БЕРЕГОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1994 года по МПК F03B13/00 

Изобретение относится к производству, преобразованию и распределению электрической энергии, в частности к гидроэлектростанциям.

Аналогом изобретения является любая плотинная гидроэлектростанция. Ее недостатком является ухудшение экологических условий благодаря наличию плотины.

Прототипом изобретения является гидроэлектростанция [1].

Недостатками этой гидроэлектростанции являются малая мощность, небольшой КПД и большая площадь, занимаемая гидроэлектростанцией и водозаборным трубопроводом.

Целью изобретения является получение электроэнергии экологически чистым путем без создания плотин, повышение КПД и уменьшение площади, занимаемой на берегу гидроэлектростанцией.

В зависимости от места использования предлагаемая конструкция имеет следующие преимущества: при использовании на равнинных реках - освобождение поверхности реки для судоходства, возможность добывания электроэнергии на замерзающих зимой реках из-под льда, возможность удобного технического обслуживания электростанции из-за расположения электроагрегатов на берегу реки, простота конструкции; при использовании на горных реках - экономичное использование воды, ее многократное использование; при использовании в прудах и озерах как конструктивной разновидности - принципиальная возможность получения электроэнергии при наличии мощных ключей (или подземных рек, имеющих выход в пруд или озеро); возможность создания плавающих гидроэлектростаций.

На фиг.1 - 3 изображена электростанция для равнинных рек.

Электростанция состоит из конфузора 1, сообщающегося сосуда (трубы) 2, турбин 3, генераторов 4 (между турбиной и генератором возможна установка муфты), плит для установки генераторов 5, защитных пластин 6, обводного канала 7, места для обслуживания генераторов 8, бетонных стенок 9 электростанции. Берег реки - поз.10.

Как известно, если в сообщающихся сосудах находится однородная жидкость, то ее свободная поверхность во всех сосудах располагается на одном и том же уровне. Если разместить трубу 2, как показано на фиг.1, то сама труба 2 и тело реки представляют собой сообщающиеся сосуды и при высоте вертикального участка трубы 2, установленной на берегу, меньшей, чем низший уровень воды реки, будет происходить постоянное перетекание воды из реки через трубу 2.

Дополнительный эффект перетекания будет происходить также из-за эффекта конфузора, так как сечение трубы несравненно мало по отношению к водному сечению реки и существует скоростной напор воды. Сам конфузор 1 также является усилителем перетекания воды.

В вертикальном наземном сосуде устанавливаются турбины 3, соединенные с генераторами 4, установленными на плитах 5. При варианте на фиг.1, т.е. установке генераторов 4 снаружи трубы, возможно установка муфт для отсоединения генераторов 4 от турбин 3 для проведения профилактики генераторов. При варианте на фиг.2 возможно установка турбин по всей внутренней поверхности трубы 2, включая горизонтальный участок, но для этого должны быть гидроизолированы сами генераторы. В этом случае горизонтальный участок трубы должен быть размещен в наружной трубе, установленной в земле, для более легкого выема трубы с турбинами и генераторами. Такая мера облегчит ремонт и замену турбин и генераторов.

Для более свободного вращения турбин 3 перед каждой турбиной устанавливается защитная пластина 6, закрывающая половину сечения турбины и предотвращающая воздействие потока воды на часть турбины, вращающейся навстречу потоку воды. Сток воды из вертикального наземного участка трубы 2 происходит в обводной канал 7.

Как известно, каждая река имеет падение реки - разность высот уровенной поверхности воды в двух точках, расположенных на некотором расстоянии вдоль реки, и уклон водной поверхности - падение на единицу длины реки. Обводной канал 7 профилируется с уклоном, несколько меньшим, чем уклон водотока реки для возможности сброса воды, вытекаемой из вертикального участка трубы в обводной канал 7 и далее - из обводного канала в реку ниже по течению. Обводной канал проектируется параллельно руслу реки.

Во избежание попадания рыбы и посторонних предметов в конфузор 1 трубы 2 сам раструб (конфузор) должен выполняться зарешеченным, как показано на фиг.3.

Для направления воды из вертикального участка трубы 2 на обводной канал 7 выходной ее конец может иметь Г-образную форму, обращенную к обводному каналу 7 (показано на фиг.4б).

Если место для обслуживания генераторов (и не показанных на чертежах муфт), вертикальных участков труб 2 и обводного канала 7 накрыть бетонными плитами 12 на всю длину обводного канала 7 и прохода для обслуживания генераторов 8, то гидроэлектростанция превращается в подземную.

Таким образом, действие электростанции происходит следующим образом. Вода из реки под действием течения попадает в конфузор 1, далее в трубу 2, при движении вращает турбины 3, вращение передается на генераторы 4, вырабатывается электрический ток; вода, вытекая из вертикального участка трубы 2, попадает в обводной канал 7 и сбрасывается в реку ниже по течению.

При работе электростанции при высшем уровне воды в реке возможен вариант сброса воды из вертикального участка трубы 2 непосредственно в месте расположения трубы 2. Для этого на берегу 10 выполняется дополнительный канал сброса воды.

На фиг.4а-в изображены варианты исполнения электростанций для равнинных рек. Эти варианты могут быть предназначены для рек с различными гидрологическими характеристиками.

При варианте а) показано размещение нескольких вертикальных участков труб из одной горизонтальной трубы со стоком в один канал 12, перпендикулярный обводному каналу 7. Дно реки обозначено поз.15.

При варианте б) как конструктивной разновидности показано размещение нескольких вертикальных участков труб с разветвлениями 13 из одной горизонтальной трубы со стоком в несколько каналов 14, перпендикулярных обводному каналу 7.

Вариант в) характерен расположением горизонтальных участков труб (показаны пунктиром) под различными углами к берегу реки, что позволит избежать застойных зон и нежелательных гидравлических завихрений в местах перехода конфузора 1 к горизонтальной трубе 2.

На фиг. 5 показано разъемное расположение участков вертикальной трубы, которое необходимо на небольших электростанциях для регулирования вытекания воды при изменениях среднегодового уровня воды реки, т.е. при высшем уровне воды возможно наращивание вертикальной трубы, при низшем уровне - укорачивание.

На больших электростанциях регулирование вытекания воды из-за различного уровня воды реки в течение года может достигаться строительством резервных сообщающихся сосудов (в) - три вертикальных участка трубы различной высоты). Например, при работе с короткой вертикальной трубой при низшем уровне воды реки остальные две могут быть заглушены.

Данная конструкция может быть использована и в море в качестве морской гидроэлектростанции. Все действия такие же, как на фиг.1 - 3, но вода из обводного канала поступает в специальный резервуар, из которого во время отлива выливается в море.

На фиг.6, 7 показано получение электроэнергии из прудов и озер, имеющих мощные ключи. Условные цифровые обозначения такие же, как и на фиг.1 - 5, за исключением позиций 7 и 12. Поз.12 указывает на ключи. Поз. 7 в данном случае показывает не обводной канал, как на фиг.1, а канал для непосредственного стока воды из вертикального участка трубы 2 в пруд 11.

Конструктивная разновидность такого способа отличается тем, что при наличии одного или нескольких мощных ключей конфузор 1 трубы 2 накладывается на один или несколько ключей, и ключ, выталкивая воду через трубу 2, вращает турбины 3; турбины передают вращение на генераторы 4 (вырабатывается электрический ток) и вода из ключа (или подземной реки, впадающей в пруд) вытекает через вертикальный участок трубы 2 через сточный канал 7 в пруд или озеро 11.

На фиг. 8-10 изображено использование данного способа под водой. Трубы 2 с конфузорами раструбами 1 устанавливаются в установочные каркасы 7, которые можно формировать в пакеты. Эти пакеты устанавливаются на дно реки, могут быть подвешены на канатах. Выработка электроэнергии производится так же, как указано выше, т.е. втекание воды в конфузор 1 и далее по трубам 2; вращаются турбины 3; ток вырабатывается в генераторах 4. Возможны два варианта (фиг.8а, б) расположения входных конфузоров и входа воды в трубу.

При варианте а) конфузор находится в верхнем положении, вода протекает в трубе сверху вниз, при варианте б) конфузор находится в нижнем положении - вода в трубе протекает снизу вверх.

Из-за гравитации и того, что скорость течения в верхних слоях более высокая, а) является предпочтительнее, но возможны случаи, когда течение у дна более сильное (например, из-за ключей), тогда возможно использование варианта б).

Если в реке есть мощные ключи, то можно использовать вариант б) с накрытием конфузором ключа, как показано на фиг.8.

Если трубу положить на дно реки конфузором навстречу течению, то толща воды рядом с раструбом и толща воды рядом с выходным участком трубы будут представлять собой сообщающиеся сосуды, а сама труба будет представлять собой горизонтальный участок сообщающихся сосудов (с известным допущением).

На фиг.11, 12 изображена конструктивная разновидность варианта использования данного способа под водой. Конфузор 1 трубы 2 обращен навстречу течению, в трубе устанавливаются турбины 3, генераторы 4, плиты для установки генераторов 5, защитные пластины 6. Трубы 2 монтируются в установочный каркас 7.

Данный способ можно использовать на плавающих гидроэлектростанциях (см. фиг.13 - 15).

Трубы 2 с конфузорами 1 и вмонтированными турбинами 3, генераторами 4, плитами для генераторов 5, защитными пластинами 6 собираются при помощи установочного каркаса 7 в пакеты и крепятся по бортам баржи. Баржа может быть как самоходной, так и несамоходной. Самоходная баржа оснащается двигателем 8 и гребным винтом 9. Для подъема конструкции перед движением баржа снабжена подъемными лебедками 10.

Применение данного способа на горных реках показано на фиг.17 - 19а, б. Горные реки и ручьи часто не обладают достаточным количеством воды, поэтому в данных конструкциях полностью может быть использован эффект сообщающихся сосудов. При этом, чем больше разность высот вертикальных труб (трубы с конфузором и выходной трубы), тем мощнее вытекает поток и мощнее сама электростанция.

Работа электростанции не описывается, так как аналогична всем предыдущим. Условные обозначения такие же, как и на фиг.1, кроме позиции 7, показывающей горный поток.

Возможны два варианта расположения генераторов. При варианте на фиг.19а генераторы расположены внутри сообщающихся сосудов, при варианте на фиг.19б - снаружи сообщающихся сосудов.

Достоинства применения данного способа в горных условиях - экономия используемой воды, возможность ее многократного использования, вода работает при подъеме вверх.

В связи с этим предлагается ввести для всех гидроэлектростанций коэффициент естественного расхода объема воды для выработки единицы мощности электроэнергии.

Этот коэффициент характеризует экологичность любой гидроэлектростанции и может измеряться в м³/Вт.

Сущность изобретения: водозаборный трубопровод ориентирован входом против потока. С выходом трубопровода сообщен вертикальный водоподъемный участок и связанные между собой гидротурбины с электрогенераторами. Гидротурбины связаны с электрогенераторами муфтами и установлены последовательно в водоподъемном участке. Трубопровод выполнен Г-образным, его входной участок - конфузорным. Электрогенераторы размещены внутри или снаружи водоподъемного участка. Водоподъемные участки установлены на берегу в один или несколько рядов. Водозаборные трубопроводы подключены к водоподъемным участкам с образованием V-образных каналов. Каналы сообщены между собой последовательно. Выход каждого предыдущего канала расположен выше входа последующего. Водосборный бассейн установлен на выходе вертикальных водоподъемных участков и сообщен с их проточной частью. Гидротурбины выполнены реверсивными. 4 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. БЕРЕГОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, содержащая водозаборный трубопровод, ориентированный входом против потока, сообщенный с выходом последнего вертикальный водоподъемный участок, связанные между собой гидротурбины с электрогенераторами, отличающаяся тем, что, с целью улучшения экологических условий путем сокращения площади на берегу, занимаемой гидроэлектростанцией, и повышения КПД, гидротурбины связаны с электрогенераторами посредством муфт и установлены последовательно в вертикальном водоподъемном участке, водозаборный трубопровод выполнен Г-образным, его входной участок - конфузорным, а электрогенераторы размещены внутри или снаружи водоподъемного участка. 2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена подземной. 3. Гидроэлектростанция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными вертикальными водоподъемными участками с водозаборными трубопроводами, при этом водоподъемные участки установлены на берегу в один или несколько рядов. 4. Гидроэлектростанция по п.3, отличающаяся тем, что водозаборные трубопроводы подключены к вертикальным водоподъемным участкам с образованием U-ных каналов, при этом каналы сообщены между собой последовательно, а выход каждого предыдущего канала расположен выше входа последующего. 5. Гидроэлектростанция по п.4, отличающаяся тем, что, с целью расширения области применения путем использования энергии приливных течений, она снабжена водосборным бассейном, установленным на выходе вертикальных водоподъемных участков и сообщенным с проточной частью последних, а гидротурбины выполнены реверсивными.