Дождевая микро-ГЭС

Полезная модель относится к области малой энергетики и может быть использована для производства электроэнергии путем преобразования энергии падающей воды с крыш зданий и сооружений. Дождевая микро-ГЭС предназначена для установки оконечным коленом в вертикальные стояки водосточных систем.
Известно устройство для получения энергии от канализационных стоков (Пат. РФ №82783, опубл. 10.05.2009), содержащее патрубки, электрогенератор с валом и корпус, внутри которого смонтирована несимметричная емкость с турбиной на валу. На выходном конце вала установлен зубчатый сектор, находящийся в зацеплении с зубчатым колесом, соосно с которым на валу установлена обгонная муфта, при этом указанный корпус содержит указанные входной и выходной патрубки для канализационных стоков.
Недостатками известного устройства являются увеличенная сложность конструкции, из-за повышенных требований герметизации к надежности систем канализационных стоков и пониженный КПД за счет дополнительного использования зубчатых зацеплений.
Известно устройство преобразования энергии отработанной воды в электрическую энергию (Пат. РФ №2492352, опубл. 10.09.2013), содержащее вертикальный прямоточный канал в виде трубы с гидрогенератором, подключенным к нагрузке в нижней части, в которой расположен винт гидрогенератора с лопатками. В устройство дополнительно введена расширительная емкость, снабженная клапанами промывки, нижним и верхним воздушными патрубками, обеспечивающими соответственно поступление восходящего потока воздуха и его стравливание, лопатки винта имеют конусообразное сечение, предотвращающее накопление в местах соединения с валом отложений, и имеется система управления, накапливающая и перераспределяющая полученную энергию.
Недостатками известного устройства являются высокая сложность конструкции, из-за особенностей работы систем отработанной воды с неоднородными включениями и герметичная закрытость самотечных трубопроводов с залповыми выбросами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели, прототипом, является гидравлическая турбина (Пат. РФ №2487261, опубл. 10.07.2013), смонтированная внутри вертикального водовода и содержащая ротор с горизонтальным валом и лопастями, расположенными вокруг него. Водовод представляет собой часть канализационного стояка с большим и малым локальными карманами, расположенными в плоскости вращения лопастей турбины, причем половина лопастей находится внутри большого кармана, при этом оппозитная по отношению к оси вращения стенка большого кармана представляет собой дугу окружности, переходящую в нижней части в наклонную прямую, а в верхней в козырек с отрицательными углами наклона поверхности, обращенной к турбине. Лопасти турбины имеют криволинейный профиль и сориентированы за пределами большого кармана выпуклостью вверх.
Недостатком прототипа является пониженная способность съема энергии сточных вод из-за эффекта «разбрызгивания» отбойным козырьком и формы лопастей турбины.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении эффективности утилизации энергии дождевых сточных вод. Для достижения указанного технического результата в дождевой микро-ГЭС, содержащей гидравлическую турбину, смонтированную внутри вертикального водосточного стояка и имеющую горизонтальный ротор с валом и лопастями, электрогенератор, соединенный с валом, карман, расположенный в плоскости вращения лопастей турбины и с половиной лопастей, находящихся внутри него, вертикальный водосточный стояк снабжен фокусирующим устройством в виде сходящихся с зазором с двух сторон винтом к оппозитной стенке трубы, по отношению к оси вращения турбины, нисходящих направляющих желобов, карман оборудован подвижной наклонной направляющей заслонкой, уравновешенной подвижным противовесом и имеющей криволинейный профиль, обеспечивающий дополнительное направление стока, лопасти турбины выполнены в виде плиц со скелетным креплением к валу.
Кроме того, карман снабжен в верхней части съемной крышкой для обеспечения доступа к осмотру турбины и ее прочистки в случаях засора листьями и сучьями при использовании в сложных погодных условиях.
Кроме того, подвижная наклонная заслонка и противовес установлены на оси, закрепленной в верхней части кармана.
Работа вертикального водостока в комплексе с микро-ГЭС в экстремальных условиях обеспечивается за счет того, что при взаимодействии с подвижной направляющей заслонкой, уравновешенной грузом противовеса, усиливающийся поток отклоняет ее, увеличивая проходное сечение, за счет чего не нарушается функциональная работа водосточного стояка. В свою очередь при малом потоке подвижной заслонкой обеспечивается дополнительное регулирование направления потока на плицы турбины.
Таким образом, именно совокупность признаков полезной модели, отличающих ее от прототипа, обеспечивает решение задачи полезной модели по утилизации, с повышенной эффективностью использования энергии дождевых сточных вод.
Полезная модель поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлена общая компоновка устройства, вид сбоку, на фиг. 2 - вид сверху, на фиг. 3 - разрез по А-А с фиг. 1.
Дождевая микро-ГЭС включает трубу дождевого вертикального водосточного стояка 1 (фиг. 1), с фокусирующим устройством в виде сходящихся с зазором с двух сторон винтом к оппозитной стенке трубы, по отношению к оси вращения турбины, нисходящих направляющих желобов 2. В поперечном сечении продолжения трубы выполнен карман 3. Внутрь кармана 3 входит вал 4 турбины, на котором смонтированы лопасти 5 в виде плиц 6 с помощью скелетного крепления 7. Карман 3 оборудован съемной крышкой 8, в верхней части кармана 3 закреплена ось 9, на которой установлена наклонная подвижная, уравновешенная противовесом 11 заслонка 10, которая имеет криволинейный профиль (фиг. 2), с частичным перекрытием сечения водосточного стояка 1 для дополнительного направления стока. Вал 4 турбины соединен с валом электрогенератора 12.
Дождевая микро-ГЭС работает следующим образом.
Работа системы основана на физическом принципе, называемом «эффект падающей пленки». Он заключается в том, что падающая вертикально по трубе вода не будет находиться в центре трубы, а будет перемещаться по внутренней поверхности трубы, в которую она заключена. В свою очередь проходное сечение труб дождевого водосточного стояка рассчитывается для пропуска экстремальных потоков воды. Поэтому, для нормальных условий работы водостока, работающего в режимах близких к «эффектам падающей пленки», для повышения эффективности использования энергии, в трубу водосточного стояка 1 встроено фокусирующее устройство. Оно выполнено в виде сходящихся с зазором с двух сторон винтом к оппозитной стенке трубы, по отношению к оси вращения турбины, нисходящих направляющих желобов 2 на стенках вертикального участка водовода. Перемещающаяся по внутренней поверхности дождевого водосточного стояка 1 вода по направляющим желобам 2 фокусирующего устройства с образованием струи попадает на дальний край плиц 6, обеспечивая увеличенный рычаг воздействия лопастей 5, отходящих с помощью скелетного креплении 7 от вала 4 турбины, обеспечивая максимально достигаемый крутящий момент на валу. Это позволяет эффективно использовать возможности утилизации энергии дождевых сточных вод в ненастную погоду, без ожидания проливных дождей. С увеличением потока падающей воды, с повышенным заполнением сечения трубы, наклонная заслонка 10, в том числе и своим криволинейным профилем, дополнительно обеспечит ее направление на плицы 6, повышая производительность работы турбины и соединенного с ее валом 4 электрогенератора 12. С дальнейшим увеличением потока падающей воды происходит отклонение наклонной подвижной заслонки 10 на оси 9 при сохранении ее направляющего свойства. При экстремальном потоке воды его силой осуществится преодоление уравновешивающего воздействия противовеса 11 и максимальное отклонение наклонной подвижной заслонки 10 на оси 9, обеспечивая максимальное проходное сечение, соизмеримое с сечением труб дождевого водосточного стояка 1. При этом, уменьшение проходного сечения в кармане 3 за счет перекрытия плицами 6 компенсируется пустотами скелетного крепления 7, обеспечивая и в сечении турбины необходимое для экстремального потока воды проходное сечение и функциональность водостока. Съемная крышка 8 обеспечивает доступ к осмотру турбины и ее прочистку в случаях засора листьями и сучьями при использовании в сложных погодных условиях. При низких температурах оконечное колено трубы дождевого водосточного стояка - в виде дождевой микро-ГЭС - может быть заменено штатным оконечным коленом.
Предлагаемая микро-ГЭС конструктивно проста и дешева в изготовлении и эксплуатации и предназначена, как для применения в комплексах с ветровыми, солнечными и другими экологически чистыми источниками электроэнергии при конкурентном использования, так и как индивидуальная, в том числе и резервная электростанция.