CC BY
54
ИННОВАЦИИ № 6 (104), 2007
сследования и разработки
Быстроокупаемая экологичная энергетика. Мегаватты — от морских, океанских волн и ветра!
А. Н. Русецкий,
к. ф.-м. н.,
экспериментальная научно-производственная лаборатория проекта «Океан возобновляющейся энергии — экстремальная энергетика» (ОВЭЭЭ)
http://www.sciteclibrary.ru
Цель проекта — получение дешевой электроэнергии, опреснение морской воды.
Аккумулирование энергии в виде полученного водорода, либо в виде воды, поднятой в водохранилище, либо в виде сжатого воздуха путем промышленного широкомасштабного освоения экологически чистого и возобновляющегося энергоресурса — энергии морских и океанских волн.
Для решения задачи дешевого производства электроэнергии и опреснения воды предлагается простая и самая, по расчетам автора, рентабельная (из доступных аналогов, имеющихся в библиотеке Роспатента), поплавковая установка модульного типа, работающая на энергии морских и океанских волн. Установка в различных вариантах исполнения и функционального назначения защищена патентом РФ на группу 25-ти изобретений, четыре из которых независимы: «Способ утилизации энергии возобновляющихся источников (варианты) и модуль энергостанции мощностью до мегаватт для его осуществления»
(патент № 2150021, май 2000 г.). Энергостанция предназначена для выработки электроэнергии, производства водорода и для опреснения морской воды.
Станция небольшого размера может использоваться как платформа для «кафе-ресторана» или гостиницы на воде, для подогрева воды в бассейнах зимой, для обогрева жилищ. Крупные установки можно использовать как нефтяные платформы и нефтезаводы, рыбозаводы, плавучие доки, опреснительные и насосные станции, в том числе и для приморских гидроаккумулирующих электростанций (постройка водохранилища на высоком берегу моря и закачка туда воды с помощью насосов при дальнейшем использование этой воды для работы обычной гидротурбины).
С использованием прибрежных волновых энергоустановок можно организовать работу зарядно-аккумуляторных станций для городского и курортного электротранспорта.
Крупные установки могут также служить волногасителями, отбирая энергию волн на выполнение полезной работы — для многих регионов это актуально, особенно для курортов и приморских городов и портов. Размеры и мощность — любые от 2x10 м и выше: реальна постройка станции размером в нескольких гектаров с получением гигаватт мощности.
Мощность станции, которую можно назвать сборщиком энергии волн, пропорциональна ее площади и может достигать 200-400 МВт на 1 гектар при экстремальном океанском волнении, и до 10-20 МВт/Га при волнах высотой до 3 метров. Затраты на изготовление — 20-200 $US на 1 кВт «установочной мощности» (сегодня 1000-2000 $ИБ/кВт для атомных электростанций, тепловых, и ветровых, и 2000-4000 $ИБ/кВт для солнечных батарей).
При реализации проекта можно получать в промышленных масштабах водород и использовать его как газообразное топливо для теплоэлектростанций и для работы транспортных средств.
Суть инвестиционной идеи и способ ее коммерческой реализации: инвестиции предполагается использовать на решение следующих коммерческих задач:
1. Патентование базовой группы изобретений в возможно большем количестве стран из заявленных 108-ми, чтобы получить на 18-20 лет монопольное право производства и продаж в
этих странах предлагаемых к коммерциализации энергоустановок.
2. Регистрация компании (группы компаний) по согласованию с инвестором — желательна регистрация, по меньшей мере, одной из компаний в «цивилизованной» стране. Возможно создание консорциума для развития проекта.
3. Изготовление на арендованных производственных площадях предсерийных разборных энергоустановок нескольких типоразмеров, мощности и функционального назначения, доставка узлов и
деталей к морю, сборка на месте, проведение испытаний и доработка.
4. Проведение рекламной кампании для продвижения на рынок, участие в выставках, налаживание многосторонних связей.
5. Создание собственных производственных участков для изготовления комплектующих для серийных энергоустановок и опреснительных станций на их базе.
6. Организация сети продаж установок различной модификации.
7. Эксплуатация энергоустановок, насосных и опреснительных станций для собственных производственных нужд и продажа произведенной продукции — электроэнергии, опресненной воды, водорода и кислорода, и др.
8. Серийное изготовление базовых энергоустановок для размещения на них кафе-ресторанов, эксплуатация их на пляжах.
9. Поиск и выполнение госзаказов от приморских государств на изготовление крупных плавучих островов-энергостанций различного назначения — от нефтяных платформ и опреснительных станций до авианосцев.
10. Партнерство с автомобилестроительными и судостроительными фирмами в области использования водорода в качестве экологически чистого топлива для работы двигателей, крупномасштабное производство и продажа водорода. Технологическая и рыночная новизна — подобных серийных и даже экспериментальных установок поплавкового типа в мире нет (хотя есть множество аналогов). В мире сегодня есть три организации (в Японии, Великобритании и в Португалии), которые реально продвинулись в разработках волновых энергоустановок и имеют экспериментальные образцы, но все они используют другой принцип — создание воздушного потока для вращения турбины путем вытеснения, либо засасывания, воздуха из резервуара при набегании, либо при спаде волны. Это громоздкие сооружения, рассчитанные только на крупные волны гладкой океанской зыби высотой 2-3 и более метров. КПД их невысок.
Предлагаемая волновая установка является простой, быстрособираемой из серийных каркасных конструкций из стальных труб и металлопроката, с простым механическим энергопреобразователем. Способна работать как при малых волнах (от 0,2-0,4 м), так и при штормовых волнах любой интенсивности — до 15 и более метров высотой. Полезная энергия на выходе будет пропорциональна квадрату высоты волны.
Принципы ценообразования и источники получения прибыли — продажную цену энергоустановок предполагается устанавливать в размере двух-трех-кратной стоимости производственных затрат — обычная практика при производстве металлоконструкций в строительстве. Стоимость производимой с помощью предлагаемых волновых установок продукции (электроэнергии, опресненной воды, водорода) планируется устанавливать на 5-50% ниже рыночной для стимуляции спроса.
Источниками получения прибыли за счет продаж как установок, так и производимой ими продукции, можно считать коммунальные службы, потребляющие электроэнергию, предприятия электросетей, промышленные строительные и другие предприятия вблизи морского побережья, предприятия питания, гостиницы и санатории. Заказчиками и покупателями крупных установок могут быть сельхозпредприятия, рыбоперерабатывающие предприятия и морские фермы, нефтедобывающие компании. Возможны госзаказы (протокол о намерениях в индийско-российской Торгово-промышленной палате).
Основной «козырь» данного проекта (помимо экологической чистоты) — в несколько раз более низкая себестоимость установки в расчете на единицу выходной мощности по сравнению с эксплуатируемыми сегодня энергостанциями всех типов.
Краткая характеристика производственного процесса или технологического цикла — для начала производства энергоустановок необходима производственная территория с электроснабжением от 15 кВт и выше на площадях предприятия с крупными токарными и др. металлообрабатывающими станками. Основные технологические стадии — резка металла (стальные трубы и прокат), сварочные работы, токарная обработка, заполнение и герметизация полостей поплавков и труб-понтонов (для обеспечения плавучести волновой установки) пенопластом с помощью специальных машин. Затем — «отверточная» сборка на данной территории, проверка функционирования узлов. Разборка и доставка к месту эксплуатации, сборка на месте, наладка и проверка в работе.
Стадия разработки. В производственной мастерской, автором изготовлены и успешно опробованы в работе основные принципиально важные узлы экспериментального полупромышленного предсерийно-го образца — механического энергопреобразователя. В настоящее время изделие доступно для осмотра (в Москве).
Рынки и конкуренты.
Возможность продажи — и на внутреннем и на внешнем рынках, в приморских районах..Соблюде-ние требований сертифицирования и стандартов выполнимо, т.к. предлагаемые решения давно известны и отработаны в аналогичных областях производства электроэнергии. На выходе установок-электростанций предполагается получать те параметры электроэнергии, какие нужны потребителю, в том числе и традиционные — 220/380 В, 50 Гц.
В Индии — из 1000000000 населения 40% недостаточно обеспечены пресной водой ^электроэнергией. Эти проблемы актуальны и для Китая. В Японии потребность в больших плавающих энергостанциях не вызывает сомнений — там электроэнергия самая дорогая в мире — 0,15 $ИБ за 1 кВт-ч. Государствам на побережье Атлантики в Западной Африке можно предложить получение опресненной воды для сельского хозяйства.
Такие страны как Франция, Испания, Португалия, Норвегия, Швеция, Дания, Великобритания, Чили, Аргентина, многочисленные островные государства — омываются морями с интенсивным волне-
ИННОВАЦИИ № 6 (104), 2007
ИННОВАЦИИ № 6 (104), 2007
Рис. 1. «Плавучий остров» — гибридная волновая энергостанция площадью 250x300 м, общей массой — 65000 т, с 50-ю рядами по 15 поплавков, с ветроагрегатом в верхней части с вертикальной осью вращения. Расчетная стоимость — порядка 40000000 $иБ. Пропорционально размерам показана волна зыби высотой 10 м и длиной 150 м. При периоде волны 10 с выходная мощность N и стоимость 21 произведенной за 1 ч и 22 — за 1 сутки электроэнергии (по ценам Японии) может достигать следующих значений в зависимости от высоты волны Н:
Н=1 м — N-7,7 МВт,
2=1155 $иБ/ч, 22=27750 $ИБ/сутки;
Н=5 м — N-191,3 МВт,
2=28695 $иБ/ч, 2=688680 $иБ/сутки;
Н=10 м — N-765 МВт,
2=11455 $т/ч, 2=27750 $ИБ/сутки;
Н=15 м — N-1721,2 МВт,
2=258225 $иБ/ч, 2=6197400 $иБ/сутки
нием и это самый мощный энергоресурс для этих государств. Для Прикаспийских государств, для Российского Приморья, Мурманской и Калининградской областей предлагаемые волновые установки также могут быть востребованы вследствие более низкой себестоимости производимой ими энергии. Австралия, Новая Зеландия, Мадагаскар, Южная Африка — потенциальные покупатели.
Основные преимущества
1. Экологически чистая энергия.
2. Беспрецедентно низкая себестоимость крупных мегаваттных и гигаваттных установок в расчете на 1 кВт установочной максимальной мощности — 20-200$и8И! Сравните эти цифры с 10002000 $ИБ, что на сегодняшний день считается средне-нормальным уровнем цен в мире на промышленные энергоустановки — атомные, тепловые, ветровые.
3. Возможность использования данных установок не только как собственно энергоустановок, но и как новые, «бесплатные» площади для размещения различных производств, жилых строений, морских вертолетных площадок и др.
Волновые установки могут быть поплавкового
типа с использованием гибких связей и преобразователей движения с механизмами одностороннего вращения, либо построены по типу «Осциллирующих Водяных Колонн» (OWC) с пневматическим приводом воздушной турбины, и др. В поплавковой установке автора используется множество поплавков, колеблющихся при волнении водной поверхности вверх и вниз относительно опоры, при этом поплавки посредством гибких связей с грузами натяжения и преобразовательного механизма соединяют с валом
отбора мощности. Возможны прибрежные и плавающие варианты исполнения.
Из простых выкладок (вывод формулы см. далее) следует, что для получения необходимой мощности N установки количество и размеры поплавков следует выбирать в соответствии с оценочными выражениями, учитывающими вклад Архимедовой выталкивающей силы (без учета вклада гидродинамического напора со стороны набегающих волн — оценка снизу):
N = pgSo Н2/4Т; = пБ, (1)
где Б — площадь сечения одного поплавка поверхностью спокойной воды, Б0 — суммарная площадь сечений поплавков указанной поверхностью воды, р — плотность воды, g — ускорение свободного падения, Н — высота волны, Т — период указанной волны, п — количество поплавков.
Размеры установки могут составить, например, 250x300 метров, высотой порядка 30-60 м.
Автор предлагает конструкцию (рис. 1): на таком плавающем острове могут быть размещены производства, требующие больших энергозатрат, в том числе и производство водорода путем электролиза, рыбозаводы, опреснительные и холодильные станции, а также жилые и гостиничные комплексы, насосные станции для прибрежных гидроаккумулирующих электростанций и др. Плавучесть таких установок предлагается обеспечивать путем использования в основании каркаса параллельно установленных (с промежутками для размещения рабочих поплавков на рычагах) стальных труб диаметром от 1 до 3 метров, заваренных с торцов и заполненных через технологические отверстия пенопластом в качестве герметика.
В показанном на рис. 1 варианте конструкции поплавки представляют собой стальные конструкции, форма которых близка к форме прямоугольного параллелепипеда, заполненные пенопластом. Поплавки крепят к жесткому валу (возможны и другие формы и схемы подвески поплавков [1]), имеющему возможность вращения в подшипниках относительно каркаса. Собственный вес поплавков уравновешен с помощью балансировочных грузов противовесов относительно оси вращения. Вследствие этого даже небольшая волна высотой от 0,2-0,4 м уже будет вызывать колебательные движения поплавка относительно каркаса и, следовательно, с помощью преобразовательного механизма вращать вал отбора мощности и совершать полезную работу.
При высоте волн океанской зыби 10 м (это не редкость в районе Японии или Камчатки, а также Барен-цева-Северного морей, в Атлантике) — такая установка способна давать до ГВт мощности.
Основные узлы энергопреобразователя промышленной установки изготовлены в масштабе 1:1 в металле и успешно опробованы в действии.
Вывод формулы для оценки мощности волновой энергоустановки
В открытой литературе отсутствуют расчеты мощностей предлагаемых волновых энергоустано-
Рис. 2. Схема волновой энергоустановки с подвеской поплавков 1 на рычагах 2 с осями вращения ОО. Вес поплавка уравновешен грузами 3. 4 — грузы натяжения тросов 5, которыми поплавки связаны с храповиками 6 на общем валу 7
вок. Если учесть непредсказуемость волн как природного явления, а также высокую стоимость работ на море или на прибрежном шельфе, то становится понятно, почему данный вид энергии до сих пор не вошел в практику — слишком велик финансовый риск при отсутствии выходные параметров волновых энергостанций.
Рассмотрим простейшую схему (см. рис. 2) — поплавок на поверхности воды, связанный некоторой связью и механизмом-преобразователем движения с вращающимся валом, соединенным с электрогенератором, например. Определим, какую работу может совершить волна, длинная (ее длина много больше размеров поплавка), пологая, примерно синусоидального типа. Считая процесс «квазистатическим», и считая справедливым закон Архимеда (который справедлив для статического случая спокойной воды, без волн), нетрудно видеть, что под действием суммы собственного веса mg и «полезной рабочей» силы ¥ со стороны связи (противодействующей поднятию поплавка волной) поплавок частично погружен на некоторую глубину ДН = Д^+ Д^, вытесняя объем воды, равный Д^+Д^), и произведениерДУ^ равно т, где р — плотность воды.
Процесс совершения работы включает в себя следующие этапы:
1. Поплавок в нижней точке, во впадине волны, за счет собственного веса он погружен на ДНХ, затем при набеге волны уровень воды повышается, однако поплавок не поднимается, так как этому противодействует некоторая сила ¥ со стороны связи.
2. Когда уровень воды относительно поплавка поднимется на некоторую дополнительную величину ДН2, настолько, что дополнительный погруженный в воду объем составит Д^, и соответственно, дополнительная выталкивающая сила достигнет величины ¥2= рg Д ^, которая не меньше ¥, поплавок начнет подниматься и волна начнет совершать работу против суммы сил тяготения и связи (F+mg).
3. Поплавок будет подниматься волной до тех пор, пока уровень воды не достигнет своего максимума, т. е. пока поплавок не окажется на гребне волны высотой Н. Суммарное перемещение вверх поплавка составит величину Н-ДН2, а работа выталкивающей силы составит при этом величину
A=(mg+F)(Н-AН,2), (2)
а в полезную работу может быть преобразована лишь часть, равная
А ПОл = F (Н-АН2) = рg А ^ (Н-АН2). (3)
Здесь кроются два важных момента, которые, насколько известно автору, ранее не учитывались при разработке волновых энергоустановок.
Во-первых, для максимизации полезной мощности установки надо, как следует из (3), добиваться как можно меньшей величины дополнительного погружения АН2 при набеге волны. Для этого форма поплавка должна быть цилиндрической с вертикальной образующей, так как только в этом случае можно получить максимальный объем А^ вытесненной воды при одной и той же площади, занимаемой поплавком. Во-вторых, для установки с множеством поплавков необходимо уменьшить потери энергии волны после прохождения ею поплавков на подходе к последующим. Как следует из (2) и (3), для этого необходимо сделать поплавок невесомым, чтобы он практически не погружался при отсутствии волны (или в нижней точке волны). Этого нетрудно добиться путем уравновешивания собственного веса mg поплавка с помощью грузов противовесов — либо с помощью двуплечего рычага, либо с помощью блока и гибкой связи, например.
Автор полагает, что учет кинетических параметров не только не уменьшит полученное выше значение максимально достижимой мощности при данной высоте волн и размерах поплавка, но и может существенно увеличить это значение. Таким образом, оценка мощности установки является оценкой снизу.
Для небольших мощностей, до 10-50 кВт, увеличивать мощность можно не только за счет увеличения пБ но также и за счет искусственого увеличения высоты Н волны с помощью концентратора — пассивного устройства типа сужающегося канала или желоба. Но для больших мегаватных волновых установок, занимающих площади порядка гектаров, этот путь хотя и возможен теоретически, но неприемлем из-за неоправданно больших затрат материалов и средств.
Интеллектуальная собственность
Получен патент России № 2150021 на группу 25-ти изобретений, четыре из которых независимы: «Способ утилизации энергии возобновляющихся источников (варианты) и модуль энергостанции мощностью до мегаватт для его осуществления». Подана международная заявка на получение национальных патентов, изготовлен предсерийный образец главного функционального узла.
Финансы
Инвестиционные потребности — для первого этапа необходимы инвестиции от 50000 $ИБ до полумиллиона. Для второго этапа — необходимо
ИННОВАЦИИ № 6 (104), 2007
от 150 тыс. $иБ до 1-1,5 млн $ИБ. Для третьего этапа — 0,5 млн $ИБ.
Показатели прибыли от прошлой финансовой деятельности — по данному проекту отсутствуют. Истрачено в течение двух лет на патентование, изготовление опытных образцов, на оргтехнику, рекламу и пр. — около 20 тыс. $иБ собственных средств, заработанных в качестве предпринимателя по производству металлоконструкций по договорам подряда.
Материальные активы — опытный предсерийный образец энергопреобразователя, производственное оборудование (сварочные аппараты, электро-метал-лорежущий инструмент) и опытно-производственная мастерская.
Литература
1. Патент РФ № 2150021, 1999.
2. Патент США № 4495424, 1985.
3. П. А. Каплин и др. Природа мира. Берега. М.: Мысль, 1991.
