Гидроэлектростанция Советский патент 1993 года по МПК F03B13/00 F03B7/00 

Изобретение относится к энергетике, в частности к гидростанциям, и может быть использовано для вырабатывания электроэнергии за счет кинетической энергии рек.

Известная электроаккумулирующая установка, включающая наземное водохранилище, соединенное напорным трубопроводом с надземной гидроэлектростанцией, имеющей генератор и турбину, надземное водохранилище, соединенное с наземной электростанцией. Генератор выполнен необратимым, напорный трубопровод соединен с турбиной, а подземное и наземное водохранилища соединены отдельным водоводом.

Недостатком известной установки являются значительные капитальные затраты на

строительство гидросооружений и сложность конструкции.

Известная микроэлектростанция (прототип) содержит коническую напорную камеру, в нижней части которой расположены направляющий аппарат и рабочее колесо, установленное на вертикальном валу соединенной с генератором, напорная камера в верхней части снабжена отверстиями и расположенным в зоне последних коллектором, сообщенным при помощи пневмокла- пана с атмосферой, на валу под камерой установлена пластина.

Недостатком указанной микроэлектростанции также являются значительные капитальные затраты на строительство гидросооружений и сложность конструкции.

1

00 00 CJ

о чэ

Для существующих гидроэлектростанций необходимо произвести строительство водохранилищ, плотин, деревационных каналов и т.д., что сопровождается со значительными капитальными затратами, а кроме того создание больших водоемов - водохра- нилищ, деревационных каналов связано также с затоплением территории, что особенно обостря ет экологическую ситуацию в том случае, когда в затапливаемую зону попадают дорогие плодородные земли и леса.

Целью изобретения является упрощение конструкции и значительное сокращение (практически до нуля) капитальных затрат на строительные работы. Цель достигается тем, что гидроэлектростанции по протяжении реки с интервалами I 3-20 м в зависимости от ширины, глубины и географического расположения реки установлены (п) идентичные системы, каждая из которых состоит из двух жестко связанных поплавков, между которыми, на горизонтальном валу расположена турбина, закрепленная через подшипники на корпусе соответствующего поплавка, вал турбины связан прямо или через цепную или зубчатую передачу с валом трехфазного генератора переменного тока, указанная система опущена в середину реки, имеет возможность находиться в поплавковом состоянии, при том находящиеся под водой края лопастей турбины утоплены до уровня нижних поверхностей поплавков, вдоль оси турбины на дне поплавков и с зазором от лопастей турбины между поплавками установлена перемычка, поверхность лопастей выполнена пустотелой клинообразной формы радиально расположенными и обращенными в сторону вращения турбины своими вершинами-остриями при том каждая лопасть в зависимости от ширины турбины содержит один или несколько элементов с клинообразными поверхностями; каждый поплавок снабжен во- донаправляющей стенкой, атакующая к реке поверхность поплав ков со своими водонаправляющими стенками, горизонтальной плоскости имеет сечение воронкообразной формы, шарнирно установленные на корпусе поплавков две тяги также шарнирно установлены на гибкой нити, протянутой сверху и перпендикулярно к течению реки и закрепленной с помощью опор, установленных на противоположных берегах реки.

На фиг.1 дана горизонтальная проекция конструкции гидроэнергоустановки; на , фиг.2 - вертикальная проекция гидроустановки, разрез А-А; на фиг.З и 4 - электрическая схема - первый и соответственно второй варианты.

На фиг. приняты следующие обозначения: 1 - идентичные системы, 2 - река, 3,4 - поплавки, 5 - горизонтальный вал, 6 - трубка, 7 - радиальные лопасти турбины 6, 8,9 - 5 подшипниковые щиты турбины 6, 10 - конструкция корпуса, 11 -трехфазный генератор, 12 - тяги, 13 - гибкая нить, 14,15 - опоры, 16,17 - противоположные стороны берегов, 18- перемычка между поплавками,

0 находящимися на их дне, 19 - дно реки 2, 20,21 - водонаправляющие стенки поплавков 3,4, 22 - двухполупериодная мостовая схема выпрямителя, 23 - электродвигатель постоянного тока, 24 - выходной - общий

5 трехфазный генератор, 25 - стабилизатор частоты, 26 - датчик частоты, 27 - шины общего генератора 24,28,29 - компараторы, 30,31 - тиристорные ключи, 32,33 - дополнительные потребители энергии, 34 - линия

0 передачи, 35 - тиристорный ключ, 36 - линия передачи, 37 - блок определения синхронности.

Гидроэнергоустановка содержит (п) идентичных установок 1, которые установ5 лены на протяжении реки с интервалами I 3-20 м в зависимости от ширины, глубины и географического расположения реки 2.

Каждая установка 1 состоит из двух жестко связанных поплавков 3 и 4 соответст0 венно.

Между поплавками 3,4 на горизонталь- ком валу 5 расположена турбина 6 с радиальными лопастями 7. Турбина 6 через подшипники и их щиты 8,9 установлена на

5 конструкции корпуса 10, с помощью которой осуществлена жесткая связь между поплавками 3,4, Вал 5 турбины 6 связан прямо или через цепную или зубчатую передачу с валом трехфазного генератора переменно0 го тока 11,

Указанная система опущена в середину реки 2, имеет возможность находиться в поплавковом состоянии и через шарнирно установленные на корпусе 10 поплавков 3.4,

5 двумя тягами 12, также шарнирно установлен на гибкой нити 13.

Гибкая нить 13 протянута сверху и перпендикулярно к течению реки 2 и закреплена с помощью опор 14,15 на проти0 воположных берегах. При поплавковом состоянии системы находящиеся края лопастей 7 турбины 6 утоплены до уровня нижних поверхностей поплавков 3,4.

В вертикальной плоскости, проходя5 щей вдоль оси турбины 6 на дне поплавков 3,4 и с зазором от лопастей 7 турбины 6, между поплавками 3,4 установлена перемычка 18,

Перемычка 18 защищает лопасти 7 тур- бины 6 от механического повреждения при

случайном соприкосновении низа системы со дном 19 реки 2.

Поверхности лопастей 7 турбины 6 выполнены в виде пустотелой клинообразной формы, радиально расположенными и обра- щенными в сторону вращения турбины своими вершинами-остриями, при том каждая лопасть в зависимости от ширины турбины содержит один или несколько элементов, клинообразными поверхностями. Внутрен- ний угол каждого клинообразного элемента составляет а 50°. При таком выполнении лопастей 7 турбины 6 значительно уменьшается сопротивление воды при вращении турбины 6.

Каждый из поплавков снабжен водо- направляющей стенкой 20 и соответственно 21.

Атакующие к реке поверхности поплавков 3,4 со своими водонаправляющими стенками 20,21 в горизонтальной плоскости имеют сечение воронкообразной формы.

Одним из лучших вариантов повышения КПД, т.е.. максимального использования электрической энергии отдельных систем генераторов, переменное напряжение с разными амплитудами и частотами для получения одной фиксированной- промышленной частоты 50 Гц, является схема, представленная на фиг.З.

В установке (п) количество систем - гидротурбогенераторов, установленных по протяжении реки, разбита на один или несколько десятков групп, например, в одну группу, которая представлена на фиг.З.

Фазные обмотки каждого генератора 11 каждой системы подключены к двухполупе- риодной мостовой схеме выпрямителя 22.

Выпрямители 22 каждой системы соединены последовательно с аналогичными выпрямителями и подключены к электродвигателю постоянного тока 23, вал которого связан с валом выходного - общего трехфазного генератора переменного тока 24, который снабжен стабилизатором часто- ты 25.

Стабилизатор частоты 25 состоит из аналогового датчика через частоты 26, подключенный входом к шинам 27 общего генератора 24. Выход датчика частоты 26 подключен ко входам одного или нескольким компараторам, число которых зависит от ступеней регулирования.

В данном случае (фиг.З) регулирование двухступенчатое, поэтому выход датчика ча- стоты 26, подключен ко входам двух компараторов 28, 29. Выход каждого компаратора подключен к управляющим входам тири- сторного ключа 30 и соответственно 31. Вход силовых цепей каждого из тиристорного ключа подключен к шинам 27 общего генератора 24, а выход к дополнительному потребителю энергии 32 и соответственно 33.

В другом варианте, см.фиг.4, в установке можно пренебречь мотором 23 и общим генератором 24, соединив отдельные генераторы 11 каждых систем, через тиристор- ный ключ 35 к линии передачи 36, при том управляющий вход каждого тиристорного ключа подключен к выходу каждого блока определения синхронности 37. Каждый блок определения синхронности 37 выдает отпирающий сигнал соответствующему ти- ристорному ключу 35, который подключает данный генератор 11 к линии передачи 36 при достижении равенства частоты данного генератора с частотой линии передачи. В случае меньшей частоты данного генератора 11, последний к линии передачи 36 не подключается.

В случае меньшей частоты любого из п генераторов по сравнению с частотой линией передачи, то указанные генераторы к линии передачи не подключаются, следовательно, при такой схеме энергопотери значимые, так как указанные генераторы не принимают участие в выработке электроэнергии.

В большинстве практических случаев при данной конструкции системы турбина 6 имеет сравнительно небольшую угловую скорость при сравнительно высоком моменте на валу 5. С целью использования указанной скорости для получения частоты близко к промышленной - 50 Гц, для приведения во вращения стандартного генератора, в системе вал 5, турбины 6, через цепную или зубчатую передачу, с коэффициентом пере- 10-30

дачи

1

связан с валом трехфазного

генератора 11.

Находящаяся в центральной осевой линии реки 2 на поплавках 3,4, турбина 6 вращается с помощью потока воды обусловленным течением реки 2 в свое русло.

Отдаваемая электрическая мощность генератором 11 через соответствующую турбину 6 системы, зависит от расхода воды в реке, от ее течения и от вышеуказанного конструктивного выполнения системы.

Вышеуказанная атакующая к реке 2 воронкообразная поверхность поплавков 3.4 со своими водонаправляющими стенками 20,21, способствуют направлению и сосредоточению потока воды, и следовательно, повышениюуровня воды между поплавками 3,4, впереди турбины 6.

При этом эффективно используется любое течение реки для создания максимального вращательного момента турбины и следовательно, выработки максимальной электрической энергии.

В варианте схемы соединения генераторов (фиг.З) число генераторов 11 в группе определяют так, что сумма мощностей генераторов 11 было бы достаточным для сообщения эл.двигателя 23 и, следовательно, общего генератора 24, номинальную угловую скорость для выработки номинальной частоты 50 Гц, при максимальной нагрузке линии 34, при наименьшем возможном уровне воды в реке 2.

При уменьшении нагрузки o6aiero генератора 24, т.е. при отключении части потребителей энергии, частота генератора 24 начинает увеличиваться. При этом отдатчика частоты 26 срабатывает компаратор 28, порог срабатывания которого соответствует первой ступени превышения частоты. Отпирающий сигнал с выхода компаратора 28 производит включение тиристорного ключа

30. который включает дополнительный потребитель 32.

При нагрузке общего генератора 24 дополнительным потребителем, частота генератора 24 стабилизируется и дальше не возрастает.

При дальнейшем уменьшении нагрузки генератора 24 еще раз отключение других потребителей энергии, аналогичным образом включается другой тиристорный ключ

31. включается другой дополнительный потребитель 33 и частота генератора 24 стабилизируется, В качестве дополнительных потребителей могут быть нагревательные элементы, служащие для снабжения населения горячей водой.

Аналогичное происходит при половодье, когда суммарная мощность генераторов 11 увеличивается. При этом начинает увеличиваться частота общего генератора 24 и аналогичным образом включается дополнительный потребитель 32, а можетбыть и дополнительный потребитель 33 и частота общего генератора 24 стабилизируется.

Предложенная гидроэнергоустановка экологически чистая, имеет значительно простую конструкцию, практически до нуля доведены капитальные затраты на строительные работы, поэтому его использование и внедрение целесообразно, т.к. вопрос экологии № 1 проблема в мировом масштабе.

Формула изобретения

1. Гидроэлектростанция, содержащая установку, выполненную в виде двух жестко связанных поплавков с водонаправляющими стенками, образующими входной сужающийся канал, турбины с лопастями, размещенной между поплавками на горизонтальном валу, установленном на

корпусах последних и кинематически связанном с электрогенератором, и средства для фиксации установки в потоке, от л и ч а- ю щ а я с я тем, что края лопастей в нижнем положении расположены на уровне нижних

0 поверхностей поплавков, установка снабжена перемычкой, установленной между поплавками вдоль оси турбины с зазором относительно лопастей, корпуса - подшипниками для установки вала, каждая лопасть

5 выполнена пустотелой, радиальной в виде одного или нескольких клинообразных элементов с вершинами, расположенными на периферии турбины, средство для фиксации системы выполнено в виде двух тяг, шар0 нирно установленных на корпусах поплавков, гибкой нити, шарнирно связанной с тягами и расположенной над уровнем потока, и опор для крепления нити, размещенных на противоположных берегах потока,

5 генератор выполнен трехфазным переменного тока, станция снабжена дополнительными установками, аналогичными вышеуказанной.

2. Гидроэлектростанция по п.1, о т л и- 0 чающаяся тем, что генератор связан с валом непосредственно.

3. Гидроэлектростанция по п. 1, о т л и- чающаяся тем, что кинематическая связь вала с генератором выполнена в виде цеп- 5 ной или зубчатой передачи.

4. Гидроэлектростанция по п.1, о т л и- чающаяся тем, что установки сгруппированы в одну или несколько групп и каждая группа снабжена двухполупериодными вы0 прямителями мостовой схемы, подключенными к фазным обмоткам генераторов модульных систем, и соединены последовательно между собой, электродвигателем постоянного тока, подключенным к цепи

5 выпрямителей, и имеющим стабилизатор частоты дополнительным трехфазным генератором переменного тока, вал которого связан с валом электродвигателя.

5. Гидроэлектростанция по п.4, о т л и- 0 чающаяся тем, что стабилизатор частоты выполнен в виде аналогового датчика частоты, одного или нескольких компараторов и тиристорного ключа, причем выход датчика частоты подключен к входу 5 компараторов, выход компараторов - к управляющим входам ключа, вход силовых цепей последнего - к шинам дополнительного генератора переменного тока, а выход - к дополнительным потребителям энергии.

tt О А ВС

Изобретение относится к гидроэнергетике. Поплавки установки жестко связаны друг с другом. Установка размещена в реке. Водонаправляющие стенки образуют входной канал. Турбина 6 с лопастями размещена между поплавками на горизонтальном валу. Вал установлен на корпусах и кинематически связан с генератором. Установка снабжена перемычкой. Корпуса снабжены подшипниками для установки вала 5. Тяги шарнирно установлены на корпусах. Гибкая нить шарнирно связана с тягами. Опоры размещены на противоположных берегах. Установки сгруппированы и каждая группа снабжена выпрямителями. Последние подключены к фазным обмоткам генераторов. Электродвигатель подключен к цепи выпрямителей. Дополнительный генератор снабжен стабилизатором частоты. Последний выполнен в виде аналогового датчика частоты, компараторов и тиристорного ключа. Вход силовых цепей ключа подключен к шинам, а выход - к дополнительным потребителям. Такое выполнение гидроэлектростанции позволит упростить ее конструкцию, снизить капитальные затраты и повысить КПД. 4 з.п.ф-лы, 4 ил. ел С

фиг.З