СВОБОДНОПОТОЧНАЯ МИКРО ГЭС

Свободнопоточная микро ГЭС (СПМГЭС) относится к возобновляемым источникам энергии и предназначена для снабжения электроэнергией малой мощности жилых и нежилых помещений, электрических и электронных приборов, устройств уличного освещения, различных объектов социально бытового назначения, в том числе и подразделений полевого базирования, расположенных вблизи равнинных медленно текущих рек, протоков, ручьев, водосбросов. Задачей полезной модели является получение энергоэффективной конструкции по выработке качественной электроэнергии получаемой от возобновляемого источника энергии - медленно движущего потока воды.
Предполагаемый широкий модельный ряд СПМГЭС мощностью от 0,1 кВт до 100 кВт позволит обеспечить электроэнергией, например, любителей природы и рыбалки, автопутешественников, геологоразведочных отрядов и другие подразделения полевого базирования, а также различные стационарные объекты широкого назначения, расположенные вблизи водостоков. Известно изобретение Гидроэнергетическая установка патент RU 2457357 С2 F03B 3/00 от 20.07.2011, содержащее ортогональную турбину с прямолинейными лопастями крыловидного профиля, турбинную камеру с профилированными стенками и рабочую машину, турбину, выполненную трехъярусной, в которой лопасти в каждом последующем ярусе сдвигают в одном направлении По углу на 120° относительно лопастей предыдущего яруса, число лопастей в ярусе принимают по меньшей мере одну лопасть, на боковых стенках проточной части турбинной камеры выполняют профилированные поперечные выступы, отбойную сороудерживаюшую решетку. Выходной вал ортогональной турбины присоединяют через сцепную муфту, через мультипликатор с валами отбора мощности, рабочие машины типов электрогенераторной, водонасосной, теплонасосной установки, акустической сирены. Мощность турбины и приводимых рабочих
машин регулируют грубо положением предтурбинного и послетурбинного затвора, а параметры качества электроэнергии регулируют тонко при помощи инвертора. Электрогенераторная установка выполнена по схеме генератор переменного тока - выпрямитель - накопитель электрической энергии - инвертор. Гидроэнергетическая установка содержит также устройство управления пуском-остановом турбины и рабочих машин, защиты от аномальных режимов, Измерений параметров и учета электроэнергии, автоматики параллельной работы с сетью. Известно изобретение Гидроэлектростанция патент RU 2451824 С2 F03B 13/10, F03B 7/00 от 27.05.2012, представляющая собой плавсредство, закрепленное тросами с опорами на берегу, содержащее один ряд и более турбин, параллельно установленных на полых платформах, переходящих в острые грани по вертикали в носовой части. Валы турбин установлены в подшипниковых опорах с возможностью вертикального перемещения и кинематически связаны с электрогенератором и пускорегулирующим оборудованием. На валах турбин смонтированы звездочки, соединенные между собой цепями. Перед плавсредством установлен фильтр в виде клина для отвода предметов. Лопасти турбин имеют серповидный профиль и закреплены к корпусам валов так, что их кромки образуют с зеркалом воды острый угол. Полые платформы имеют в поперечном сечении трапецеидальную форму, переходящую в острые грани по вертикали в тыльной части. Вертикальные стойки фильтра, установленного неподвижно на расстоянии от плавсредства, снабжены роликами с возможностью проворота. Электрогенератор и пускорегулирующее оборудование устанавливаются на берегу. Недостатком этого изобретения является ограничение по использованию гидроэлектростанции на широких реках и протоках в дельте больших рек, что не обеспечивает универсальность ее применения, а наличие цепных передач между роторами снижает КПД электростанции. Установка электрогенератора на берегу требует сложного привода, который должен учитывать колебательные перемещения
плавсредства совместно с установленными на них роторами. Способ установки гидроэлектростанции не позволяет проход малых плавсредств и способствует сбору других плавающих предметов. Кроме того, конструкция громоздка и требует затрат на ее монтаж на месте эксплуатации. Известно также изобретение патент DE 814879А, 02.08.2951, F03B 17/06, содержащее плавсредство, закрепленное тросами с опорами на берегу, турбину с прямыми лопастями, вал которой установлен в подшипниковых опорах, с возможностью вертикального перемещения и кинематически связанную с электрогенератором, и пускорегулирующее оборудование, при этом гидроэлектростанция содержит один ряд и более турбин, установленных на полых платформах параллельно, на валах турбин смонтированы звездочки, соединенные между собой цепями, при этом к плавсредству впереди жестко закреплена решетка в виде клина. Основным общим недостатком этого и предыдущего изобретений является наличие цепной передачи между роторами, что снижает КПД за счет потери мощности на механическую передачу и разности скорости вращения первого ротора и последнего четвертого ротора, расположенного последовательно за первым, вторым и третьим роторами. Указанная разность скоростей возникает по причине отбора мощности от скоростного напора воды первым ротором, затем вторым ротором и третьим ротором, в этом случае последний четвертый ротор воспринимает скоростной напор значительно меньшим, чем первый ротор, цепная передача будет уравнивать скорости вращения, поэтому возникают потери КПД за счет меньшей скорости последнего (четвертого) ротора, скорость которого необходимо повысить до уровня средней скорости всех роторов, в основном, за счет принудительного снижения скорости вращения первых роторов. Известна полезная модель Мобильная ветро-гидроэлектростанция (МВГЭС) патент RU 107828 Ul F03D 3/00 от 27.08.2011, содержащая роторные ветроэнергетические установки, расположенные на палубах параллельно установленных лодок, между которыми расположены магнитно-электрические генераторы, кинематически связанные с
ветроэнергетическими установками, что обеспечивает выработку электроэнергии одновременно от скоростного напора ветра и воды, а при отсутствии ветра МВГЭС работает как гидроэлектростанция. Недостатком данного патента является тот факт, что наличие ветра, особенно в средней полосе России, не всегда гарантировано, а использование энергии солнца для выработки электроэнергии не предусмотрено. Известны также конструкции наплавных (свободнопоточных) электростанций, Изложенные в книге Б.Б. Кажинский. Свободнопоточные гидроэлектростанции малой мощности. Под ред.А.И. Берга, Госэнергоиздат, М., 1950. Известно изобретение Ротор, патент RU 2246634 С2 F03D 3/00 от 20. 02. 2005, где в роторе типа ротора Угринского, содержащем пару лопастей, расположенных на диске симметрично относительно его оси вращения, согласно изобретению, дополнительно введена вторая пара лопастей и образованы для потока газа или жидкости рабочие поверхности сегментов от точек пересечения обеих пар лопастей до их окончания на периферии диска, причем для движения потока образованы сквозные каналы за счет удаления участков лопастей между точками их пересечения вблизи центра вращения. Основным недостатком данного изобретения является: наличие механической передачи, которая снижает КПД, лопасть явно воспринимает давление набегающего потока жидкости или газа, что препятствует вращению ротора. Из уровня техники авторам неизвестны конструкции МикроГЭС, представляющих полый цилиндр, в средней части которого размещен конфузор-диффузор, а в переходной части конфузора в диффузор компактно вертикально был бы размещен двухъярусный ротор Угринского с лопастями, имеющими гидродинамический профиль, причем лопасти верхнего яруса по отношению к лопастям второго яруса развернуты на 90°, и обладающие мобильными свойствами транспортирования по водной поверхности. Наиболее близким к заявленному техническому решению является Мобильная ветро-гидроэлектростанция, патент RU 107828 U1 F03D 3/00 от 27.08.2011, которая принята в качестве прототипа. Существенными отличиями СПМГЭС от
аналогов и прототипа являются: наличие полого цилиндрического корпуса, в средней части которого расположен конфузор-диффузор, причем в месте перехода конфузора в диффузор установлены соосно в вертикальной плоскости двухъярусный ротор Угринского, у которого лопасти верхнего яруса по отношению к лопастям нижнего яруса размещены со смещением равном 90°, причем лопасти двухъярусного ротора Угринского имеют гидродинамический профиль; наличие гидродинамического Профиля у лопастей двухъярусного ротора Угринского; наличие конфузора-диффузора, расположенного внутри полого цилиндрического корпуса СПМГЭС в средней его части, позволяет увеличить скорость потока воды в зоне перехода конфузора в диффузор не менее чем в 1,65-1,75 раза. Следует указать, что повышенная энергоэффективность СПМГЭС достигается не только за счет наличия конфузора-диффузора, а также за счет установки двухъярусного ротора Угринского в зоне перехода конфузора в диффузор, где скорость водяного потока будет максимальной. Причем лопасти гидродинамического профиля двухъярусного ротора Угринского установлены таким образом, что лопасти гидродинамического профиля верхнего яруса расположены со смещением на 90° относительно лопастей гидродинамического профиля нижнего яруса, что способствует равномерному вращению этих роторов. При этом зависимость вырабатываемого магнитоэлектрическим генератором (МЭГ) напряжения от скорости вращения двухъярусного ротора Угринского становится стабильной, по сравнению с одноярусным ротором Угринского, что улучшает качество вырабатываемой энергии и одновременно увеличивается КПД выработки электроэнергии. Кроме того, способ установки СПМГЭС на судоходных реках не мешает проходу плавсредств, а сама СПМГЭС может быть использована в качестве буя с сигнальными огнями. Указанные отличия обладают патентной новизной принятых технических решений по сравнению с аналогами и прототипом и решают поставленную задачу повысить энергоэффективность заявленной полезной модели. Сущность
конструкций СПМГЭС представлена на следующих рисунках: на Фиг. 1 показан общий вид СПМГЭС сбоку; на Фиг. 2 показан общий вид СПМГЭС сверху; На Фиг. 3 показан общий вид СПМГЭС спереди; на Фиг. 4 показан общий вид СПМГЭС сбоку в разрезе; на Фиг. 5 показан вид СПМГЭС сверху в разрезе по Α-A; на Фиг. 6 показаны силы, действующие на лопасти гидродинамического профиля верхнего и нижнего ярусов ротора Угринского; на Фиг. 7 показана принципиальная блок-схема обеспечения электроэнергией потребителей и подогрева теплоносящей жидкости в полом торе. СПМГЭС содержит следующие составные части и детали: полый цилиндрический корпус 1; конфузор-диффузор 2, расположенный в средней части полого цилиндрического корпуса 1; полусферический прозрачный купол 3, установленный на верхней крышке полого цилиндрического корпуса 1; вентиляционные отверстия 4 с заглушками полусферического прозрачного купола 3; двухъярусный ротор Угринского 5; лопасти гидродинамического профиля верхнего яруса 6, лопасти гидродинамического профиля нижнего яруса 7, причем лопасти гидродинамического профиля верхнего яруса 6 и лопасти гидродинамического профиля нижнего яруса 7 повернуты на угол 90° относительно друг друга, сказанное позволяет обеспечить равномерное вращение двухъярусного ротора Угринского 5, стабильность вырабатываемого МЭГ напряжения и повысить КПД СПМГЭС; крепежное кольцо 8, соединяющее полусферический куцол 3 с полым цилиндрическим корпусом 1; крепежные резьбовые элементы 9; устойчивость СПМГЭС на воде обеспечивается килем 10, в передней части киля 10 имеется отверстие 11, служащее для крепления транспортировочного троса 12; якорь с тросом 13, служащий для удержания СПМГЭС на водной поверхности; радиально упорные подшипники 14 вала 15 двухъярусного ротора Угринского 5; радиально упорные подшипники 16 вала 17 магнитоэлектрического генератора (МЭГ) 18, расположенного под полусферическим прозрачным куполом 3; соединительную муфту 19 вала 15 двухъярусного ротора Угринского 5 и вала 17 МЭГ 18; корпус 20 МЭГ 18;
1
2
3;
крв
обмотки катушек 21, расположенные на корпусе 20 МЭГ 18; магниты (Nd Fe В) 22, расположенные на роторе 23 МЭГ 18; нижнюю крышку 24 радиально упорного подшипника 14 вала 15 двухъярусного ротора Угринского 5; верхнюю крышку 25 радиально упорного подшипника 16 вала 17 МЭГ 18; литиевые аккумуляторные батареи 26 (ЛАКБ), котроллер заряда-разряда 27; инвертор 28, которые размещены внутри полого цилиндрического корпуса; полый тор 29 (Фиг. 1), содержащий теплоаккумулирующую жидкость 30 на основе этиленгликоля; круговой термоэлектрический нагреватель (КТЭН) 31, расположенный внутри полого тора 29 (Фиг. 4); навигационные огни 32; электронный контроллер за расходом электрической энергии 33 (ЭКРЭ); кнопки «зима» 34 и «лето» 35 (Фиг. 5); защитную сетку 36, которая установлена на входе в конфузор конфузора-диффузора; датчик освещенности (ДО) 37 (Фиг. 1). Работа СПМГЭС осуществляется следующим образом: вначале СПМГЭС перемещается, с помощью транспортировочного троса 12 закрепленного в отверстии 11 на место постоянной эксплуатации, где с помощью троса с якорем 13 крепится ко дну реки или ручья. В этом случае вода поступает в конфузор-диффузор 2, где ускоряется, и далее на лопасти гидродинамического профиля верхнего яруса 6 и на лопасти гидродинамического профиля нижнего яруса 7 двухъярусного ротора Угринского 5, который установлен в месте перехода конфузора -диффузора 2 в его диффузорную часть. Ориентировочно, с учетом потерь, скорость водяного потока увеличивается не менее чем в 1,65-1,75 раза в месте перехода конфузора-диффузора 2 в его диффузорную часть, при условии, что площадь входного сечения конфузора-диффузора 2 не менее чем в два раза больше площади поперечного сечения в месте перехода конфузора-диффузора 2 в его диффузорную часть. Ускоренный конфузором-диффузором 2 поток воды воздействует на лопасти гидродинамического профиля верхнего яруса 6 и лопасти гидродинамического профиля нижнего яруса 7 двухъярусного ротора Угринского 5. При этом воздействии возникают силы F F, F создающие крутящий момент Μ в верхнем ярусе
4
5
6
7
крн
кр
кр
кр
и силы F, F F, F создающие крутящий момент М в нижнем ярусе, причем сумма этих крутящих моментов М больше, чем у классического одноярусного ротора Угринского за счет применения гидродинамического профиля лопастей 6 и 7 нижнего и верхнего, соответственно, двухъярусного ротора Угринского 5 (Фиг. 6). Кроме того, поворот лопастей гидродинамического профиля верхнего 6 и нижнего 7 ярусов на 90° относительно друг друга дополнительно позволил увеличить коэффициент использования энергии потока воды до 0,47-0,48. Суммарный крутящий момент М с помощью вала 15 двухъярусного ротора Угринского 5 передается посредством соединительной муфты 19 на вал 17 МЭГ 18. Вал 17 МЭГ 18 неподвижно соединен с роторами 23 МЭГ 18. На торцевой поверхности этих роторов 23 расположены магниты (Nd Fe В) 22, напротив магнитов 22 на корпусе 20 МЭГ 18 расположенные обмотки катушек 21. Под действием крутящего момента М магниты 22 вращаются, при этом магнитные силовые линии пересекают обмотки катушек 21, возникает ЭДС (вырабатывается электрический ток). Электрический ток через котроллер заряда-разряда 27 передается в ЛАКБ 26, где и накапливается. Накопленная в ЛАКБ 26 электрическая энергия поступает в инвертор 28, где преобразуется в напряжение 220 вольт 50 Гц и подается потребителям. Следует указать, что для СПМГЭС мощностью до 3 кВт эксплуатация на реках, которые в зимнее время имеют ледяной покров, не рекомендуется. В зимнее время на реках с ледяным покровом для обеспечения эксплуатация СПМГЭС мощностью от 3 кВт и более предусматривается 5%-8% выработанной МЭГ электроэнергии на подогрев теплоаккумулирующей жидкости 30 на основе этиленгликоля, находящейся в защитном полом торе 29, что предотвращает действие ледяного сдавливания на полый цилиндрический корпус 1, обеспечивая выработку электроэнергии круглогодично. Крепежное кольцо соединяет полусферический купол с полым цилиндрическим корпусом с помощью крепежных резьбовых элементов. Полусферический прозрачный купол 3 служит для защиты МЭГ 18 и навигационных огней от воздействия
атмосферных осадков. СПМГЭС может устанавливаться на судоходных реках и исполнять роль бакена, поэтому предусмотрены навигационные огни 32, обеспечивающие безопасность прохода плавсредств в темное время суток. Навигационные огни 32 включаются по сигналу датчика освещенности 37. В целях осуществления контроля над количеством выработанной электроэнергии и за ее расходом используется электронный контроллер за расходом электрической энергии 33, который в реальном масштабе времени выдает график выработанной электроэнергии в кВт за сутки, месяц и год. Датчик освещенности 37 в автоматическом режиме при наступлений сумерек подключает навигационные огни 32. В зимнее время в случае образования ледяного покрова на водной поверхности с помощью кнопки «зима» 34 к инвертору 28 подключается КТЭН 31, который подогревает теплоаккумулирующую жидкость 30 в защитном полом торе 29, вентиляционные отверстия 4 закрываются заглушками. В случае отсутствия ледяного покрова и в летнее время эксплуатации СПМГЭС нажимают кнопку «лето» 35, которая отключает КТЭН 31 от инвертора 28. В летнее время года с вентиляционных отверстий 4 полусферического прозрачного купола 3 снимаются заглушки. Для защиты аквакультуры и двухъярусного ротора Угринского 5 от повреждений на входе в конфузор-диффузор 2 с помощью стандартных резьбовых соединений (не обозначены) устанавливается защитная сетка 36.