СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СУДОХОДНОМ ШЛЮЗЕ
POWER GENERATION SYSTEM IN NAVIGATION LOCK

Предлагаемое техническое решение относится к области систем генерирования электроэнергии во время смены уровней воды в судоходных шлюзах.
Шлюз - это судоходное гидротехническое сооружение, расположенное между водоемами с различными уровнями, через которое проходят суда. Шлюз возводят в речных гидроузлах, каналах и в морских портах, акватории которых подвергаются приливам и отливам с большой амплитудой колебаний уровней. Много крупных шлюзов построено в гидроузлах на реках Волхов, Днепр, Свирь, Волга, Кама, на многих судоходных каналах, водохранилищах. Значительное число крупных шлюзов построено в США, например, на реках Огайо, Миссисипи, СВ. Лаврентия и др.
Известны аналоги - шлюзы (Михайлов А.В. Судоходные шлюзы. М., 1966), содержащие камеры, головные части и подходы. Камера, в которой размещаются поднимаемые (опускаемые) суда, образуется двумя продольными стенами и днищем, выполняемыми, как правило, из железобетона; с торцов она ограничена металлическими воротами, расположенными в пределах соответствующих головных частей. По числу последовательно расположенных камер различают шлюзы однокамерные и многокамерные (многоступенчатые). Наполнение и опорожнение камер осуществляется с помощью оборудованных затворами водопроводных устройств (системы питания шлюза).
В головных частях размещаются указанные ворота, поддерживающие разность уровней воды высокого уровня (верхнего бьефа) и низкого уровня (нижнего бьефа) и обеспечивающие пропуск судов при выровненных уровнях смежных бьефов, механизмы для управления оборудованием и системы автоматического регулирования.
Недостаток устройств-аналогов заключается в том, что энергия высоких напоров между верхним и нижним бьефами не используется при наполнении камер водой и их опорожнении.
Известна система (прототип) для генерирования электрической энергии в судоходном шлюзе (патент РФ №2339764, авторы Дэси Норман, Вирта Пекка, "Генерирование электроэнергии в судоходном шлюзе"), содержащая, по меньшей мере, один судоходный шлюз для соединения первого судоходного водоема и второго судоходного водоема, причем судоходный шлюз имеет пару ворот для осуществления прохода судов в судоходный шлюз и из него, когда ворота попеременно открываются и закрываются, по меньшей мере, один проход для текучей среды, соединяющий судоходный шлюз, по меньшей мере, с одним водоемом из первого и второго водоемов для обеспечения возможности протекания воды непосредственно между шлюзом и, по меньшей мере, одним из первого и второго водоемов, турбину, размещенную в сообщении с текучей средой в проходе для текучей среды с возможностью генерирования электрической энергии, когда вода проходит через, по меньшей мере, один проход для текучей среды между судоходным шлюзом и, по меньшей мере, одним из первого и второго водоемов, и управляющий турбиной контроллер, выполненный с возможностью регулирования скорости потока при отводе воды через турбину так, чтобы она находилась в заданном диапазоне скоростей потока, определяемом как функция одного или более требований относительно времени переноса воды, максимальной производительности турбины и требований к мощности сети.
Данная система (прототип) для генерирования электрической энергии, исходя из текстового материала и рисунков патента, обладает следующими недостатками. Во-первых, каждый шлюз содержит две турбины (по числу ворот). Во-вторых, первая из турбин работает только при наполнении шлюза, вторая турбина работает при опорожнении шлюза, а первая турбина при этом простаивает.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в упрощении системы генерирования электроэнергии в судоходном шлюзе. Технический эффект заключается в обеспечении работы каждой камеры шлюза одной турбиной.
При решении поставленной технической задачи указанный технический эффект достигается тем, что известная система генерирования электроэнергии в судоходном шлюзе, содержащая, по крайней мере, одну судоходную камеру шлюза для соединения первого судоходного водоема с высоким уровнем воды и второго судоходного водоема с низким уровнем воды, причем судоходная камера шлюза имеет пару ворот с приводами соответственно для их открытия и закрытия, а также водопропускной проход с турбиной и отверстиями, по крайней мере, по одному отверстию у водоемов соответственно и два отверстия у судоходной камеры шлюза, а также блок управления шлюзом, первый выход которого соединен с турбиной, дополнительно снабжена датчиком уровня воды водоема с высоким уровнем воды, датчиком уровня воды водоема с низким уровнем воды и датчиком уровня воды судоходной камеры шлюза, выходы которых соединены соответственно с входами блока управления шлюзом, отверстия выполнены с заслонками с приводами соответственно, при этом управляющие входы приводов ворот и приводов заслонок соединены с выходами блока управления шлюзом, а турбина размещена в водопропускном проходе между входным отверстием и выходным отверстием судоходной камеры шлюза.
На чертеже схематично представлен общий вид предлагаемой системы генерирования электроэнергии в судоходном шлюзе в разрезе.
Система генерирования электроэнергии в судоходном шлюзе содержит, по крайней мере, одну судоходную камеру 1 шлюза для соединения первого судоходного водоема 2 с высоким уровнем воды и второго судоходного водоема 3 с низким уровнем воды, причем судоходная камера 1 шлюза имеет пару ворот 4 и 5 с приводами 6 и 7 соответственно для их открытия и закрытия, а также водопропускной проход 8 с турбиной 9, выполненной, например, в виде капсульного гидрогенератора (Вольдек А.И. Электрические машины. 2 изд., переработанное и дополненное, издательство "Энергия", ленинградское отделение, 1974 г., см. стр.372), и отверстиями 10, 11, 12 и 13, по крайней мере, по одному отверстию 10 и 11 у водоемов 2 и 3 соответственно и два отверстия 12 и 13 у судоходной камеры 1 шлюза, а также блок 14 управления шлюзом, выполненный, например, в виде контроллера, первый выход 15 которого соединен с турбиной 9. Система дополнительно снабжена датчиком 16 уровня воды водоема 2 с высоким уровнем воды, датчиком 17 уровня воды водоема 3 с низким уровнем воды и датчиком 18 уровня воды судоходной камеры 1 шлюза, выходы которых соединены соответственно с входами 19, 20 и 21 блока 14 управления шлюзом, отверстия 10, 11, 12 и 13 выполнены с заслонками с приводами 22, 23, 24 и 25 соответственно, при этом управляющие входы приводов 6 и 7 ворот 4 и 5 и приводов 22, 23, 24 и 25 заслонок соединены соответственно с выходами 26, 27, 28, 29, 30 и 31 блока 14 управления шлюзом, а турбина 9 размещена в водопропускном проходе 8 между двумя отверстиями 12 и 13 судоходной камеры 1 шлюза, выполненными как выходное отверстие 12 и входное отверстие 13.
Процесс пропуска судов через шлюз (т.е. шлюзование) состоит из ряда последовательных операций (открытие и закрытие ворот и затворов, наполнение камер водой и их опорожнение, ввод и вывод судов и т.д.).
Система генерирования электроэнергии в судоходном шлюзе работает следующим образом. Рассмотрим процесс наполнения судоходной камеры 1 шлюза, начиная с момента, когда уровни воды в судоходной камере 1 шлюза и водоема 3 с низким уровнем воды одинаковы, что определяет блок 14 управления шлюзом по сигналам от датчиков 17 и 18 уровня воды. При этом ворота 5 открыты, а ворота 4 закрыты. Вначале процесса наполнения судоходной камеры 1 шлюза блок 14 управления шлюзом дает команду приводу 7 на закрытие ворот 5, приводам 23 и 24 на закрытие соответственно заслонок отверстия 11 и выходного отверстия 12 и одновременно приводам 22 и 25 на открытие заслонок отверстия 10 и входного отверстия 13. При этом вода протекает через отверстие 10, проходит через турбину 9, которая вырабатывает электроэнергию в сеть, и далее через входное отверстие 13 наполняет судоходную камеру 1 шлюза (сплошные стрелки). В процессе наполнения по сигналам от датчиков 16 и 18 блок 14 управления шлюзом определяет уровни воды, когда напора недостаточно для выработки электроэнергии, и дает команду приводу 24 на открытие заслонки отверстия 12, что обеспечивает более интенсивное заполнение судоходной камеры 1 шлюза. При малых перепадах уровней воды водоема 2 и судоходной камеры 1 шлюза блок 14 управления шлюзом дает команду приводу 6 на небольшое приоткрытие ворот 4, что увеличивает интенсивность заполнения судоходной камеры 1 шлюза. При отсутствии перепада уровней воды водоема 2 и судоходной камеры 1 шлюза блок 14 управления шлюзом дает команду приводу 6 на полное открытие ворот 4.
Процесс опорожнения судоходной камеры 1 шлюза реализуется в следующей последовательности. Блок 14 управления шлюзом дает команду приводу 6 на закрытие ворот 4, приводам 22 и 25 на закрытие соответственно заслонок отверстия 10 и входного отверстия 13 и одновременно приводам 23 и 24 на открытие соответственно заслонок отверстия 11 и выходного отверстия 12. При этом вода протекает через выходное отверстие 12, проходит через турбину 9, которая вырабатывает электроэнергию в сеть, и далее через отверстие 11 вытекает в водоем 3 с низким уровнем воды (пунктирные стрелки). В процессе опорожнения камеры 1 шлюза по сигналам от датчиков 17 и 18 блок 14 управления шлюзом определяет уровни воды, когда напора недостаточно для выработки электроэнергии, и дает команду приводу 25 на открытие заслонки отверстия 13, что обеспечивает более интенсивное опорожнение судоходной камеры 1 шлюза. При малых перепадах уровней воды водоема 3 и судоходной камеры 1 шлюза блок 14 управления шлюзом дает команду приводу 7 на небольшое приоткрытое ворот 5, что увеличивает интенсивность опорожнения судоходной камеры 1. При отсутствии перепада уровней воды водоема 3 и судоходной камеры 1 шлюза блок 14 управления шлюзом дает команду приводу 7 на полное открытие ворот 5.
Поставленная задача решена предлагаемым устройством. Система генерирования электроэнергии в судоходном шлюзе упрощена, а следовательно, и удешевлена, так как одна и та же турбина вырабатывает электроэнергию как при наполнении судоходной камеры шлюза, так и при его опорожнении.