Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для получения электрической энергии для бытовых и производственных нужд.
Развитие возобновляемой энергетики остается одним из главных трендов современной энергетики. Это связано в первую очередь с заботой об экологии и ограничении выбросов CO2 в атмосферу. Понятно, что различные направления выработки электроэнергии связаны с их различным влиянием на экологию земли. Сжигание угля, углеводородов, газа, гидроэлектростанции, атомная энергетика, солнечные электростанции, ветровая энергетика - это основные направления современной энергетики. Попытки развития энергетики, связанной с использованием морских водных ресурсов, крайне ограничены и пока не получили широкого распространения.
В данной заявке предлагается устройство для получения электроэнергии от кинетической энергии морских течений с относительно небольшой скоростью водного потока от 0,1 м/сек. Энергетический потенциал морских течений огромен и не исчерпаем -пока Земля вращается и Солнце светит. Вода в 800 раз плотнее воздуха и переносит значительно большую энергию, а также морские течения стабильны и непрерывны. Морские течения располагаются во всех морях и океанах. Если прибрежные течения можно активно использовать для получения электроэнергии, то использование течений, удаленных на сотни и тысячи километров от берега весьма затруднительно. Обычно его использует судоходство.
В настоящее время встал вопрос об освоении странами территории Арктики. Это задачи интересная и важная, но ее решение натыкается на вопрос энергообеспечения строящихся там станций (поселений). Использование генераторов электрической энергии на углеводородном топливе связано с огромными затратами на доставку топлива (как правило самолетами), загрязнениями и утилизацией пустых бочек. Вместе с тем известно, что под покровом льда Северного Ледовитого океана также как и в других океанах имеется большое количество постоянных течений (см. фиг. 21).
Известно устройство для выработки электроэнергии, содержащее корпус и преобразователь энергии, отличающееся тем, что корпус представляет собой плавучее средство для погружения, обладающее переменной плавучестью и оснащенное якорными устройствами, а преобразователь снабжен рабочим органом, выполненным, например, в виде гусеницы, для взаимодействия с подводной поверхностью льда (RU 2154713 С2, F03B 9/00, 20.08.2000).
Недостатком предложенного устройства для получения электроэнергии является использование обратной стороны движущегося льда. Однако в условиях Арктики лед движется довольно редко и его подводная структура крайне нелинейна, т.е. найти ровную поверхность на нижней стороне ледников практически невозможно. Напротив, ей характерна со свисающими «сталактитами». Скорее использовать данное устройство возможно только на замерзающих пресноводных реках и то только в ограниченный период времени. В то же время, если начинается ледоход, то он всегда сопровождается разрывом льдин и наездом одной на другую, что разрушит устройство и остановит его работу.
Известно устройство с лопастями в один ряд для отбора энергии текучей среды, содержащее вертикальный вал с установленными на нем цилиндрическими секциями, состоящее из верхнего и нижнего держателей и закрепленных между ними параллельно валу лопастей, отличающееся тем, что все секции имеют свои верхний и нижний держатели, секции унифицированы, установлены на валу и снимаются с него последовательно одна за другой без нарушения целостности соседних секций, секции на валу имеют общую высоту, не превышающую глубину потока, энергия которого берется, для преобразования выбранной энергии в электричество ее соединяют с генератором с помощью механизма передачи энергии вращения, для установки энергии в требуемые объемы устройства их устанавливают рядом друг с другом, электричество от генераторов подается по кабелям в блок, где оно преобразуется, суммируется, синхронизируется с текущей сетью и затем подается в сеть потребителям (RU 2094649 C1, F03B 13/10,27.10.1997).
Недостатком указанного технического решения является то, что оно может работать в речной водной среде (пресной воде). В соленой морской воде все его многочисленные движущиеся части (подшипники, движущиеся угловые сопряжения, генерирующие устройства будут покрываться кристаллами и наростами, которые будут тормозить работу устройства, снижать его эффективность и требовать извлечения и регулярного технического обслуживания.
Известна эффективная морская энергетическая платформа для выработки электроэнергии, отличающаяся тем, что она содержит основной плавучий корпус (1), основной плавучий корпус (1) снабжен перфорацией (12), а верхняя часть основного плавучего корпуса (1) снабжена платформой (2) через количество колонок (21); ряд опорных столбов (6), ряд опорных колонн (6) расположены вертикально на нижней стороне основного плавучего корпуса (1), и опорная колонна (6) соединена с тяжелым блоком (62) шнурком (61); посадочное место (631) подшипника, посадочное место (631) подшипника закреплено между несколькими опорными колоннами (6) с помощью нескольких опорных стержней (63), а посадочное место (631) подшипника расположено непосредственно под
отверстием (12); второй вал (3), верхний конец второго вала (3) поворачивается и располагается на нижней стороне опорной плиты (2), нижний конец второго вала (3) проходит через перфорацию (12), и конец поворачивается и располагается на подшипнике сиденье (631); ряд вращающихся механизмов, ряд вращающихся механизмов последовательно расположены вдоль направления длины на втором валу (3) под основным плавающим корпусом (1), вращающийся механизм может использовать ток для приведения второго вала (3) во вращение всегда в одном направлении; первый генерирующий механизм, первый генерирующий механизм расположен на основном плавающем корпусе (1), и первый генерирующий механизм может использовать вращение второго вала (3) для эффективной выработки электроэнергии (CN 113606080 A, F03B 13/18, 05.11.2021).
Недостатком указанного технического решения является то, что использование океанических течение на данном устройстве затруднительно поскольку:
- движение волн при фиксированном положении устройства (зафиксировано блоками 62 и тросами 61) будет постоянно заливать устройство полностью, что повредит работу его движущихся частей вместе с генератором (наросты, оседание солей и т.д.).
- для получения достаточного объема электроэнергии (более 100 кВт), потребуется использование лопастей большого размера, что при предложенной ими конструкции невозможно, т.к. давление течения воды их согнет.
- большое количество водорослей (при глубине до 50 метров) и мусора застопорит работу лопастей.
- использование силового подшипника 631 нагруженного удержанием ствола с лопастями приведет к его быстрому истиранию в морской воде, т.к. любая его смазка будет удалена давлением ствола и проникновением кристаллов солей, которые будут играть роль наждака.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является устройство для выработки электроэнергии в водной среде, содержащее плавучее средство, бочку с лопастями, генератор электрической энергии, соединенный с бочкой, упорный подшипник для крепления бочонка, расположенный на его верхнем конце, муфту сцепления, при этом лопасти выполнены с возможностью задержки потока воды с одной стороны и омывания водой с другой стороны, а корпус плавучего средства зафиксирован от движения по течению водной среды посредством якоря, отличающийся тем, что корпус плавучего средства выполнен защищен от перемещения по потоку водной среды дополнительно посредством тросов с трубками и выполнен по меньшей мере с одним сквозным углублением, в котором установлена по меньшей мере одна подвижная плоская прямоугольная опора для крепления колонны, в которой посредством разъемного соединения установлен вал с лопастями, расположенный внутри колонны, отделяющий отфильтрованную морскую воду от нефильтрованной и закрепленный тросами с трубками ко дну водной среды, причем колонна и вал выполнены из труб, соединенных через муфту, при этом упомянутый опорный подшипник установлен на палубе плавучего средства для крепления вала и поддержки его вращения без контакта с колонной, фильтром для морской воды, редуктором, генератором электрической энергии и блоком управления, а также вышкой или краном с двигателем, выполненным с возможностью опускания/подъема колонки и вала и перемещения вдоль упомянутой палубы плавучего средства, причем генератор электрической энергии соединен с валом посредством редуктора (RU 2800340 C1, F03B 17/06, 20.07.2023).
Основным недостатком указанного технического решения является то, что оно не может работать при малых скоростях течений, небольшая энергетическая мощность устройства, а также невозможность его использования в ледовых условиях Арктики.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое устройство, является создание устройства для преобразования кинетической энергии подводных морских течений в электроэнергию, в котором все сложные технические элементы, такие как генератор электрической энергии, коробка передач, силовые подшипники, замкнутые полости с трущимися частями, электрические разъемы, были вынесены за пределы агрессивной водной среды, а также улучшение энергетических характеристик устройства.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение энергетической мощности устройства за счет захвата большего объема водной массы течения, получаемой при использовании дополнительной отклоняющей водный поток плоскости и направления водного потока на турбины, что позволяет устройству работать и при низких скоростях течений и в ледовых условиях Арктики.
Технический результат заявленного устройства достигается тем, что устройство для получения электроэнергии от морских течений подо льдом, содержащее станину с генератором электрической энергии, креплением с колонной, внутри которой установлен ствол, соединенный с генератором электрической энергии посредством редуктора, и коробкой передач, согласно изобретению содержит установленную на станине, выполненной стационарной, электронную систему контроля параметров и секции вертикальных турбин, установленные друг над другом и жестко закрепленные на стволе, лопасти которых жестко соединены сверху и снизу с кругами прочности, при этом с внешней стороны турбин установлены три металлические пластины: отклоняющая, стабилизирующая и уравновешивающая, прикрепленные над турбинами к колонне металлическими полосами, причем колонна в местах креплений металлических полос выполнена с утолщениями, и скрепленные горизонтально со стволом посредством диска с подшипником, при этом к диску приварены стержни, прикрепленные к металлическим пластинам для обеспечения фиксации их положения и исключения соприкосновения с турбинами, подшипник прикреплен с внутренней стороны к стволу, а с внешней стороны к диску со стержнями с возможностью обеспечения вращения ствола, причем упомянутые горизонтальные крепления расположены между кругами прочности соседних секций турбин, при этом крепление выполнено в верней части колонны для ее крепления к опоре стационарной станины в виде сварного обода, образующего фланец с центральным отверстием для прохождения ствола, под которым установлена пружина, опирающаяся на прямоугольную пластину, которая содержит четыре пружины, установленные по ее углам и опирающиеся на стационарную станину, а над упомянутым фланцем установлен диск с центральным отверстием для прохождения ствола, над которым установлена опорная часть ствола, причем между опорной частью и диском расположен упорный подшипник, кроме того, ствол содержит верхнюю часть ствола, расположенную выше опорной нижней части ствола и соединенную с последней муфтой с кольцом, опирающейся на упомянутый диск, ограничивающий ее движение вниз и обеспечивающий ее перемещение вверх для остановки передачи вращающего момента, при этом ствол с секциями вертикальных турбин выполнен с возможностью прикрепления ко дну посредством проходящего внутри него троса, один конец которого содержит якорь, а другой конец намотан на катушку для намотки троса, расположенную на стационарной станине, а колонна в верхней ее части содержит утеплитель, выходящий на поверхность до крепления колонны и уходящий под воду на 30% глубже толщины льда, при этом между утеплителем и колонной установлена система обогрева.
Кроме того, электронная система контроля параметров выполнена с возможностью контроля за температурой воздуха, температурой воды, скоростью вращения турбин, вращающим моментом, колебаниями ствола и колонны, состоянием льдин.
Кроме того, система обогрева выполнена в виде электрического провода, намотанного между утеплителем и колонной.
Кроме того, содержит дополнительный трос для крепления колонны к плите, расположенной на поверхности льда.
Кроме того, содержит аварийный куб, размещенный внутри станины, расположенный рядом с колонной и связанный с верхней частью колонны тросом, уложенным кольцами под кубом, при этом над кубом в станине выполнено пространство в 1,5-2 раза больше его диаметра.
Изобретение поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 показан общий вид устройства для получения электроэнергии от морских течений подо льдом, где увеличенный вид турбины выделен пунктирной круговой линией.
На фиг. 2 показан вид сверху на турбину и вспомогательные пластины.
На фиг. 3 показано сечение А - А с горизонтальным креплением вспомогательных пластин с фиг. 1.
На фиг. 4 показан пример (вид сверху) на турбину с тремя лопастями.
На фиг. 5 показан пример (вид сверху) на турбину с шестью лопастями.
На фиг. 6 показана секция с шестью лопастями турбины в сборе.
На фиг. 7 показан вид на турбины со стороны противовеса 5.
На фиг. 8 показана надводная часть устройства.
На фиг. 9 показаны фрагменты крепления колонны.
На фиг. 10 показан фланец колонны.
На фиг. 11 показан фрагмент крепления колонны и ствола к опорам.
На фиг. 12 показана цельная верхняя часть ствола с упорным подшипником и опорами для крепления ствола на фланце колонны.
На фиг. 13 показана верхняя часть ствола и колонны в сборе.
На фиг. 14 показано сечение ствола В - В с зубьями 33 для сцепления ствола 2 с муфтой 28.
На фиг. 15 показан общий вид фиксации турбины.
На фиг. 16 показан выход ствола в коробку передач с коническим колесом и с круговым зубом для передачи вращающего момента от ствола (чем больше диаметр ведущего колеса, тем больше передаточное число).
На фиг. 17 показан пример выхода троса для якоря.
На фиг. 18 показан вид на коническое колесо 38 со стволом 27 сбоку.
На фиг. 19 показан вид на коническое колесо 38 со стволом 27 сверху.
На фиг. 20 показано отклонение колонны под воздействием течения.
На фиг. 21 показан карданный вал (пример гибкой трансмиссии).
На фиг. 22 показан рельеф хребта Ломоносова: а) батиметрическая карта хребта Ломоносова и расположение профилей, б) батиметрические профили через хребет Ломоносова.
На фиг. 23 показана карта течений Северного Ледовитого океана.
Общий вид предлагаемого устройства изображен на фиг. 1.
Устройство состоит из следующих основных элементов:
- колонны 1;
- ствола 2, расположенного внутри колонны 1 (процесс спуска/подъема колонн и ствола, устройство вспомогательной вышки и дополнительного двигателя с лебедкой подробно не рассматривается, т.к. он близок к аналогичным процедурам в буровых установках, а трубы, их соединения аналогичны буровым трубам, далее рассмотрены только основные элементы данных процессов);
- нескольких секций вертикальных турбин 6 жестко закрепленных на стволе 2;
- генератора электрической энергии 10;
- коробки передач 8, соединяющей ствол с ротором генератора электрической энергии 10;
- станины 9, предназначенной для крепления всей внешней конструкции устройства над поверхностью льда 11, станина отделена от льдины деревянным настилом с теплоизолятором 16, возможна установка классическая - на сваях;
- кругового утеплителя колонны 7;
- трех металлических пластин взаимно и жестко соединенных: отклоняющей 4, стабилизирующей 3 и уравновешивающей 5.
Устройство состоит из полой металлической трубы ствола 2 (см. фиг. 1), на которой жестко закреплены несколько ярусов вертикальных турбин 6. Сцепление турбин со стволом обеспечивает передачу вращающего момента от турбин 6 на ствол 2. Вращающий момент турбинам придает давление потока воды вызванного морским течением и давящим на лопасти турбин, которые имеют искривления, выпуклость и наклон, такой, который увеличивает разницу в сопротивлении движению водного потока с разных сторон лопасти турбины (фиг. 2 и фиг. 4, 5). Количество ярусов (секций) турбин 6 не ограничено. На каждом ярусе лопасти зажаты и жестко соединены сверху и снизу с кругами прочности 12 (фиг. 6), что позволяет лопастям выдерживать высокие нагрузки, связанные с давлением потока воды. Ствол 2 в его верхней части находится внутри колонны 1, которая вместе со стволом 2 выходит на поверхность (над льдиной) и крепится к поверхностным опорам станины 9. Длина ствола 2 может составлять сотни метров. Колонна 2 в верхней ее части охвачена утеплителем 7, который выходит на поверхность до крепления колонны, а под водой отделяет лед 11 от колонны 1. Утеплитель отделяет всю ледовую часть поверхности от колонны и уходит в воду примерно на 30% глубже толщины льда. Это связано с возможным будущим утолщением ледового покрова, т.к. утеплитель должен полностью отделять колонну от льдины. Далее ствол 2 через трансмиссию коробки передач 8 передает вращающий момент на генератор электрической энергии 10, который и вырабатывает электроэнергию. Пунктирными горизонтальными линиями показано направление течения потока воды (здесь слева направо). С внешней стороны турбины обвязаны тремя металлическими пластинами 3,4 и 5 (вид сверху на срез турбины с плоскостями показан на фиг. 2), которые подвешены над турбинами 6 к колонне 1 металлическими полосами (фиг. 1) верхними частями плоскостей. Места крепления плоскостей к колонне усилены утолщениями самой колонны, что обеспечивает прочность всей подвесной конструкции с пластинами 3, 4 и 5. На показанных сечениях А - А (на фиг. 1 отмечены 5 сечений) установлены горизонтальные крепления всех трех пластин 3, 4 и 5 (см. фиг. 3). Крепления находятся между кругами прочности соседних ярусов турбин, их вид показан на фиг. 3. Над каждым кругом прочности 12 турбины 6 расположен независимый диск 14, который через подшипник (на фиг. 3 выделен темным кругом вокруг ствола) в центре диска 14 соединен со стволом 2. Подшипник с внутренней стороны жестко соединен со стволом 2, а с внешней стороны также жестко соединен с диском 14. Это позволяет стволу с турбиной свободно вращаться относительно диска 14, который остается неподвижным. К диску 14 приварены стержни 13, которые прикреплены к металлическим пластинам 3, 4 и 5 на уровне показанных сечений А - А и фиксируют положение пластин 3, 4 и 5 на каждом горизонте сечения А - А по отношению к турбинам 6, не давая плоскостям соприкасаться с турбинами. Возможным, но не обязательным, решением, например, является использование в данном случае металлополимерного подшипника. Вся описанная конструкция взаимной связки трех пластин 3, 4 и 5 позволяет зафиксировать положение отклоняющей пластины 4 относительно водного потока. В случае необходимости (более высокого давления воды при сильном течении) пластины 4 и 5 могут быть укреплены на уровне сечений А - А дополнительными стержнями. Плоскость 5 предназначена для уравновешивания давления водного потока на отклоняющую пластину 4 и предотвращение вращения пластин 3, 4 и 5. А пластина 3 дополнительно стабилизирует положение плоскостей относительно направления водного потока, т.е. пластина 3 всегда будет расположена вдоль водного потока за счет давления воды самого водного потока.
На фиг. 2 показан пример расположения лопастей вертикальной турбины и вспомогательных пластин, вид сверху. Пунктиром показаны направления течения воды, основного потока и отраженных от пластин потоков воды. Вариантов размещения лопастей, их количество и конфигурация для использования в ветрогенераторах разработано большое множество, они хорошо известны и испытаны на ветровых турбинах [B.C. Кривцов, A.M. Олейников, А.И. Яковлев. Неисчерпаемая энергия. Книга 2. Ветроэнергетика. Харьков. «ХАИ», 2004 г., 512 сс]. К основным типам можно отнести турбины Савониуса, Дарье, винтовая турбина Горлова и др. Все они могут использоваться в устройстве для их применения в водной среде с учетом их особенностей - плотности потока и нагрузок. Энергетические расчеты потоков воздуха и воды одинаковы, разница состоит только в их плотности.
На фиг. 6 показана схема турбины в сборе с жесткой фиксацией краев лопастей к кругам прочности 12 - один ярус.
На фиг. 7 показан вид на турбины в сборе со стороны противовеса 5, который предотвращает вращение плоскостей, а дополнительная плоскость 3 стабилизирует положение всех плоскостей в водном потоке.
На фиг. 8 представлена надводная часть устройства. Пунктирными окружностями выделены основные узлы, которые более подробно представлены на фиг. 11 и фиг. 14. Устройство логически разбито на две части. Подводная часть и фрагмент надводной части выделены прямоугольными пунктирными линиями, а остальная часть устройства не выделена. Назначение разделения устройства на две части будет рассмотрено ниже.
На фиг. 9 показан фрагмент крепления колонны 1 в ее верхней части к опоре 9. В верхней части на колонну жестко приварен обод, образуя фланец 20 (фиг. 10) с отверстием в середине (показан справа). Слева приведен фрагмент в сборе с использование пружин-амортизаторов 21 и 23. Сверху сразу под фланцем 20 устанавливается пружина 21, которая опирается на пластину 24 и держит всю колонну 1 со всей ее подвеской фиг. 1. Пружина 21 смягчает вертикальные колебания колонны 1. Прямоугольная пластина 24 опирается на четыре пружины 23, установленные по ее углам. Эти пружины 23 позволяют амортизировать угловые отклонения колонны 1 со стволом 2. Пружины 23 опираются на стационарную станину 9, которая удерживает на поверхности все устройство.
На фиг. 11 показан этот же фрагмент фиг. 9 с установленным сверху диском 22. Фланец 20 и диск 22 в центре имеют отверстия для сквозного прохождения ствола 2. Диск 22 крепиться к фланцу 20 разъемным жестким соединением, например, металлическими столбиками 31, внутри которых проходит отверстие для болтов крепления диска 22 к верхнему диску фланца 20.
На фиг. 12 показана верхняя часть ствола 2, которая проходит через диск 22, упорный подшипник 25 и опорную часть ствола 26. Усиленная опорная часть ствола 26 является монолитной частью ствола и имеет дополнительное расширение, увеличивающее его прочностные качества. Назначение опорной части 26 - удержание всего ствола с турбинами на весу. Между опорной частью 26 и диском 22 расположен упорный подшипник 25. Подшипник 25 своей верхней плоскостью закреплен к опорной части 26 ствола 2, а нижней плоскостью закреплен к диску 22. Подшипник 25 выполняет одновременно две функции - поддерживает ствол с турбинами и обеспечивает вращение ствола 2 относительно диска 22. В дальнейшем диск 22 жестко закрепляется над фланцем 20 болтами на металлических столбиках (фиг. 11) и передает вертикальную нагрузку на фланец 20.
На фиг. 13 представлена вся верхняя часть 27 ствола 2 в сборе, выделенная пунктирным овалом на фиг. 8. Показана уже закрепленная на фланце 20 и диске 22 вращающаяся нижняя часть ствола 2, которая опирается на упорный подшипник 25. Выше опорной части 26 ствол разделен на две независимые части - нижнюю часть ствол 2 и верхнюю часть ствола 27. Разделение проходит в середине муфты 28 по ее высоте. Эти две отдельные части ствола 2 и 27 соединены муфтой 28. Нижняя часть ствол 2 и верхняя часть ствола 27 одинакового диаметра и расположены строго друг над другом. Горизонтальный разрез муфты по линии В - В показан на фиг. 12, по стволу 2. На обеих частях стволов 2 и 27 (верхняя часть ствола 2 и нижняя часть ствола 27) имеются одинаковые выступы (зубья) 33, которые выполнены одинаково в обеих частях ствола. А в муфте 28 есть вертикальные пазы для этих выступов. Муфта 28 опирается своей нижней кромкой на диск 32, ограничивающий ее движение вниз по стволу 2. Это сделано для того, чтобы:
- нижняя часть ствола могла независимо от его верхней части вертикально перемещаться в пределах вертикальных колебаний пружины 21;
- муфта 28 обеспечивает передачу вращающего момента от нижней части ствола 2 на его верхнюю часть 27 за счет сцепления зубьев 33 обеих частей стволов с пазами муфты 28;
- муфта 28 позволяет верхней части ствола 27 отклоняться от оси ствола 2 в пределах угла, который допускается зазором между внутренней стенкой муфты 28 и стенками нижней части ствола 2 и верхней части ствола 27 (фиг. 14) меньшим
размера зубьев 33. Общий угол отклонения образуется сложением углов отклонения муфты 28 от ствола 2 и выхода ствола 27 от муфты 28.
Передвижение муфты 28 вверх позволяет остановить передачу вращающего момента от нижней части ствола 2 на верхнюю часть ствола 27 и далее на коробку передач. Перемещение муфты вверх осуществляется за кольцо 29, которое выступает над поверхностью муфты 28 по всему кругу.
Основным важным фактором стабилизации положения турбин под водой в вертикальном положении является сам вес турбин 6, колонны 1, ствола 2 и металлических листов 3, 4 и 5. При сильном течении колонна может дополнительно крепиться к плите 37 (фиг. 15), расположенной на поверхности льдины 11, тросом 36, а ствол 2 с турбинами 6 крепится ко дну тросом 34 с якорем 35. Трос 34 может быть изготовлен из прочного углеволокна и проходить внутри ствола 2 с выходом на поверхность, откуда и осуществляется управление якорем 35, его подъемом и спуском. Катушка для намотки троса 34, находится на поверхности и на чертеже не показана.
На фиг. 16 показан пример передачи вращающего момента от выхода ствола 27 на коробку передач 8 (фиг. 1). Под коробкой передач подразумевается вся трансмиссия, предназначенная для передачи крутящего момента от выхода ствола 27 на генератор электрической энергии 10, включая редукторы угловой передачи, пример которой показан на фиг. 14. Здесь показана верхняя часть ствола 27 с жестко закрепленным на нем коническим колесом 38, которое при его вращении передает вращающий момент круговому зубу 39, который, вращаясь, увеличивает частоту вращения и передает вращающий момент далее через гибкую часть трансмиссии и гидравлический трансформатор (не показаны) на генератор электрической энергии 10. За счет увеличения диаметра ведущего колеса увеличивается передаточное число, при повышенной мощности могут использоваться шевронные зубья. Трансмиссия позволяет увеличить передаточное число в десятки и сотни раз без больших потерь мощности. В качестве ключевого элемента гибкой трансмиссии может использоваться карданный вал с двумя или тремя узлами (шарнирами угловых скоростей) передачи вращения (фиг. 21).
В верхней части фиг. 17 показан пример выхода троса 34 якоря 35. Трос проложен от якоря 35 внутри ствола 2 и через трубку 40 выходит к катушке подъема/спуска якоря (не показана).
В пределах конического колеса 38 он проложен внутри трубки 40. В силу огромного разнообразия вариантов исполнения трансмиссий, а также силовых и геометрических параметров устройства всегда существует возможность оптимального подбора технического решения передачи вращающего момента на генератор электрической энергии 10.
На фиг. 18 показан вид на коническое колесо 38 с верхней частью ствола 27 со стороны. Коническое колесо закрепляется к верхней части упорного подшипника 41 и опирается на него. А нижней плоскостью подшипник 41, жестко соединен с плоскостью-опорой 42. Опора 42 лежит на станине 9, 43 и не закреплена на ней. Это обеспечивает движение верхней части ствола 27, конического колеса 38, подшипника 41 и опоры 42 относительно стационарной станины 9, 43 в пределах заранее заданных отклонений 44. Показана трубка 40, закрепленная внутри конического колеса 38 и предназначенная для предохранения попадания троса 34 на зубья колеса. Механизм намотки катушки позволяет всегда держать трос 34 в натянутом состоянии.
На фиг. 19 показан вид данного узла сверху. Круговая полоса 44 показывает потенциальную ширину отклонения конического колеса 38 вместе с плитой 42 во все стороны. Внутри верхней части ствола 27 показана трубка 40 троса 34, закрепленная внутри конического колеса 39 перемычками.
На фиг. 20 показан вид на отклонение колонны и ствола с турбинами под воздействием течения.
На фиг. 21 изображен пример гибкой трансмиссии - карданный вал из двух узлов передачи вращающего момента. Таких узлов с валами может быть и три и более.
На фиг. 22 показаны батиметрическая карта части дна Северного Ледовитого океана - рельеф хребта Ломоносова и расположение профилей рельефа [У.П. Дубинин, А.В. Кохан, А.Н. Филаретова. Рельеф дна Северного Ледовитого Океана. «Жизнь Земли» 40(3), 2018, 262-282 сс]. Виден неравномерный рельеф со своими склонами, впадинами и ущельями, что в сочетании с вращением Земли и течениями из соседних морей способствует неравномерному распределению морских течений, что предполагает нахождение оптимальных мест для размещения устройств в течениях, имеющих наибольшую скорость и кинетическую энергию.
На фиг. 23 показана карта постоянных течений Северного Ледовитого океана. Видно, что есть хорошие перспективы получения энергии от существующих морских течений и есть перспективы развития предлагаемого направления получения электроэнергии от морских течений.
Пример работы заявленного устройства.
Водный поток морского течения, двигаясь под поверхностью воды (глубиной до 2000 м) будет оказывать давление на турбины устройства, расположенного в его потоке фиг. 1. Геометрические размеры водного потока огромны и в длину могут составлять тысячи километров, а в поперечном сечении от нескольких десятком километров до сотен метров. Поэтому и установка может иметь десятки ярусов турбин, ширину от 2 и более метров, в зависимости от скорости течения и опускаться практически на любую глубину. При этом частота вращения турбин 6 будет не велика и составит примерно 0,5-8 оборотов/мин.
Конструкция турбины с изогнутой поверхностью (пример на фиг. 2) позволяет улавливать часть потока на активной половине турбины (на фиг. 2 левая сторона) и обеспечивать ее вращение вокруг ствола 2. Установка отклоняющей пластины 4 на пути потока в пассивной половине турбины (на фиг. 2 правая сторона) приводит к направлению дополнительного водного потока на активную сторону турбины. Все турбины вращаются синхронно и в одну сторону. Отклоняющая пластина обычно выглядит как сплошное металлическое полотно, но могут быть и варианты с частичным отклонением на части турбин. Это связано с особенностями течения, размером турбин (на разных ярусах они могут иметь различную высоту), с турбулентностью потока на различных глубинах и т.д. Установленная металлическая пластина 5 играет уравновешивающую роль, т.е. прямое давление водного потока на нее создает обратный вращающий момент по отношению к пластине 4, т.к. пластина 4 сохраняет стабильное положение по отношению к направлению течения водного потока, а положение пластины 5 - под углом к водному потоку позволяет направлять дополнительный водный поток на боковую сторону турбины и увеличивает ее вращающий момент. Дополнительно существует стабилизирующая пластина 3, которая располагается вдоль течения и удерживает обе пластины 4 и 5 в заданном положении. Размеры всех пластин и их положение зависят от скорости водного потока и рассчитываются в каждом конкретном применении.
Далее крутящий момент, полученный стволом 2 от турбин 6, передается на поверхность на опорную часть 26 ствола 2 (фиг. 13). Опорная часть 26 скреплена с верхней плоскостью упорного подшипника 25, на который опирается ствол 2. Подшипник 25 обеспечивает свободное вращение ствола 2 относительно станины 9. Диск 22, на который опирается и с которым скреплена нижняя поверхность подшипника 25, скреплен с фланцем 20 колонны 2. Диск 22 опирается на фланец колонны 20 и напружину 21, которая амортизирует вертикальные колебания ствола 2 и колонны 1. Далее вращающий момент от нижней части ствола 2 через муфты 28 передается вверх к верхней части ствола 27. После чего вращающий момент передается от верхней части ствола 27 коническому колесу 38, которое при его вращении передает его круговому зубу 39, который, вращаясь, увеличивает частоту вращения и передает вращающий момент далее через гибкую часть трансмиссии и гидравлический трансформатор (не показаны) на генератор электрической энергии 10, который в свою очередь вырабатывает электроэнергию.
Возможные колебания ствола 2 с колонной 1 вызванные турбулентностью морского течения могут приводить как к вертикальным, так и к угловым отклонениям 45 фиг. 18 колонны со стволом относительно вертикали. Эти отклонения демпфируются системой пружин 21 и 23 фиг. 9, а также утолщенным утеплителем 7 фиг. 8, который также, сжимаясь, гасит все отклонения колонны 1. Дополнительно может использоваться система стабилизации положения колонны и ствола тросами 36 и 34, соединяющими колонну с поверхностью и ствол якорем с дном.
Поскольку предполагается возможность эксплуатации устройства в условиях Крайнего Севера, то дополнительно предусматривается система обогрева (фиг. 8) - в верхней части колонны 1 между утеплителем 7 и колонной 1 намотан электрический провод, который в случае необходимости может подогревать колонну и не дать замерзнуть воде внутри колонны и ствола. Кроме того, внутрь колонны и ствола (на глубину толщины льдины) заливается «незамерзайка» - жидкость, имеющую низкую температуру замерзания и плотность ниже плотности морской воды. При этом электронная система контроля осуществляет непрерывный контроль за температурой воды, температурой воздуха и другими техническими параметрами устройства, такими как скорость вращения турбин, вращающий момент, параметры колебания ствола и колонны, состояние льдины, температуру воздуха наружную и внутри технического помещения и т.д. Вся верхняя часть устройства вместе с генератором электрической энергии и сопутствующим оборудованием располагается в закрытом помещении, чтобы не подвергать устройство воздействию ветра, снега и животных.
Поскольку внешние условия эксплуатации устройства могут меняться и помимо мороза и ветра на работу устройства также влияет и ледовая обстановка - лед может трескаться и существует вероятность обрушения установки в воду под лед, поэтому предусмотрен режим аварийного сворачивания работы устройства. Она включает в себя разделение устройства на две части. На фиг. 8 выделена пунктирным квадратом вся подводная часть устройства и часть верхней станины. Предполагается, что она может уйти под воду. В случае возникновения риска подобной аварии (службы слежения за ледовой обстановкой предупредит о появлении такого риска по признакам появления первичных небольших трещин и прогноза погоды), то обслуживающий устройство техник переводит устройство в аварийное состояние. Для этого он разделяет станину (на фиг. 8 это две горизонтальные балки, отделяющие генератор электрической энергии от колонны и две вертикальные балки для крепления коробки передач) на две части. Одна часть уходит под воду, а вторая часть остается на суше. На фиг. 8 отделяющаяся часть выделена прямоугольными пунктирными линиями 15. В местах пересечения пунктирной линии прямоугольника 15 со станиной производится ее разделение. Места разделения закреплены аварийными болтами. При разделении станины из аварийных болтов вырываются контрольные кольца и они легко молотком весом около 4 кг выбиваются из станин. Молоток должен всегда висеть рядом со станиной. Аварийное отделение ствола 2 турбины от части ствола 27 (узел показан на фиг. 13), идущей к коробке передач, осуществляется автоматически, т.к. эти части связаны между собой легкоразъемным соединением - муфтой 28. Нижняя часть ствола 2 вложена в муфту 28 без внутреннего крепления и свободно выходит из зацепления при погружении выделенной части устройства.
Оставшаяся часть установки вместе с генератором электрической энергии 10 и коробкой передач 8 вытягивается и буксируется в горизонтальном направлении за кольца 18 в сторону подготовленных изгибов станин (как на лыжах).
Рядом с колонной расположен аварийный куб 17 фиг. 8 с герметично запаянным газом. Куб 17 изготовлен из плотного синтетического материала (например, поликарбонат, полиэтилен низкого давления, морозостойкий пластик) или металла (например, алюминий) и размещен внутри станины 9 и располагается рядом с колонной. Над кубом должно быть свободное пространство в 1,5-2 раза больше его диаметра. Это необходимо для его свободного перемещения вверх, в случае аварийного погружения колонны. Куб 17 связан с верхней частью колонны тросом, который уложен кольцами под кубом. При погружении турбин 6 с колонной 1 и стволом 2 (всей выделенной части 15 устройства) на дно трос разматывается и остается в натянутом состоянии, связывая плавающий куб и лежащее на дне устройство. Дно куба - в точку соединения куба с тросом имеет металлическую пластину, которая обеспечивает достаточную прочность при подъеме утонувшей части за трос и предохраняет куб от повреждения при подъеме утонувшей части устройства. Кроме того, куб имеет радиометку, которая активируется при попадании куба 17 в воду и указывает его место под водой. Это необходимо для быстрого поиска и подъема утонувшей части. В конечном положении погружаемая часть устройства опускается на дно, а куб «зависает» в воде на заданной длиной троса глубине - удобной для подъема затонувшей части (обычно от куба до поверхности остается 10-20 метров).
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для получения электрической энергии для бытовых и производственных нужд. Устройство для получения электроэнергии от морских течений подо льдом 11 содержит стационарную станину 9 с генератором электрической энергии 10, креплением с колонной 1, внутри которой установлен ствол 2, соединенный с генератором 10 посредством редуктора, и коробкой передач 8. Устройство содержит установленную на станине 9 электронную систему контроля параметров и секции вертикальных турбин 6, установленные друг над другом и жестко закрепленные на стволе 2. Лопасти турбин жестко соединены сверху и снизу с кругами прочности. С внешней стороны турбин 6 установлены три металлические пластины: отклоняющая 4, стабилизирующая 3 и уравновешивающая, прикрепленные над турбинами 6 к колонне 1 металлическими полосами и скрепленные горизонтально со стволом 2 посредством диска с подшипником качения, к которому одними сторонами приварены стержни, прикрепленные другими сторонами к металлическим пластинам с возможностью обеспечения фиксации их положения и исключения соприкосновения с турбинами 6. Колонна 1 в местах креплений металлических полос выполнена с утолщениями. Горизонтальные крепления расположены между кругами прочности соседних секций турбин 6. В верней части колонны 1 для крепления к опоре станины 9 выполнен посредством сварки обод, образующий фланец с центральным отверстием для прохождения ствола 2, под которым установлена пружина, опирающаяся на прямоугольную пластину, которая содержит четыре пружины, установленные по ее углам и опирающиеся на станину 9. Над фланцем установлен диск с центральным отверстием для прохождения ствола 2, над которым установлена опорная часть ствола 2. Между опорной частью и диском расположен упорный подшипник. Ствол 2 содержит верхнюю часть, расположенную выше опорной нижней части и соединенную с ней посредством опирающейся на ограничивающий движение вниз диск муфты с кольцом, выполненным с возможностью перемещения муфты вверх для остановки передачи вращающего момента. Ствол 2 выполнен с возможностью прикрепления ко дну посредством проходящего внутри него троса, один конец которого содержит якорь, а другой конец намотан на катушку для намотки троса, расположенную на станине 9. Колонна 1 в верхней ее части содержит утеплитель 7, выходящий на поверхность до крепления колонны 1 и уходящий под воду на 30% глубже толщины льда 11. Между утеплителем 7 и колонной 1 установлена система обогрева. Изобретение направлено на повышение энергетической мощности устройства. 4 з.п. ф-лы, 23 ил.
1. Устройство для получения электроэнергии от морских течений подо льдом, содержащее станину с генератором электрической энергии, креплением с колонной, внутри которой установлен ствол, соединенный с генератором электрической энергии посредством редуктора, и коробкой передач, отличающееся тем, что содержит установленную на станине, выполненной стационарной, электронную систему контроля параметров и секции вертикальных турбин, установленные друг над другом и жестко закрепленные на стволе, лопасти которых жестко соединены сверху и снизу с кругами прочности, при этом с внешней стороны турбин установлены три металлические пластины: отклоняющая, стабилизирующая и уравновешивающая, прикрепленные над турбинами к колонне металлическими полосами, причем колонна в местах креплений металлических полос выполнена с утолщениями, и скрепленные горизонтально со стволом посредством диска с подшипником, при этом к диску приварены стержни, прикрепленные к металлическим пластинам для обеспечения фиксации их положения и исключения соприкосновения с турбинами, подшипник прикреплен с внутренней стороны к стволу, а с внешней стороны к диску со стержнями с возможностью обеспечения вращения ствола, причем упомянутые горизонтальные крепления расположены между кругами прочности соседних секций турбин, при этом крепление выполнено в верней части колонны для ее крепления к опоре стационарной станины в виде сварного обода, образующего фланец с центральным отверстием для прохождения ствола, под которым установлена пружина, опирающаяся на прямоугольную пластину, которая содержит четыре пружины, установленные по ее углам и опирающиеся на стационарную станину, а над упомянутым фланцем установлен диск с центральным отверстием для прохождения ствола, над которым установлена опорная часть ствола, причем между опорной частью и диском расположен упорный подшипник, кроме того, ствол содержит верхнюю часть ствола, расположенную выше опорной нижней части ствола и соединенную с последней муфтой с кольцом, опирающейся на упомянутый диск, ограничивающий ее движение вниз и обеспечивающий ее перемещение вверх для остановки передачи вращающего момента, при этом ствол с секциями вертикальных турбин выполнен с возможностью прикрепления ко дну посредством проходящего внутри него троса, один конец которого содержит якорь, а другой конец намотан на катушку для намотки троса, расположенную на стационарной станине, а колонна в верхней ее части содержит утеплитель, выходящий на поверхность до крепления колонны и уходящий под воду на 30% глубже толщины льда, при этом между утеплителем и колонной установлена система обогрева.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электронная система контроля параметров выполнена с возможностью контроля за температурой воздуха, температурой воды, скоростью вращения турбин, вращающим моментом, колебаниями ствола и колонны, состоянием льдин.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система обогрева выполнена в виде электрического провода, намотанного между утеплителем и колонной.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит дополнительный трос для крепления колонны к плите, расположенной на поверхности льда.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит аварийный куб, размещенный внутри станины, расположенный рядом с колонной и связанный с верхней частью колонны тросом, уложенным кольцами под кубом, при этом над кубом в станине выполнено пространство в 1,5-2 раза больше его диаметра.
Устройство для получения электроэнергии в водной среде | 2023 |
|
RU2800340C1 |
РЕЧНАЯ ПОДЛЕДНАЯ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА | 2015 |
|
RU2597732C1 |
УСТРОЙСТВО С ЛОПАСТЯМИ В ОДИН РЯД ДЛЯ ОТБОРА ЭНЕРГИИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ | 1994 |
|
RU2094649C1 |
CN 110080935 A, 02.08.2019 | |||
CN 104612882 A, 13.05.2015. |
Авторы
Даты
2024-10-16—Публикация
2023-10-27—Подача