Изобретение относится к гидро- и ветроэнергетике и предназначено для получения энергии экологически чистым способом путем ее отбора от природных процессов водных потоков и ветра с последующим преобразованием в электроэнергию.
Современная энергетика в немалой степени наносит ущерб природе. Тепловые станции вносят в атмосферу химическое загрязнение в виде углекислого газа, кислотных дождей и всяких вредных примесей от сжигаемых газа, мазута и угля и тепловое загрязнение, которое приближают угрозу "тепличного эффекта". Мазут добавляет загрязнение земли и воды. При добыче угля открытым способом огромные участки земли превращаются в опасную для жизни пустыню в виде карьеров и территорий, засыпанных вскрышной породой с радиоактивными и другими опасными веществами, уничтожаются подземные источники воды в радиусе многих десятков километров от карьеров. При шахтном способе добычи также уничтожаются подземные источники воды и засыпаются пустой и опасной породой большие участки земли. Плюс зола с ее опасными примесями, которой засыпают немалые участки земли. Наконец, ветром разносится опасная пыль из карьеров, от вскрышной и пустой породы и золы.
Атомные электростанции вносят радиоактивное и тепловое загрязнение. Даже при идеальной работе АЭС добыча, транспортировка ядерных материалов, их переработка, обогащение и подготовка к работе добавляют в окружающую среду радиоактивные элементы. А аварии на АЭС, особенно на Чернобыльской, показали, что они чрезвычайно опасны.
Экологически чистыми являются агрегаты, использующие геотермальную энергию. Но геотермальных источников энергии немного. При их использования в атмосферу вносится дополнительное тепло.
Полностью экологически чистыми являются установки, использующие энергию Солнца, водных потоков и ветра, т.е. естественные природные процессы без добавления искусственных. Но солнечная энергия может быть получена на экваторе и близких к нему территориях, и кроме того, там ночью, практически полсуток, и в пасмурную погоду такая энергия не поступает. Энергия же более всего нужна на территориях, близких к полюсам. Наиболее пригодны для получения энергии экологически чистым способом широко распространенные водные потоки, а также бывающий в любой точке Земли ветер, единственным недостатком которого является его постоянная изменчивость по силе и направлению и иногда полное отсутствие.
Решение для использования водных потоков было найдено более тысячи лет назад. Это водяное колесо, использующее энергию падающей воды. Современные гидротурбины это по сути те же водяные колеса, использующие падающую воду, только ось вращения вертикальная. Т. к. водопадов мало, то пошли по пути строительства плотин. Если плотинный путь приемлем для горных рек, которых не так уж много, то для равнинных это приводит к затоплению больших территорий и ущерб природе и обществу исключительно велик, из-за загрязнения рек водохранилища превращаются в грязные отстойники, небезопасные для человека. При этом используются перепады воды только на небольших участках рек. Для низинных рек, таких как Нева, Обь и т.д. многих низинных участков равнинных рек, такой путь вообще неприемлем. А равнинные и низинные реки обладают огромным энергетическим потенциалом. Он велик у приливов и отливов. Если старый плотинный способ может быть хоть как-то использован в бухтах, то его использование у берегов без бухт практически невозможно. Это техническое решение не позволяет использовать также гигантский энергетический потенциал морских и океанских течений.
Энергия ветра использовалась в ветряных мельницах путем строительства башен и установки на них громадных пропеллеров из деревянных реек и кожи. Этому техническому решению несколько сот лет. Современные ветровые установки полностью повторяют эту схему.
Уже предлагались нетрадиционные решения для использования энергии ветра и водных потоков без плотин. Известен ветроагрегат, содержащий вертикальный вал с закрепленными на нем двумя цилиндрическими секциями с верхним, промежуточным и нижним держателями, между которыми закреплены по три лопасти, расположенные радиально и параллельно валу, которые состоят из трех плоских подлопастей с загнутыми краями. Недостатком ветроагрегата является то, что на его базе не может быть построен ветроагрегат значительной единичной мощности из-за большого сопротивления плоским подлопостям при их обратном движении. Из-за плоской конструкции подлопастей агрегат не может быть использован для отбора энергии водных потоков, т.к. из-за больших по сравнению с воздухом плотности и вязкости воды торможение подлопастей при обратном ходе в воде будет чрезвычайно высоким [1]
Решение этой задачи достигается тем, что барабан состоит из вертикального вала с насаженными на него цилиндрическими секциями, разделенными дисковыми держателями, и профилированных лопастей, закрепленных между дисковыми держателями, параллельно оси вала и размещенных в два ряда по внешней и внутренней концентричным окружностям. Лопасти имеют профиль дуги, первая крайняя точка которой расположена на одном радиусе дискового держателя, а вторая крайняя точка расположена на другом радиусе, повернутом относительно первого по часовой стрелке на угол 90o.
Дуги лопастей, расположенных на внешней окружности, строятся следующим образом: первая крайняя точка совпадает с крайней точкой радиуса окружности, а вторая крайняя точка дуги расположена на расстоянии, равном половине радиуса внешней окружности.
Для дуги лопасти, расположенной на внутренней окружности, первая крайняя точка дуги расположена на том же радиусе, что и вторая крайняя точка дуги лопастей, расположенных на внешней окружности, но ближе к оси, а вторая на расстоянии от оси, равном половине расстояния между осью и первой точкой крайней точкой дуги лопастей внутренней окружности.
Радиус дуг лопастей внешней и внутренней окружностей равен трем четвертям длины хорды этой дуги. Дуги лопастей одного ряда смещены одна относительно другой по часовой стрелке на угол, равный или 90o, или 60o, или 45o, или 30o.
Для предотвращения стекания потока воды или ветра на вогнутых поверхностях дуги на равном расстоянии одна относительно другой выполнены заграждения, при этом первое от оси заграждение совпадает со второй крайней точкой дуги; заграждения расположены под углом 55o к хорде отрезка дуги между двумя соседними заграждениями, а их высота равна или больше длины этой хорды. На лопастях внешней окружности выполнено шесть заграждений, а на лопастях внутренней четыре. Раструбы, образованные заграждением и отрезком дуги, раскрыты в сторону первой крайней точки.
Во втором варианте выполнения барабана первая крайняя точка дуги лопасти расположена на одном радиусе, а вторая на радиусе, повернутом относительно первого радиуса по часовой стрелке на угол 60o. Для дуги лопастей внешней окружности вторая крайняя точка выполняется на расстоянии, равном две третьих или половине радиуса окружности, а для дуги внутренней окружности вторая крайняя точка расположена на расстоянии от оси равном две третьих или половине расстояния между осью и первой точкой этой дуги. Радиус дуг лопастей внешней и внутренней окружностей равен длине хорды этой дуги, а дуги лопастей одного ряда смещены одна относительно другой по часовой стрелке на угол, равный или 60o, или 45o, или 30o. Выполнение других элементов барабана совпадает с первым вариантом.
На фиг. 1 представлен горизонтальный разрез барабана при выполнении дуги, точки которой расположены на радиусах развернутых под углом 90o, а дуги одного ряда смещены одна относительно другой также на 90o; на фиг. 2 тот же вариант, но со смещением дуг на угол 60o; на фиг. 3 тот же вариант, но со смещением дуг на угол 45o; на фиг. 4 представлен второй вариант выполнения барабана смещение точек дуги на угол 60o и смещение дуг одного ряда на угол 45o; на фиг. 5 показан вертикальный разрез энергоагрегата для отбора энергии водных потоков; на фиг. 6 вариант для отбора энергии ветра; на фиг. 7 схема размещения гидроэнергоагрегатов с барабанами вдоль берегов реки; на фиг. 8 схема размещения гидроэнергоагрегатов на дне вдоль судоходной бухты; на фиг. 9 размещение ветроэнергоагрегатов на возвышенности; на фиг. 10 размещение ветроэнергоагрегатов на крышах зданий; на фиг. 11 разрез одной из платформ, вдоль которой размещены гидроэнергоагрегаты с барабанами из трех секций; на фиг. 12 пример размещения четырех платформ, в каждой из которых по 15 гидроэнергоагрегатов.
Барабан содержит вал 1 отбора энергии, лопасти 2, закрепленные между верхним и нижним дисковыми держателями 3, разделяющими цилиндрические секции. Вал 1 установлен в нижних подшипниках 4 на основании 5 энергоагрегата и верхних подшипниках 6, конструкции 7. Лопасти 2 имеют профиль дуги с первой крайней точкой 8 и второй крайней точкой 9. Лопасти 2 расположены в два ряда
по внешней окружности и внутренней окружности, каждая внутренняя лопасть 2 является для потоков воды или ветра продолжением соседней внешней лопасти 2. Дальняя от оси вращения точка 8 этой внутренней лопасти 2 размещается на том же радиусе, на котором размещается самая близкая точка 9 дуги соседней внешней лопасти, но ближе к оси вращения. Самая близкая к оси вращения точка 9 дуги этой внутренней лопасти 2 размещается на радиусе, перпендикулярном по часовой стрелке радиусу, на котором размещается дальняя от оси вращения точка 8 дуги этой внутренней лопасти, но на 1/2 или 2/3 расстояния от оси вращения до дальней точки 8 дуги этой внутренней лопасти. Радиусы дуг внешних и внутренних лопастей равны 3/4 длин хорд между крайними точками дуг этих лопастей.
Для предотвращения стекания потока воды или ветра по вогнутым сторонам лопастей 2 при их рабочем ходе от крайних дальних точек 8 к самой ближней к оси вращения точке 9 и последующего бесполезного срыва с лопастей 2, что приведет к уменьшению силы давления потока воды или ветра на лопасти 2 и падению КПД и эффективности барабана, на вогнутых сторонах лопастей 2 устанавливаются заграждения 10 на всю длину лопастей: на внешних лопастях в шести точках, начиная с самой ближней к оси вращения, и далее в пяти внутренних точках, получающихся при разделении лопастей 2 на шесть равных сегментов; на внутренних лопастях 2 только в четырех точках, начиная с самой ближней к оси вращения, и далее в трех точках, получающихся при разделении лопастей на четыре равных сегмента. Заграждения 10 равны или несколько больше, а у внутренних лопастей 2 два средних могут быть меньше, длин хорд каждого сегмента и направлены под углом, примерно, 55o к хордам каждого сегмента так, чтобы раструбы 11 между сегментами и заграждениями 10 направлялись навстречу потокам воды или ветру при рабочем ходе лопастей 2. Благодаря такому наклону заграждений 10 при рабочем ходе лопастей 2, водные потоки или ветер в первую очередь воздействуют на дальние от оси вращения сегменты и заграждения 10 и не стекают по вогнутым сторонам лопастей 2 к середине барабана и там бесполезно не срываются, при обратном ходе лопастей 2 скорость их обтекания водой или воздухом равна скорости водных потоков или ветра плюс скорость движения лопастей 2 за счет вращения барабана и при повороте с рабочего хода лопасти 2 направлены навстречу потоку воды или ветру острым углом в 55o между лопастями 2 и заграждениями и далее выпуклой стороной до поворота на рабочий ход, а это уменьшает силу торможения водными потоками или ветром обратного хода лопастей 2. Таким образом, заграждения 10 увеличивают КПД, эффективность и мощность барабана. Они одновременно служат в качестве ребер жесткости, что позволяет изготовлять лопасти из предельно тонких листов металла и уменьшить вес барабана. Вообще предлагается штамповать сегменты лопастей вместе с соответствующими заграждениями 10 как единое целое и собирать внешние лопасти 2 из шести таких частей, а внутренние из четырех соответствующих частей.
В примере на фиг. 4 показаны лопасти 2, когда углы между радиусами, на которых размещаются дальние и ближние к оси вращения точки соответствующих внешних и внутренних лопастей 2 равны не 90o, 60o по часовой стрелке. При этом ближние точки 9 внешних лопастей 2 размещаются от оси вращения в 2/3 или 1/2 расстояния от дальних точек 8. Дальние точки 8 внутренних лопастей размещаются на тех же радиусах, что и самые ближние точки 9 соседних внешних лопастей, но на 1/3 ближе к оси вращения. Ближние к оси вращения точки 9 внутренних лопастей 2 размещаются на радиусах также под углом 60o по часовой стрелке от радиусов дальних точек 8 и на 1/2 или 2/3 расстояния от оси вращения до дальних точек 8 этих лопастей. Дуги лопастей 2 очерчиваются радиусами, равными расстояниями между крайними точками 8 и 9 этих дуг или их 3/4. На вогнутых сторонах лопастей 2 также устанавливаются заграждения 10, шесть на внешних, четыре на внутренних под углом примерно 55o к хорде каждого сегмента.
В небольших по диаметру барабанах, как на фиг. 1, внешние лопасти смещены от соседних внешних лопастей на 90o по часовой стрелке и таких лопастей по кругу получается 4, аналогично внутренние лопасти смещены от соседних внутренних лопастей также на 90o по часовой стрелке и таких лопастей получается тоже 4. С увеличением диаметра барабана это смещение от соседних лопастей предусмотрено 60o и 45o по часовой стрелке, как на фиг. 2 и 3, и 30o, последнее не показано. В последних трех случаях соседние лопасти перекрывают друг друга, их число внешних и внутренних: при 60o по 6, при 45o по 8 и при 30o по 12 штук, в последних двух случаях внутренние лопасти предусмотрено не устанавливать, т. к. их эффективность в значительной степени падает. Когда угол между радиусами крайних точек лопастей не 90o, а 60o, то смещение одинаковых лопастей друг от друга 60o (не показано), 45o (на фиг. 4) и 30o (не показано) по часовой стрелке и число лопастей соответственно по 6, 8 и 12 штук, в последнем случае внутренние лопасти не устанавливаются, т.к. их эффективность в значительной степени падает.
На барабаны с указанными конфигурацией и размещением лопастей в держателях поток воды или ветер могут поступать с любой стороны, но они будут вращаться по часовой стрелке. Для вращения против часовой достаточно их перевернуть, верх сделать низом, низ верхом.
В примерах выполнения энергоагрегата для отбора энергии водных потоков (фиг. 5) и энергии ветра (фиг. 6) барабаны состоят из валов 1 и трех секций из держателей 3 и непоказанных, но подразумеваемых лопастей 2, закрепленных параллельно валу. Далее в состав энергоагрегатов входят нижние подшипники 4, основания 5 энергоагрегатов, соединенные для устойчивости с основаниями соседних энергоагрегатов, электрогенераторы 12, механизмы 13 передачи энергии вращения барабанов в электрогенераторы 12, верхние подшипники 6, конструкции 7, соединяющие энергоагрегаты 6 с соседними энергоагрегатами для их устойчивости, кабели 14, отводящие электроэнергию от генераторов к блокам, в которых она преобразуется, суммируется от многих энергоагрегатов, синхронизируется с действующей сетью для передачи в сеть. Гидроэнергоагрегат устанавливается на дне 15, ветроэнергоагрегат на земле или крыше здания 16. У гидроэнергоагрегата, фиг. 5, добавляются: прикрепляемая к верхней конструкции 7 герметичная капсула 17, в которой размещается электрогенератор 12, герметичный подшипник 18, через который проходит вал механизма 13 передачи энергии вращения барабана в электрогенератор 12, нижний держатель 19 капсулы 17, подшипник 20, с помощью которого этот держатель 19 прикрепляется к валу 1 отбора энергии. При достаточно надежном креплении капсулы 17 к конструкции 7 нижний держатель 19 и его подшипник 20 можно не устанавливать. И наконец, в зимнее время на поверхности водных потоков может устанавливаться лед.
Для удобства обслуживания, ремонта и замены у гидроэнергоагрегата, размещенного на дне (фиг. 5) электрогенератор 12 в герметичной капсуле 17 размещается выше барабана, а у ветроэнергоагрегата (фиг. 6) электрогенератор размещается ниже барабана.
При размещении гидроэнергоагрегатов вдоль берегов реки (фиг. 7), чтобы не мешать судоходству, учитывается, что течение реки ближе к середине бывает сильнее, в соответствии с направлением потока у правого берега устанавливаются барабаны, вращающиеся по часовой стрелке, у левого против часовой стрелки. Одной чертой 21 показаны соединяющие соседние гидроэнергоагрегаты для устойчивости нижние основания и верхние конструкции. Т.к. у этих агрегатов генераторы расположены выше барабанов, то по верхним конструкциям агрегатов правого и левого берегов, от агрегатов левого берега к правому по дну и далее на правый берег прокладывается кабель 14, по которому электроэнергия от генераторов поступает в блок 22, где она преобразуется, объединяется от разных агрегатов, синхронизируется с действующей трехфазной сетью 23 и далее передается в сеть 23 потребителям. На фиг. 7 показаны также берега 24 реки.
На фиг. 8 схематично показано размещение гидроэнергоагрегатов на дне вдоль берега 24 судоходной бухты, где регулярно происходят приливы и отливы. Так же, как на фиг. 7, здесь одной чертой показаны соединяющие для устойчивости соседние гидроэнергоагрегаты нижние основания 5 и верхние конструкции 7. Далее так же, как и в предыдущем случае.
На фиг. 9 показано размещение ветроэнергоагрегатов на возвышенности, контуры которой очерчены извилистой линией 25. Одной чертой показаны соединяющие для устойчивости соседние ветроэнергоагрегаты нижние основания 5 и верхние конструкции 7. Т.к. у этих агрегатов генераторы располагаются ниже барабанов, то кабели 14 от генераторов прокладываются по нижним основаниям 5 или по земле, по ним электроэнергия поступает в блок 22, где, как и в предыдущих случаях, преобразуется, суммируется от разных агрегатов, синхронизируется с действующей сетью 23 и далее передается в сеть потребителям.
На фиг. 10 показано размещение ветроэнергоагрегатов на крышах зданий 26 разных конфигураций. Для уменьшения вибрации производится тщательная центровка барабанов и под их основания подкладываются резиновые амортизаторы.
Для отбора практически неограниченных объемов энергии морских и океанских течений создаются платформы, на которых монтируются несколько гидроэнергоагрегатов. На фиг. 11 показан разрез одной из платформ 27, вдоль которой размещены 5 гидроэнергоагрегатов с барабанами указанной конструкции из трех секций. Указаны валы 1 отбора энергии, дисковые держатели 3 лопастей 2 с подразумеваемыми, но неначерченными лопастями, механизм 13 передачи энергии вращения барабанов в электрогенераторы 12. Верхняя часть валов 1 равна высоте платформы 27, чтобы под напором течения барабаны не выворачивало из платформы 27. Для предотвращения выскальзывания барабанов из платформы 27 вниз в верхних частях валов 1 внутри платформы 27 имеются два наплыва, верхний и нижний, которые закрепляются в верхних и нижних подшипниках 4 и 6 и обеспечивают устойчивое вращение барабанов. Нижние подшипники 4 герметичны. Верхние части валов 1, подшипники, механизмы передачи энергии и генераторы размещаются в отсеках с герметичными переборками 28, которые обеспечивают дополнительную жесткость конструкции платформы 27 и ее плавучесть при прорыве воды в любой из отсеков. В переборках 28 для прохода ремонтников делаются герметично закрывающиеся люки. Для проведения осмотра и ремонта оборудования агрегатов и самой платформы 27 для причаливания подводных аппаратов с персоналом и прохода внутрь платформы 27 предусмотрен гидрошлюз. Для уменьшения плавучести платформы 27 и облегчения ее погружения на нужную глубину, чтобы не мешать судоходству, платформа 27 обеспечивается балластными цистернами 29. Для удержания платформы на определенной глубине и в определенном месте она прикрепляется к дну 15 моря или океана с помощью тросов 30 и якорей 31. Для погружения платформы 27 на нужную глубину, кроме закачивания воды в балластные цистерны 29, предусмотрено ее подтягивание к якорям 31 четырьмя тросами 30 с помощью установленных в специальных отсеках по углам платформы 27 четырех лебедок 32, которые при необходимости путем отматывания с них тросов 30 позволяют всплыть платформе 27 для капитального осмотра и ремонта платформы 27 и ее оборудования. При полном вытеснении воды из балластных цистерн 29 обеспечивается такая плавучесть платформы 27, которая позволяет подтянуть к ней якоря 31 с помощью лебедок 32 для последующего буксирования платформы 27 в нужное место. Поверхность моря или океана отмечена цифрой 33.
В качестве примера на фиг. 12 показано размещение четырех платформ 27, в каждой из которых по 15 гидроэнергоагрегатов, электроэнергия от их генераторов по кабелям 14 собирается в одном месте одной из ближайших к берегу платформ и далее по объединенному кабелю 14 направляется на берег 24 в блок 22 и сеть 23 к потребителям. Платформы предусмотрено строить на заводах и потом буксировать к месту установки. Размеры платформы и соответственно объем получаемой от нее энергии ограничиваются прочностью конструкционных материалов и возможностями завода-изготовителя и буксиров. Для уменьшения трения о воду, защиты от коррозии и морских организмов барабаны и платформы имеют специальное покрытие.
Таким образом, предлагается барабан для получения электроэнергии экологически чистым способом от природных процессов водных потоков и ветра - и в таких объемах, которые покроют значительную часть потребности в ней и можно будет в немалой степени отказаться от наносящих вред природе атомных, тепловых и плотинных электростанций. Барабан прост в строительстве и надежен в эксплуатации. Возможно массовое производство таких барабанов по типоразмерам в зависимости от мощности гидро(ветро)энергоагрегатов.
Использование: для работы в составе гидро- и ветроэнергоагрегатов и получения энергии экологически чистым способом. Сущность изобретения: вал барабана устанавливается вертикально и закрепляется в подшипниках основания, состоящих из верхних и нижних дисковых держателей и закрепленных между ними параллельно валу больших внешних и маленьких внутренних лопастей, внешние лопасти имеют профили дуг, проведенных от крайних дальних точек радиусов держателей в 1/2 или 2/3 других радиусов, смещенных по часовой стрелке на 90o или 60o. Для предотвращения стекания потока воды или ветра по вогнутым сторонам лопастей при их рабочем ходе, на вогнутых сторонах лопасти устанавливаются заграждения на всю длину лопасти. Заграждение равны или несколько больше внутренних лопастей, два средних могут быть меньше длин хорд каждого сегмента и направлены под углом примерно 55o к хордам каждого сегмента так, что при рабочем ходе лопасти раструбы между сегментами и заграждениями направляются навстречу потоку воды или ветра, что уменьшает силу торможения водными потоками или ветром обратного хода лопасти. В зависимости от диаметра барабана одинаковые лопасти с охватом под углом 90o смещаются друг от друга на 90o, 60o, 45o, 30o по часовой стрелке и в последних трех случаях перекрывают друг друга и число внешних и внутренних соответственно по 4, 6, 8 и 12 штук, в последних двух случаях внутренние лопасти не устанавливаются, так как их эффективность в значительной степени падает, с охватом каждой лопастью 60o смещение между ними 60o, 45o, 30o с взаимным перекрытием в двух последних случаях и числом соответственно по 6, 8, 12 штук, в последнем случае внутренние лопасти не устанавливаются, так как их эффективность в значительной степени падает, такие конфигурация и закрепление лопастей позволяют использовать поток воды или ветер по ширине больше радиуса барабана. 2 с. п.ф-лы, 12 ил.
| Патент США N 5044878, кл | |||
| Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
