УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, РАБОТАЮЩАЯ ОТ ПОТОКА ВОДЫ
POWER GENERATION PLANT OPERATING FROM WATER FLOW

Изобретение относится к установке для выработки электроэнергии, приводимой в действие потоком воды, таким как морская приливная волна или течение реки.
В последние годы большое внимание стало уделяться возобновляемым источникам электроэнергии, предназначенной для домашнего и коммерческого использования. Традиционные способы выработки электроэнергии, например угольные тепловые электростанции, при производстве электричества выбрасывают большое количество вредных газов, таких как двуокись углерода. Возобновляемая электрическая энергия, получаемая от солнца, ветра и воды, используется по всему миру, но не получила широкого распространения во многих странах.
Электростанции, для которых в качестве источника энергии для выработки электричества используется поток воды, часто требуют наличия плотины или другого аналогичного искусственного сооружения, перегораживающего естественное течение воды. Связанные с этим расходы и требования к инфраструктуре могут быть довольно значительными, кроме того, имеет место неблагоприятное воздействие на окружающую среду, например избыточное заиление водоема из-за замедленного течения и разлив водоема выше плотины.
Энергетические установки, работающие на приливной волне, без использования плотины и других искусственных сооружений, в течение приливно-отливного цикла подвергаются воздействию потоков воды разной силы. Некоторые установки, предложенные для этих целей на предшествующем уровне техники, не эффективны при пониженных скоростях потока воды, имеющих место во время цикла прилива-отлива, и, соответственно, могут эффективно работать не более чем на 50% приливно-отливного цикла.
Технической задачей настоящего изобретения является создание установки, способной более полно использовать приливно-отливный цикл для выработки энергии.
Согласно изобретению обеспечена установка для выработки электроэнергии из потока воды, содержащая: корпус с впуском для воды и выпуском для воды, турбину, установленную в корпусе, для вращения вокруг центральной оси, содержащую вал турбины и множество лопастей, при этом корпус выполнен с возможностью установки в воде и выполнен так, что вода протекает в корпус через впуск и, в основном, направляется в рабочий поток для турбины, а затем направляется для выпуска через выпуск; причем турбина снабжена механизмом управления лопастями, выполненным с возможностью управления углами лопастей по отношению к рабочему потоку так, что каждая лопасть вращается вокруг соответствующей оси со скоростью вращения, равной половине скорости вращения вала турбины за счет чего большая область поверхности лопасти обращена к входящему потоку воды, для приведения в действие турбины в заданном направлении вращения, а меньшая область поверхности лопасти обращена к входящему потоку воды, противоположному направлению приведения, причем установка дополнительно содержит перегородку, которая проходит почти от центральной оси до части корпуса, через которую каждая лопасть движется при обращении меньшей области поверхности, для способствования направлению рабочего потока вокруг части корпуса, через которую каждая лопасть движется при обращении большей области поверхности данной лопасти.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения установка содержит дополнительную турбину, включающую в себя вал (дополнительный вал) и множество лопастей (дополнительные лопасти), и снабжен дополнительным механизмом управления углом лопастей, при этом дополнительная турбина установлена в корпусе, примыкая к упомянутой турбине для вращения вокруг центральной оси, параллельной оси упомянутой турбины, при этом корпус выполнен так, что входящий поток воды, в основном, направляется в два рабочих потока, по одному для каждой турбины, причем дополнительный механизм управления углом лопастей выполнен с возможностью управления углами дополнительных лопастей по отношению к рабочему потоку для дополнительной турбины так, что каждая дополнительная лопасть вращается вокруг соответствующей оси со скоростью вращения, равной половине скорости вращения дополнительного вала турбины, за счет чего большая область поверхности лопасти обращена к входящему потоку воды, для приведения в действие дополнительной турбины в заданном направлении вращения, а меньшая область поверхности лопасти обращена к входящему потоку воды, противоположному направлению приведения дополнительной турбины, установка дополнительно содержит дополнительную перегородку, которая проходит почти от центральной оси до части корпуса, через которую каждая лопасть движется при обращении меньшей области поверхности, для способствования направлению рабочего потока вокруг части корпуса, через которую каждая лопасть движется при обращении большей области поверхности данной лопасти.
В предпочтительном варианте осуществления две турбины сцеплены и синхронно вращаются в противоположных направлениях, причем входящий поток воды направляется к наружной периферии каждой турбины, где к потоку воды обращена большая область поверхности лопасти. Две турбины примыкают друг к другу внутренними периферийными частями, где к входящему потоку воды обращены меньшие области поверхности. Это не только сводит к минимуму воздействие входящего потока воды на внутренние периферийные части (которые могли бы действовать обратно воздействию входящего потока на наружные периферийные части), но также предотвращает столкновение в этой зоне лопастей двух турбин.
Предпочтительно, чтобы во впуске воды был предусмотрен дефлектор, направляющий входящий поток воды в два рабочих потока, направленных к соответствующим наружным частям корпуса.
Предпочтительно, механизмы управления каждой лопастью турбины оперативно управляют углом лопастей турбины таким образом, что при движении каждой лопасти через центральную часть корпуса вперед выставляется меньшая область поверхности, чтобы уменьшить силы противодействия, действующие на соответствующую турбину в центральной части, и предотвратить столкновение в центральной части лопастей двух турбин.
Механизм управления углом лопастей или каждый механизм управления углом лопастей предпочтительно содержит систему планетарной передачи, имеющую колеса-сателлиты, каждое из которых связанно с соответствующей одной лопастью и с неподвижным солнечным зубчатым колесом, ось которого совпадает с осью турбины, с которой колеса-сателлиты входят в зацепление, причем при вращении турбины лопасти поворачиваются, меняя свое угловое положение.
В одном варианте изобретения корпус опирается на плавающую конструкцию и/или является ее частью. В этом варианте в смонтированном состоянии установка плавает в воде с лопастями турбин, погруженными ниже поверхности воды.
В другом варианте изобретения корпус в установленном состоянии крепят анкерным способом вблизи водного слоя. В этом варианте корпус может содержать плавательную систему, позволяющую доставить установку в нужное место по воде, а затем погрузить в воду и установить на слой воды или вблизи слоя воды.
В этих вариантах генератор(ы) расположен(ы) выше поверхности воды. В том варианте, где смонтированная установка плавает в воде, генератор или каждый генератор могут находиться на плавучей конструкции. В том варианте, где корпус погружен в слой воды, генераторы могут быть установлены на столбах или башенках, выступающих из корпуса или из дна выше уровня поверхности воды во время прилива.
Турбина или турбины могут приводить в действие несколько отдельных генераторов или один генератор. Предпочтительно, чтобы установка содержала один или более гидравлических насосов, приводимых в действие турбиной или каждой турбиной, и этот насос или насосы связаны с одним или более гидравлических двигателей, приводящих в действие генератор. Также, в качестве альтернативы, можно использовать другие виды привода между турбинами и генератором (генераторами), например непосредственный механический привод.
Хотя установка лучше всего подходит для приливно-отливного потока, ее также можно применять для однонаправленного потока, в котором из-за сезонных изменений в определенные периоды происходит снижение скорости потока. Если установка предназначена для приливной электростанции, то в силу того, что поток воды периодически меняет направление на противоположное, водоприемник и водовыпуск будут меняться местами, а сами лопасти должны быть пригодными для работы в условиях двунаправленного потока.
Предпочтительно, чтобы установка была модульной, что позволяет создавать систему энергоснабжения требуемой мощности путем сборки двух или более модулей.
Теперь будут рассмотрены предпочтительные варианты осуществления изобретения исключительно в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - вид с торца одного из вариантов осуществления энергетической установки согласно изобретению;
Фиг.2 - вид в разрезе энергетической установки, изображенной на Фиг.1;
Фиг.3 - вид сбоку энергетической установки, изображенной на Фиг.1;
Фиг.4 - вид одного из вариантов осуществления механизма управления углом лопасти турбины энергетической установки;
Фиг.5 - вид сбоку альтернативного варианта монтажа энергетической установки, изображенной на Фиг.1;
Фиг.6 - вид сбоку системы электроснабжения, образованной тремя модульными генераторами электроэнергии, изображенными на Фиг.1;
Фиг.7 - вид альтернативного варианта осуществления механизма управления углом лопасти турбины энергетической установки.
Для удобства изложения предпочтительные варианты осуществления энергетической установки будут описаны со ссылкой на применение в морской среде, в частности в приливном устье или в заливе. Однако следует понимать, что применимость изобретения этим не ограничивается и распространяется на большинство случаев, когда в качестве источника энергии выступает природный поток воды, например река, неприливное устье или другой водный поток.
Энергетическая установка 10 (Фиг.1-4) содержит две турбины 12, 14, каждая из которых присоединена к одному из генераторов 16, 18, причем турбины 12, 14 находятся внутри корпуса 20. Протекая через корпус 20, вода действует на лопасти 22 турбин и приводит в движение турбины 12, 14, вырабатывая электричество.
Корпус 20 включает в себя водоприемник 24, водовыпуск 26 и турбинный отсек 28. Внутри водоприемника 24 расположен дефлектор 30, примыкающий к турбинному отсеку 28, чтобы делить поток воды 32 из водоприемника 24 на два рабочих потока 34, 36 - по одному на каждую турбину 12, 14. Каждый поток 34, 36 направляют к наружной части, или краю, турбинного отсека 28 так, чтобы турбины 12, 14 вращались в противоположных направлениях. Затем поток воды выходит из корпуса 20 через водовыпуск 26 в виде выходного потока 40. Направлению потока к наружным частям, или краям, турбинного отсека 28 также способствует стационарная перегородка в центральной части корпуса, которая будет описана позже.
Турбины 12, 14 синхронно вращаются в противоположных направлениях и примыкают друг к другу, причем угловое положение лопастей 22 управляемо в процессе вращения, так что лопасти 22 выставляют вперед большую площадь поверхности для входящего потока 32 в направлении вращения турбины, а для противоположного входящего потока 32 - меньшую площадь поверхности. Лопасти 22 равномерно расположены вокруг центральной оси и присоединены к валу 44 турбины посредством опорной конструкции, состоящей из верхней и нижней опор 46, между которыми лопасти установлены таким образом, что каждая лопасть также может вращаться относительно опор 46 вокруг центральной вертикальной оси лопасти. Механизм 48 управления углом лопастей связан с лопастями 22 таким образом, что вращение лопастей 22 относительно опор 46 контролируется с возможностью менять угловое положение лопасти 22 при вращении турбины. Лопасти 22 вращаются вокруг своих осей со скоростью вращения, равной половине скорости вращения вала турбины, и каждая лопасть 22, по существу, расположена перпендикулярно рабочему потоку 34, 36 воды вблизи наружного края турбинного отсека 28 и параллельно входящему потоку воды, когда находится вблизи центра турбинного отсека 28, и, следовательно, примыкая к соответствующей лопасти другой турбины. Вращение лопасти 22 позволяет, чтобы значительная часть рабочего потока 34, 36 находилась в контакте с областью лопасти 22 большой площади вблизи наружных краев турбинного отсека 28 и чтобы минимальная часть потока воды находилась в контакте с поверхностью лопасти 22 малой площади в центральной части турбинного отсека 28, который, конечно же, порождает в турбине силу, противодействующую движущей силе потока воды; эта сила противодействия, однако, довольно мала благодаря конфигурациям потока и лопасти. Вращение лопастей 22 также препятствует столкновению двух турбин 12, 14 в центральной части отсека 28, когда периферийные части двух турбин оказываются расположенными вплотную.
Корпус 20 позволяет устанавливать турбины 12, 14 во входящем потоке воды 32 без необходимости в дополнительных сооружениях типа плотин, при этом захватывая и направляя поток воды, требуемый для работы турбин 12, 14. Также можно прикрепить к корпусу ограждения от плавающего мусора, состоящие из металлических прутьев и проходящие через водоприемник 24 и водовыпуск 26, чтобы лопасти 22 турбин были защищены от повреждений крупным мусором, таким как плавающие бревна. Ограждения от мусора также не позволят крупным морским животным, таким как дельфины или киты, попасть в турбинный отсек, снижая тем самым риск травм или гибели морских животных и повреждения турбин 12, 14.
В представленном варианте осуществления устройство водоприемника 24 и водовыпуска 26 позволяет использовать установку 10 в условиях двунаправленного потока, например прилива и отлива. В таких случаях водоприемник 24 для одного направления станет водовыпуском 26 для обратного направления и наоборот. Соответственно, в водовыпуске 26 предусмотрен второй дефлектор 38, предназначенный для разделения и направления потока воды, текущего в направлении, противоположном показанному на чертеже. Однако этот же вариант осуществления - возможно, с некоторыми незначительными изменениями - применим и для однонаправленного потока, например для течения реки.
Стационарная перегородка 49 размещена между верхней и нижней опорами 46 лопастей и продолжается вертикально, по существу, на всю длину лопастей, почти от центральной оси турбины и до центральной части турбинного отсека 28, способствуя направлению рабочего потока 34, 36 воды вокруг соответствующих наружных частей, или краев, турбинного отсека 28 и сведению к минимуму потока через центральную часть турбинного отсека 28.
Лопасти 22 показаны на чертежах в виде плоских планок, однако следует понимать, что это сделано лишь в иллюстративных целях, а фактическая форма сечения лопастей 22 зависит от множества факторов и может быть разной.
Как описано ранее, механизм 48 управления углом лопастей поворачивает лопасти 22 относительно их опор 46 и относительно главного вала 44 турбины. На Фиг.4 представлен вариант осуществления механизма 48 управления углом лопастей, в котором неподвижное солнечное зубчатое колесо 51 соединяется с вращающимися колесами-сателлитами 52, по одному из которых присоединено к валу каждой лопасти 22 посредством подходящей связующей системы 54, такой как ремень, цепь или ряд паразитных зубчатых колес. В качестве альтернативы солнечное колесо 51 и сателлиты 52 могут входить в непосредственное взаимное зацепление. Передаточное отношение при этом должно быть таким, чтобы лопасти 22 полностью поворачивались вокруг своей центральной вертикальной оси за каждые два полных оборота турбины.
В представленном варианте осуществления турбина 12, 14 присоединена к генератору 16, 18 посредством гидравлической системы, включающей в себя гидронасос, приводимый в действие турбиной, связанной с гидравлическим двигателем, который приводит в действие генератор 16, 18, но можно устанавливать между турбиной и генератором и другие системы; помимо этого, обе турбины могут приводить в действие один общий генератор. Электричество, вырабатываемое генератором 16, 18, подается в электрическую сеть или в местную распределительную сеть посредством кабелей, которые не показаны на чертежах.
На Фиг.3 представлена энергетическая установка 10, установленная на морском дне 55 на сваях 56. В предпочтительном варианте осуществления в состав установки входят также дополнительные плавсредства 58, чтобы установку можно было привезти на буксире корабля, а затем опустить на морское дно 54. Дно корпуса может быть приподнято на участке 57, где к входящему потоку 32 воды обращена поверхность лопасти, имеющая большую площадь. Это позволяет уменьшить утечки воды вокруг нижней части лопасти и создать отстойник 59. Ил или песок, попавшие в корпус, под действием вращения лопастей 22 и потока воды 34, 36 будут выталкиваться из приподнятого участка 57 в отстойник 59. Кроме того, когда поток воды будет недостаточно силен, чтобы вращать лопасти турбин, ил и песок будут стремиться осесть в самом нижнем участке корпуса.
В альтернативном варианте установки (Фиг.5) энергетическая установка 10, в целом аналогичная описанной выше в отношении Фиг.2 и 4, содержит плавсредство 60, позволяющее ей плавать у поверхности или вблизи поверхности воды 62. В данном варианте осуществления ил и песок, попадающие в установку, могут выйти через выпускные отверстия 64 в дне энергетической установки 10. Защитное ограждение от плавающего мусора также имеется и продолжается от верхней части плавсредства 60 до дна водоприемника и водовыпуска энергетической установки 10, препятствуя попаданию в турбины бревен или крупных морских животных.
На Фиг.6 показана система 70 энергоснабжения, образованная тремя модулями 72, 74, 76, каждый из которых построен на базе вышеописанной установки 10. Внутри модули 72, 74, 76 имеют те же признаки, что и вышеописанная энергетическая установка, представленная на Фиг.1-5, а наружная часть корпуса модуля приспособлена для соединения с другими модулями. Это позволяет построить электростанцию заданной мощности из двух или более примыкающих друг к другу модулей параллельного действия.
На Фиг.7 представлен альтернативный вариант осуществления механизма управления углом лопасти. Он проиллюстрирован в отношении турбины 100, базовая конструкция которой аналогична описанной выше, имеющей четыре лопасти 102а, 102b, 102с, 102d. Лопасти 102а, 102b, 102с и 102d присоединены к валу турбины посредством опорной конструкции 104. Каждая лопасть продолжается примерно на высоту корпуса турбины и с возможностью поворота присоединена к опорной конструкции 104 только в области верхнего конца.
Механизм 107 управления углом лопасти обеспечен в виде направляющей 109 цилиндрической, в общем, формы, продолжающейся от основания корпуса до верхней части корпуса, предпочтительно, согласно одному из вариантов осуществления, чуть ниже опорной конструкции 104. Направляющая 109 также способствует направленному течению рабочего потока 106 воды вокруг наружной периферии турбины, выступая в роли перегородки, эффективно препятствующей значительному протеканию воды через центральную часть корпуса турбины. Ролики 108 или другие зацепляющиеся элементы, прикрепленные к внутренней кромке каждой лопасти, могут перемещаться, по меньшей мере, по участку направляющей 109 таким образом, что направляющая управляет угловым положением каждой лопасти относительно рабочего потока воды 106, по меньшей мере, на участке оборота турбины, особенно когда лопасть перемещается через наружную часть корпуса, где к потоку воды обращена ее большая область поверхности. Точка соединения каждой лопасти с опорной конструкцией 104, и отсюда, с осью ее вращения, отстоит от центральной оси лопасти ближе к наружному краю, поэтому силы, действующие на лопасть со стороны входящего потока воды, смещают лопасть таким образом, что ролики 108 принудительно вводятся в зацепление с направляющей 109, при ее перемещении через впускную зону корпуса к наружной части корпуса, как показано на Фиг.7 для лопастей 102d, 102a.
Сила рабочего потока 106 воды, действующая на лопасти, вращает турбину и прижимает ролики 108 к направляющей 109, пока лопасти не примут положение, показанное для лопасти 102а. В этом положении дальнейшее перемещение роликов 108 вдоль направляющей 109 ограничивается ограничителем 110 в виде выступа направляющей 109. Рабочий поток 106 воды продолжает обеспечивать вращающую силу, действующую на турбину, но так как турбина, а отсюда и опорная конструкция 104 лопастей, поворачивается, лопасть 102а в результате данного ограничения сильнее наклоняется относительно потока воды, пока ее внутренний край не будет вытолкнут с ограничителя 110. В этой точке лопасть 102а «перепрыгивает» в положение, в котором лопасть 102b, по существу, параллельна потоку воды из-за «эффекта флюгера», вызванного смещением центра вращения лопасти. При дальнейшем вращении турбины лопасть благодаря данному эффекту останется практически параллельной потоку воды, как показано для лопастей 102b и 102с.
По существу, лопасти поочередно остаются практически перпендикулярными рабочему потоку воды 106, находясь вблизи наружного края турбинного отсека 100, и практически параллельными потоку воды, когда находятся рядом с центром турбинного отсека, то есть вблизи соответствующих лопастей другой турбины. Вращение лопасти 102 позволяет обеспечить контакт значительной части потока 106 воды с лопастью вблизи наружной части, или наружного края, турбинного отсека и свести к минимуму контакт потока воды с лопастью в центральной части турбинного отсека. При перемещении лопасти к впускной зоне входящий поток воды толкает ее внутренний край назад, к направляющей 109, таким образом, что на оставшейся части поворота лопасти ролики 108 зацепляются с направляющей, как показано для лопасти 102d.
Хотя здесь были описаны предпочтительные варианты осуществления с двумя примыкающими друг к другу турбинами, имеющими вертикальные оси, для создания энергетической установки в корпусе также может быть установлена лишь одна турбина согласно изобретению.
Вышеупомянутые варианты осуществления настоящего изобретения были описаны лишь в качестве примера; можно выполнять различные модификации и изменения без отступления от сущности и объема изобретения.