СКВАЖИННАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к энергетике и может быть использована как независимый источник электроэнергии в местностях, в которых имеются необходимые условия для работы скважинной гидроэлектростанции, в том числе для децентрализованного электроснабжения автономных, удаленных от централизованных инженерных коммуникаций, потребителей. Электростанция может работать с использованием как поверхностных так и подземных вод.
Из уровня техники известна скважинная гидроэлектростанция, которая включает источник воды, например, реку, плотину, водохранилище, сообщающийся с источником воды водовод, в нижней части которого установлена гидротурбина, вал которой соединен с ротором электрогенератора с образованием единого гидроагрегата. (Карелин В.Я. и др. Гидроэлектрические станции. Под редакцией Проф. В.Я. Карелина и Г.Н. Кривченко. М., Энергоиздат, 1987 г., стр.15-21).
Основным недостатком данной гидроэлектростанции является то, что для ее работы требуется сооружение плотины, вызывающее последующее повышение уровня воды с ее напорной стороны, что приводит к отрицательным последствиям. Это - затопление прилегающих территорий, зачастую представляющие собой плодородные сельскохозяйственные земли; экологические изменения, связанные с образованием искусственно созданных водоемов, а также значительные материальные затраты, связанные с переносом населенных пунктов инженерных сооружений из зоны затопления. При сооружении же плотин на малых реках в условиях резко континентального климата - это сложность эксплуатации в связи с сезонными изменениями. К недостаткам относится и выполнение единого гидроагрегата из гидротурбины и электрогенератора с необходимостью размещения при этом электрогенератора с электрокабелем в водной агрессивной среде.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является скважинная гидроэлектростанция, включающая источник воды, сообщающийся с ним водовод, установленный в нижней части водовода гидротурбину, кинематически соединенную с электрогенератором, электрическую линию связи в виде скважинного электрокабеля электрогенератора с установленным, на поверхности земли у устья скважины, электропреобразователем, соединенным силовым кабелем с потребителем. При этом гидротурбина, выполненная в виде турбобура, а электрогенератор - в виде электробура соединены между собой своими корпусами и составляют единый гидравлический агрегат, размещенный в водной среде скважины вместе с скважинным электрокабелем. Водовод образован гидроэнергетической скважиной, пробуренной до зоны стока. (RU п.2373431) Основными недостатками данного технического решения является необходимость работы электрогенератора с электрокабелем в условиях водной среды с воздействием на них абразивных материалов буровой скважины, приводящих к сокращению срока службы электрооборудования гидроэлектростанции, а также невозможность проведения профилактических и ремонтных работ без подъема электрооборудования на поверхность земли, что приводит к усложнению и стоимости проведения профилактических и ремонтных работ электрооборудования. Кроме того, данная конструкция гидроэлектростанции имеет ограниченные технологические возможности
Техническим результатом заявленного технического решения является повышение эффективности работы гидроэлектростанции за счет улучшения условий для эксплуатационных и профилактически - ремонтных работ электрооборудования гидроэлектростанции, а также за счет расширения технологических возможностей гидроэлектростанции с получением при этом эффективного энергетического результата.
Технический результат достигается тем, что скважинная гидроэлектростанция, включающая источник воды, сообщающийся с ним водовод, установленную в водоводе гидротурбину, кинематически соединенную с электрогенератором, электропреобразователь, расположенный на поверхности земли, соединенный электрокабелем с электрогенератором и силовым кабелем с потребителем, при этом в качестве водовода используют буровую скважину или трубопровод, установленный в буровой скважине и выполненный одного диаметра по всей длине трубопровода или с расширением в месте установки гидротурбины; электрогенератор и электрокабель, соединяющий электрогенератор с электропреобразователем, расположены на поверхности, земли, а кинематическая связь электрогенератора с гидротурбиной выполнена в виде гибкого вала.
Повышение эффективности работы гидроэлектростанции обеспечивает расположение электрогенератора на поверхности земли, то есть вне агрессивной водной среды, благодаря конструктивному выполнению кинематической связи электрогенератора с гидротурбиной в виде гибкого вала, исключающего образование единого гидроагрегата из электрогенератора и гидротурбины. Такая конструкция кинематической связи электрогенератора и гидротурбины к тому же позволяет проводить ремонтные и профилактические работы с электрооборудованием гидроэлектростанции на поверхности земли, то есть в нормальных условиях и без подъема гидротурбины из скважины, что значительно улучшает качество профилактически - ремонтных работ, снижает сроки проведения этих работ, а также стоимость технического обслуживания и ремонта гидроэлектростанции.
Кроме того, наличие гибкой кинематической связи электрогенератора с гидротурбиной в виде гибкого вала, копирующего рельеф скважины, обеспечивает производительную работу при использовании водовода в виде скважины: наклонной или наклонной с переходом в горизонтальную. Повышению эффективности работы гидроэлектростанции с расширением технологических возможностей способствуют также различные конструктивные выполнения водоводов. Так, выполнение водовода в виде трубопровода одного диаметра по всей длине и выполнение водовода в виде трубопровода с расширением в месте установки гидротурбины рассчитаны с возможностью подачи воды под давлением с получением необходимой мощности. При этом выполнение водовода в виде трубопровода с расширением в месте установки гидротурбины позволяет получить более большую мощность, благодаря подачи воды с более большим напором за счет увеличенных лопастей гидротурбины, расположенных в расширенной части трубопровода.
Сущность заявленного технического решения дополнительно поясняется чертежами на фиг. 1-5.
На фиг. 1 скважинная гидроэлектростанция с водоводом в виде вертикальной буровой скважины.
На фиг. 2 скважинная гидроэлектростанция с водоводом в виде трубопровода одного диаметра по всей длине.
На фиг. 3 скважинная гидроэлектростанция с водоводом в виде трубопровода с расширением диаметра трубопровода в месте установки гидротурбины.
На фиг. 4 скважинная гидроэлектростанция с водоводом в виде наклонной буровой скважины.
На фиг. 5 скважинная гидроэлектростанция с водоводом в виде наклонной буровой скважины с переходом в горизонтальный.
На фиг. 1 дана схема скважинной гидроэлектростанции, в которой водовод выполнен в виде скважины 1 с вертикально установленной в ней гидротурбины 2 при использовании энергии поверхностных вод и столба воды в нижней части скважины. В случае, когда источником воды является подземная водоносная зона, скважина оборудуется обсадной трубой 3, на которой закреплена гидротурбина 2 с помощью кольцевого уплотнителя - фиксатора 4. На поверхности земли над устьем скважины 1, установлен электрогенератор 5 гидроэлектростанции, соединенный с одной стороны с гидротурбиной 2 с помощью гибкого вала 6, размещенного в водоводе (фиг. 1, 4, 5) или вне водовода (фиг. 2, 3), а с другой стороны - электрокабелем 7 с электропреобразователем 8, расположенными на поверхности земли, при этом электропреобразователь 8 соединен силовым кабелем 9 с потребителем 10. Гибкий вал 6 выполнен в виде отдельных шарнирно-соединенных элементов. В качестве гибкого вала можно использовать также гибкий вал из металла, керамики, пластмассы.
В зависимости от необходимости получения различной по величине гидравлической мощности с использованием принудительного подвода воды от поверхностного источника в скважину, в качестве водовода гидроэлектростанции может быть использован трубопровод 11, выполненный одного диаметра по всей длине (фиг. 2) или трубопровод 12, выполненный с расширением диаметра в месте установки гидротурбины 2. (фиг. 3) Трубопроводы 11, 12 закреплены в скважине с помощью распорных шайб 13.
Варианты выполнения водовода (Фиг 1, 4, 5) в виде буровой скважины наиболее приемлемы для работы с твердым грунтом, в стабильных устойчивых гидрологических условиях и рассчитаны с возможностью подачи воды без давления или под малым давлением.
Скважинная гидроэлектростанция работает следующим образом.
Поток воды 14 из поверхностного источника воды, природного (фиг. 1, 4, 5) или искусственного (фиг.2,3) происхождения, поступает в водовод: скважину 1 или в трубопроводы 11, 12. По скважине, ниже зоны размещения гидротурбины 2, вода движется к зоне ухода 15 в грунт. В связи с тем, что гидротурбина создает определенное гидравлическое сопротивление, уровень воды в скважине повышается до позиции 16, создавая столб воды от уровня 16 столба воды скважины до места установки гидротурбины 2, то есть до динамического уровня 17 столба воды в скважине.
При этом кольцевой уплотнитель-фиксатор 4 препятствует перемещению гидротурбины по обсадной трубе скважины под действием потока воды и веса гидротурбины. Поток воды под действием определенной величины столба воды поступает в гидротурбину 2, вызывает вращение ее ротора, которое через гибкий вал 6 передается на вал электрогенератора 5. В электрогенераторе 5 механическая энергия воды преобразовывается в электрическую, которая по электрокабелю 7 поступает в электропреобразователь 8, где параметры электрической энергии (напряжение, ток, частота) формируются до необходимой, для потребителя 10, величины и поступают к нему через силовой привод 9.
В случае использования водовода в виде трубопровода 11, 12 и подачи воды под давлением в трубопровод, вращение ротора гидротурбины происходит за счет воды под давлением. Далее работа гидроэлектростанции аналогична работе гидроэлектростанции, где водоводом является скважина, то есть вращение ротора гидротурбины через гибкий вал 6, передается на вал электрогенератора 5, где механическая энергия воды преобразовывается в электрическую и далее поступает потребителю.
Гидравлическую мощность, получаемую от гидротурбины гидроэлектростанции можно определить по следующей формуле: Nг=Рн*Q1, где:
Nг - гидравлическая мощность; гидротурбины, кВт;
Рн - давление воды, воспринимаемо гидротурбиной, Па;
3
Q1 - расход воды через гидротурбину,  при этом:
д
Рн=р×g×Н, где:
3
3
р - плотность воды, 10г/м); g - ускорение свободного падения;
д
д
м
м
м
3
-3
3
Н - динамический уровень напора воды над гидротурбиной При расходе воды, проходящему через гидротурбину, равному 5 м/час, что соответствует 1,39*10м/сек и переменным значениям. Н равным 20, 50, 100, можно получить следующие значения гидравлической мощности гидротурбины.
Н<sub>д</sub>, м
20
50
100
Nг, Вт
270
676,2
1353
При КПД электропреобразователей равному 0,9-0,95 электрическая мощность скважиной гидроэлектростанции будет составлять соответственно
Н<sub>д</sub>, м
20
50
100
N<sub>э</sub>, Вт
243
608,6
1217