопившиеся энергоносители передают в специальные танкеры для доставки их потребителям.

Схема устройства, реализующего заявленный способ, изображена на чертежах, где

на фиг. 1 показан продольный разрез энергоустановки;

на фиг. 2 - ее вид в плане.

Энергоустановка включает в себя плавающую конструкцию в виде катамарана 1, оснащенную парусным движителем 2. Кроме того, устройство снабжено гидравлической турбиной 3, сочлененной с электрогенератором 4, который посредством электрического кабеля 5 соединен с электролизером 6, который в свою очередь связан трубопроводом газообразного водорода 7 с криогенной установкой 8. Эта установка имеет связь по жидкой фазе водорода посредством трубопровода с криогенным насосом 9 с накопительной емкостью 10 и обратную связь - посредством паропровода выпара водорода 11. Для выдачи накопленного жидкого водорода в специальные танкеры предусмотрен трубопровод жидкого водорода с криогенным насосом 12.

Устройство работает следующим образом. Плавающая энергоустановка 1 выходит в открытый океан и начинает движение с помощью парусного движителя, осуществляя плаванье с оптимальным углом атаки [7, стр. 233], наибольшим коэффициентом использования ветра и наибольшей скоростью при данной скорости ветра. При движении энергоустановки 1 относительно неподвижной воды находящаяся в ней гидротурбина 3 начинает работать. Полученная при этом механическая энергия посредством электрогенератора 4 преобразовывается в электрический ток, который по кабелю 5 направляется в электролизер 6, где происходит разложение океанской воды на водород и кислород. Полученный водород по трубопроводу 7 поступает в криогенную установку 8, где он ожижается, и в жидком виде посредством трубопровода и криогенного насоса 9 направляется в накопительную криогенную емкость 10. Несмотря на то, что такие емкости снабжаются весьма эффективной тепловой изоляцией, например вакуумной, вакуумно-порошковой или вакуумно-многослойной теплоизоляцией, из-за низкой температуры жидкого водорода незначительный приток тепла к этому вторичному энергоносителю все же будет, что приведет к выпару его части. Образовавшийся выпар водорода посредством паропровода 11 возвращается в криогенную установку 3 для повторного ожижения. Накопленный на плавающей энергоустановке 1 жидкий водород с помощью трубопровода и криогенного насоса 12 перекачивают в специальные танкеры и доставляют этот вторичный энергоноситель потребителям. Аналогичным путем может собираться и кислород, однако ценность этого продукта намного ниже водорода. Целесообразность выработки жидкого кислорода должна быть обоснована технико-экономическим расчетом.

Поскольку для реализации предлагаемого способа получения вторичных энергоносителей предлагаются плавающие в открытом океане установки, то их размеры и производительность (мощность) могут быть практически неограниченны. Реализация данного способа позволит в значительной степени решить комплексно две чрезвычайно актуальные проблемы человечества: обеспечить все энергоемкие виды производства и другой деятельности людей возобновляемым вторичным энергетическим ресурсом, а также резко улучшить экологическую обстановку на Земле путем перевода многочисленных потребителей не возобновляемых ресурсов: природного газа, нефти, угля на экологически чистое топливо - водород за счет энергии ветра.

Список источников

1. Подгорный А.Н. Водород и энергетика. - Киев: Наукова думка, 1984.

2. Заявка FR №2301705, кл. F03D 5/00, 1976 - прототип.

3. Свен Уделл. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии. - М.: Знание, 1980.

4. Кан С.И. Океан и атмосфера. - М.: Наука, 1982.

5. Александровский А.Ю. и др. Гидроэнергетика. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

6. Твайделл Дж., Уэйтэ А. Возобновляемые источники энергии. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

7. Проскура Г.Ф. Экспериментальная гидроаэродинамика. - М.-Л.: Госавиаавтоиздат, 1933.

8. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. - М.: Сельхозгиз, 1948.

Способ получения вторичного энергоносителя - водорода посредством преобразования энергии ветра, включающий преобразование посредством парусного движителя кинетической энергии ветра в кинетическую энергию движения судна, движущегося в районах открытого океана с мощными воздушными потоками, и затем посредством гидравлической турбины и электрогенератора в электрическую энергию, которую используют для разложения воды на водород и кислород с ожижением и накоплением водорода в криогенных резервуарах, отличающийся тем, что в качестве плавающего судна используют катамаран с парусным движителем, работающим по физическому принципу подъемной силы крыла, а гидротурбину и электрогенератор используют одновременно в качестве балласта, перемещая их по вертикали, обеспечивая и требуемую остойчивость катамарана при сильных порывах ветра.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам с главным валом ветротурбины, параллельным ветровому потоку. Цилиндрическая ветротурбина установлена на валу ветроэнергетической установки и содержит лопасти, размещенные на радиальных штангах.

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано при разработке новых типов ветроустановок разной мощности, работающих в свободных воздушных потоках.

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам и способам производства электроэнергии. Основным элементом ветроэнергетической установки является аэродинамическая поверхность в форме крыла, в теле которого выполнен канал, соединяющий противоположные поверхности крыла.

Представлена препятствующая перекручиванию трансмиссионная и направляющая система, содержащая по меньшей мере один первый и второй трос, проходящие взаимно параллельно вдоль оси (X-X) и натянутые между соответствующей сматывающей и разматывающей системой и по меньшей мере одним выходным направляющим и трансмиссионным узлом таких тросов, при этом по меньшей мере один препятствующий перекручиванию направляющий и трансмиссионный узел тросов установлен между сматывающей и разматывающей системой и выходным направляющим и трансмиссионным узлом.

Система (20) генерирования электроэнергии содержит воздушный электрогенератор (30), узел (40) страховочного фала, сконфигурированный с возможностью передачи электроэнергии от воздушного электрогенератора на землю.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Флажковый ветрогенератор содержит ветроприемник, выполненный в виде струн, расположенных в ветровом потоке между стойками, преобразователь колебаний струн в полезную энергию.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в качестве автономного источника электроснабжения. Циклоидный ветродвигатель содержит опорную мачту, полые овальные трубы с установленными на их концах поворотными вертикальными лопастями, планетарный редуктор с заторможенной центральной конической шестерней, генератор, реверсивный электропривод, флюгер с контактной группой переключателей для самоориентации лопастей на ветер, противобуревый эксцентриковый флажок с подвижной конусной втулкой и размыкатели кинематических связей лопастей.

Изобретение относится к области энергетики, а именно к осевым ветроэнергетическим установкам. Ветроэнергетическая установка с пониженным уровнем шума содержит неподвижно закрепленные на оси передний и задний обтекатели, расположенный между ними ротор в виде втулки с лопатками основной ветротурбины и кольцевой диффузорный ускоритель.

Изобретение относится к оптимизированной структуре для привода и ускоренного (принудительного) взлета аэродинамических поверхностей для тропосферного эолового генератора.

Группа изобретений относится к гидроэнергетике и может быть использована как самостоятельно для выработки электроэнергии, так и в составе плотинных гидроэлектростанций (ГЭС), деривационных ГЭС, свободнопоточных ГЭС в системах водоснабжения, водоотведения и водотоках каналов.

Изобретение относится к гидроэнергетике и предназначено для обеспечения электрической энергией небольших населенных пунктов, лагерей геологов, охотников, рыбаков, леспромхозов преобразованием энергии русловых потоков реки в электрическую.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить КПД водонапорного двигателя путем сочленения шнека с турбиной. Поступающий в водовод поток сначала раскручивает шнек, затем турбину.

Группа изобретений относится к технологиям выработки гидроэлектроэнергии и, в частности, к гидроэлектрической энергетической установке без обустройства плотины.

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности к ортогональным турбинам. Ортогональная турбина с положительной плавучестью содержит наплавной блок с двусторонним водоводом 8, состоящим из двух конусообразных прямоугольного сечения наплавных труб.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в линейных генераторах волноэнергетических станций. Технический результат состоит в повышении надежности и упрощении эксплуатации.

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к гидроэлектростанциям. Русловая гидроэлектростанция 2 установлена на фундаменте 26 и содержит несколько жестких, непроницаемых для воды, имеющих эллиптическое поперечное сечение корпусов 6 с турбинными модулями 8, расположенными с возможностью передачи вращения с валов 13, заключенных в кольцо 27, турбин 12 через обгонные муфты 14 общему валу 15, проходящему через береговой колодец 21 с циркулирующей в нем донной речной водой, через редуктор 16 к валу ротора электрогенератора 17, установленного на берегу 3.

Балка (8) крепления обтекателя (2) гидроэнергетической установки (1) имеет сечение в плоскости, перпендикулярной к продольной оси (А8) балки (8), в виде параллелограмма. Балка (8) содержит, по меньшей мере, одну щель, которая в основном проходит параллельно продольной оси (A8) балки (8).

Изобретение может быть использовано для преобразования энергии текущей среды в электроэнергию. Гидроагрегат содержит гидротурбину и электрогенератор.

Изобретение относится к гидроэнергетическим установкам и способам производства электроэнергии. Основным элементом гидроэнергетической установки является аэродинамическая поверхность в форме крыла, в теле которого выполнен канал, соединяющий противоположные поверхности крыла.

Изобретение относится к способу получения дезинфицирующего средства из водного раствора NaCl с использованием диафрагменного электролизера. Способ характеризуется тем, что поток пресной воды в количестве 0,4%-0,8% от количества получаемого дезинфицирующего средства в пересчете на концентрацию 500 мг в литре соединений активного хлора направляют в катодную камеру, поток пресной воды в количестве 16%-20% от количества получаемого дезинфицирующего средства в пересчете на концентрацию 500 мг в литре соединений активного хлора направляют на смешение с NaCl и затем в анодную камеру, оставшийся поток пресной воды направляют внутрь трубчатого катода, поток пресной воды из внутренней полости катода направляют в продолжение анодной камеры в крышке-смесителе электролизера, поток из катодной камеры направляют на утилизацию, поток из анодной камеры в виде анолита направляют в продолжение анодной камеры этого же электролизера, концентрацию активного хлора в анолите понижают поступившей пресной водой до норм дезинфицирующего средства, и дезинфицирующее средство выводят из электролизера, водород из катодной камеры направляют на вытяжку.
Наверх