ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится электроэнергетике, а именно к гидроэнергетическим установкам, использующим энергию океанических (морских) приливов и отливов.
Известны гидроэнергетические установки, преобразующие энергию морских приливов и отливов.
Известная приливная энергетическая система по патенту RU №2326264, опубл. 10.06.2008, состоит из заграждения для извлечения потенциальной энергии, содержащей в океанских приливах, набора опорных стоек, размещенных с равным интервалом вдоль заграждения, средства крепления стоек к морскому дну, панелей и средства их крепления между стойками, кессонов, опорных панелей, турбин, размещенных в кессонах, электрогенераторов, подключенных к турбинам.
Недостатком данного аналога является низкий КПД турбин и, следовательно ограниченная мощность энергии на выходе электрогенераторов.
Известна также приливная электростанция по патенту RU №2361038, опубл. 10.07.2009, состоящая из корпуса с открытым входом и выходом, установленных на вертикальных валах вращения электротурбин, связанных с электрогенераторами в виде барабанов с лопастями, щитов, направляющих приливной поток, двух конусов с прикрепленными к ним лопастями, с изменяющимся их числом вдоль поверхности конуса.
Недостатком известной приливной электростанции является ее конструктивная сложность и относительно низкая эффективность преобразования энергии приливов в электрическую энергию на выходах генератора.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей сущности и по числу общих существенных признаков к заявленной гидроэнергетической установке (ГЭУ) является полезная модель «Приливно-волновая электростанция» по патенту RU №123255, опубл. 20.12.2012.
Ближайший аналог состоит из двух турбин, снабженных дисками, связанных между собой осями, на которых шарнирно закреплены турбины на единой оси, закрепленной в раме. Нижняя часть рамы зафиксирована на дне, а другая включает площадку на поверхности, на которой размещен редуктор и генератор. Лопатки одной турбины установлены с правой стороны, а у другой - с левой.
Смежные диски турбин снабжены коническими шестернями, между которыми установлены шестерни-сателлиты, закрепленные шарнирно на оси, перпендикулярной единой оси турбин. На одной из шестерен-сателлитов жестко присоединен вал отбора мощности, выходящей на площадку на поверхности.
Благодаря зеркальной схеме подсоединения лопаток обеспечивается их синхронное вращение и суммирование крутящего момента на общем валу.
Недостатком ближайшего аналога является:
сложность конструкции, требующей относительно высоких затрат на ее установку;
относительно малая доля энергии прилива, извлекаемая электростанцией, причем эта доля уменьшается при переходе от прилива к отливу.
Целью заявленного объекта является разработка гидроэнергетической установки, использующей энергию приливов и отливов, имеющей простую конструкцию, более эффективно преобразующую энергию приливов и отливов в электрическую энергию, требующей меньших экономических затрат на установку и эксплуатацию, за счет исключения необходимости ее перемещения в зависимости от изменения направления приливных или отливных течений.
Для достижения указанного технического результата заявленная гидроэнергетическая установка (ГЭУ), использующая энергию приливов и отливов, включает:
совокупность опор, зафиксированных на дне водной акватории; подшипник, установленный на каждой из опор; горизонтальный вал, поддерживаемый подшипниками с возможностью его свободного вращения и расположенный перпендикулярно преимущественному направлению течения приливов и отливов; множество несущих элементов, каждый из которых расположен перпендикулярно горизонтальному валу; множество лопастей, которые эксцентрически закреплены на каждом несущем элементе направлении; генератор, который соединен с горизонтальным валом и производит электроэнергию.
В предпочтительном варианте ГЭУ может также включать множество усиливающих элементов, повышающих жесткость несущих элементов.
В предпочтительном варианте ГЭУ может также включать повышающий редуктор, соединяющий горизонтальный вал и генератор. В предпочтительном варианте генератор и повышающий редуктор могут быть установлены в генераторном отсеке, изолированном от проникновения в него воды.
В предпочтительном варианте горизонтальный вал располагается перпендикулярно по отношению к направлению приливных и отливных течений.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков благодаря упрощению кинематики ГЭУ, эксцентрическому закреплению лопастей, исключающему необходимость переустановки ГЭУ при возможных, изменениях направления приливных или отливных течений, обусловливает упрощение конструкции, стоимости установки и эксплуатации ГЭУ, а также повышает эффективность преобразования энергии приливов или отливов в электрическую энергию, т.е. реализует указанный технический результат.
Заявленная ГЭУ поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 - общий вид ГЭУ, спереди;
на фиг. 2 - вид сбоку «рабочего колеса» ГЭУ во время отлива;
на фиг. 3 - вид сбоку «рабочего колеса» ГЭУ во время прилива.
Заявленная ГЭУ, показанная на фиг. 1, 2, 3, включает:
опоры 2, 4, 6, 8 и 10, зафиксированные на дне водной акватории (море, океан и т.д.); подшипники 12, 14, 16, 18 и 20, которые установлены соответственно на вершинах опор 2, 4, 6, 8 и 10; горизонтальный вал 30, который поддерживается подшипниками 12, 14, 16, 18 и 20 с возможностью его свободного вращения; множество несущих элементов 41, 42, 43 и 44, которые перпендикулярны горизонтальному валу 30; множество лопастей 51, 52, 53 и 54, которые шарнирно и эксцентрически соединены с каждым из несущих элементов 41, 42, 43 и 44 в продольном направлении относительно оси горизонтального вала 30; генератор 60, который соединен с горизонтальным валом 30 и производит электроэнергию.
Опоры с подшипником (2, 12), (4, 14), (6, 16), (8, 18) и (10, 20) расположены на равных расстояниях друг от друга вдоль оси горизонтального вала.
Вершины опор 2, 4, 6, 8 и 10 расположены на высоте, при которой нижние края лопастей 51, 52, 53 и 54 не задевают дно акватории.
Подшипники 12, 14, 16, 18 и 20 представляют собой стандартные подводные подшипники.
Горизонтальный вал 30 расположен перпендикулярно направлению движения приливных и отливных течений в акватории, где размещена ГЭУ, использующая энергию приливов и отливов.
Несущие элементы 41, 42, 43 и 44 установлены между соответствующими опорами 2, 4, 6, 8 и 10.
Каждый из несущих элементов 41, 42, 43 и 44 имеет крестообразную форму (см. также фиг. 2, 3) и жестко соединен с горизонтальным валом 30, например, посредством сварки (см. фиг. 2, 3).
Лопасти 51, 52, 53 и 54 соединены с каждым из несущих элементов 41, 42, 43 и 44.
Каждая из лопастей 51, 52, 53 и 54 представляет собой плоский элемент, установленный перпендикулярно направлению океанических приливных и отливных течений в зоне установки ГЭУ.
Лопасти 51, 52, 53 и 54 снабжены соответствующими шарнирными креплениями 55, 56, 57 и 58, для соединения соответствующих лопастей 51, 52, 53 и 54 с каждым из несущих элементов 41, 42, 43 и 44 с возможностью свободного вращения. Шарнирное крепление устанавливают в такое положение, при котором длина каждой лопасти делится на участки Е и F в отношении 2:1 или 3:1. В приведенном ниже описании шарнирное крепление установлено в положение, при котором длина каждой лопасти делится в отношении 2:1.
Когда лопасти 51, 52, 53 и 54 расположены вертикально и находятся выше горизонтального вала 30, секция, соответствующая одной трети (далее именуемая короткая секция Е) каждой из лопастей 51, 52, 53 и 54, находится значительно выше соответствующих шарнирных креплений 55, 56, 57 и 58. Другая секция F каждой из лопастей 51, 52, 53 или 54, соответствующая двум третями, находится ниже соответствующего шарнирного крепления 55, 56, 57 или 58.
В показанном на фиг. 1 варианте осуществления ГЭУ на горизонтальном валу 30 закреплены четыре комплекта несущих элементов 41, 42, 43, 44 (см. фиг. 2, 3) которые совместно с лопастями 51, 52, 53, 54 формируют условные «рабочие колеса»
Как показано на фиг. 2 и 3, ГЭУ дополнительно включает усиливающие элементы 70, которые повышают жесткость секций 41A, 41В, 41С и 41D несущих элементов 41, 42, 43 и 44 (фиг. 3).
Усиливающий элемент 70 соединяет между собой секции 41A, 41B, 41С и 41D крестообразных несущих элементов 41, 42, 43 и 44 для предотвращения их вибраций.
Усиливающий элемент 70 состоит из двух частей 72 и 74, которые установлены на валу 30 с двух сторон секций 41A, 41B, 41C и 41D.
ГЭУ дополнительно включает повышающий редуктор 80, который соединяет между собой горизонтальный вал 30 и генератор 60 и повышает скорость вращения горизонтального вала 30.
Повышающий редуктор 80 включает ведущее зубчатое колесо, соединенное с горизонтальным валом 30, и ведомое зубчатое колесо, входящее в сцепление с ведущим зубчатым колесом для повышения числа оборотов генератора 60.
Генератор 60 и повышающий редуктор 80 установлены в водонепроницаемом генераторном отсеке R выполненном в грунте G (фиг. 1).
К генератору 60 подключена линия электропередачи 62 для передачи произведенной им электроэнергии.
Горизонтальный вал 30 соединен с повышающим редуктором 80 через водонепроницаемый переход (сальник), установленный в стене генераторного отсека R.
Заявленная ГЭУ работает следующим образом. Поток воды оказывает давление, как минимум на одну лопасть из множества лопастей 51, 52, 53 и 54 каждого из комплектов «рабочих колес» A, B, C и D. Давление воды передается на горизонтальный вал 30 через, как минимум, одну из лопастей 51, 52, 53 и 54 и, как минимум, два несущих элемента из несущих элементов 41, 42, 43 и 44. В результате горизонтальный вал 30 приводится во вращение всей совокупностью колес A, B, C и D.
Вращающийся горизонтальный вал 30 передает через повышающий редуктор 80 вращение генератору 60, производящему электроэнергию.
Принцип работы одного из колес A иллюстрируется на фиг. 2 во время отлива.
Так как лопасти 51, 52, 53 и 54 эксцентрически соединены с соответствующими секциями 41A, 41B, 41C и 41D несущих элементов 41, 42, 43 и 44, любая из лопастей, которая находится ближе всего к отливному потоку, направленному на комплект «рабочих колес» (т.е. лопасть находится в положении A), принимает положение, параллельное течению.
Горизонтальный вал 30 вращается под воздействием давления воды на другие лопасти и, следовательно, лопасть, находящаяся ближе всего к отливному потоку, поворачивается в направлении к верху относительно горизонтального вала 30, оказываясь тем самым под воздействием давления воды.
Когда лопасть 51, 52, 53 или 54 поворачивается вверх из положения А в положение В, т.е. выше оси горизонтального вала 30, она принимает положение, перпендикулярное отливному течению, оказываясь тем самым под самым сильным воздействием давления воды. Затем лопасть постепенно перемещается в дальнее положение (положение С) в направлении движения отливного течения. На данном этапе лопасти 51, 52, 53 и 54 поворачиваются на шарнирных креплениях 55, 56, 58 и 58 под воздействием давления воды на короткие секции E.
Когда лопасть 51, 52, 53 или 54 находится в самом дальнем положении (положение C) в направлении движения отливного течения, она наклоняется под заранее определенным углом из-за разницы между давлением воды на короткую секцию E и длинную секцию F.
Далее, лопасть 51, 52, 53 или 54 перемещается из самого дальнего положения (положение C) в положение ниже уровня горизонтального вала 30 (положение D). На данном этапе, поскольку давление воды на длинную секцию F сильнее давления на короткую секцию Е, лопасть принимает положение, параллельное океаническому течению.
Далее, лопасть 51, 52, 53 или 54 перемещается в положение A, в котором она находится ближе всего к отливному потоку в направлении движения отливного течения, занимая положение, параллельное течению. Описанный выше процесс многократно повторяется во время отлива. Лопасти 51, 52, 53 и 54 поворачиваются описанным образом, по очереди оказываясь под воздействием давления воды, вращая тем самым горизонтальный вал 30 в направлении против часовой стрелки, как показано на рис. 2.
1
На фиг. 3 показан процесс работы ГЭУ во время прилива воды, при этом каждая из лопастей 51, 52, 53 и 54 принимает положение, параллельное течению, когда она находится в самом ближнем положении (положение А) в направлении движения приливного течения.
Когда каждая из лопастей 51, 52, 53 и 54 располагается ниже горизонтального вала (т.е. в положении В′), она принимает положение, перпендикулярное течению, оказываясь тем самым под самым сильным воздействием давления воды.
1
1
1
Таким же образом, как и в случае отлива, когда каждая из лопастей 51, 52, 53 и 54 находится в самом дальнем положении (положение С) в направлении движения приливного течения, она наклоняется по отношению к направлению течения. Аналогичным образом, когда каждая лопасть находится выше горизонтального вала 30 (т.е. в положении D), она принимает положение, параллельное течению прилива. Затем лопасть перемещается в самое ближнее положение (положение A) к приливному течению. Описанный выше процесс многократно повторяется во время прилива. Таким образом, лопасти 51, 52, 53 и 54 по очереди оказываются под воздействием давления воды, вращая тем самым горизонтальный вал 30 также в направлении против часовой стрелки (см. фиг. 3).
В заявленной ГЭУ, использующей энергию приливов и отливов, лопасти вращаются в одинаковом направлении во время отлива или прилива под давлением воды. Соответственно, нет необходимости перемещать ГЭУ в зависимости от изменений приливного или отливного течений. Таким образом, гидроэнергетическая система, использующая энергию приливов и отливов, имеет простую конструкцию, эффективна в стоимостном отношении.
Благодаря использованию усиливающих элементов повышается жесткость несущих элементов, они не сгибаются, а лопасти оказываются под стабильным воздействием давления воды. Это указывает на повышение эффективности преобразования энергии приливов и отливов, в электрическую энергию.
Использование в ГЭУ, комбинаций опоры с подшипником расположенными в один ряд на равном расстоянии друг от друга вдоль оси горизонтального вала, исключает возможную деформацию горизонтального вала сводит к минимуму его вибрацию.
Благодаря тому, что все комплекты «рабочих колес» соединены с одним общим горизонтальным валом, достигается сильный крутящий момент, без увеличения размера лопастей.