Устройство и метод производства электроэнергии и очищенной воды
Изобретение может быть использовано в энергетике, водоочистке, топливной промышленности. Система для производства электроэнергии и очищенной воды включает в себя: i) оборудование для получения электроэнергии, преобразованной из солнечного излучения; ii) оборудование для получения электроэнергии из биотоплива; iii) оборудование для очистки воды; iv) оборудование для орошения и выращивания сельскохозяйственных культур; v) оборудование для производства биотоплива, в которой по меньшей мере один выходной продукт от оборудования для производства электроэнергии питает оборудование для очистки воды, которая используется в оборудовании для орошения и выращивания сельскохозяйственных культур, по крайней мере некоторые из которых или их остатки используются в оборудовании для производства биотоплива, служащего сырьем оборудования для производства электроэнергии из биотоплива, а компост для выращивания сельскохозяйственных культур получен из побочного продукта от производства биотоплива. Способ производства электроэнергии и очищенной воды включает стадию обеспечения системы для производства электроэнергии и очищенной воды и стадию производства электричества и очищенной воды. Изобретение не требует привлечения поступающих извне энергоносителей, позволяет увеличить производительность системы, снизить уровень содержания углерода в атмосферных выбросах, улучшить качество грунтовой воды и регенерация земель. 5 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.
Представленное изобретение относится к системам производства электроэнергии и обработанной воды.
Характер производства энергии из возобновляемых источников весьма проблематичен в том смысле, что этот неустановившийся процесс зачастую не способен удовлетворить постоянный спрос. Особенно остро эта проблема ощущается в отношении накопления энергии, поскольку сохранение электричества не всегда можно осуществить практически, а потребность меняется в связи с текущими изменениями и должна быть удовлетворена в процессе производства. В отличие от технологий производства энергии из ископаемых энергоносителей (например, природного газа), где процесс легко переключается в оперативный режим, производство энергии из ядерных и возобновляемых источников - процесс, относительно устоявшийся и стабильный, а следовательно, не может насытить рынок в пиковое время без превышения установленной мощности. Именно поэтому комплексная выработка энергии с помощью опреснения морской воды широко используется в атомной промышленности, чтобы обеспечить процесс накопления энергии при сохранении номинальной нагрузки. Резервные источники энергии обычно устанавливаются в гелиосистемах и, как правило, используют природные энергоносители или дорогостоящие технологии производства продуктов нитрования, чтобы сохранить энергию для периодов пиковых нагрузок.
Разное географическое положение природных источников энергии также ограничивает потенциал использования возобновляемых источников в конкуренции с ископаемыми энергоносителями. Солнечная энергия сама по себе является обширным источником энергопроизводства: уровень поверхностной плотности потока суммарного излучения в целом достигает почти 89 пета (1015) ватт, что вполне достаточно, чтобы удовлетворить мировой спрос на электроэнергию более чем в 20000 раз. А экваториальные регионы с сухим климатом представляют собой идеальное место для размещения систем, использующих энергию солнца, с минимальным затуханием и малым или нулевым рассеянием света из атмосферной влаги.
Но, к сожалению, такие регионы, как правило, представляют собой либо пустыню, либо безводную и полузасушливую местность, где почти нет населения, а значит и спроса на электроэнергию. Следовательно, здесь предложение превышает спрос.
Отсутствие капиталоемкой многофункциональной инфраструктуры передачи электроэнергии, связывающей неблагоприятное местообитание с районами высокого спроса, - это существенный барьер на пути реализации потенциала гелиосистем. И хотя некоторые специалисты сомневаются в целесообразности развертывания широкомасштабных солнечных систем в пустынях Сахара и Тар, вероятнее всего, придется вложить некоторые средства в строительство небольших установок в благоприятных для этого местах.
Более того, во многих районах пустынного и полупустынного типа уровень выпадения атмосферных осадков не может удовлетворить нужды сельскохозяйственного производства. В таких местах фермеры вынуждены прибегать к вторичным источникам пресной воды. Интенсивное использование подпочвенной воды для потребления человеком и нужд сельского хозяйства в некоторых штатах Индии уже привело к быстрому снижению уровня грунтовых вод. В северных штатах, например в Гуджарате, за последние 15 лет уровень горизонта грунтовых вод снизился на 26%, а в штате Мехсана он понижается со скоростью от 0.91 до 6.02 метров в год.
Грунтовая вода не просто уходит, ухудшается и ее качество. Установлено, что 27% деревень в штате Гуджарат столкнулись с проблемой избытка фторидов и нитратов в подпочвенной воде - основном источнике питьевой воды в регионе. Не считая серьезных последствий потребления такой воды для здоровья человека, высокая степень минерализации ирригационных вод неблагоприятно влияет на сельскохозяйственные культуры, снижает урожайность и водопроницаемость почвогрунта.
Опреснение морской воды рассматривается как осуществимое решение проблемы получения источника водной энергии, затрагивающее интересы всех стран мира. С 1994 по 2004 год производство пресной воды во всем мире выросло более чем в 2 раза: с 12.3 до 35.6 миллионов кубических метров. Такие заводы обычно используют ископаемое топливо с выбросами газов в атмосферу, и, если не будет найдена приемлемая альтернатива, они будут и далее провоцировать парниковый эффект. Обратный осмос (ОС) может считаться вполне конкурентоспособной технологией за счет высокой производительности, но требует относительно высоких энергозатрат на прокачку загрязненной воды через полупроницаемую мембрану. По сравнению с многостадийной флеш-дистилляцией (МФД) и многоярусной дистилляцией (МД), конфигурация которых вписывается в когенерационную установку с использованием отбросного тепла электроэнергосистем, углеродный отпечаток обратного осмоса, вероятно, не будет представлять собой экологически благоприятную конкурентоспособную альтернативу.
Кроме того, обратный осмос морской воды можно лишь ограниченно использовать для нужд сельского хозяйства, поскольку получаемый продукт содержит относительно высокий уровень бора. Испытания с использованием ирригационной воды, выработанной на крупнейшем заводе ОС в Ашкелоне, Израиль, показали, что содержание бора в 2 мг на литр, обычное для установок ОС, является токсичным для всех, за исключением более толерантных к бору растений. Можно, конечно, использовать технологию очистки от бора, но это значительно увеличит затраты на производство.
Предлагаемое изобретение имеет целью решение указанных проблем.
По первому аспекту данного изобретения предлагается система для производства электроэнергии и для химической очистки воды, включающая в себя:
1. устройство для производства электричества из солнечной энергии;
2. устройство для производства электричества из топлива на основе биоорганизмов;
3. устройство для химической обработки воды,
в котором по меньшей мере один продукт вышеупомянутых устройств для выработки электроэнергии может использоваться для подачи мощности на устройство для химической обработки воды.
Чтобы обеспечить подачу мощности на устройство для химической обработки воды, предпочтительнее использовать источник тепловой энергии.
В одном варианте осуществления изобретения источником тепловой энергии является пар.
В одном варианте осуществления изобретения продуктом устройства для производства электричества, используемого для химической обработки воды, является электричество.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения данное устройство включает в себя средства для ирригации и ускорения роста растений.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения средства для ирригации и ускорения роста растений используют воду, полученную от устройства для химической обработки воды.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения данное устройство включает в себя средства для производства топлива на основе биоорганизмов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения средства для производства топлива на основе биоорганизмов используют, по меньшей мере, некоторые из растений, выращенных при помощи устройства для ирригации и ускорения роста растений и/или их растительные остатки.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения топливо на основе биоорганизмов, полученное при помощи устройства для его производства, используется в качестве источника топлива в устройстве для выработки электроэнергии.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для производства электроэнергии из топлива на основе биоорганизмов включает в себя топливный котел и турбину.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для производства электроэнергии имеет встроенный топливный элемент.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для химической обработки воды содержит в себе установку многостадийной флеш-дистилляции.
В другом варианте осуществления изобретения устройство для химической обработки воды содержит в себе термофильную систему подготовки сточных вод.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для химической обработки воды включает в себя блок с питанием по меньшей мере от части произведенной электроэнергии.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для химической обработки воды включает в себя установку обратного осмоса с питанием от части электроэнергии, выработанной устройством для производства электричества.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для химической обработки воды включает в себя теплообменник, служащий средством выработки электроэнергии для обработки воды.
В одном варианте осуществления изобретения такой теплообменник служит в качестве конденсационной установки для выхода турбины.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для производства солнечного электричества содержит в себе систему сбора электроэнергии, преобразованной из солнечной радиации, и бестопочный котел.
В одном варианте осуществления изобретения система сбора электроэнергии, преобразованная из солнечной радиации, включает в себя решетку гелиостата и солнечную электростанцию башенного типа.
В одном варианте осуществления изобретения выходящий поток от конденсационной установки может подаваться по выбору: либо к топливному, либо к бестопочному котлу, либо к тому и другому.
В другом варианте осуществления изобретения устройство для производства солнечного электричества содержит в себе фотоэлектрическую батарею.
Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемое устройство содержит в себе средство для хранения топлива на основе биоорганизмов.
В одном варианте осуществления изобретения предлагаемое устройство является промышленной установкой.
По второму аспекту заявляемого изобретения предлагается технологию производства электроэнергии и обработки воды, включая:
1. метод получения электроэнергии, преобразованной из солнечной радиации;
2. метод получения электроэнергии из топлива на основе биоорганизмов;
3. метод химической обработки воды,
в которой по меньшей мере один продукт вышеупомянутых устройств для выработки электроэнергии может использоваться для подачи мощности на устройство для обработки воды.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения одним вариантом выхода устройства для выработки электроэнергии, используемой для подачи мощности в устройство обработки воды, является источник тепловой энергии.
В одном варианте осуществления изобретения источником тепловой энергии является пар.
В одном варианте осуществления изобретения одним вариантом выхода устройства для выработки электроэнергии, используемой для подачи мощности в устройство обработки воды, является электричество.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемый метод включает в себя способ ирригации и ускорения роста растений.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения способ ирригации и ускорения роста растений использует воду, произведенную устройством для обработки воды.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемый способ предполагает также технику производства топлива на основе биоорганизмов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения способ производства топлива на основе биоорганизмов использует, по меньшей мере, некоторые из растений, выращенных при помощи устройства для ирригации и ускорения роста растений и/или их растительные остатки.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения топливо на основе биоорганизмов, полученное при помощи устройства для его производства, используется в качестве источника топлива в устройстве для выработки электроэнергии.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для производства электроэнергии из топлива на основе биоорганизмов включает в себя топливный котел и турбину.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для производства электроэнергии имеет встроенный топливный элемент.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для химической обработки воды содержит в себе установку многостадийной флеш-дистилляции.
В другом варианте осуществления изобретения устройство для химической обработки воды содержит в себе термофильную систему подготовки сточных вод.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для химической обработки воды включает в себя блок с питанием по меньшей мере от части произведенной электроэнергии.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для химической обработки воды включает в себя установку обратного осмоса с питанием от части электроэнергии, выработанной устройством для производства электричества.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для химической обработки воды включает в себя теплообменник, служащий средством выработки электроэнергии для обработки воды.
В одном варианте осуществления изобретения такой теплообменник служит в качестве конденсационной установки для выхода турбины.
В одном варианте осуществления изобретения устройство для производства солнечного электричества содержит в себе систему сбора электроэнергии, преобразованной из солнечной радиации, и бестопочный котел.
В одном варианте осуществления изобретения система сбора электроэнергии, преобразованной из солнечной радиации, включает в себя решетку гелиостата и солнечную электростанцию башенного типа.
В одном варианте осуществления изобретения выходящий поток от конденсационной установки может иметь питание по выбору: либо от топливного либо от бестопочного котла, либо от того и другого.
В другом варианте осуществления изобретения устройство для производства солнечного электричества содержит в себе фотоэлектрическую батарею.
Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагаемое устройство содержит в себе средство для хранения топлива на основе биоорганизмов.
Конкретный вариант осуществления изобретения будет описан со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предлагаемое изобретение и совместно с описанием объясняющие его суть и его принципы.
Приведенные примеры являются только иллюстративным материалом и не могут быть отнесены к предлагаемому изобретению в качестве его отличительных признаков. Прилагаемые чертежи не предназначены для демонстрации каждого аспекта конкретного варианта осуществления изобретения и не отображают относительную размерность показанных элементов, поскольку не вычерчены в реальном масштабе.
На фиг. 1 показана упрощенная схема системы, иллюстрирующая основную цепь потребления энергии данного изобретения;
на фиг. 2 показана системная диаграмма, иллюстрирующая основную цепь потребления энергии, которая может быть получена при использовании данного изобретения; котел газа вторичной очистки, паровую турбину и установку;
на фиг. 3 показано устройство, изготовленное в соответствии с принципами данного изобретения, включая решетку гелиостата и накопительную систему солнечной электростанции башенного типа, бестопочный котел и установку многостадийной флеш-дистилляции;
на фиг. 4 в качестве примера показана скорость дистилляции в зависимости от времени дня и года;
на фиг. 5 в качестве примера показана скорость расхода биотоплива (биогаза) в зависимости от времени дня и года;
На фиг. 6 в качестве примера показано ежегодное потребление биотоплива (биогаза) (в виде пунктирной линии) для ирригации (мм/гектар) общей площади в 1239 га. 90% опресненной воды использовали для ирригации. 60% от общего объема ирригационной воды поступает от подземных источников.
Как видно из фиг. 1 и 2, вода для орошения и топливо на основе биоорганизмов для ее производства выступают как хранилище электроэнергии, в котором, по мере необходимости, солнечная радиация служит средством для обработки воды, затем превращается в биотопливо и снова трансформируется в тепловую энергию. Предлагаемое изобретение не привлекает дорогостоящие механизмы сохранения энергии, часто используемые при ночной работе установок, и не рассчитано на вспомогательные системы, работающие на ископаемых видах топлива, или инфраструктуру, необходимую для их поддержки.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения электричество, произведенное либо при помощи солнечной энергии, либо от сгорания топлива на основе биоорганизмов, а лучше, от того и другого, используется для питания системы опреснения. В предлагаемом варианте осуществления изобретения требуется насос для закачивания морской воды в устройство опреснения. А оставшееся электричество можно направить на нужды местного сообщества.
Турбина приводится в движение паром, производимым в топочном и бестопочном котлах, а тепловая энергия вырабатывается от сгорания биотоплива и на основе солнечной энергии соответственно. Выход пара турбины используется для осуществления опреснения соленой морской воды, закачанной в блок опреснения.
В процессе опреснения пар турбины осаждается в конденсационной установке, создавая дополнительный эффект охлаждения. Конденсат в конденсационной установке снова возвращается в котлы, топочный и/или бестопочный, для нагрева.
Вода, полученная в вышеописанном процессе, используется для орошения сельхозкультур или в качестве питьевой воды.
Остатки растений, выращенных при использовании опресненной воды, используются для создания биотоплива для топочного котла.
Используя выходной продукт системы в качестве входного, предлагаемое изобретение создает замкнутый контур потребления энергии, устанавливая механизм положительной обратной связи, в котором объем растительного продукта с каждым годом увеличивается. Это вполне осуществимо, поскольку объем воды, полученный от каждой установки и используемый для орошения, увеличивает объем биотоплива для всей системы, что, в свою очередь, увеличивает количество воды, требуемой для орошения.
Можно было бы предположить, что несовершенства преобразования энергии и ее сохранения могут привести к уменьшению отходов, идущих на переработку, на каждой ступени повторения цикла в описываемом механизме положительной обратной связи. В конечном счете, это верно, использование воды для получения продукции растениеводства увеличивает урожайность (уменьшая напряженность водного режима и улучшая продуктивность фотосинтеза растений), тем самым создавая возможность наличия дополнительного источника солнечной энергии для гелиотермальной электростанции. В таком случае скорость притока энергии может существенно увеличиться на каждой последующей ступени процесса, таким образом в некоторых районах эксплуатации системы механизм положительной обратной связи может самоукрепляться.
Представленный способ применения - это пример того, как гелиотермальная электростанция согласуется с системой ирригации, позволяя ей работать день и ночь из года в год. Можно предположить, что это вполне достижимо, если 60% оросительных вод будут получены от атмосферных осадков или из источника подземных вод, таким образом, почти вдвое больше воды пойдет в почву, а не выйдет из нее, потенциально перезаряжая этот истощающийся ресурс.
Мощность солнечной энергии имеет очевидные преимущества для окружающей среды и проявляет себя на нескольких уровнях. В Китае, Индии и других сельскохозяйственных регионах мира принято сжигать растительные остатки, высвобождая большие количества CO2 в атмосферу. Для сравнения, сгорание топлива на основе биоорганизмов является единственным источником CO2 в конфигурации предлагаемого изобретения, будь-то часть или все количество биотоплива, произведенного в процессе переработки/ферментации, тогда значительная доля остаточного углерода будет удерживаться внутри ферментированного «побочного продукта», каким и является качественный компост.
Компостирование повышает уровень питательных элементов и гумусное содержание в почве, удаляя углерод и улучшая сопротивляемость почвы к заболачиванию и засухе. Изобилие компоста, насыщенного питательными веществами, и оросительной воды с низким уровнем загрязнения может существенно регенерировать истощенную почву в полупустынных регионах и ввести в эксплуатацию низкокачественные заброшенные земли.
Регенерация земель, восстановление запасов подземных вод, еда, питьевая вода и производство энергии - в предлагаемом изобретении все эти блага обеспечиваются при использовании возобновляемых источников, без привлечения поступающих извне энергоносителей (ископаемого топлива или других источников) и связанных с этим проблем поставок и ценового риска. Производительность, получаемая в результате функционирования механизма положительной обратной связи между компонентами системы, где каждый компонент устанавливается самостоятельно, ограничивая тем самым технологический и эксплуатационный риск.
Как уже было продемонстрировано выше, предлагаемое изобретение имеет отличительные признаки, характерные для всей системы и не рассматриваемые отдельно. Эти признаки заключаются в следующем:
1. Замкнутый контур автономного производства - выходной продукт одной подсистемы является исходным продуктом другой, не требуется привлечение поступающих извне энергоносителей (ископаемого топлива или других источников).
2. Механизм положительной обратной связи - посредством замкнутого контура «силовой цепи» мы существенно увеличили общую производительность системы и тем самым увеличили ее выходной продукт.
3. Естественная преграда для временных вариаций воздействия солнечных лучей - низкие уровни такого воздействия плохо сочетаются с атмосферными осадками. В другом случае, скорость производства солнечной энергии и степень обессоливания воды сочетаются с увеличением урожайности культур и, следовательно, с наличием биотоплива, полученного в результате повышенного уровня атмосферных осадков. Преобразование энергии происходит также при повышенной степени воздействия солнечных лучей, связанной с общим повышением атмосферных температур в этой местности, повышенной эвапотранспирации растений (суммарное водопотребление орошения) и снижении уровня атмосферных осадков. Напряжение воды (в растении) и, следовательно, урожайность, связаны с уменьшением уровня природной воды и сопутствующим повышением потребности культуры в воде во время высокой степени воздействия солнечных лучей. Степень этого воздействия нейтрализуется усиленным орошением через увеличение производства солнечной энергии/деминерализации.
На фиг. 3 показано устройство 1 для совместной выработки автономного электричества и деминерализованной воды, используемое в соответствии с принципами предлагаемого изобретения. Предлагаемая система содержит в себе решетку гелиостата 2 и систему сбора солнечной электростанции башенного типа 3, бестопочный котел 4, котел газа вторичной очистки 5, паровую турбину 6 и установку многостадийной флеш-дистилляции 7, которая обслуживает также конденсационную установку, эксплуатируемую турбиной 6.
Газовый котел 5 работает на биогазе, который производится в процессе биологической ферментации растительных остатков пшеницы, обработанных оросительной водой, полученной с помощью установки деминерализации. В такой установке входящий поток солнечной энергии отражается при помощи нескольких плоских зеркал 8 на приемном барабане 9, расположенном в верхней части башни 10, вокруг которой размещаются зеркала 8.
Барабан 9 содержит внутри себя теплопередающую жидкость, которая нагревается на поверхности, куда падает освещение от барабана. Эта жидкость закачивается в теплообменник бестопочного котла 4. Поток вторичного питания, снабжающий энергией турбину, проходит через котел, и тепло, полученное от теплопередающей жидкости, передается на поток. Если полученная таким образом энергия достаточна для выпаривания потока, то пар подается на турбину 6.
В отличие от электростанций на ископаемом топливе, первичные источники энергии для гелиосистем меняются в зависимости от усредненных по дням и временам года условий, что переводится как изменения скорости подачи потока пара в турбину. Как это принято в конструкциях энергетических установок, котел газа вторичной очистки 5 обычно включается в систему, что и показано в предлагаемом изобретении, и используется для получения потока от бестопочного котла 4, но чтобы скорость потока, далее подаваемого на турбину, была чуть выше минимума.
Разделитель 11 гарантирует, что нужный поток от конденсатора 12 подается в бестопочный котел, а оставшийся поток - во вспомогательный котел 5. Поток, выходящий из бестопочного котла 4 и топливного котла 5, соединяется в смесителе 13, который подает питание на турбину 6.
Поток, выходящий из турбины 6, обычно представляет собой влажный пар пониженной температуры и давления. Прежде чем этот выходящий поток будет снова нагрет котлами 4 и 5, он должен быть осажден и повторно пропущен через насос. Конденсатор 12 - это компонент многостадийной флеш-дистилляции 7, он служит для конденсации и охлаждения подаваемого потока и источником деминерализации, который обычно не включается в конфигурацию традиционных электростанций.
Вариант такого теплофикационного цикла в целях деминерализации воды - это отличный вариант для регионов, более приспособленных для производства солнечной тепловой энергии, но испытывающих недостаток воды. Энергия, полученная от теплоты парообразования, и любой установки охлаждения потока, передается через теплообменник на поток соленой воды, входящий в установку многостадийной флеш-дистилляции, и затем - в промывочные камеры 14. Давление в каждой такой камере постепенно понижается так, чтобы температура подогретой соленой воды, входящей в них, была бы ниже точки кипения, побуждая солевой раствор быстро испаряться.
По мере прокачки соленая вода теряет энергию, создавая необходимость в снижении давления на следующей стадии, чтобы процесс прокачивания продолжился. Произведенный пар осаждается в трубном пучке, имеющемся в верхней части каждой камеры, через которую проходит холодная соленая вода. Так происходит ее предварительный подогрев с тем, чтобы энергия, используемая для выпаривания соленой воды, рекуперировала воду до высокой степени очистки. Восстановление скрытого тепла прокачиваемой соленой воды дает следующие преимущества: низкий уровень потребления энергии, более высокую производительность, чем при простом кипячении.
Пример
Чтобы показать эффективность предлагаемого изобретения, было проделано обширное математическое моделирование.
В смоделированном примере ежегодного прямого пучка солнечного излучения использовались значения освещенности солнечными лучами в местечке Ахмедабад, штат Гуджарат (широта 23.07, долгота 72.63, высота над уровнем моря 55 м), приведенные в Таблице 1 (данные Пурохит, 2010).
Чтобы смоделировать уровни интенсивности солнечного излучения в определенное время дня и года, ежегодная освещенность солнечными лучами была представлена с учетом атмосферного поглощения и климатической сезонности.
Предпринятое математическое моделирование слишком обширно, чтобы можно было рассмотреть его в деталях для данного случая применения. Тем не менее, результаты этого моделирования представлены на фиг. 4-6 и в Таблице 1.
На фиг. 4 показана скорость опреснения в зависимости от времени дня и года.
На фиг. 5 показана скорость расхода газа в зависимости от времени дня и года.
На фиг. 6 показаны ежегодное потребление газа (пунктирная линия) и объем производства воды (штриховой пунктир) для ирригации (мм/гектар) общей площади в 1239 га. 90% опресненной воды использовали для ирригации. 60% от общего объема ирригационной воды поступает от подземных источников.
В Таблице 1 показан объем выхода производства системы без учета топлива на основе микроорганизмов, за первый год и далее, пока система не достигла равновесного цикла. В этом случае выход опресненной воды составляет 1.8 миллиона кубических метров, 90% из которых, как мы предполагаем, используется для орошения, включая 40% от общего объема.
Что не совсем ясно из приведенных значений, так это вопрос: используется ли опресненная вода в первый же год, или же значения урожайности за первый год завышены. Если опресненная вода не использовалась для орошения, то уровень воды, необходимый для орошения, должен был быть не менее 156 мм/га при производстве зерновых и компоста в 5.138×106 кг и 6.2891×106 кг соответственно.
Исходя из вышеизложенного, в качестве базовой линии мы берем увеличение производства биогаза и повышение урожайности зерновых на 40.1% за счет дополнительного орошения за один только первый год.
Во второй год использование газа, произведенного за первый год, позволяет увеличить производство опресненной воды на 25.9% при продолжительности работы установки 98% в год.
Поскольку размер орошаемой площади недостаточен по отношению к объему произведенной воды, отзывчивость на орошение этим дополнительным количеством воды подавляется 5.6% увеличением.
Производство газа также увеличивается на то же количество, и поэтому после второго года система практически достигает равновесного цикла при круглогодичной продолжительности работы.
В сочетании с выигрышем эффективности, полученным от контура обратной связи, и в соответствии с принципами предлагаемого изобретения система способна обеспечить высокую скорость опреснения воды и уровень, необходимый для орошения очень большой площади земли.
Сокращения в Таблице 1: Потребление газа (GC), Производство газа (GP), Орошение (I), Питьевая вода (DW), Зерновые (G), Компост (C), Электричество (е), % продолжительности эксплуатации Тор.
Следует иметь в виду, что в данном варианте осуществления предлагаемого изобретения термин «биотопливо» или «топливо на основе биоорганизмов" включает в себя любое органическое вещество, полученное из сельхозкультур, и используемое в качестве топлива, будь-то необработанная биомасса или определенное биотопливо, такое как этанол или метанол, произведенные из такой биомассы.
Следует также отметить, что термин «устройство для обработки воды» обычно трактуется как «устройство для очистки воды». Очистка в контексте данного варианта применения предлагаемого изобретения может означать как минимум следующее: сделать полезным источник воды в целях орошения и способствования росту растений. В предпочтительном варианте очистка может означать: сделать источник воды пригодным для потребления человеком, т.е. пригодным для питья. А если более конкретно, то устройство для очистки воды может означать устройство для опреснения воды.
Возможны различные варианты осуществления описанного выше устройства в пределах сущности и объема предлагаемого изобретения, как это предусмотрено в прилагаемой формуле изобретения.
1. Система для производства электроэнергии и очищенной воды, включающая в себя:
i) оборудование для получения электроэнергии, преобразованной из солнечного излучения;
ii) оборудование для получения электроэнергии из биотоплива;
iii) оборудование для очистки воды;
iv) оборудование для орошения и выращивания сельскохозяйственных культур;
v) оборудование для производства биотоплива,
в которой по меньшей мере один выходной продукт от оборудования для производства электроэнергии питает оборудование для очистки воды, которая используется в оборудовании для орошения и выращивания сельскохозяйственных культур, по крайней мере некоторые из которых или их остатки используются в оборудовании для производства биотоплива, служащего сырьем оборудования для производства электроэнергии из биотоплива, а компост для выращивания сельскохозяйственных культур получен из побочного продукта от производства биотоплива.
2. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 1, в которой по крайней мере один выходной продукт от оборудования для производства электроэнергии, используемый для питания оборудования для очистки воды, является источником тепловой энергии.
3. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 2, в которой источником тепловой энергии является пар.
4. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 1, в которой один выходной продукт от оборудования для производства электроэнергии, используемый для питания оборудования для очистки воды, является электричеством.
5. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 1, в которой оборудование для производства электроэнергии из биотоплива является топливным котлом и турбиной.
6. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 1, в которой оборудование для получения электроэнергии из биотоплива содержит топливный элемент.
7. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 1, в которой оборудование для очистки воды содержит установку многостадийной флеш-дистилляции.
8. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 1, в которой оборудование для очистки воды содержит в себе термофильную систему подготовки сточных вод.
9. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 1, в которой оборудование для очистки воды содержит установку обратного осмоса, приводимую в действие по крайней мере частью выходного продукта от оборудования для производства электроэнергии.
10. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 1, в которой оборудование для очистки воды содержит теплообменник, служащий в качестве средства для передачи энергии от оборудования для производства электроэнергии к оборудованию для очистки воды.
11. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 10, в которой теплообменник служит в качестве конденсационной установки для выхода турбины.
12. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 11, в которой выходящий поток конденсационной установки может быть избирательно направлен либо к топливному, либо к бестопочному котлу, либо к тому и другому.
13. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 1, в которой оборудование для получения электроэнергии включает в себя систему сбора солнечного теплового излучения и бестопочный котел.
14. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 13, в которой система сбора солнечного теплового излучения содержит решетку гелиостата и солнечную электростанцию башенного типа.
15. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 1, в которой оборудование для получения электричества из солнечной энергии содержит фотоэлектрическую батарею.
16. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по п. 1, дополнительно содержащая средство хранения биотоплива.
17. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по пп. 1-16, отличающаяся тем, что в оборудовании для производства биотоплива осуществляется компостирование.
18. Система для производства электроэнергии и очищенной воды по пп. 1-16, отличающаяся тем, что в оборудовании для производства биотоплива осуществляется ферментация.
19. Способ производства электроэнергии и очищенной воды, включающий стадию обеспечения системы по пп. 1-16 и стадию производства электричества и очищенной воды.
20. Электроэнергия, произведенная системой по пп. 1-16.
21. Очищенная вода, произведенная системой по пп. 1-16.
22. Топливо на основе биоорганизмов, произведенное системой по пп. 1-16.
