БЕСПЛОТИННАЯ ПРИЛИВНАЯ ГЭС Российский патент 2021 года по МПК F03B13/26 E02B9/08 

Изобретение относится к конструкциям автономных приливных бесплотинных электростанций небольшой мощности и может быть массово использовано для преобразования энергии морских течений (приливов-отливов) в электрическую энергию. При строительстве существующих энергоузлов с использованием гидравлической энергии приливов, основные затраты приходятся на сооружение дорогостоящих плотин, что препятствует массовому сооружению объектов для индивидуального пользования и для малых поселений.

Известно «Устройство для извлечения энергии из морских течений» по патенту РФ № 2401358, МПК E 02 B 9/08, авторов Е.Н. Беллендир, А.В. Петрашкевич и др. [1].

Данное устройство содержит несколько цилиндрических опор-оболочек, размещенных на морском шельфе, систему подводящих и отводящих трубопроводов, гидрогенераторы, причем опоры-оболочки установлены в ряд с зазором для прохода воды по линии, перпендикулярной к направлению приливных и отливных течений, полость опоры-оболочки разделена по вертикали перегородками на несколько ярусов для размещения трубопроводов и гидрогенераторов, подводящий трубопровод проходит по диагонали перпендикулярно, а отводящий трубопровод – по диагонали параллельно линии установки опор- оболочек, концы трубопроводов сообщаются с морем, а гидрогенераторы размещены на отводящих трубопроводах.

Недостатком данного устройства так же является конструктивная сложность, реализуемая только для ГЭС большой мощности и наличие значительного числа обслуживающего персонала. Кроме сложности изготовления самих крупногабаритных цилиндрических опор-оболочек, размещенных на морском шельфе, и полостей в опорах-оболочках с перегородками на несколько ярусов, в которых размещаются трубопроводы и гидрогенераторы, требуется большое число автономных гидрогенераторов (гидротурбина с генератором), работу которых понадобиться еще синхронизировать в системе выработки электроэнергии

Известно так же техническое решение «Волновая электростанция» авторов Ю.Б. Шполянского, Б.Л. Историка и др. патенту РФ № 2459974, МПК F 03 B 13/24 [2].

Данное изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано при значительных колебаниях уровня водной поверхности из-за приливно-отливных или сгонно-нагонных явлений в электрическую энергию.

Устройство содержит неподвижную опору, пневмогидравлическую камеру, подвижная часть которой сообщена с водоемом, а надводная – с атмосферой через напорный воздуховод, в котором установлена турбина с генератором. Кроме того, устройство оснащено вращающимся приводом, кинематически связанным с камерой, которая закреплена на опоре с возможностью вертикального перемещения, причем привод связан с камерой через пару силовых элементов из ряда: гайка-винт, зубчатое колесо-зубчатая рейка, гидроцилиндр-шток, барабан-трос, а вращающийся привод снабжен средствами автоматического управления с возможностью перемещения камеры относительно опоры в соответствие с колебаниями среднего уровня водной поверхности.

Недостатком данного устройства является конструктивная сложность, необходимость в опорах-оболочках, выполняющих функцию плотины, и так же - необходимость в обслуживающем персонале и его высокая стоимость, характерная для ГЭС большой мощности, включенную в общую систему обеспечения электроэнергией потребителей. Кроме того, для установки камеры на требуемый уровень водной поверхности требуется электроприводу внешний источник электроэнергии.

Известна так же «Приливная энергетическая установка» авторов Ильина А.К. и Акуличева В.А. по патенту РФ № 2099587. МПК F03B 13/18; F13/26[3].

Установка содержит укрепленный на дне вертикальный полый цилиндр с поршнем, выше и ниже которого в цилиндре образованы воздушные камеры повышенного давления, подключенные к воздухозабору, поплавок, связанный с поршнем посредством штока, резервуар для сжатого воздуха, турбину и соединительные трубопроводы, причем обе воздушные камеры повышенного давления цилиндра снабжены буферными камерами, размещенными вне цилиндра и соединенные с ним посредством каналов. Кроме того, каналы буферных камер выведены в пространство между крышкой цилиндра и верхним крайним положением поршня, а канал нижней буферной камеры выведен в пространство между дном цилиндра и нижним крайним положением поршня, причем в каждой буферной камере установлен поршень, подпружиненный в сторону канала.

Недостатками данного устройства является конструктивная сложность и необходимость в обслуживающем персонале, а также его высокая стоимость. Наличие пружин, требующих регулировки натяжения и дополнительных подвижных элементов снижают надежность данного устройства. Использование воздушной турбины менее эффективно по сравнению с применением гидравлической турбины.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного решения является «Приливная ГЭС» автора Попова А. И. [4] по патенту РФ № 2732359, МПК F03B 13/26; F02B 9/08.

Данное устройство содержит цилиндрическую емкость и накопительный резервуар, соединенные на верхнем уровне нагнетающим трубопроводом, на нижнем уровне трубопроводом для стока воды, оснащенным обратным запорным клапаном, причем в цилиндрической емкости у ее основании размещена двунаправленная гидротурбина Уэльса, кинематически соединенная с электрическим генератором, трубопровод стока воды расположен выше гидротурбины, а в цилиндрической емкости выполнены два отверстия, первое из которых для входа воды, расположено по уровню ниже гидротурбины и второе отверстие для выхода воздуха в ее верхней части.

Недостатком данной «Приливной ГЭС» является ее низкая производительность в связи с отсутствием возможности не прерывной работы в циклах «приливы – отливы». Это поясняется следующим образом.

Не смотря на разнообразие квадратурных, сизигийных и других типов приливов, их форма имеет в течение суток форму близкую к синусоидальной. При наступлении прилива гидротурбина в «Приливной ГЭС» работает только первую четверть синусоиды (90 градусов) до наступления максимума прилива, после чего уровень воды прилива и уровень воды в цилиндрической емкости выравнивается и гидротурбина останавливается. Во второй четверти синусоиды при отливе гидротурбина практически не работает за исключением слива небольшого объема воды из малого объема цилиндрической емкости. В третьей четверти синусоиды при наступлении отлива вода поступает на гидротурбину через обратный запорный клапан и трубопровод стока накопительного резервуара, причем количество вырабатываемой электроэнергии гидротурбиной ограничен запасенным объемом воды в первую четверть синусоиды. Таким образом электроэнергия вырабатывается прерывисто во времени и в не полном объеме.

Назначение предлагаемого нового изобретения в устранении указанных выше недостатков и создание автоматической, непрерывно работающей приливной ГЭС большей производительности, не использующей внешние дополнительные источники электропитания и не требующей постоянных затрат на ее обслуживание.

Задачей предлагаемого изобретения является создание малогабаритной бесплотинной приливной ГЭС для массового применения в малых поселениях, расположенных на побережьях морей;

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в следующем:

- применен дополнительный резервуар для накопления воды, обеспечивающий работу гидротурбины во вторую и четвертую четверти синусоидального процесса «прилив-отлив»;

- дополнительный резервуар оснащен отверстием с запорным клапаном на вход воды в период максимума прилива и отверстием в его донной части для слива воды через трубу в дополнительное отверстие, расположенное в донной части цилиндрической емкости;

- в дополнительный резервуар введен нагруженный дополнительным грузом поплавок, опирающийся на регулируемый по высоте упор, установленный на дне резервуара, причем поплавок соединен гибкой тягой с подпружиненным клапаном на закрывание воды для входа ее в цилиндрическую емкость.

Технический результат достигается за счет того, что в бесплотинную приливную ГЭС, содержащую цилиндрическую емкость и накопительный резервуар, соединенные на верхнем уровне нагнетающим трубопроводом, на нижнем уровне трубопроводом для стока воды, оснащенным обратным запорным клапаном, в цилиндрической емкости у ее основании размещена двунаправленная гидротурбина Уэльса, кинематически соединенная с электрическим генератором, трубопровод стока воды расположен выше гидротурбины, а в цилиндрической емкости выполнены два отверстия, первое из которых для входа воды, расположено по уровню ниже гидротурбины и второе отверстие для выхода воздуха в ее верхней части, так же введены дополнительный резервуар воды, входное отверстие которого оснащено обратным клапаном, его выходное отверстие соединено трубой с нижним дополнительным отверстием цилиндрической емкости, причем отверстие для входа воды в эту емкость имеет подпружиненный на закрывание клапан, соединенный гибкой тягой с нагруженным дополнительным грузом поплавком, установленным в дополнительном резервуаре на регулируемом по высоте упоре.

На чертеже изображена «Бесплотинная приливная ГЭС».

Приливная гидроэлектростанция содержит цилиндрическую емкость 1 и накопительный для воды резервуар 2, соединенные на верхнем уровне нагнетающим трубопроводом 3, а на нижнем уровне трубопроводом 4 для стока воды, оснащенным обратным запорным клапаном 5, причем двунаправленная гидравлическая турбина 6 Уайта расположена у основания цилиндрической емкости ниже уровня трубопровода для стока воды и кинематически соединена с генератором 7. Кроме того, цилиндрическая емкость имеет отверстие 8 для входа воды, расположенное по уровню ниже гидротурбины и отверстие 9 для выхода из нее воздуха в атмосферу. Для увеличения времени работы электростанции введен на верхний уровень прилива дополнительный резервуар 10, входное отверстие 11 которого оснащено на вход воды обратным клапаном 12, а выходное отверстие 13 оснащено трубой 14, соединенное с нижним дополнительным отверстием 15 цилиндрической емкости, причем отверстие для входа воды этой емкости оснащено подпружиненным на его закрывание клапаном 16, соединенным гибкой тягой 17 через роликоопоры 18 с нагруженным дополнительным грузом поплавком 19. Дополнительный резервуар может быть выполнен в составе единой конструкции с цилиндрической емкостью или в виде отдельного блока на опоре 20. Нижнее положение поплавка в дополнительном резервуаре устанавливается регулируемым по высоте упором 21.

Работа «Бесплотинной приливной ГЭС» происходит следующим образом. Поплавок 19 находится на упоре 21 в нижнем положении дополнительного резервуара 10 и его тяга 17 держит открытым клапан 16. При наступлении прилива вода входит в цилиндрическую емкость 1 через открытый клапан 16 и входное отверстие 8, поднимается в верх, заставляя вращаться турбину 6 и при достижении уровня трубопровода 3 переливается в накопительный резервуар 2. После достижения приливом уровня высоты обратного клапана 12 происходит одновременно заполнение дополнительного резервуара 10. При дальнейшем поступлении воды в резервуар 10 выше высоты упора 21 и выше высоты поплавка 19, поплавок начинает всплывать. В этом положении прекращается натяжение тяги 17 и клапан 16 закрывается. Данное состояние соответствует максимальной высоте амплитуды прилива: первая четверть синусоидального процесса «прилив-отлив». При наступлении спада прилива (вторая четверть синусоиды) вода в донную часть цилиндрической емкости 1 поступает из дополнительного резервуара 10 по трубе 14 и дополнительному отверстию 15 в цилиндрической емкости. Таким образом, вода, накопленная в дополнительном резервуаре 10, обеспечивает работу гидротурбины 6 и во вторую четверть синусоидального процесса, увеличивая одновременно перелив воды через нагнетающий трубопровод 3 в накопительный резервуар 2. После слива воды из резервуара 10 поплавок 19 опускается на упор 21, при этом натягивается гибкая тяга 17 и открывает клапан 16. При наступлении отлива (отрицательная полуволна синусоиды) вода из накопительного резервуара 2 через обратный запорный клапан 5 поступает на гидротурбину 6 с верху и выливается через открывшийся клапан 16 и отверстие 8 наружу. Поскольку накопление воды в резервуаре 2 происходило в период полной полуволны синусоидального процесса прилива, то и слив воды через гидротурбину будет осуществляться в период полной обратной полуволны отлива. Таким образом обеспечивается непрерывная работа установки и увеличение ее производительности.

Для увеличения веса (силы тяги) поплавка, он может быть утяжелен дополнительным грузом.

В настоящее время огромные территории приливных зон морей и океанов не используются в энергетике. Это связано, в том числе, с необходимостью выбирать территории с наличием удобных мест для строительства плотин, перегораживающих заливы или устья рек. Предлагаемая автономная мобильная «Бесплотинная приливная ГЭС» может сооружаться не зависимо от наличия этих условий, практически, на любом побережье водоемов.

Предлагаемая «Бесплотинная приливная ГЭС» предназначается для массового использования, как отдельными удаленными от магистральных электрических сетей индивидуальными потребителями, так и не большими поселениями. «Бесплотинная приливная ГЭС» работает в автоматическом режиме при наполнении накопительного резервуара и не требует персонала для постоянного обслуживания. «Бесплотинная приливная ГЭС» собирается из серийных узлов, емкостей и конструкций, поэтому имеет минимальную стоимость при ее сооружении, что позволяет рекомендовать ее для широкого применения.

Изобретение относится к конструкциям автономных приливных бесплотинных приливных ГЭС. ГЭС содержит цилиндрическую емкость 1 и накопительный резервуар 2, соединенные на верхнем уровне трубопроводом 3, на нижнем уровне трубопроводом 4 для стока воды, оснащенным обратным запорным клапаном 5. В емкости 1 у ее основания размещена двунаправленная гидротурбина Уэльса 6, кинематически соединенная с генератором 7. Трубопровод 4 расположен выше гидротурбины 6. В емкости 1 выполнены отверстие 8 для входа воды, расположенное по уровню ниже гидротурбины 6, и отверстие 9 для выхода воздуха в ее верхней части. На верхнем уровне прилива введен дополнительный резервуар воды 10, входное отверстие 11 которого оснащено обратным клапаном 12, а выходное отверстие 13 соединено трубой 14 с нижним дополнительным отверстием 15 емкости 1. Отверстие 8 имеет подпружиненный на закрывание клапан 16, соединенный гибкой тягой 17 с нагруженным дополнительным грузом поплавком 19, установленным в резервуаре 10 на регулируемом по высоте упоре 21. Изобретение направлено на создание малогабаритной бесплотинной приливной ГЭС. 1 ил.

Бесплотинная приливная ГЭС, содержащая цилиндрическую емкость и накопительный резервуар, соединенные на верхнем уровне нагнетающим трубопроводом, на нижнем уровне трубопроводом для стока воды, оснащенным обратным запорным клапаном, в цилиндрической емкости у ее основании размещена двунаправленная гидротурбина Уэльса, кинематически соединенная с электрическим генератором, трубопровод стока воды расположен выше гидротурбины, а в цилиндрической емкости выполнены два отверстия, первое из которых для входа воды, расположено по уровню ниже гидротурбины и второе отверстие для выхода воздуха в ее верхней части, отличающаяся тем, что на верхнем уровне прилива введен дополнительный резервуар воды, входное отверстие которого оснащено обратным клапаном, его выходное отверстие соединено трубой с нижним дополнительным отверстием цилиндрической емкости, причем отверстие для входа воды в эту емкость имеет подпружиненный на закрывание клапан, соединенный гибкой тягой с нагруженным дополнительным грузом поплавком, установленным в дополнительном резервуаре на регулируемом по высоте упоре.