УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ОТ ПРИРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ Российский патент 1998 года по МПК F03B3/12 F03B7/00 F03B13/00 F03D3/02 

Устройство относится к гидро- и ветроэнергетике, обеспечивает получение энергии экологически чистым способом от возобновляемых источников - природных процессов: глубоководных равнинных и низинных рек, приливов и отливов без строительства плотин и затопления земли, морских и океанских течение и ветра, - с преобразованием ее в электроэнергию.

Известен ветроагрегат по патенту США N 5044878 от 03.09.91 г., МПК F 03 D 3/02, содержащий вертикальный вал с насаженными 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 загибами по краям.

Недостатком ветроагрегата является то, что на его базе не может быть построен ветроагрегат значительной единичной мощности из-за сильного сопротивления плоским подлопастям при их обратном движении навстречу ветру, а это снижает КПД и мощность агрегата. Из-за плоских конструкций подлопастей агрегат не может быть использован для получения энергии от водных потоков, так как из-за больших по сравнению с воздухом плотности и вязкости воды торможение подлопастей при их обратном ходе в воде будет чрезвычайно высоким.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является устройство для получения энергии от природных процессов, содержащее вертикальный вал с насаженными на нем цилиндрическими секциями, состоящими из верхних и нижних держателей и закрепленных между ними параллельно валу равномерно расположенных лопастей, причем секции установлены на валу последовательно друг над другом без нарушения целостности соседних секций, суммарная высота секций не превышает глубину потока, обеспечивающего получение энергии, для преобразования получаемой энергии в электрическую оно сопряжено с помощью механизма передачи вращения с генератором, обеспечивающим передачу электроэнергии по кабелю через блок преобразования к потребителю. Лопасти между держателями укреплены в один ряд с "привязкой" крайних наружных кромок к внешним окружностям держателей, их профили представляют собой две сопряженные дуги разной величины выпуклыми сторонами по часовой стрелке, крайняя дальняя точка меньшей дуги расположена на внешней окружности держателя, ее другой крайней точкой является точка сопряжения с большей дугой и одновременно пересечения с хордой, направленной по часовой стрелке под углом 45^o к радиусу, проведенному от оси вала к первой точке, другой крайней точкой большей дуги служит точка ее пересечения с хордой, проведенной от точки ее сопряжения с меньшей дугой под углом 90^o к хорде последней против часовой стрелки (см. заявку Российской Федерации N 94020976 AI, МПА F 03 B 3/12, 10.01.96).

Однако данный профиль лопастей не обеспечивает оптимального протекания потока и наиболее полного использования его энергии (КПД).

Задачей изобретения является повышение КПД устройства, т.е. наиболее полное использование энергии набегающего потока.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для получения энергии от природных процессов, содержит вертикальный вал с насаженными на нем цилиндрическими секциями, состоящими из верхних и нижних держателей и закрепленных между ними параллельно валу равномерно расположенных лопастей, причем секции установлены на валу последовательно друг над другом без нарушения целостности соседних секций, суммарная высота секций не превышает глубину потока, обеспечивающего получение энергии, для преобразования получаемой энергии в электрическую. Устройство сопряжено с помощью механизма передачи вращения с генератором, обеспечивающим передачу электроэнергии по кабелю через блок преобразования к потребителю. Профиль каждой лопасти выполнен по радиусу, центр которого расположен на прямой, соединяющей наружный конец лопасти с осью вала на расстоянии, определяемом перпендикуляром, проведенным через центр хорды, соединяющей концы лопасти, причем внутренний конец лопасти расположен на расстоянии двух третей от наружного конца на прямой, соединяющей наружный конец соседней лопасти с осью вала.

Изобретение поясняется графическим материалом.

На фиг. 1 изображен разрез устройства по горизонтали с 4-мя лопастями, а на фиг. 2 - с 6-ю лопастями.

Фиг. 3 - Вертикальный разрез гидроэнергоагрегата в воде ниже льда для получения энергии от глубоководных рек, приливов и отливов с углубленным в дно массивным основанием, волнистые линии у которого справа и слева свидетельствуют о том, что он соединен с такими же основаниями соседних агрегатов, с закрепленным в нем с помощью подшипников валом, на который насажены три секции, с прикрепленным к валу выше секций механизмом передачи энергии вращения вала в генератор, который размещен в герметичной капсуле, прикрепленной к валу с помощью подшипников, с насаженным сверху вала подшипником, который для устойчивости устройства конструкциями жестко связан с такими же подшипниками соседних агрегатов.

Фиг. 4 - Вертикальный разрез ветроэнергоагрегата на поверхности земли или крыше здания для получения энергии от ветра. Отличие от предыдущего: механизм передачи энергии вращения от вала к генератору и генератор без герметичной капсулы расположены ниже секций.

Фиг. 5 - Размещение гидроэнергоагрегатов с указанными выше устройствами в глубоководной реке вдоль берегов с сохранением фарватера. Так как ближе к середине реки скорость воды выше, то у левого берега по течению размещены агрегаты с вращением устройства против часовой стрелки, у правого - по часовой стрелке. Цифрами 5 и 9 показаны соединяющие энергоагрегаты основания и верхние конструкции для обеспечения устойчивости устройств энергоагрегатов. Цифрой 12 отмечен кабель, по которому электроэнергия от генераторов подается в блок 18, где она от разных генераторов преобразуется, суммируется и синхронизируется с действующей сетью и далее подается в сеть 19 потребителям.

Фиг. 6 - Размещение гидроэнергоагрегатов на базе указанных устройств на дне вдоль берега судоходной бухты, где регулярно происходят приливы и отливы.

Фиг. 7 - Размещение ветроэнергоагрегатов на возвышенности.

Фиг. 8 - Размещение ветроэнергоагрегатов на базе указанных устройств на крышах зданий разных конфигураций.

Фиг.9 - Вертикальный разрез платформы для получения энергии от морских и океанских течений с пятью гидроэнергоагрегатами по ее длине.

Фиг. 10 - Показан вид сверху четырех платформ в море или океане. На каждой платформе по 15 гидроэнергоагрегатов с устройствами.

Лопасти на фиг. 1 и 2 имеют одинаковое техническое решение, но две модификации. Профили лопастей первой модификации на фиг.1 очерчены таким образом: от конечной точки радиуса держателя R₁ проводится прямая линия - хорда D - до пересечения со следующим радиусом держателя, смещенным относительно первого радиуса на 90^o по часовой стрелке, в точку, удаленную от его конца на 2/3 его длины, перпендикулярно хорде D в ее середине проводится другая линия до точки пересечения с первым радиусом держателя, от которой и очерчивается профиль лопасти радиусом R₂ от конца первого радиуса держателя и начала хорды D до точки второго радиуса держателя, удаленной от его конца на 2/3 его длины и являющейся крайней точкой хорды D. Число лопастей 4. Лопасти второй модификации на фиг. 2 отличаются от лопастей первой модификации только тем, что радиусы держателей смещены друг относительно друга не на 90^o, а на 60^o, и соответственно число лопастей не 4, а 6. Устанавливать лопасти больше 6 нецелесообразно, так как падает их эффективность.

На устройства с указанными конфигурациями лопастей и их размещением в держателях поток воды или ветер могут поступать с любой стороны, на фиг. 1 и 2 для простоты описания это направление показано стрелками только с одной стороны, они будут вращаться по часовой стрелке при взгляде сверху вниз. Для обеспечения их вращения против часовой стрелки достаточно перевернуть устройства целиком или только секции, т.е. верх сделать низом, а низ - верхом. При этом поток воды или ветер используются по ширине больше радиусов держателей между точками А и В на фиг. 1, а на фиг. 2 между точками А и В₁ и B₂. На фиг. 1 точка А - это крайняя точка при рабочем ходе вогнутой стороной к потоку воды или ветру. Точка А перемещается с одной лопасти на другую при вращении устройства; B - крайняя передняя точка на выпуклой стороне лопасти при ее возвращении в предрабочее положение, когда она двигается навстречу потоку воды или ветру. Точка B на очередной лопасти при вращении устройства перемещается влево по выпуклой стороне и потом перескакивает на выпуклую сторону следующей лопасти. В точке B встречный поток воды или ветер разделяются на две части. Левая часть стекает бесполезно за пределы устройства. Правая часть стекает на вогнутые стороны других лопастей при их рабочем ходе и тем самым увеличивает давление на них. На фиг. 2 точка А аналогична точке А на фиг. 1. При определенном положении лопастей точка А разделяется на две лопасти при их рабочем ходе. Точки B₁ и B₂ на разных лопастях при определенном положении лопастей сливаются в одну точку B на одной лопасти.

На фиг. 3 и 4 показаны вертикальные разрезы энергоагрегатов для получения энергии от глубоководных рек, приливов и отливов и ветра с рассмотренными выше устройствами из трех секций с валами 1, держателями 3 и подразумеваемыми, но не нарисованными, лопастями. Далее в состав агрегатов входят нижние подшипники 4, основания агрегатов 5, соединенные для устойчивости с основаниями соседних агрегатов, электрогенераторы 6, механизмы 7 передачи энергии вращения устройств в генераторы 6, верхние подшипники 8, конструкции 9, соединяющие агрегаты с соседними агрегатами для устойчивости, кабели 12, отводящие электроэнергию от генераторов к блокам, в которых она преобразуется, суммируется от многих энергоагрегатов, синхронизируется с действующей сетью и далее передается в сеть потребителям. Гидроэнергоагрегат устанавливается на дне 16, ветроэнергоагрегат - на земле или крыше здания 17. У гидроэнергоагрегата, фиг. 3, добавляются: прикрепляющаяся к верхней конструкции 9 герметичная капсула 11, в которой размещается электрогенератор 6, герметичный подшипник 10, через который проходит вал механизма 7 передачи энергии вращения устройства в электрогенератор 6, нижний держатель капсулы 13, подшипник 14, с помощью которого этот держатель прикрепляется к валу 1. При достаточно надежном креплении капсулы 11 к конструкции 9 нижний держатель 13 и его подшипник 14 можно не устанавливать. И наконец, в зимнее время на поверхности водных потоков устанавливается лед 15.

Для удобства обслуживания, ремонта и замены у гидроэнергоагрегата, размещенного на дне, фиг. 3, электрогенератор 6 в герметичной капсуле 11 размещается выше устройства, а у ветроэнергоагрегата, фиг. 4, генератор размещается ниже устройства.

На фиг. 5 схематично показано размещение гидроэнергоагрегатов вдоль берегов реки, чтобы не мешать судоходству. Учитывая, что течение реки ближе к середине бывает сильнее, в соответствии с направлением потока у правого берега устанавливаются устройства, вращающиеся по часовой стрелке, у левого - против часовой стрелки. Одной чертой с цифрами 5 и 9 показаны соединяющие соседние гидроэнергоагрегаты для устойчивости нижние основания и верхние конструкции. Так как у этих агрегатов генераторы расположены выше устройств, то по верхним конструкциям агрегатов правого и левого берегов, от агрегатов левого берега к правому по дну и далее на правый берег прокладывается кабель 12, по которому электроэнергия от генераторов энергоагрегатов поступает в блок 18, где электроэнергия от разных агрегатов преобразуется, суммируется, синхронизируется с действующей трехфазной сетью 19, и далее от блока 18 передается в сеть 19 потребителям. На фиг. 5 показаны также берега реки 20.

На фиг. 6 схематично показано размещение гидроэнергоагрегатов на дне вдоль берега 20 судоходной бухты, где регулярно происходят приливы и отливы. Так же как на фиг. 5, здесь одной чертой показаны соединяющие для устойчивости соседние гидроэнергоагрегаты нижние основания 5 и верхние конструкции 9. Так как генераторы у этих агрегатов расположены выше устройств, то по верхним соединительным конструкциям и далее на берег бухты прокладывается кабель 12, по которому электроэнергия от генераторов этих агрегатов направляется в блок 18 и далее, как в предыдущем случае.

На фиг. 7 схематично показано размещение ветроэнергоагрегатов на возвышенности, контуры которой очерчены извилистой линией 21. Также одной чертой показаны нижние основания 5 и верхние конструкции 9. Так как у ветроэнергоагрегатов генераторы располагаются ниже устройств, то кабели 12 от генераторов прокладываются по нижним основаниям и электроэнергия по ним направляется в блок 18 и далее, как и в предыдущих случаях.

На фиг. 8 также схематично показано возможное размещение ветроэнергоагрегатов на крышах зданий 22 разных конфигураций. Для уменьшения вибрации производится тщательная центровка устройств и под их основания подкладываются резиновые амортизаторы. Во избежание обрушения агрегатов с крыш при сильном ветре устройства делаются из одной, максимум - двух секций.

Для получения практически неограниченных объемов энергии от морских и океанских течений предлагается создание платформ, на которых монтируется несколько гидроэнергоагрегатов. На фиг.9 показан вертикальный разрез одной из платформ 23, по длине которой размещены пять гидроэнергоагрегатов с устройствами описанной выше конструкции из трех секций. Указаны валы 1, дисковые держатели лопастей 3, механизмы 7 передачи энергии вращения устройств в электрогенераторы и сами генераторы 6. Верхняя часть валов равна высоте платформы, чтобы под напором течения устройства не выворачивались из платформы. Для предотвращения выскальзывания достаточно тяжелых устройств из платформы вниз в верхних частях валов внутри платформы имеются по два наплыва, верхний и нижний, которые закрепляются в верхних и нижних подшипниках 4 и обеспечивают устойчивое вращение устройств. Нижние подшипники 4 делаются герметичными. Оборудование агрегатов, т.е. верхние части валов, подшипники 4, механизмы 7 передачи энергии и генераторы 6 размещены в отсеках с герметичными переборками 29, которые обеспечивают дополнительную жесткость конструкции платформы, ее плавучесть при прорыве воды в любой из отсеков. В переборках для прохода ремонтников делаются герметично закрывающиеся люки. Для проведения осмотра и ремонта оборудования агрегатов и самой платформы и для причаливания подводных аппаратов с персоналом и прохода внутрь платформы и облегчения ее погружения на нужную глубину, чтобы не мешать судоходству, платформа обеспечивается балластными цистернами 24. Для удержания платформы на определенной глубине и в определенном месте она прикрепляется к дну моря или океана 16 с помощью тросов 25 и якорей 26. Для погружения платформы на нужную глубину, кроме закачивания воды в балластные цистерны 24, предусмотрено ее подтягивание к якорям 26 четырьмя тросами 25 с помощью установленных в специальных отсеках по углам платформы четырех лебедок 27, которые при необходимости путем отматывания с них тросов 25 позволяют всплыть платформе для капитального осмотра и ремонта платформы и ее оборудования. При полном вытеснении воды из балластных цистерн сжатым воздухом обеспечивается такая плавучесть платформы, которая позволяет подтянуть к ней якоря с помощью лебедок для последующего буксирования платформы в нужное место. Поверхность моря или океана отмечена цифрой 28.

В качестве примера на фиг. 10 показано размещение четырех платформ, в каждой из которых по 15 гидроэнергоагрегатов, электроэнергия от их генераторов по кабелям 12 собирается в одном месте одной из ближайших к берегу платформ и далее по объединенному кабелю направляется на берег 20 в блок 18 и в сеть 19. Платформы предусмотрено строить на заводах и потом буксировать к месту установки. Размеры платформ и соответственно объем получаемой от них энергии ограничиваются прочностью конструкций и возможностями завода-изготовителя и буксиров. Для уменьшения трения о воду, защиты от коррозии и морских организмов устройства и платформы имеют специальные покрытия.

Таким образом, предлагается устройство для получения электроэнергии с высоким КПД и экологически чистым способом от возобновляемых источников - природных процессов: глубоководных равнинных и низинных рек, приливов и отливов без строительства плотин и затопления земли, морских и океанских течений 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. Устройство просто в строительстве и надежно в эксплуатации. Возможно массовое производство таких устройств по типоразмерам в зависимости от мощности гидро(ветро)-энергоагрегатов.

Устройство предназначено для получения электроэнергии. На вертикальном валу насажены цилиндрические секции, состоящие из верхних и нижних держателей с закрепленными между ними параллельно валу равномерно расположенными лопастями. Профиль каждой лопасти выполнен по радиусу, центр которого расположен на прямой, соединяющей наружный конец лопасти с осью вала на расстоянии, определяемом перпендикуляром, проведенным через центр хорды, соединяющей концы лопасти, причем внутренний конец лопасти расположен на расстоянии 2/3 от наружного конца на прямой, соединяющей наружный конец соседней лопасти с осью вала. Такой профиль лопастей позволяет повысить КПД преобразования энергии потока в электрическую энергию. 10 ил.

Устройство для получения энергии от природных процессов, содержащее вертикальный вал с насаженными на нем цилиндрическими секциями, состоящими из верхних и нижних держателей и закрепленных между ними параллельно валу равномерно расположенных лопастей, причем секции установлены на валу последовательно друг над другом без нарушения целостности соседних секций, суммарная высота секций не превышает глубину потока, обеспечивающего получение энергии, для преобразования получаемой энергии в электрическую оно сопряжено с помощью механизма передачи вращения с генератором, обеспечивающим передачу электроэнергии по кабелю через блок преобразования к потребителю, отличающееся тем, что профиль каждой лопасти выполнен по радиусу, центр которого расположен на прямой, соединяющей наружный конец лопасти с осью вала на расстоянии, определяемом перпендикуляром, проведенным через центр хорды, соединяющей концы лопасти, причем внутренний конец лопасти расположен на расстоянии 2/3 от наружного конца на прямой, соединяющей наружный конец соседней лопасти с осью вала.