МИКРО-ВОДОВОРОТНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

3
1
2
1
2
1
2
Полезная модель Микро-водоворотная электростанция (МВЭС) относится к возобновляемым источникам энергии, в частности, к энергии воды малых рек, протоков и полноводных ручьев. Микро-водоворотная электростанция предназначена для выработки электроэнергии в целях обеспечения нужд прибрежных жилых и нежилых помещений, малых предприятий, мастерских, а также освещения прилегающих территорий и т.п. МВЭС представляет конструкцию, способную эффективно использовать энергию воды малых рек, протоков и полноводных ручьев для преобразования ее в электричество, пригодное для использования в бытовых и производственных целях. Известно изобретение ГЭС на кольцевом потоке воды, патент РФ №2396392 от 10.08.2010, содержащий: водозабор от реки; быстроток или напорный трубопровод; спиральный или кольцевой лоток, направляющий поток на турбину и генератор, связанный с турбиной через любую известную редукцию; входной патрубок, служащий для организации гидрокольца; порог, установленный на дне кольцевого лотка и находящийся ниже уровня входного патрубка; монорельсы, сегментный поверхностный слив, размещенные перед входным патрубком; горизонтальную регулирующую задвижку; емкость для сбора сливной воды, переходящую в отводной патрубок по касательной корпуса; пилон, установленный в центре корпуса лоткового кольца для крепления оси ротора гидротурбины или генератора электрического тока. Недостатком данного изобретения является сложность конструкций подвода и отвода водяного потока, между генератором и гидротурбиной предусматривается мультипликатор, что снижает КПД выработки электроэнергии на 20%-25%, наличие горизонтальной регулирующей задвижки по дуге внешнего борта усложняет конструкцию, кроме того, в описании не обозначен способ управления этой задвижкой. Отсутствие защитной сетки на входном патрубке делает напорный трубопровод, спиральный или кольцевой лоток уязвимым от засора крупными плавающими предметами. Известна Речная электростанция, патент на полезную модель BY 3403 U 2007.02.28, содержащая корпус, обводной канал - водовод с водозаборником, гидроагрегат, включающий гидротурбину с подшипниками-опорами, кинематически связанную с электрогенератором, сливную магистраль, корпус электростанции цилиндрической формы, смонтированный вертикально, гидравлический аккумулятор в виде пустотелого конуса, сопряженного большим основанием с пустотелой замкнутой сферой, при этом водовод содержит не менее двух магистралей цилиндрической формы, сопряженных с соплами эллипсообразной формы и сужающимися по пологой экспоненте, а сопла размещены концентрично по корпусу и расположены тангенциально по вертикали большей эллиптической осью. Основным недостатком данной конструкции является ее сложность, и очевидно есть трудности в эксплуатации и высокая стоимость данной конструкции в производстве. Известно изобретение, RU 2447229 от 12.11.2010, ГЭС с принудительным разгоном потока. По сути дела, это ГЭС на потоке воды в замкнутых бассейнах-емкостях с естественным и искусственным напором воды, содержащая водоворотные части бассейна и центральную горловину водовыпуска, отличающаяся тем, что цилиндрический бассейн, в котором поток воды разгоняют в горизонтальной плоскости принудительно, содержит по оси потока с одной стороны разгонное устройство, а с другой стороны - рассекатель потока, в ребре которого закреплена ось турбины горизонтального вращения, причем редуктор и генератор вынесены за пределы бассейна, кроме того, по бокам потока размещены овалообразные устои, формой своей способствующие формированию двух водоворотов вокруг устоев и вдоль боковых стенок бассейна, направляя поток снова под струю разгонных устройств. Недостатком данного изобретения является сложность конструкции, которая создает определенные трудности при изготовлении, монтаже и эксплуатации. Известна полезная модель, патент RU 83545 U1 от 10.06.2009 Низконапорная ортогональная турбина, содержащая ротор с лопастями крыловидного профиля, установленный поперек проточной камеры, имеющей, по меньшей мере, один поперечный выступ, верхней гранью примыкающий с зазором к поверхности цилиндра, обметаемого лопастями, при этом боковая грань поперечного выступа, обращенная к подводящему отверстию проточной камеры, выполнена вогнутой в сечении, перпендикулярном оси ротора. Недостатком этой полезной модели является низкая быстроходность, которая не позволяет получить достаточную мощность вырабатываемой электроэнергии при скорости водяного потока менее 1,0 м/с. Известна также полезная модель, патент RU 23652 U1 от 27.06.2002, Гидротурбина, содержащая: рабочее колесо с лопастями; направляющий аппарат; систему регулирования потока, включающую в себя последовательно соединенные по потоку регулирующий орган; турбинную камеру и спиральный подвод, которые снабжены дополнительным направляющим аппаратом; регулирующий орган, выполненный в виде двух регуляторов расхода, состоящих из прямых решеток цилиндрических поворотных лопаток, турбинная камера снабжена жестко связанной с ее боковыми поверхностями перегородкой, образующей две внутренние полости подвода жидкости к направляющим аппаратам, расположенным друг над другом, при этом каждый направляющий аппарат выполнен в виде круговых решеток неподвижных лопаток. Недостатком этой полезной модели является сложность конструкции, которая требует затрат на производство, что приводит к повышенной стоимости гидротурбины. Кроме того, эта гидротурбина не может вырабатывать достаточно электрической энергии при скорости потока менее 2 м/с. Следует отметить, что скорость большинства равнинных рек средней полосы России находится в диапазоне 0,5 м/с-1,5 м/с. Известно изобретение австрийского изобретателя Франца Цотлетерер (Franz Zotloterer) (AEnergv.ru, http://www.zotloeterer.com/), мини-ГЭС по принципу водоворота, содержащая бетонный цилиндр, к которому вода по специальному прямоточному каналу подходит по касательной к бетонному цилиндру и, обрушиваясь в центре в глубину, образует водоворот, который закручивает турбину. Этот тип мини-ГЭС наиболее оптимален для электростанций мощностью до 150 кВт. В целях устранения негативных экологических последствий при сооружении плотинных мини-ГЭС изобретатель предложил часть потока вблизи берега отводить в специальный канал, направляя поток воды мимо плотины. Основным недостатком этого изобретения является тот факт, что вращательный водяной поток в бетонной трубе и прямолинейное движение водяного потока, поступающего по касательной в бетонную трубу, встречаются под углом 60°-80°, что приводит к торможению поступающего водяного потока и снижению КПД МВЭС. Отсутствие водяных задвижек не позволяет эффективно регулировать необходимый уровень водяного потока, поступающего в бетонную трубу. Это изобретение принято в качестве прототипа. Задачей полезной модели является повышение надежности в выработке электроэнергии при скорости водяного потока от 0,5 м/с, увеличение КПД выработки электроэнергии, упрощение и снижение стоимости конструкции МВЭС. Выполнение поставленной задачи заявленной полезной модели МВЭС достигается следующими техническими решениями: надежность конструкции обеспечивается применением многоярусного магнитоэлектрического генератора (ММЭГ), причем каждый ярус представляет собой один ярусный магнитоэлектрический генератор (ЯМЭГ), который подключен к электрической сети параллельно с другими ЯМЭГ, поэтому при выходе из строя одного ЯМЭГ остальные продолжают вырабатывать электроэнергию; роторы ЯМЭГ выполнены в виде маховиков, которые позволяют вырабатывать электроэнергию при временном перекрытии водного потока механической задвижкой на входе в прямоугольную часть конфузора водоворотной бетонной трубы; повышение КПД полезной модели обеспечивается: применением конфузора прямоугольной формы в поперечном сечении и открытого сверху, позволяющего увеличить в 2,5 и более раз скорость водяного потока, который по касательной подается на вход в водоворотную камеру, что позволяет гарантированно вырабатывать электроэнергию при скорости водяного потока на входе в конфузор от 0,5 м/с; использованием криволинейной направляющей, установленной на входе в водоворотную бетонную трубу слева (справа) по ходу водяного потока, что способствует плавному слиянию входящего прямолинейного и вращающего внутри водоворотной бетонной трубы водяных потоков, кроме того дно водоворотной бетонной трубы представляет вогнутую поверхность, что обеспечивает устойчивость образованной воронки водоворота; размещение водоотвода с диффузором по касательной на выходе из водоворотной камеры, способствует быстрому сливу воды из ее полости, указанное способствует увеличению КПД; использованием энергии водяного потока для выработки электричества; применением водяных задвижек на входе в водоворотную камеру и в сливной канал, что позволяет регулировать уровень воды с целью обеспечения работоспособности МВЭС в любое время года. Указанные технические решения в совокупном применении позволяют увеличить КПД заявленной полезной модели МВЭС до 70% при перепаде воды в водоворотной камере от 0,8 м. и расходе воды от 0,5 м/с, в этом случае мощность МВЭС будет составлять не менее 2,0 кВт. Следует указать на экологический аспект МВЭС, который состоит в следующем: сетка с крупными ячейками, установленная на входе в прямоугольный конфузор задерживает только габаритные плавающие предметы; мелкие предметы и представители аквакультуры беспрепятственно проходят через сетку с крупными ячейками и водоворотную бетонную трубу, причем лопасти гидродинамического профиля, вращаясь со скоростью вращающегося потока воды, не причиняют вреда представителям аквакультуры; водоворот в водоворотной бетонной трубе способствует насыщению кислородом воды, что благоприятно влияет на очищение воды и развитию жизненных процессов аквакультур в водоеме; водоворот, образующийся в водоворотной бетонной трубе, способствует терморегуляции в водоеме, так как увеличенная площадь контакта воды с воздухом приводит к ее охлаждению летом; в зимнее время вращающийся поток воды в водоворотной трубе не замерзает, и МВЭС продолжает работать, сохраняя при этом положительный экологический эффект. На фигуре 1 показан общий вид МВЭС сверху; на фигуре 2 показан вид сверху МВЭС в разрезе по верхней части водоворотной бетонной трубы; на фигуре 3 показано взаимодействие векторов скоростей входящего и закрученного потоков воды а) - без криволинейной направляющей и б) - при наличии криволинейной направляющей; на фигуре 4 представлен вид МВЭС по А-А частично в разрезе; вид по Б-Б показан на фигуре 5; на фигуре 6 показан вид по В-В; расположение каскада МВЭС по руслу реки виды сверху и сбоку показаны на фигуре 7. Микро-водоворотная электростанция содержит: многоярусный магнитоэлектрический генератор (ММЭГ) 1, состоящий из немагнитного цилиндрического корпуса 2 (фигура 1), роторов-маховиков 3, магнитов 4 (Nd Fe В), обмоток 5 катушек 6, крышки 7 ММЭГ 1 (фигура 2), радиально-упорных подшипников 8, крышек 9 радиально-упорных подшипников 8, вала 10 роторов-маховиков 3, фланца 11 вала 10 ММЭГ 1, крепежных элементов 12, гидротурбины 13, состоящей из вала 14 гидротурбины 13, фланца 15 вала 14, лопастей 16 гидродинамического профиля (фигуры 2, 4); водоворотную бетонную трубу 17, состоящую из крышки 18, криволинейной направляющей 19 закрученного водяного потока, входного прямоугольного отверстия 20, вогнутого дна 21 водоворотной бетонной трубы 17, выходного отверстия 22, выходной трубы 23, диффузора 24, причем выходное отверстие 22 и выходная труба 23 с диффузором 24 расположены по касательной внизу водоворотной бетонной трубы 17 (фигуры 4, 5); открытый сверху прямоугольный конфузор 25, состоящий из соединенных между собой вертикальной стенки 26, нижней наклонной стенки 27, боковой наклонной стенки 28, входного отверстия 29 прямоугольной формы площадью S, выходного отверстия 30 прямоугольной формы площадью S, причем отношение этих площадей S/S должно быть от 2,5 и более, что согласно условию неразрывности течения жидкости (воды) вполне приемлемо для установки МВЭС на медленно текущих (от 0,5 м/с.) рек средней полосы России, т.е. при отношении S/S=2,5 получим скорость водяного потока с учетом потерь около 1,2 м/с на входе в водоворотную бетонную трубу; квадратную прямолинейную часть 31 прямоугольного конфузора 25; сливной бетонный лоток 32 (фигура 2); водяные задвижки 33 и 34, установленные соответственно на входном прямоугольной формы отверстии 29 прямоугольного конфузора 25 и на входе в сливной бетонный лоток 32; водяные задвижки 33 и 34 по конструкции одинаковые и состоят из штурвалов 35, ходовых винтов 36, корпусов 37 с резьбовыми отверстиями 38 для ходовых винтов 36, плоских прямоугольных металлических пластин 39 с направляющими 40 (фигура 3); контейнер 41 для размещения инвертора 42, блока аккумуляторных батарей 43 (БАКБ) и котроллера заряда-разряда 44 АКБ 43. Для защиты конструкции МВЭС от крупных плавающих предметов на входе в прямоугольный конфузор 25 установлена сетка 45 с крупными ячейками. МВЭС работает следующим образом. Водяной поток со скоростью не менее 0,5 м/с поступает в прямоугольный конфузор 25, который увеличивает скорость водяного потока не менее чем в 2,5 раза и далее водяной поток через водяную задвижку 33 и прямоугольное входное отверстие 20 поступает в водоворотную бетонную трубу 17. Водяной поток, с увеличенной скоростью по касательной поступающий в бетонную водоворотную трубу 17, закручивается и организовывает вихревое движение воды (фигура 2). Векторы струй водяного потока, поступающего в водоворотную трубу 17, и закрученного водяного потока, встречаясь, будут взаимодействовать между собой примерно под углами в диапазоне 60°-80°, что приводит к торможению водяного потока, входящего в бетонную водоворотную трубу 17 (фигура 2, 3). Этот недостаток в полезной модели устраняется путем введения в конструкцию МВЭС криволинейной направляющей 19 (фигура 2, 3), которая направляет вектор закрученного потока воды к вектору входящего потока под углом равным 10°-15°, что не препятствует движению входящего потока воды в водоворотную бетонную трубу 17 и одновременно увеличивает скорость потока воды в водоворотном ее движении (фигура 3). Вогнутое дно 21 обеспечивает устойчивость водяной воронки вихревого потока воды. Площадь проходного сечения выходной трубы 23 должна быть равной площади выходного отверстия 22, причем выходное отверстие 22 и выходная труба 23 с диффузором 24 расположены по касательной внизу водоворотной бетонной трубы 17 (фигуры 4, 5), что способствует дополнительному увеличению скорости потока воды в водовороте. Водоворотное движение потока воды, воздействуя на лопасти 16 гидродинамического профиля, приводит во вращательное движение вал 14 гидротурбины 13 ММЭГ 1 и далее через фланец 15 это движение передается на фланец 11 вала 10 ММЭГ 1. На валу 10 неподвижно закреплены роторы-маховики 3, на ободах которых закреплены магниты 4 (Nd Fe В). Напротив роторов-маховиков 3 с магнитами 4 (Nd Fe В) на немагнитном цилиндрическом корпусе 2 ММЭГ 1 неподвижно расположены обмотки 5 катушек 6. Вал 10 вращается с роторами маховиками 3 и магнитами 4 (Nd Fe В), магнитные силовые линии которых пересекают обмотки 5 катушек 6, чем вызывается возникновение ЭДС в этих катушках, вырабатывается электроэнергия. Роторы-маховики 3 обеспечивают стабильную выработку электроэнергии при неравномерном водяном потоке или кратковременном его перекрытии водяной задвижки 33. Крышка 7 герметично закрывает немагнитный цилиндрический корпус 2 ММЭГ 1, в центре крышки 7 расположен радиально-упорный подшипник 8, удерживающий верхнюю часть вала 10. Нижняя часть вала 10 закреплена в радиально-упорном подшипнике 8, который расположен в середине крышки 18 водоворотной бетонной трубы 17. Крышки 9 радиально-упорных подшипников 8 герметично закрывают эти подшипники. Крышка 7, корпус 2 ММЭГ 1 и крышка 18 водоворотной бетонной трубы 17 устанавливаются с помощью крепежных элементов 12. Водяные задвижки 33 и 34, установленные соответственно на выходном прямоугольной формы отверстии 30 прямоугольного конфузора 25 и на входе в сливной бетонный лоток 32, служат для регулирования потока воды в соответствие с сезонными колебаниями его уровня. Кроме того водяная задвижка 33 позволяет перекрыть поток воды в водоворотную бетонную трубу 17 с целью проведения осмотра, технического обслуживания и ремонта МЭГ 1 и гидротурбины 13. Учитывая, что водяные задвижки 33 и 34 по конструкции одинаковые, рассмотрим работу одного из них, например, водяной задвижки 34, установленной на входе в сливной бетонный лоток 32. Для того, чтобы закрыть (открыть) поток воды в сливной бетонный лоток 32, необходимо вращать штурвал 35 по (или против) часовой стрелки, ходовой винт будет опускаться (подниматься), вращаясь в резьбовом отверстии 38 корпуса 37, при этом плоская прямоугольная металлическая пластина 39 движется по направляющим 40, перекрывая (открывая) путь водяному потоку в сливной бетонный лоток 32 (фигура 3). Вырабатываемая ММЭГ 1 электроэнергия через контроллер заряда-разряда 44 поступает в АКБ 43, где накапливается. Для потребительского использования электроэнергия, накопленная в АКБ 43, через инвертор 42 подается в электрическую сеть общего пользования.