Ветроэнергетические опреснительные установки (Сидоров В.В.) (УДК 628.156)

В настоящее время отмечается рост потребления пресной воды, особенно на морских судах и плавбазах. Известно, что обильно насыщенные солями морские и подземные минерализованные воды непригодны для использования в естественном виде. Понизить концентрацию растворенных в воде солей до необходимого уровня можно различными способами.

Наиболее распространенный способ опреснения соленой воды - дистилляция (перегонка). В процессе дистилляции происходит очищение воды от содержащихся в ней солей за счет выпаривания. Полученный при этом дистиллят имеет очень низкое солесодержание, поэтому в опресненную воду обычно добавляют определенное количество соли. В качестве примера можно привести системы водоснабжения г. Шевченко, расположенного в юго-восточной части побережья Каспийского моря. Воду Каспия опресняют за счет тепла сооруженной здесь атомной электростанции.

Способ дистилляции отличает технологическая простота получения пресной воды. Однако при этом расходуется в больших количествах минеральное топливо (нефть, газ, уголь и т. д.). Необходимо также учитывать транспортные расходы на доставку топлива к месту его потребления. В то же время окружающая нас атмосфера загрязняется продуктами сгорания различных видов топлива (окисью углерода, углекислым газом и др.), которые наносят природе ощутимый вред.

В связи с этим предложен электрохимический метод (электродиализ) опреснения морской и минерализованной воды, основанный на ионообменном принципе. В электрическом поле катионы (положительно заряженные ионы) растворенных в воде солей устремляются к погруженному в опресняемую воду отрицательно заряженному электроду - катоду, а анионы (отрицательно заряженные ионы) к положительно заряженному электроду - аноду. При этом ионы переносятся электрическим током в растворе и разряжаются на аноде и катоде. Весь процесс осуществляется в специальном прямоточном электроионитовом опреснительном аппарате. Схема его работы показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема работы электроионитового аппарата. МА и МК - анионитовая и катионитовая мембраны

Аппарат представляет собой агрегат фильтропрессного типа, содержащий два основных концевых электрода: анод и катод, между которыми размещаются 200 пар анионитовых и катионитовых мембран и 400 полипропиленовых рамок, чередующихся с мембранами и образующих 200 камер деионизации (опреснения) и концентрирования. Камеры, где расположены анод и катод, называются электродными.

Однако этот метод опреснения соленой воды имеет существенный недостаток, так как расход электрической энергии пропорционален солесодержанию опресняемой воды.

Специалисты решили, что для опреснения гораздо проще и дешевле использовать природный источник энергии - ветер. В отличие от традиционных источников энергия ветра возобновляема и неисчерпаема, наконец, экологически абсолютно безвредна. Ее можно преобразовать в электрическую сравнительно простыми по устройству ветроэлектрическими агрегатами. Основа агрегата - рабочее колесо, которое под действием энергии ветра и через механическую передачу - редуктор приводит во вращение ротор генератора трехфазного переменного тока.

В середине 70-х годов разработаны ветроэлектрические агрегаты мощностью 1 -100 кВт. Они являются многоцелевыми ветродвигателями и предназначены не только для опреснения солевых вод, но и подъема воды в засушливых районах страны, защиты от коррозии металлоконструкций морских причалов, эстакад, трубопроводов и подземных сооружений, освещения и обогрева жилищ промысловиков Крайнего Севера, электропитания радиорелейных линий связи, автоматических метеостанций, зарядки аккумуляторных батарей и многих других потребителей.

В Истринском отделении Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики (ИОВНИИЭМ) создана ветроэнергетическая маячная опреснительная установка. Опытные образцы этих установок используются на ряде объектов маячной службы на побережье Каспийского моря и в одном из колхозов Молдавской ССР, работают они на базе ветроэлектрического агрегата АВЭУ-6 с электроионитовыми опреснительными аппаратами. За время эксплуатации (около 20 тыс. ч) была обеспечена выработка опресненной воды допустимого стандарта.

Ветроагрегат АВЭУ-6 рассчитан на две мощности. В зависимости от среднегодовой скорости ветра в определенном районе он может работать с электрогенераторами мощностью 2 и 4 кВт. Агрегат имеет двухлопастное ветроколесо диаметром 6 м. Опытная эксплуатация этих ветроэнергетических опреснительных установок в течение семи лет подтвердила их надежную и бесперебойную работу. При этом производительность зависит от солесодержания исходной воды. Например, при солесодержании грунтовой минерализованной воды 6 и 8 г/л производительность установки, работающей от ветроэлектрического агрегата АВЭУ-6, составит соответственно 400 и 300 л/ч пресной воды, при солесодержании морской воды 17-18 г/л-100- 110 л/ч пресной воды.

Для снабжения потребителей пресной водой в периоды безветрия необходимо ее резервировать в специальных емкостях- накопителях. Процесс опреснения представляет собой автоматизированную систему.

По существующей схеме электроснабжения электроионитовый опреснительный аппарат включается в цепь электрогенератора через стабилизатор, поддерживающий постоянным напряжение в пределах 12±1 В при изменении питающего напряжения от 80 до 230 В и соответственно частоты от 25 до 60 Гц.

Изменение частоты и напряжения в столь широких пределах обусловлено пульсирующим характером энергии ветра. При этом стабилизатор напряжения поддерживает постоянный расход воды, а значит, сохраняется постоянство солесодержания опресненной воды.

Однако стабилизатор напряжения представляет собой сложное параметрическое устройство с множеством входящих элементов, что существенно снижает надежность работы, затрудняет эксплуатацию и повышает стоимость установки в целом.

В результате поиска рационального решения предложена более простая схема стабилизации процесса опреснения при пульсирующем ветровом потоке (рис. 2).

Рис. 2. Схема стабилизации процесса опреснения: 1 - электрогенератор; 2 - трансформатор; 3 - выпрямитель; 4 - опреснительный аппарат; 5 - электродвигатель постоянного тока; 6 - питательный насос

При уменьшении скорости ветра ниже расчетной и, следовательно, снижении напряжения на электрогенераторе питательный насос уменьшает производительность исходной воды, поступающей в опреснительный аппарат, пропорционально величине напряжения генератора, тем самым поддерживается постоянное соле-содержание опресненной водой.

Многие технические предложения по управлению процессом опреснения защищены авторскими свидетельствами как изобретения.

Рис. 3. Ветроволновая опреснительная энергоустановка: 1 - поплавок; 2 - турбогенератор; 3 - компрессор; 4 - обгонная муфта; 5 - ветро-колесо; 6 - воздушная турбина; 7 - опора; 8 - резервуар; 9 - отверстие в днище; 10, 11, 12 - воздухопроводы; 13 - обратный клапан

Одно из таких изобретений - "Плавучая волновая энергетическая установка" - предложено коллективом инженеров-энергетиков с участием автора. Изобретение относится к области гидроветроэнергетики и может быть использовано в качестве автономного энергоисточника для опреснения морской воды на буйковых станциях, плавучих платформах, нефтеэстакадах, причалах и т. д.

В этой установке используется энергия и волн, и ветра, которые как бы дополняют друг друга, позволяют непрерывно вырабатывать электроэнергию. На рис. 3 представлена ветроволновая энергоустановка.

В корпусе поплавка установлен турбогенератор и компрессор, сочлененный через обгонную муфту с ветроколесом и воздушной турбиной. На опоре закреплен резервуар с отверстием в днище, который воздухопроводами соединен с турбогенератором и компрессором. В воздухопроводе установлен обратный клапан.

В нормальном рабочем режиме ветро-колесо и воздушная турбина через обгонную муфту вращают вал компрессора, который нагнетает воздушный поток на турбогенератор и избыток его в резервуар, вытесняя из него воду через отверстие. Таким образом давление воздуха в резервуаре регулируется и поддерживается гидростатическим давлением жидкости.

В случае ветрового затишья и отсутствия волновой энергии сжатый воздух, накопленный в резервуаре, закроет обратный клапан и поступит в воздушную турбину, которая вращает турбогенератор переменного тока.

В волновом режиме при всплесках и провалах волновой энергии вода поступает во внутреннюю полость поплавка. При этом в зависимости от движения волны в поплавке происходит движение воздуха для привода воздушной турбины, которая вращает вал компрессора, откуда воздух подается на турбогенератор и одновременно в резервуар.

Рассматриваемая ветроволновая система работает в трех режимах: ветровом, волновом и при полном штиле за счет накопленной энергии сжатого воздуха в резервуаре. Такая система энергообеспечения позволяет увеличить производительность опреснительной установки, а главное - гарантировать бесперебойную работу в любое время суток. Все процессы, начиная от выработки энергии до управления электроионитовыми опреснительными аппаратами, можно полностью автроматизировать. При этом все энергетические и электрохимические процессы, протекающие в аппарате, экологически чистые, не загрязняют окружающую среду.

Невозможно назвать отрасль народного хозяйства, где бы не использовалась пресная вода, поэтому рационально и практически реально использовать ветроопреснительные установки на морских судах и плавбазах.

От ветроэлектрических агрегатов могут получить питание многие судовые потребители: гидронасосы для откачки воды из трюмов, вентиляторы, кондиционеры, приемо-передающие радиостанции, аккумуляторы, осветительные и электронагревательные приборы и др.