ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ ПРИЛИВНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
TIDAL POWER PLANT POWER MODULE

Энергетический модуль приливной электростанции относится к области гидроэнергетики и представляет собой устройство, предназначенное для преобразования возвратно-поступательного движения системы тел переменной массы в электрическую энергию и использующее в качестве внешнего источника энергии потенциальную энергию воды, поднимаемой во время прилива в морях и океанах.
С течением времени и по мере развития технологий, человечество предпринимает попытки использовать возобновляемые источники природной энергии для преобразования их в виды, удобные для использования. Одним из перспективных направлений в данной области является создание генераторов электрической энергии, использующих в качестве источника приливы и отливы морей и океанов. Изменение уровня водной поверхности в течение одних суток может достигать 18 м. (Канада, залив Фанди). На территории Российской Федерации, значительные колебания наблюдаются в северных морях: Баренцевом, Охотском, Белом и др.
Известны приливные электростанции (ПЭС), преобразующие энергию приливов в электрическую с использованием перепада уровней «полной» и «малой» воды (напора) приливов и отливов. Для этого необходимо возведение плотин, организация бассейнов ПЭС. Известны ПЭС на реке Ране 240 МВт (Франция), Кислогубская ПЭС - 1,7 МВт (Баренцево море, губа Кислая), Мезенская ПЭС (проект, мощность 38,9 МВт). Недостатками стандартной концепции устройства станций такого типа является необходимость обустройства плотин и запруд, создание искусственных водоемов большой площади и использование дорогого оборудования, в частности турбинных гидроагрегатов и электрогенераторов. Кроме того, работа ПЭС осуществляется с перерывами, в зависимости от времени приливов и отливов, т.е. подача электроэнергии в сеть осуществляется с некоторой периодичностью. ПЭС дорогостоящее сооружение: «Стоимость сооружений ПЭС на р. Ране почти в 2,5 раза больше, чем обычной речной ГЭС такой же мощности» (БСЭ, М.: 1973 г., т. 20, с. 580).
Достаточно эффективными, с точки зрения соотношения производительности и влияния на окружающую среду, являются ПЭС, использующие изменение уровня воды для преобразования его в возвратно-поступательное движение рабочего механизма, преобразуя, это, в свою очередь, во вращательное движение вала генератора.
Известны различные типы поплавковых электростанций, относящиеся к родственному приливным электростанциям классу, принцип их действия также основан на преобразовании возвратно-поступательного движения поплавков во вращательное движение вала. Проблема заключается в относительно низкой производительности, повышение которой возможно лишь достижением кумулятивного эффекта от мультипликации таких источников на водной поверхности. Поплавковые электростанции могут применяться в качестве вспомогательных источников электроэнергии.
Известна конструкция устройства для преобразования силы Архимеда в тепловую и механическую энергию по патенту на полезную модель №72281 (Прилепских Н.Н., з. 2007132207 от 24.08.2007). Согласно описанию устройства, оно содержит компрессорный узел, фиксаторы, два герметичных рабочих тела, установленных в направляющих с возможностью возвратно-поступательного движения в вертикальном направлении, при этом одно рабочее тело расположено вверху, а другое внизу, рабочие тела соединены между собой канатом, который закреплен на валу, связанном с узлом отбора мощности, при этом рабочие тела выполнены в виде одинаковых цилиндрических полостей переменного объема, крышки которых снабжены впускным и выпускным клапанами и устройствами поджига воздушно-водородной смеси, при этом впускные клапаны соединены с компрессорным узлом подачи сжатого воздуха/воздушно-водородной смеси. Принцип работы устройства подразумевает использование архимедовой силы для приведения системы в движение. Возвратно-поступательные движения рабочие тела совершают в толще воды, используя переменный объем для увеличения силы Архимеда. При достижении рабочим телом нижней точки траектории, через клапан происходит накачка емкости воздушно-водородной смесью, ее поджиг, увеличение объема рабочего тела при горении смеси, возрастание силы Архимеда и начало движения рабочего тела к поверхности воды. При достижении рабочим телом верхней точки траектории, через клапан происходит выпуск воздушно-водородной смеси, объем тела уменьшается и рабочее тело приобретает отрицательную плавучесть. С парным рабочим телом в системе происходит тот же цикл, но в обратном порядке.
К недостаткам устройства такого типа относится относительно невысокая производительность, поскольку на накачку в подводную часть устройства рабочего газа под давлением необходимы значительные затраты энергии, причем чем больше глубина погружения нижней точки устройства, и, теоретически, выше производительность, тем больше энергии необходимо затратить на накачку газовой смеси в придонный резервуар.
Известен способ преобразования энергии гравитационных сил в работу и устройство для его осуществления по патенту на изобретение №2099591 (Кубанский ГТУ, з. № 95116209 от 19.09.1995). Согласно описанию предложенного решения, преобразование гравитационных сил ведут путем передачи возвратно-поступательного, периодического по вертикали движения гибкой связи между двумя грузами, переброшенной через блок с колесом, имеющим вал и храповой механизм, преобразующий колебательное движение гибкой связи во вращательное движение вала. При этом колебательное движение грузов вверх-вниз достигают путем изменения веса одного из грузов, выполненного в виде тела переменной массы. Изменение веса груза достигается тем, что его выполняют в виде тела из сорбентных веществ для паров воды. Сорбирование водяных паров предусмотрено из воздушной среды.
Устройство по приведенному патенту относится более к экспериментальным установкам, иллюстрирующим принципиальную возможность изменения массы тела за счет сорбирования водяных паров и преобразования периодического возвратно-поступательного движения системы грузов во вращательное движение вала генератора. В указанном устройстве используется одно тело переменой массы, второе тело в системе играет роль эталонного противовеса. Незначительная разница в массе тел не позволяет сообщить существенный вращательный момент валу генератора, что указывает на низкую производительность системы в целом.
Известна конструкция энергетической установки по патенту на полезную модель №51681 (Елисеев А.Д., Елисеева С.Ф., з. 2005113527 от 03.05.2005). Согласно описанию полезной модели, водяной двигатель содержит питательную емкость, в роли которой выступает подземный водоносный слой, преобразователь возвратно-поступательного движения системы поршней, соединенных канатом, охватывающим два блока, во вращательное движение выходного вала с установленным на нем маховиком, преобразование разнонаправленного вращения блоков в однонаправленное вращение вала обеспечивается муфтами одностороннего действия. Указанные поршни, по сути, представляют собой тела переменной массы, совершающие возвратно-поступательные движения в соответствующих каналах.
Потенциально, предложенная установка пригодна для выработки электрической энергии, однако объем воды, которая забирается для питания установки из верхнего водоносного слоя, ограничен, что может значительно снизить производительность и период работы полезной модели. К тому же область применения устройства по данному патенту ограничена наличием запасов подземных вод, а его использование приводит к истощению водоносного слоя.
В предлагаемом энергетическом модуле приливной электростанции (далее - Энергетической установке) указанные недостатки отсутствуют.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение заключается в получении экологически чистой электроэнергии с использованием возобновляемого источника, в данном случае, приливов с устранением перерывов ее подачи в энергетическую систему и повышением КПД.
Указанная задача решается тем, что в энергетическом модуле приливной электростанции, включающем, по меньшей мере, одну пару заполняемых емкостей, соединенных между собой гибкой связью, связанной с приводом, обеспечивающим движение вала электрогенератора, согласно изобретению, модуль дополнительно содержит один верхний, открытый сверху для поступления воды извне, и один крытый нижний бассейны, связанные шахтой, отгораживающей внутреннее пространство от внешней среды, и содержащей вертикальные направляющие с возможностью периодического возвратно-поступательного движения вдоль них заполняемых емкостей, причем верхний бассейн расположен таким образом, что обеспечивает наполнение заполняемых емкостей водой через сливные отверстия, снабженные герметичными, по отношению к перекрытию верхнего бассейна, запорными устройствами, с возможностью их движения в вертикальной плоскости.
Целесообразно размещать привод на площадке над верхним бассейном, а гибкую связь проводить от привода к заполняемым емкостям через пару изолированных каналов, выполненных в верхнем бассейне.
Целесообразно запорные устройства выполнять герметичными по отношению к изолированным каналам в верхнем бассейне, а сливные отверстия должны дополнительно содержать сливные лотки, расположенные под углом навстречу друг к другу.
Целесообразно заполняемые емкости выполнять с открытым верхом, взаимодействующим со сливными отверстиями верхнего бассейна, и изменяющими свою массу посредством клапанов слива воды.
Целесообразно направляющие дополнительно снабдить подпружиненными упорами в верхней и нижней частях и фиксирующими элементами в верхней части, установленными таким образом, что заполняемые емкости в верхней части траектории удерживаются указанными фиксирующими элементами.
В частном случае привод может содержать, по меньшей мере, одну пару ведущих звездочек, соединенную с заполняемыми емкостями посредством гибкой связи, звездочку цепной передачи, ведущую шестерню зубчатой передачи, закрепленные на ведущем валу, ведомые звездочки со встроенными муфтами одностороннего вращения цепных передач, закрепленные на ведомом валу, одна из которых взаимодействует через цепную передачу на своем валу с шестерней, взаимодействующей с ведущей шестерней, закрепленной на ведущем валу, причем ведомый вал содержит зубчатое колесо, входящее в зацепление с ведомой шестерней, закрепленной на валу, механически связанном с редуктором, соединенном с валом электрогенератора через электромагнитную муфту.
Целесообразно на валу электрогенератора привода закрепить маховик.
Целесообразно на площадке для привода расположить цилиндр гидропривода, шарнирно соединенный с рамкой, скрепленной с запорным устройством.
Целесообразно размещать привод на площадке над поверхностью верхнего бассейна, а гибкую связь проводить от привода к заполняемым емкостям через пару изолированных каналов, выполненных в верхнем бассейне.
Использование системы емкостей, имеющих переменную массу и соединенных гибкой связью, позволяет создать статически неуравновешенную систему, которая при своем возвратно-поступательном движении в вертикальной плоскости будет приводить в действие привод, связанный с генератором электрической энергии.
Верхний бассейн предназначен для восприятия забортной воды, поднятой приливом на высоту «полной воды», удерживания ее и расходования определенными объемами, пропорциональными сумме объемов заполняемых емкостей.
Установка бассейна с массой воды на высоте позволяет расходовать эту воду емкостями, с возможностью изменять скорость их падения на полученном вертикальном пути, приобретая, тем самым, кинетическую энергию для трансформации ее в электрическую с помощью электрогенератора и его привода. Скорость прилива и отлива в естественных условиях мала. Верхний бассейн пополняется при каждом следующем приливе, когда забортная вода достигает клапанов набора в штиль и дополнительно волнами через борта. Возможно дополнение верхнего бассейна сеткой, закрывающей его сверху и защищающей от попадания материалов извне. Опорой конструкции выступает нижний крытый бассейн, принимающий отработанную воду, пока уровень забортной воды находится выше его перекрытия при приливе или отливе. Это происходит в течение 8 часов при приливе и отливе. При «малой воде» нижний крытый бассейн освобождается полностью.
Шахта предназначена для соединения между собой нижнего и верхнего бассейнов, отделяя от забортной воды пространство внутри нее, обеспечивая возможность определенным образом движение в ней емкостей, заполненных водой из верхнего бассейна, в состоянии противовесов для работы электрогенератора и его привода с выработкой электроэнергии.
Внутри шахты установлены вертикальные направляющие с нижними, верхними подпружиненными элементами и с фиксирующими, в верхней части, упорами. Вертикальные направляющие снаружи скреплены между собой поясами-перемычками в колонну с поперечным сечением в виде прямоугольника. Внутри колонны установлена заполняемая емкость с открытым верхом. Направляющие нужны для ограничения раскачивания емкости при ее движении, вверх-вниз. Фиксирующие упоры в верхней части направляющих предусмотрены выдвижными, с обеспечением опоры под колеса емкости. Ось вращения упоров расположена на тыльной стороне швеллера. Емкость отжимает колесом упоры, при движении вверх воздействуя на их пружины, которые затем возвращают упоры обратно. Исходное положение емкости (для заполнения) под лотками слива, установленными по периметру запорного устройства, закрепленными к перекрытию под определенным углом. Запорное устройство поднимается все, не имя шарниров, как широко распространено, его смещение относительно своего гнезда устраняет изолированный канал, проходящий через него с герметизацией и рамка запорного устройства, поднимающая его с помощью штока гидроцилиндра. Такое открытие люка с четырех сторон позволяет быстрее заполнять емкость и организовывать важное движение потоков воды навстречу друг другу.
При поднятом запорном устройстве вода из верхнего бассейна стекает с четырех сторон по лоткам навстречу друг другу, потоки сталкиваются и теряют свою кинетическую энергию. Происходит щадящее заполнение емкости вертикально, без раскачки, импульсно, что важно для безостановочной работы электрогенератора. Запорное устройство такой конструкции и его взаимодействие с лотками дает положительный эффект.
В комплекте содержатся две емкости, и каждая из них крепится к концу одной и той же гибкой связи. Верх емкости может быть открыт для быстрого ее заполнения. Совместное движение заполненных емкостей в состоянии противовесов происходит за счет сбрасывания воды одной из них, что позволяет при этом получить нужные силу, мощность, при наличии скорости их движения, точное поддержание скорости и использования воды в неограниченном объеме как оборотного материала. В естественных условиях скорость прилива мала (прилив 6 м - 0,3 мм/сек, прилив 18 м - 0,83 мм/сек.), а скорость движения емкостей от 1500 до 1600 раз больше, чем скорость прилива, что позволяет решить поставленную задачу, а именно: получить скорость и мощность, используя массу воды, поднятую приливом на высоту «полной воды». Емкости начинают противоположное совместное движение, когда нижняя емкость сбросит определенный объем воды и преодолеет суммарное сопротивление привода. Совместное движение емкостей перемещает скрепляющую их гибкую связь, которая вращает ведущие звездочки привода. Сброс воды происходит через клапан слива емкости, для выдерживания заданной скорости с возможным применением торможения. Энергию сбрасываемой струи из емкости воспринимает массивная тарелка, установленная на перекрытии нижнего бассейна под каждой емкостью. Она же гасит звук от удара струи воды о тарелку специальным материалом, закрепленным на ней. Емкости меняются своими исходными позициями на обратные, при освобождении одной из них. Цикл закончен и повторяется в обратном направлении после паузы, во время которой заполняется освободившаяся емкость, и так далее. При движении емкостей работает привод, вращая, в свою очередь, вал электрогенератора, который вырабатывает электроэнергию.
Устройство механического привода позволяет преобразовывать возвратно поступательные движения заполняемых емкостей во вращательное движение вала генератора через цепь, связывающую емкости, которая проходит сквозь изолированные каналы, охватывая пару ведущих звездочек привода, и при движении емкостей приводит в движение цепные передачи, одна из которых взаимодействует с зубчатой передачей. Ведомые звездочки цепных передач являются муфтами одностороннего вращения, закрепленными на ведомом валу, содержащим также колесо, вал шестерни которого механически связан с редуктором, который соединен с валом электрогенератора через электромагнитную муфту. При движении одной емкости вниз, работает одна ведомая муфта одностороннего вращения, а другая проскальзывает и наоборот. Так продолжается в циклическом режиме и обеспечивается вращение вала электрогенератора в одну сторону, независимо от направления возвратно-поступательного движения заполняемых емкостей.
Непрерывность выработки электроэнергии является частью достигаемого технического результата. Зубчатое колесо и его шестерня находятся в зацеплении и образуют передачу, обеспечивающую требуемую скорость вращения входного вала редуктора. Передаточное число этой передачи рассчитывают и корректируют экспериментально по известным данным в зависимости от применяемого механического привода электрогенератора, передаточных чисел цепных передач и выбранной средней скорости перемещения емкостей.
Электромагнитная муфта служит для мгновенного включения и отключения электрогенератора от его привода во время пауз, при заправках емкостей водой из верхнего бассейна через отверстие под поднятым запорным устройством. Быстродействие электромагнитной муфты предотвращает торможение вала электрогенератора механическим приводом, что также обеспечивает непрерывность выработки электроэнергии. С той же целью на вал электрогенератора крепится маховик, обеспечивающий вращение вала во время пауз при заправке емкостей. Все клапаны набора и слива воды однотипные и известные по конструкции могут быть, например, электромагнитные (соленоидного типа), управляемые автоматически или дистанционно по радио. Определение уровня воды в бассейнах осуществляют с помощью соответствующих датчиков (уровнемеров) по свету или по касанию с ее поверхностью. Объем сбрасываемой воды из емкостей связан обратной связью с тахометром электрогенератора и датчиком на торможение колеса механического привода, в зависимости от скорости движения емкости. Емкости могут сбрасывать воду одновременно в разном объеме для выравнивания и поддержания нужной скорости их движения. Величина реактивности струи не учитывается, так как скорость ее мала. Клапаны слива воды из емкости также оснащены электромагнитными клапанами с управлением по радиоканалу. В различных реализациях предлагаемой энергетической установки в качестве автоматических клапанов набора и слива воды могут использоваться известные клапаны, в том числе с переходом на ручное управление при нештатных ситуациях.
Конструкция и работа устройства поясняется на примерах его воплощения с привлечением следующих чертежей:
На фиг. 1 показан продольный разрез энергетической установки.
На фиг. 2 дан вид сверху на привод, расположение направляющих и запорных устройств в перекрытии над ними, вариант с двумя парами заполняемых емкостей.
На фиг. 3 дан разрез Б-Б фиг. 2 в разрезе по двум комплектам направляющих в исходном положении (с полными емкостями).
На фиг. 4 дан местный Вид А на фиг. 2, включающий запорное устройство и изолированный канал, площадка для привода не показана.
На фиг. 5 дан вид сверху на привод, в варианте с одной парой заполняемых емкостей.
На фиг. 6 схематично показан Вид В на часть привода.
На фиг. 7 дана схема размещения привода для расчета параметров устройства.
Энергетическая установка содержит опору в виде нижнего крытого бассейна 1 (фиг. 1), верхний бассейн 2, покоящийся на строительных опорах (не показаны), площадку для привода 3, смонтированную на строительных опорах верхнего бассейна 2 (не показаны), привод 4 (схематический вид на фиг. 7) на площадке 3, шахту 5, направляющие 6 с нижними 7, верхними 8 подпружиненными упорами и фиксирующими упорами 9. В каждом комплекте направляющих 6 установлены заполняемые емкости переменной массы 10, 11 с клапанами слива 12 Емкости равного объема и одинаковой конструкции. На фиг. 1 емкость 10 стоит на упорах 9 под сливными лотками 13, а емкость 11 в нижнем положении на упорах 7. Лотки 13 закреплены к перекрытию по периметру люка 14 противоположно наклоненными друг к другу под определенным углом. Над каждой колонной направляющих 6 предусмотрено запорное устройство в виде люка 14, герметичное в закрытом положении к перекрытию бассейна 2, через который проходит изолированный канал 15, закрепленный в площадке 3. Между люком 14 и изолированным каналом 15 предусмотрено герметичное уплотнение, позволяющее люку 14 двигаться вдоль изолированного канала 15 вверх и вниз на величину хода. На верхнем торце изолированного канала 15 закреплен гидроцилиндр 16 гидропривода 35, от которого идут трубопроводы к каждому гидроцилиндру колонн направляющих 6, показаны на фиг. 2 без позиций. Гидроцилиндр 16 шарнирно соединен с рамкой 17 (фиг. 4), с нижними краями профильного сечения, закрепленными к люку 14. В изолированных каналах 15 выполнены продольные прорези для входа ведущих звездочек 19, 20 привода 4 для установки ведущей цепи 18 по оси изолированного канала 15 (фиг. 1).
На фиг. 1 показано положение емкости 10 вверху, a 11 внизу для одного комплекта направляющих 6. Такое же положение емкостей у параллельного второго комплекта На фиг. 1 показано положение емкости 10 вверху, a 11 внизу для одного комплекта направляющих 6. Такое же положение емкостей у параллельного второго комплекта направляющих. Это показано на фиг. 3 (Разрез Б-Б). Емкости 10, а 11 за ним должны быть внизу. То есть емкости 10, 11 обоих комплектов размещаются одинаково для синхронной работы, создавая двойную силу и симметрию усилий для привода.
На фиг. 2, 5 показана схема привода 4, для различных вариантов реализации. Цепь надета на ведущую 19 и холостую 20 звездочки привода 4. На валу 24, помимо двух звездочек 19, закреплены также звездочка 21 цепной передачи 22, ведущая шестерня 23 зубчатой передачи, взаимодействующая с цепной передачей 27. У позиций 19, 21, 23 общий ведущий вал, поэтому звездочки 19, 20 их цепь 18 и емкости 10, 11 обоих комплектов могут работать только синхронно. Звездочка 44 второй цепной передачи закреплена на своем валу и взаимодействует с шестерней зубчатой передачи, которая, в свою очередь взаимодействует с ведущей шестерней зубчатой передачи. Ведомые звездочки 25 передачи 22 и 26 передачи 27 надеты на ведомый вал 28 зубчатого колеса 29. Обод колеса 29 оснащен тормозом 42 (фиг. 6). В звездочки 25 и 26 встроены муфты одностороннего вращения (конструкция известных муфт одностороннего вращения, обгонных муфт изложена в издании «Конструирование узлов и деталей машин» П.Ф. Дунаев, М.: 1966, стр. 284-289). При движении емкостей 10 и 11 в разные стороны вал 28 и колесо 29 сохраняет свое однонаправленное вращение благодаря применению муфт одностороннего вращения. В том же направлении будет вращаться шестерня 30, выходной вал редуктора 31, вал электрогенератора 33, с помощью электромагнитной муфты 32. На валу электрогенератора закреплен маховик 34 и тахометр числа оборотов (не показан).
Маховик 34 предназначен удерживать число оборотов электрогенератора в момент пауз, когда идет заправка водой емкостей 10 или 11 в верхнем положении. Клапаны набора и слива воды 36, 37, 38, 39, 40 изображены условно. Сетка 43 закрывает всю верхнюю поверхность бассейна 2 от ненужного, опирается на строительные опоры внутри бассейна с определенным шагом. Строительные опоры не показаны.
Энергетическая установка подключена к автоматическому управляющему электронному блоку (не показан), изготовленному и смонтированному по известным схемам электронных управляющих устройств. Управляющий блок, его отдельные части, пульт автоматического управления узлами и всей системой может быть установлен на площадке 3 для механического привода 4 в организованном крытом производственном помещении (не показано).
Энергетическая установка работает следующим образом. Каждый морской прилив поднимает массу воды до определенного уровня (далее - «полная вода»). Приливы бывают разной высоты. Предлагаемую энергетическую установку более рационально использовать при, так называемых, правильных приливах, когда прилив и отлив происходят каждые 6 часов (точно - 6 ч 13 мин), то есть, в течение суток происходят два прилива и два отлива.
Для полной ясности, рассмотрим работу энергетической установки сначала при цикле отлива, а затем при цикле прилива и отлива. Работа устройства происходит независимо от движения забортной воды, которая, однако, ее подпитывает.
1
Момент времени Т. Верхний бассейн 2 полностью заполняется забортной водой до нормы через клапаны 40 по достижении ею «полной воды» из расчета на штиль, и сверх нормы волнами через его борта. Бассейн 2 удерживает и позволяет расходовать массу воды его объема, поднятую приливом, с ее приобретенной потенциальной энергией, обеспечивая работу энергетической установки до следующего прилива.
Бассейн 2 заполнен водой приливом. Емкости 10 и 11, полностью заполненные, находятся в своем исходном положении, когда одна емкость, например, 10 вверху, а другая, 11, внизу (фиг. 1). Также возможна установка емкостей второго комплекта, который повторяет работу первого синхронно, далее речь пойдет только об одном комплекте. За бортом идет прилив или уже отлив. По первоначальному сигналу с пульта управления, а затем в автоматическом режиме, емкость 10 через свой клапан сбрасывает порцию воды (автоматически по времени или расходу), облегчится, а емкость 11, перевесив, осядет на упорах 7. Между колесами емкости 10 и кулаками 9 образуется зазор. По сигналу, поданному на катушку управления, кулаки 9 утапливаются, деформируя пружины, освобождая путь емкости 10.
2
3
Момент времени Т. Нижняя емкость 11 через открытый клапан 12 сбрасывает воду, облегчается и возникает перетягивающее движение верхней емкости 10 вниз, как более тяжелой, на данный момент, а нижней емкости, соответственно, согласно их нахождению в состоянии противовесов, соединенных одной цепью 18. Движение идет с определенной заданной равномерной скоростью, выдерживанию которой способствует, прежде всего, масса воды, сбрасываемая емкостью 11, торможение 42 и малый сброс емкостью 10 при необходимости. Энергию сбрасываемой струи из емкости воспринимает массивная тарелка 41, установленная на перекрытии нижнего бассейна под каждой емкостью. Емкость 10 при движении вниз почти не меняет своей массы, а емкость 11, наоборот, сравнительно активно освобождается. Емкость 10, достигнув нижнего положения, опирается на упоры 7, а емкость 11 на верхние упоры 8, после прохождения отжатых ею кулаков 9, которые затем вернутся в свое исходное положение под действием своих пружин. Наступит короткая пауза, момент времени Т. При движении емкостей 10, 11 их цепь 18 взаимодействует с механическим приводом 4 и электрогенератором, вследствие чего вырабатывается электроэнергия. Во время короткой паузы над емкостью 11 открывается люк 14, поднятой рамкой 17 на величину хода штока гидроцилиндра 16 гидропривода 35 (фиг. 4) Между перекрытием и люком 14 образуется щель по его периметру, через которую поступает вода из бассейна 2 с четырех сторон люка. Потоки воды, стекая по лоткам 13 навстречу друг другу, сталкиваются и теряют свою кинетическую энергию. В результате, емкость 11 (или 10, когда будет в верхнем положении) не получит боковых ударов и заполнится вертикально, щадящей силой, что важно для безостановочной работы электрогенератора. После заполнения емкости 11, люк 14 закроется обратным ходом штока гидроцилиндра 16, закрыв герметично бассейн 2.
Таким образом, емкости 10 и 11 сменили свое исходное положение на противоположное. Один цикл движения емкостей закончен и повторится с движением этих емкостей (11, 10) в обратном направлении, как и движение их цепи 18, которая будет вращать звездочки 19, 20, вал 24 механический привод 4 в другую сторону, что не изменит направление вращения вала электрогенератора, подтвердим это следующим пояснением. На ведущем валу 24 также закреплена звездочка 21 цепной передачи 22, шестерня 23 зубчатой передачи, взаимодействующей с цепной передачей 27. Зубчатая передача шестерни 23 обеспечивает обратное движение цепной передачи 27 относительно передачи 22. Поэтому ведомые звездочки 25 и 26 своих цепных передач 22 и 27, соответственно, вращаются в разные стороны, отслеживая направление движения емкостей 10, 11 вверх или вниз, а вал 28, на котором они закреплены, с их помощью сохранит свое направление вращения в ту же сторону с колесом 29. При этом не будет меняться и направление вращения механически связанных между собой шестерней 30, входного и выходного валов редуктора 31 вала электрогенератора 33 (через электромагнитную муфту 32) в интересах электрогенератора.
Далее поясняется работа клапанов 36, 37, 38, 39, 40 (Фиг. 1). Сбрасываемая емкостями 10, 11 вода в шахте 5 поступает в бассейн 1 через открытый клапан 37, пока забортная вода, при рассматриваемом отливе, находится выше уровня клапанов 36, а при их открытии, вытекает наружу, при закрытых клапанах 37. С началом следующего прилива отработанная вода, при закрытом клапане 37 продолжает вытекать через клапаны 36, пока они не закроются вновь (при закрытых клапанах 38, 39) в течение двух часов. Тогда откроется клапан 37 для пропуска через себя отработанной воды в бассейн 1, а забортная вода поднимется до своего уровня «полной воды», заполнит бассейн 2 через клапаны 40 и волнами через борт за 4 часа вернется при отливе до уровня клапанов 36 еще за 4 часа, освободит клапаны 36 и через них снова пойдет отработанная вода, когда клапан 37 закроется. Клапаны 38, 39 в этот период закрыты, а при их освобождении, через 2 часа, вода уйдет из бассейна 1 полностью, клапаны 38, 39 закроются.
Таким образом, для работы энергетической установки требуется обеспечить расход воды из бассейна 2 на 12 часов (времени прилива и отлива) емкостями 10, 11 двух комплектов. Бассейн 1 принимает отработанную воду в течение 8 часов, а слив из шахты 5 через клапаны 36 наружу происходит за 4 часа. Следовательно, объем бассейна 1 может быть меньше объема бассейна 2 в 1,5 раза.
Ниже приведен расчет технических характеристик предложенной энергетической установки из расчета на высоту «полной воды» в 6 м и при использовании двух пар емкостей, переменной массы, т.е. четырех, в данном случае.
По расчету высота верхнего бассейна составляет 2,45 м, высота нижнего - 1,55 м, высота от нижнего края емкости, находящейся на вершине траектории, до перекрытия нижнего бассейна (ход емкости) - 2,55 м.
1
1
k
1
2
3
3
Определяем емкость переменой массы как тело параллелепипедной формы с размерами сторон (в*ш*г): 0,5*3*4 м, площадь дна емкости, в данном случае, составит (ш*г): S=3*4=12 м, объем - V=6 м, объем пары емкостей выражается как V=2*V=6*2=12 м.
1
x
1
x
xh
xd
Примем скорость движения емкости как условно-равномерное с V=0,43 м/c - const, в таком случае, время одного хода емкостей: t=H/v=2,55*0,43=5,93 c, количество ходов, совершенных емкостью за 1 мин: n=60/5,93=10,12, за 1 час: n=l0,12*60=607 и за 11 часов: n=607*11=6679 раз.
xd
up
xd
k
up
down
up
down
down
down
aqu
down
3
2
3
2
2
4
2
Минимально необходимый объем верхнего бассейна определим как произведение n на объем двух пар емкостей переменной массы: V=n*2V=6679*12=80150 м, тогда площадь верхнего бассейна составит: S=80150/2,45=32714 м, его сторона, при соотношении сторон 1:1: . Объем нижнего бассейна; V=V/l,5=80150/1,5=53400 м, его площадь: S=V/h=53400/l,55=34450 м и сторона, при соотношении сторон 1:1: , в таком случае, площадь акватории, необходимой для установки одного модуля энергетической установки составит: S=S=34450 м=3,45*10 м.
Обороты, отношения диаметров и передаточные числа звездочек в составе привода:
1
2
3
k
sh
1
2
3
2
k
sh
g
Диаметр звездочек (Фиг. 7) поз. 19, 20 - d=0,5 м, диаметр звездочек поз. 21, 44 - d=l,0 м, поз. 25 - d=0,5 м, поз. 29 - D=2,9 м, поз. 30 - d=0,2 м, передаточные числа i=d/d=2; i=D/d=14,5 м; i=6,3.
1
1
1
1
1
d2
d1
d3
d2
1
d3
dk
dsh
dk
2
g
dsh
g
=
=
=
Как уже было отмечено выше, V=0,43 м/c - const, следовательно, число оборотов звездочки поз. 19: V=π*d*n/60; n=V*60/π*d=16,43 об/мин, число оборотов звездочек 21, 44 N=N, число оборотов муфты одностороннего вращения 25 NN*il6,43*2=32,84 об/мин, а число оборотов колеса 29 N=N=32,84 об/мин, при частоте: NN*i=476,18 об/мин. Частота оборотов вала генератора: N=N*i=476,18*6,3=3000 об/мин.
Расчет сил, моментов и мощности энергетической установки:
on
kd1
on
1
kr
kd1
1
2
g
g
kr
in
Вес двух пар емкостей: P=12 т. Момент на звездочке поз. 19: M=P*d/2=12*0,25=3 тм, крутящий момент на валу генератора M=M/i*i*i=3000/2*14,5*6,3=16,42 кгм, мощность генератора N=((2*π*f)/p*M*η)/102=46,5 кВт, потенциальная расчетная мощность, которую способна выработать масса воды в бассейне 2: N=PV/102=12*0,43/102=50,6 кВт, следовательно КПД устройства: η=46,5/50,6=0,92.
Аналогичный расчет может быть проведен для энергетической установки из расчета на высоту «полной воды» в 18 метров, при использовании двух пар емкостей.
По расчетам высота верхнего бассейна - 2,8 м, высота нижнего - 1,8 м, высота от нижнего края емкости, находящейся на вершине траектории, до перекрытия нижнего бассейна - 13,85 м.
1
x
1
x
xh
xd
Геометрические размеры емкостей переменой массы останутся прежними. Примем скорость движения емкости как условно-равномерное с V=1,35 м/с - const, в таком случае, время одного хода емкостей: t=H/v=13,85*l,35=10,26 c, ходов за 1 мин: n=60/10,26=5,85, за 1 час: n=5,85*60=351 и за 11 часов: n=351*11=3861 раз.
xd
up
xd
k
up
down
up
down
down
down
aqu
down
3
2
3
2
2
4
2
Минимально необходимый объем верхнего бассейна определим как произведение n на объем двух пар емкостей переменной массы: V=n*2V=3861*12=46332 м, тогда площадь верхнего бассейна составит: S=46332/2,8=16547 м, его сторона, при соотношении сторон 1:1: . Объем нижнего бассейна: V=V/l,5=46332/1,5=31000 м, его площадь: S=V/h=31000/1,8=17200 м и сторона, при соотношении сторон 1:1: , в таком случае, площадь акватории, необходимой для установки одного модуля энергетической установки составит: S=S=l7200 м=1,72*10 м
Обороты, отношения диаметров и передаточные числа звездочек в составе привода:
1
2
3
k
sh
1
2
3
2
k
sh
g
Диаметр звездочек (Фиг. 7) поз. 19, 20 - d=0,5 м, диаметр звездочек поз. 21, 44 - d=0,9 м, поз. 25 - d=0,5M, поз. 29 - D=l,16 м, поз. 30 - d=0,2 м, передаточные числа i=d/d=l,8; i=D/d=5,78; i=5,6.
1
1
1
1
1
d2
d1
d3
d2
1
d3
dk
dsh
dk
2
g
dsh
g
=
Как уже было отмечено выше, V=l,35 м/с - const, следовательно, число оборотов звездочки поз. 19: V=π*d*n/60; n=V*60/π*d=51,6 об/мин, число оборотов звездочек 21, 44 NN, число оборотов муфты одностороннего вращения 25 N=N*i=51,6*1,8=92,9 об/мин, а число оборотов колеса 29 N=N=92,9 об/мин, при частоте: N=N*i=537 об/мин. Частота оборотов вала генератора: N=N*i=537*5,6=3000 об/мин.
Расчет сил, моментов и мощности энергетической установки:
on
kd1
on
1
kr
kd1
1
2
g
g
kr
in
Вес двух пар емкостей: P=12 т. Момент на звездочке поз. 19: M=P*d/2=12*0,25=3 тм, крутящий момент на валу генератора M=M/i*i*i=3000/1,8*5,78*5,6=51,6 кгм, мощность генератора N=((2*π*а)/p*M*η)/102=146 кВт, потенциальная расчетная мощность, которую способна выработать масса воды в бассейне 2: N=PV/l02=12*1,35/102=159 кВт, следовательно КПД устройства: η=146/159=0,92.
Мощность энергетической установки увеличивается прямо пропорционально высоте прилива, массе и скорости движения емкостей 10, 11, а также количеству модулей данного устройства, установленных в месте выработки электроэнергии.
Результаты расчета параметров по приливам 6-18 м прилагаются и даны в таблице 1. При расчете выработки электроэнергии принималось 8000 часов работы за год, а 760 часов относилось на планово-предупредительный ремонт с периодичностью 1 раз в месяц. Приведено количество выработки электроэнергии в зависимости от числа модулей, установленных зоне прилива/отлива, технически, число модулей не ограничено.
Сравнивая приведенные в таблице значения с выработкой электроэнергии, например Красноярской ГЭС (бетонная плотина 1200*124*25 м, используется поток падающей воды) получаем, что ГЭС вырабатывает 20,4 Млрд. кВт*ч /год (БСЭ т. 13, стр. 342), а 9 модулей предлагаемой ПЭС 10,5 Млрд. кВт*ч /год (табл. 1, 18 м. прилив, зал. Фанди), что меньше всего в 2 раза. Пенжинская ПЭС в Охотском м. (БСЭ т. 20 стр. 580) вырабатывает мощность 35 ГВт, а один модуль предлагаемой ПЭС, при амплитуде прилива в 6 м, вырабатывает 465 ГВт, что в 13 раз больше.