ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ПРИВОДИМЫЙ В ДЕЙСТВИЕ ПРИЛИВНЫМИ ТЕЧЕНИЯМИ Российский патент 2008 года по МПК F03B13/26 

Изобретение относится к установкам для генерирования электрической энергии из открытых текущих масс воды, прежде всего приливных течений, в основном в узких и мелких проливах. В частности, изобретение относится к генератору электрической энергии, приводимому в действие приливными течениями, содержащему турбину, установленную в корпусе для вращения в нем вокруг, по существу, вертикальной оси.

Изобретение представляет интерес, в частности, там, где необходимо дорожное или мостовое соединение.

Приливные течения в море происходят вследствие сил гравитации луны и солнца. Огромные массы воды толкаются вперед и назад и образуют отлив и прилив. Эти волны движутся в западном направлении в результате вращения Земли и имеют высоту волны в основных океанах менее одного метра. Когда эти приливные волны входят в ограниченные зоны, то возникают большие амплитуды прилива. Одним примером этому является Ла-Манш с разницей между приливом и отливом до 15 м. В других местах, например во фьорде Осло, могут быть меньшие различия между приливом и отливом. Это обусловлено географическими условиями.

Ритмичное поднимание и опускание поверхности моря, управляемое гравитационными силами небесных тел, можно вычислять заранее на длительное время. Такие вычисления занесены в таблицы приливов для большинства используемых морей. Этот предсказуемый компонент приливных течений, а именно астрономическую амплитуду прилива, можно использовать для генерирования электрической энергии. Дополнительно к этому имеется метеорологический компонент, который обусловлен ветром и давлением воздуха. Одним примером этому является фьорд Осло, где длительное низкое давление и южный ветер могут нагнетать дополнительные массы воды в систему фьорда. Этот компонент нельзя использовать для генерирования электрической энергии. Однако на стадии планирования необходимо принимать во внимание, что метеорологический компонент, как и астрономический компонент способны возникать одновременно.

Проведенный в Европейском совете анализ показывает, что потенциал приливной энергии составляет более 100 ТВтч, в основном вокруг побережий Великобритании и Франции. Подходящие места в Норвегии для приливных электростанций находятся от северной части западной Норвегии до границы с Россией. В отличие от ветра и волн, которые зависят от нестабильных геофизических процессов, астрономический компонент приливных потоков является устойчивым и предсказуемым источником энергии.

Энергию можно получать от приливных потоков посредством использования разницы в уровне между приливом и отливом (потенциальной энергии) и обуздания кинетической энергии потока воды, или комбинации этих видов энергии.

Использование энергии приливных потоков осуществлялось в специальных мельничных конструкциях во Франции и Испании до одиннадцатого века. В настоящее время в эксплуатации находятся несколько приливных электростанций. Наиболее известными являются большая электростанция в Ла Рансе во Франции с 24 турбинами и менее крупная электростанция в Кислогорске в России. Общим признаком этих электростанций является использование неподвижно установленных турбин типа Каплан с регулируемыми направляющими лопатками и регулируемыми турбинными лопастями. Когда прилив меняет направление, то поток воды сначала ударяется в направляющие лопатки после прохождения через турбину. Это приводит к уменьшению эффективности турбины.

В заявке на патент Норвегии №20010737 раскрыта система для крепления на сваях ко дну с полностью погруженным в воду блоком турбины и генератора. В документе описаны системы для соединения со свайным фундаментом и отсоединения от него.

В US 5440176 раскрыты установки для генерирования электрической энергии, содержащие погруженные в воду рамные структуры, имеющие блоки турбины и генератора, выполненные с возможностью подъема и опускания, а также поворота по отдельности.

Кроме того, в GB 2298004 раскрыта приливная электростанция, где турбина установлена в проточном канале в плотине или перемычке с дорогой наверху. В US 4468153 раскрыта приливная электростанция, которая имеет турбину, которую можно поворачивать, так что можно использовать приливное движение в обоих направлениях. В WO 00/50768 и GB 2311566 раскрыты водяные турбины, выполненные с возможностью использования протекающей воды, в частности, приливных течений. Турбина установлена на свае или колонне, которую можно поворачивать.

Поэтому имеется потребность в устройстве для генерирования электрической энергии из приливных течений, эффективном в стоимостном выражении, при этом машинное оборудование можно быстро и эффективно вынимать из моря и переводить, например, в место технического обслуживания без необходимости использования водолазов и дорогих морских кранов. Желательно также создать простую конструкцию турбины высокой эффективности, независимую от направления водного потока. Желательно также создать устройство генератора электрической энергии, которое расположено так, что собственно генератор и другое электрическое оборудование установлено над наивысшим зарегистрированным уровнем воды и, таким образом, является защищенным и легко доступным для работы и технического обслуживания.

Эти проблемы решены согласно изобретению за счет создания устройства, содержащего турбину, установленную в корпусе турбины с возможностью поворота в нем вокруг, по существу, вертикальной оси, характеризующегося тем, что турбина закреплена на опорной колонне, которая нижним участком опирается с возможностью поворота на нижний участок корпуса турбины и которая верхним участком в горизонтальной плоскости опирается на множество поворотных элементов, находящихся в зацеплении с участком внутренней стенки корпуса турбины, за счет чего указанную турбину можно избирательно поворачивать в корпусе турбины, так что турбина все время оптимально расположена относительно преобладающего направления течения воды.

Предпочтительные варианты выполнения устройства согласно изобретению раскрыты в зависимых пунктах 2-9 прилагаемой формулы изобретения.

Другой целью данного изобретения является получение сплошного и поглощающего вибрации соединения между стальной конструкцией турбины и внутренней грубой бетонной поверхностью корпуса турбины. Вариант выполнения предъявляет умеренные требования к бетонной поверхности и внутреннему профилю корпуса турбины, а возможные неровности поглощаются уплотнениями.

Ниже приводится подробное описание одного варианта выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых подобные детали обозначены одинаковыми позициями и на которых изображено:

фиг.1 - три устройства, согласно изобретению установленные последовательно с образованием дорожного полотна, при этом одно устройство показано в разрезе;

фиг.2 - упрощенная схема расположения согласно фиг.1, вид сверху;

фиг.3 - разрез по плоскости С-С на фиг.1.

Как показано на фиг.1, устройство согласно изобретению содержит турбину 10 с турбинными лопастями 12, установленную на опорной колонне 22 в корпусе 30 турбины. Корпус турбины может быть выполнен из бетона и состоять из предварительно изготовленных элементов, которые доставляются на место и устанавливаются в желаемой точке на морском дне, так что самая верхняя часть (дорожное полотно 40) находится над наивысшим зарегистрированным уровнем воды. Корпус 30 турбины, показанный на фиг.1, является закрытым, за исключением проточного отверстия 32, через которое проходят потоки приливного течения. В корпусе турбины в правой части фиг.1 крышка корпуса турбины удалена для показа внутренней структуры корпуса и установки турбины. Можно видеть, что турбина соединена с генератором 38 (предпочтительно расположенным в корпусе 39 генератора на одном уровне с указанным дорожным полотном 40). Преимуществом этого является то, что генератор 38 надежно расположен выше наивысшего зарегистрированного уровня воды и к нему имеется простой доступ для обеспечения работы и технического обслуживания.

На фиг.2 показано, вид сверху, расположение, где корпуса 30 турбины имеют отверстие 45 для доступа, которое обычно закрыто крышкой 44. После монтажа, экстенсивного технического обслуживания и возврата всего блока генератор-турбина можно легко установить над отверстием 45 доступа установочное средство 42, такое как автомобиль, и возвращать или опускать полный блок генератор-турбина.

Как указывалось выше, устройство согласно изобретению содержит турбину 10, которая установлена на опорной колонне 22. На своем верхнем конце опорная колонна соединена с генератором 38, а на своем нижнем конце опирается в точке 24 на дно корпуса турбины. Нижняя опорная точка может быть предпочтительно поворотным соединением с водяной смазкой, например из резины, что обеспечивает поворот всей поддерживающей турбину колонны вокруг вертикальной оси.

На фиг.1 и 3 показан, по существу, круговой элемент 28, установленный на опорной колонне под генератором. Этот элемент сужается в направлении турбины для уменьшения проточного отверстия 32 корпуса турбины до размера, по существу равного диаметру, заданному турбинными лопастями 12. Естественно, это является хорошо известным использованием так называемого принципа Вентурри для увеличения скорости потока и для извлечения возможно большей энергии из водных масс.

Зона в корпусе турбины поверх этого элемента 28 предпочтительно является сухой, то есть вода не должна протекать в это пространство. Для обеспечения горизонтальной опоры указанной опорной колонны 22, на верхнем участке опорной колонны предусмотрено множество поворотных элементов 36, которые при работе установки находятся в зацеплении с участком внутренней стенки корпуса турбины. Эти поворотные элементы (на фигурах показаны три из них) предпочтительно являются приводимыми в действие гидравлически или электрически резиновыми колесами. Дополнительно к обеспечению горизонтальной опоры эти поворотные элементы или колеса 36 способны вызывать поворот турбины, когда это желательно, относительно направления потока воды. Когда желательно повернуть турбину при изменении направления прилива, просто приводят в действие колеса 36, и за счет трения между колесами и внутренней стенкой корпуса турбины происходит поворот опорной колонны 22. Колеса 36 предпочтительно заполнены одной или несколькими текучими средами, такими как воздух и/или другой газ, и/или жидкость.

Для предотвращения протечки из зоны потока в зону над круговым элементом 28 может быть предусмотрено уплотнение вокруг наибольшей периферии кругового элемента 28. Это уплотнение 34 может быть, например, резиновой трубой, которую можно избирательно расширять и сужать с использованием гидравлических или пневматических средств и которая дополнительно к указанной функции помогает удерживать опорную колонну в желаемом положении (другими словами, быть своего рода фиксирующим механизмом) и предотвращать распространение вибраций (и тем самым шума) от турбины во время работы в корпус турбины. Уплотнение 34 также эффективным образом поглощает неравномерности внутренней стенки корпуса турбины. Жесткость уплотнения можно предпочтительно регулировать в зависимости от действительной нагрузки и вибраций. Кроме того, уплотнение можно предпочтительно сдувать при вращении турбины и надувать при повороте турбины в новое желаемое положение. Такое надувание и сдувание можно предпочтительно автоматизировать и синхронизировать с поворотом турбины на стадии изменения направления приливного потока.

Известно, что необходимо как можно большую часть энергии масс воды передавать на лопасти турбины. Это означает, что вода после прохождения турбинных лопастей имеет возможно большую свободу для вращения. Это достигается известным образом с помощью направляющих лопаток, придающих водным массам определенное вращение, противоположное направлению вращения турбины перед достижением водными массами турбинных лопастей. В устройстве согласно изобретению это решено тем, что сама опорная колонная 22 выполнена в форме направляющих лопаток. Это показано на фиг.3 в разрезе по линии А-А и в разрезе по линии В-В, из которой следует, что опорная колонна имеет профиль поперечного сечения, который обеспечивает вращение в направлении, противоположном направлению вращения потока воды при прохождении турбинных лопастей 12.

Как показано на фиг.1 и 2, желаемое число устройств согласно изобретению расположено последовательно с образованием основания для дорожного полотна 40. Корпус 30 турбины может быть, как указывалось выше, предварительно изготовленным элементом, который можно доставлять вплавь на место. Таким образом, изобретение предлагает устройство для эффективного в отношении стоимости извлечения электрической энергии из приливных течений. Машинное оборудование можно быстро и эффективно поднимать из моря и перемещать в место технического обслуживания без необходимости использования водолазов и дорогих морских кранов. Во время подъема и установки блока поворотные элементы (резиновые колеса 36) можно сдувать для облегчения подъема или опускания блока.

Когда блок находится на месте в корпусе турбины, колеса надувают, пока не будет получен желаемый контакт с внутренней стенкой 31.

Как указывалось выше, управление как поворотными элементами, так и уплотнениями выполняется автоматически, например, с помощью компьютера, когда изменяется направление приливного потока. Среда для создания внутреннего давления в уплотнении (например, плоской трубе 34) удаляется, так что труба занимает свое нерабочее положение, которое обычно находится на расстоянии от бетонной стенки. Затем включаются поворотные электродвигатели, и поворотные элементы 36 перемещаются, пока турбина не будет повернута на 180°. Затем сжатую среду нагнетают в уплотнение, которое в своем надутом состоянии обеспечивает фиксированное, но упругое соединение между турбиной и корпусом турбины.

Изобретение предлагает простую конструкцию турбины высокой эффективности в обоих направлениях потока воды. Чувствительное оборудование, такое как генератор и другое электрическое оборудование, расположено защищенным образом над наивысшим нормальным уровнем воды. Кроме того, обеспечивается эффективное в отношении стоимости и поглощающее шум соединение между блоком турбина-генератор и корпусом турбины.

Устройство предназначено для преобразования энергии приливных течений в электрическую энергию. Генератор электроэнергии содержит турбину, установленную в корпусе турбины с возможностью поворота в нем вокруг, по существу, вертикальной оси. Турбина соединена с опорной колонной, которая нижним участком опирается с возможностью поворота на нижний участок корпуса турбины и которая с помощью множества поворотных элементов находится в зацеплении с верхним участком внутренней стенки корпуса турбины. Таким образом, турбину можно избирательно поворачивать в корпусе турбины с помощью поворотных элементов, что позволяет обеспечить высокую эффективность работы в обоих направлениях потока воды. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство генерирования электрической энергии, приводимое в действие приливными течениями, содержащее турбину (10), установленную в корпусе (30) турбины с возможностью поворота в нем вокруг, по существу, вертикальной оси, отличающееся тем, что турбина (10) соединена с опорной колонной (22), которая нижним участком (24) опирается с возможностью поворота на нижний участок корпуса турбины и которая верхним участком в горизонтальной плоскости опирается на множество поворотных элементов, находящихся в зацеплении с участком внутренней стенки корпуса турбины, за счет чего указанную турбину можно избирательно поворачивать в корпусе турбины так, что турбина все время оптимально расположена относительно преобладающего направления течения воды.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные поворотные элементы выполнены с возможностью приведения в действие и тем самым избирательного поворота турбины.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поворотные элементы являются приводимыми в действие гидравлически или электрически колесами (36).4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит элемент (28) на опорной колонне между турбиной (10) и поворотными элементами, который сужается в направлении указанной турбины с целью уменьшения проточного отверстия (32) корпуса турбины до размера, почти равного диаметру, заданному лопастями (12) турбины.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит уплотнение (34) на, по существу, круговом элементе (28) в горизонтальной плоскости на опорной колонне, имеющем большую окружность, чем опорная колонна, при этом указанный элемент расположен между турбиной (10) и поворотными элементами (36), указанное уплотнение расположено вокруг наибольшей периферии кругового элемента (28).6. Устройство по любому из пп.1 и 5, отличающееся тем, что указанное уплотнение (34) можно избирательно приводить в контакт с окружающей зоной внутренней стенки (31) корпуса турбины с целью удерживания опорной колонны в желаемом положении для предотвращения входа воды в пространство над указанным круговым элементом (28) и для предотвращения передачи вибраций от турбины во время работы в корпус (30) турбины.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один участок указанной опорной колонны (22) выполнен в форме направляющих лопаток для придания потоку воды во время работы направления вращения, которое противоположно направлению вращения, которое придается потоку воды при прохождении лопастей (12) турбины.8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передача энергии между турбиной (10) и генератором (38) обеспечивается посредством внутреннего канала в указанной опорной колонне (22) и что указанный генератор расположен на уровне выше указанного кругового элемента (28), предпочтительно над указанным корпусом (30) турбины.9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус (30) турбины является предварительно изготовленным элементом, который можно доставить вплавь к месту, где необходимо генерировать электрическую энергию, и установить на морское дно так, что верхний участок корпуса турбины находится на уровне, превышающем зарегистрированный нормальный уровень воды.