БЕСПЛОТИННАЯ ВСЕСЕЗОННАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2015 года по МПК F03B9/00 

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к бесплотинным гидроэлектростанциям, преобразующим энергию водных масс в русловых водотоках и приливных движениях в электроэнергию, и применяется, в основном, на реках с использованием естественного потока без предварительного его преобразования.

Известна бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция, содержащая зафиксированную в потоке посредством донного фундамента или плавающего средства крепежную клеть с выполненными рядом в начале встречи потока двумя приводными барабанами, а в конце клетки по ее углам - с барабанами холостого хода. При этом клеть усилена центральной перегородкой. Барабаны выполнены полыми с осями и расположенными по торцам барабанов зубчатыми колесами, контактирующими с цепной зубчатой передачей. На последней посредством осей закреплены двустворчатые лопасти, образуя замкнутые, типа транспортера, правую и левую петли, выполненные из жесткого материала и разнесенные под углом от центральной перегородки, с обеспечением вращения в разные стороны ведомых барабанов, связанных шестернями устройства обратного вращения и мультипликатора с электрогенератором. Причем створки лопастей закреплены свободно с возможностью открытия и закрытия потоков, при закрытии внутренняя створка лопасти располагается с возможностью скольжения по оси барабана холостого хода, а фиксация открытия створок произведена посредством ограничителя (см., например, RU 2227227, F03B 9/00, F03B 17/06, опубл. 20.04.2004).

Недостатками известного устройства являются: сложная конструкция, приводящая к сложности эксплуатации, сопротивление сложенных лопастей встречному водному потоку уменьшает КПД, небольшая разгерметизация приводит к аварии.

Известна подводная гидроэлектростанция, содержащая водовод для ускорения захваченного водного потока, ленту из шарнирно соединенных пластин с поперечными, шарнирно соединенными с ней пластинами-лопастями и охватывающую две пары зубчатых колес, мультипликатор, соединенный с осью одной пары колес, а выходной осью соединенный с осью якоря электрогенератора, помещенного в водонепроницаемый корпус, пластину-заслонку, закрывающую путь водному потоку по проему между лентой, движущейся в обратном направлении, и стенкой водовода (см., например, RU 2398071, E02B 9/00, опубл. 27.08.2010).

Устройство имеет существенные недостатки: большие потери энергии на перемещение лопастей в исходное (начальное) положение против течения среды, низкий КПД, обусловленный малым количеством рабочих лопастей, проблемы с герметизацией и высокой влажностью в генераторном корпусе могут привести к аварии.

Из существующего уровня техники известно устройство преобразования энергии течения рек в механическую энергию, содержащее бесконечный состоящий из не менее двух параллельных частей гибкий привод с лопастями, охватывающий ролики с осями, установленные над зеркалом воды, и вал с системой шестерен. Лопасти выполнены в виде вертикальных полотен, установленных на гибком приводе с возможностью поворота на 90°. Устройство снабжено дополнительными роликами для поддержания верхней части привода в воздухе. Один из них выполнен в виде шестерни, установленной выше основных роликов с охватом гибким приводом, а вал служит ее осью (см., например, RU 2022156, F03B 9/00, опубл. 30.10.1994).

Недостатками данного устройства являются невозможность работы в зимний период, низкий КПД вследствие образования завихрений воды, обусловленного конструкцией и расположением лопастей.

Из существующего уровня техники известна погружная ГЭС с эластичными и жесткими лопатками на бесконечной ленте, содержащая корпус с боковыми верхними бортами, механизм отбора мощности и генератор, вращающиеся барабаны. Лопасти с поплавками на верхней части установлены на бесконечной движущейся эластичной ленте, которая вращается за счет потока воды. Поплавок выполнен с возможностью раскрытия лопастей в потоке и складывания в противотоке. Передний торец корпуса выполнен с направляющей поперечной кромкой с возможностью образования искусственного подпора потока. Между барабанами расположен герметичный отсек. Лопасти выполнены в виде эластичных тканевых карманов со стабилизирующим вырезом или жестких поворотных лопаток. Поплавки выполнены в виде вращающихся плавающих роликов, боковые верхние борта размещены на высоте уровня роликов. Герметичный отсек выполнен для поддержания ленты. В нем размещены механизм отбора мощности и генератор (см., например, RU 2395000, F03B 9/00, 20.07.2010).

Недостатками данного устройства являются: потери энергии при возврате лопастей в рабочее положение, которые преодолевают водное сопротивление и трение поплавков о корпус, ограниченное количество рабочих лопастей снижает КПД, приводит к проблемам при эксплуатации и высокой аварийности.

Наиболее близким по технической сущности является бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция, содержащая плавучее основание, выполненное в виде катамарана, на котором размещены приводы генераторов тока и генераторы тока. Между корпусами катамарана укреплена бесконечная лента на шкивах, снабженная лопастями. Устройство снабжено корпусом (см., например, GB 2419383, F03B 13/18, опубл. 26.04.2006). Недостатком данного устройства является низкий КПД.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание бесплотинной всесезонной гидроэлектростанции, работающей круглый год, имеющей высокий КПД, с увеличенным ресурсом работы.

Поставленная задача решается за счет того, что в предложенной бесплотинной всесезонной гидроэлектростанции, содержащей плавучее основание, выполненное в виде катамарана, на котором размещены приводы генераторов тока, генераторы тока, между корпусами катамарана укреплена бесконечная лента на шкивах, снабженная лопастями, согласно изобретению на плавучем основании размещены защитная решетка и обтекаемый купол, бесконечная лента оснащена роликами для поддержания верхней части ленты в воздухе, а между лопастями закреплены листы из гибкого материала, при этом устройство снабжено системой погружения и подъема устройства, состоящей из грузов, тросов и лебедок, а также системой стабилизации параметров тока и системой наддува водолазного купола, имеющих совмещенный электрокабель-шланг, обеспечивающий подачу воздуха для наддува обтекаемого купола, причем система наддува получает энергию от одного из генераторов, оснащена аппаратурой для автоматического поддержания заданного уровня воды в обтекаемом куполе и выполнена с таким расчетом, чтобы уровень воды под обтекаемым куполом не покрывал верхнюю часть бесконечной ленты.

Техническим результатом, достигаемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение круглогодичной работы устройства, в том числе и под водой, при минимальных затратах за счет снабжения устройства обтекаемым куполом и системой погружения и подъема устройства, состоящей из грузов, тросов и лебедок; повышение коэффициента полезного действия (КПД) устройства посредством уменьшения количества возникающих в воде завихрений, снижающих эффективность работы устройства за счет выполнения купола обтекаемым, посредством устранения сопротивления воды при холостом ходе за счет оснащения бесконечной ленты роликами для поддержания ее верхней части в воздухе, оснащения системы наддува аппаратурой для автоматического поддержания заданного уровня воды в обтекаемом куполе и выполнения ее с таким расчетом, чтобы уровень воды под обтекаемым куполом не покрывал верхнюю часть бесконечной ленты, а также посредством увеличения площади соприкосновения потока воды с рабочей поверхностью лопастей за счет закрепления между лопастями листов из гибкого материала, что в свою очередь увеличивает ресурс работы бесконечной ленты; обеспечение энергетической автономности работы устройства за счет получения энергии системой наддува от одного из генераторов без подключения к внешнему источнику питания; увеличение ресурса службы и повышение удобства и безопасности обслуживания при выявлении неисправностей за счет снабжения устройства совмещенным электрокабель-шлангом; обеспечение интеграции гидроэлектростанции в современную систему электроснабжения посредством системы стабилизации параметров тока. Кроме того, снабжение устройства защитной решеткой также увеличивает ресурс работы бесконечной ленты, поскольку защищает лопасти не только от попадания мусора летом, а в осенне-весенний период от попадания льдин, но также защищает их от воздействия разнонаправленных волн, возникающих от судоходства.

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежом, на котором схематически изображена бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция.

Бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция содержит плавучее основание 1, которое выполнено в виде катамарана. На основании 1 размещены приводы 2 генераторов тока и генераторы тока 3. Между корпусами катамарана укреплена бесконечная лента 4 на шкивах 5. Бесконечная лента 4 снабжена лопастями 6, расположенными перпендикулярно направлению потока воды (на чертеже обозначен стрелкой). На плавучем основании 1 размещены защитная решетка 7 и обтекаемый купол 8. Бесконечная лента 4 оснащена роликами 9 для поддержания верхней части ленты в воздухе. Между лопастями 6 закреплены листы 10 из гибкого материала. Система погружения и подъема устройства состоит из грузов 11, тросов 12 и лебедок (на чертеже условно не показано). Система стабилизации параметров тока и система наддува водолазного купола имеют совмещенный электрокабель-шланг 13, обеспечивающий подачу воздуха для наддува обтекаемого купола 8. Система наддува получает энергию от одного из генераторов 3. Она оснащена аппаратурой для автоматического поддержания заданного уровня воды в обтекаемом куполе 8 и выполнена с таким расчетом, чтобы уровень 14 воды под обтекаемым куполом 8 не покрывал верхнюю часть бесконечной ленты 4.

Устройство работает следующим образом.

Гидроэлектростанция помещается на течении реки и фиксируется с помощью грузов 11 и тросов 12, опускается защитная решетка 7. На основание 1 устанавливается обтекаемый купол 8. Шкивы 5 снимаются с тормозного стопора, и бесконечная лента 4 под воздействием потока воды на лопасти 6 и листы 10 из гибкого материала начинает вращение, которое передается через приводы 2 генераторов тока на генераторы тока 3. Устройство начинает вырабатывать электроэнергию. При этом под воздействием потока воды листы 10 из гибкого материала начинают изгибаться в сторону лопасти 6, образуя дугообразную рабочую поверхность, площадь которой больше по сравнению с площадью самой лопасти, что способствует увеличению нагрузки со стороны потока на рабочую поверхность, повышению скорости перемещения бесконечной ленты 4 и, как следствие, передаче более высокого момента вращения на приводы 2 генераторов тока. Это приводит к получению большего количества энергии в единицу времени, то есть увеличивает коэффициент полезного действия устройства. Кроме того, листы 10 из гибкого материала благодаря их свойству упругости способствуют снижению ударной нагрузки на лопасть при гидроударах, возникающих при движении судов по реке, ледоходе, ледоставе и т.д. за счет демпфирования листами энергии гидроудара. Затем устройство погружается под воду, на определенную глубину, с помощью грузов 11. тросов 12 и двух электролебедок (на чертеже условно не показано). Через совмещенный электрокабель-шланг 13 энергия от генераторов тока 3 передается на систему стабилизации тока, находящуюся на берегу, и одновременно поступает воздух для наддува обтекаемого купола 8 из системы наддува, питающейся от одного из генераторов тока 3. Система наддува обеспечивает уровень 14 воды под обтекаемым куполом 8 на таком уровне, чтобы вода не покрывала верхнюю часть бесконечной ленты 4. Аппаратура для автоматического поддержания заданного уровня воды контролирует этот процесс. При этом обеспечивается постоянное поддержание воздушного пространства под обтекаемым куполом, что позволяет непрерывно поддерживать верхнюю часть бесконечной ленты с помощью роликов 9 в воздухе, устраняя этим сопротивление воды при холостом ходе, что также в итоге увеличивает КПД устройства.

После того, как лопасти 6 поднимаются из воды в результате перемещения бесконечной ленты 4, они переходят в положение холостого хода - складываются, прижимаясь к бесконечной ленте 4. При этом листы 10 из гибкого материала складываются вместе с лопастями 4. Гибкость листов 10 позволяет им складываться в положение холостого хода без необратимых деформаций и смягчать при этом удар лопасти 6 о бесконечную ленту 4 при ее складывании, что увеличивает ресурс работы бесконечной ленты 4.

Защитная решетка 7 защищает лопасти 6 летом от попадания мусора, в осенне-весенний период - от попадания наряду с мусором ледяных кусков (ледоход, ледостав). Кроме того, она защищает устройство от разнонаправленных волн, возникающих от судоходства, играя роль рассекателя. Выполнение купола 9 обтекаемым уменьшает количество возникающих в воде завихрений, снижающих эффективность работы устройства и ухудшающих судоходность реки, в которой размещена гидроэлектростанция. Система наддува получает энергию от одного из генераторов 3 без подключения к внешнему источнику питания, что обеспечивает энергетическую автономность работы устройства, позволяющую эксплуатировать устройство вдали от существующих ЛЭП.

Система стабилизации параметров тока обеспечивает необходимость интеграции гидроэлектростанции в современную систему электроснабжения, а также использование электроэнергии для работы аппаратуры системы наддува, обеспечивая работоспособность данного устройства. Совмещенный электрокабель-шланг 10 обеспечивает двойную функцию, передавая вырабатываемую электроэнергию от гидроэлектростанции и воздух к гидроэлектростанции, при этом шлангом обеспечивается дополнительная механическая защита электрокабеля, что увеличивает ресурс службы и повышает удобство и безопасность обслуживания при выявлении неисправностей, за счет улучшенного контроля целостности оболочек электрокабеля, так как при повреждении шланга под водой произойдет подтекание воздуха в месте повреждения, что позволит своевременно визуально определить локализацию неисправности и предотвратить аварию.

К достоинствам бесплотинной всесезонной гидроэлектростанции можно отнести:

- работает круглогодично, снабжая даровой электроэнергией ранее недоступные места недалеко от рек, независимо от скорости течения воды и повышает уровень жизни местных жителей;

- обладает высоким КПД благодаря увеличению рабочих плоскостей под нагрузкой с помощью тонких листов из гибкого материала и увеличению количества генераторов тока;

- универсальность - можно выпускать несколько вариантов гидроэлектростанции от переносного варианта до стационарного устройства, большой мощности, изменяя параметры и размеры установки;

- простота конструкции позволяет проводить ремонт силами персонала в полевых условиях, даже в зимний период благодаря обтекаемому куполу;

- большим рабочим ресурсом, т.к. основную часть времени работает под водой при положительных температурах.

Данный способ отъема мощности водного потока является наиболее выгодным и с экологической точки зрения, так как совершенно не нарушает естественного русла реки, занимая минимальную площадь, тем самым, не препятствуя судоходству, а также свободному перемещению речной фауны и флоры в отличие от обычных гидроэлектростанций.

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к бесплотинным гидроэлектростанциям. Бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция содержит плавучее основание 1, которое выполнено в виде катамарана. На основании 1 размещены приводы 2 генераторов тока и генераторы тока 3. Между корпусами катамарана укреплена бесконечная лента 4 на шкивах 5. Лента 4 снабжена лопастями 6, расположенными перпендикулярно направлению потока воды. На плавучем основании 1 размещены защитная решетка 7 и обтекаемый купол 8. Лента 4 оснащена роликами 9 для поддержания верхней части ленты в воздухе. Между лопастями 6 закреплены листы 10 из гибкого материала. Система погружения и подъема устройства состоит из грузов 11, тросов 12 и лебедок. Система стабилизации параметров тока и система наддува водолазного купола имеют совмещенный электрокабель-шланг 13, обеспечивающий подачу воздуха для наддува обтекаемого купола 8. Система наддува получает энергию от одного из генераторов 3. Она оснащена аппаратурой для автоматического поддержания заданного уровня воды в куполе 8 и выполнена с таким расчетом, чтобы уровень 14 воды под куполом 8 не покрывал верхнюю часть 4. Изобретение направлено на обеспечение высокого коэффициента полезного действия, увеличение ресурса работы, автономную работу, всесезонную эксплуатацию. 1 ил.

Бесплотинная всесезонная гидроэлектростанция, содержащая плавучее основание, выполненное в виде катамарана, на котором размещены приводы генераторов тока, генераторы тока, между корпусами катамарана укреплена бесконечная лента на шкивах, снабженная лопастями, отличающаяся тем, что на плавучем основании размещены защитная решетка и обтекаемый купол, бесконечная лента оснащена роликами для поддержания верхней части ленты в воздухе, а между лопастями закреплены листы из гибкого материала, при этом устройство снабжено системой погружения и подъема устройства, состоящей из грузов, тросов и лебедок, а также системой стабилизации параметров тока и системой наддува водолазного купола, имеющими совмещенный электрокабель-шланг, обеспечивающий подачу воздуха для наддува обтекаемого купола, причем система наддува получает энергию от одного из генераторов, оснащена аппаратурой для автоматического поддержания заданного уровня воды в обтекаемом куполе и выполнена с таким расчетом, чтобы уровень воды под обтекаемым куполом не покрывал верхнюю часть бесконечной ленты.