Гидроаэродинамическая электростанция

Полезная модель относится к области энергетики и предназначена для извлечения электрической энергии из ветра, морских приливов и отливов.
Известна Кислогубская приливная электростанция [Renewable.com.ua], содержащая плотину, бассейн, гидротурбину и гидрогенератор.
Недостатком аналога является наличие бассейна.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является морская аэрогидродинамическая электростанция [Дж. Твайделл, А.Уэйр Возобновляемые источники энергии. Энергоатомиздат, М., 1990], содержащая береговую бетонную пустотелую колонну с приемным окном ниже уровня моря. В верхней части имеется воздушная камера, разделенная вертикальной центральной стенкой на два равных отсека. В центральной стенке выполнено окно, в котором установлено ветровое колесо с генератором. В нижней и верхней горизонтальных стенках воздушной камеры установлены регуляторы давления потока воздуха в виде впускных и выпускных клапанов. Эти клапаны регулируют подход сжатого воздуха к турбине и его отвод в атмосферу в период подъема воды в колонне во время прилива.
Недостатками прототипа являются: невозможность осуществления рабочего цикла в период отлива; сложная и ненадежная система регулирования подачи сжатого воздуха воздушными клапанами, низкая мощность электростанции.
Из анализа известных технических решений выявлено, что технической проблемой в данной области является необходимость расширения арсенала технических средств, используемых для извлечения электрической энергии из ветра, морских приливов и отливов.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое техническое решение, состоит в увеличении коэффициента полезного действия, за счет достижении работы электростанции в полном рабочем цикле прилива и отлива при упрощении системы регулирования воздушного потока в колонне.
Для решения технической проблемы достижения заявленного технического результата предлагаемой электростанции использована гибридная схема преобразования ветра, морских приливов и отливов в электрическую энергию путем использования эффекта обтекания колонны - цилиндра с вертикальной осью воздушным потоком. На контуре цилиндра давление потока распределено неравномерно: при фронтальном натекании потока (точка а, фиг. 3) давление положительное и имеет максимальное значение; с тыловой стороны давление положительное и имеет минимальное значение; с боков цилиндра (точки b, с, фиг. 3) давление отрицательное, а величина его в три раза больше, чем положительное давление в точке а (Н.Я. Фабрикант Курс аэродинамики. Редакция технико-теоретической литературы. М., Л., 1938). Этот эффект обтекания ветром круглого цилиндра с вертикальной осью используется при выборе места размещения входного и выходных отверстий ветрового колеса. Входное отверстие размещено в зоне максимального положительного давления (точка а, фиг. 3). Выходные отверстия размещены в зоне отрицательного давления (точки b, с, фиг. 3). При работе ветроколеса из верхней части полости колонны отсасывается воздух, и уровень воды в колонне повышается. Этот эффект позволяет повысить действующий напор на гидротурбине гидрогенератора. Размещение гидротурбин с гидрогенераторами в энергоблоке, который состоит из двух отсеков, на разных уровнях позволило обеспечить их работу в циклах прилива и отлива. В повышении мощности электростанции.
Гидроаэродинамическая электростанция содержит пустотелую колонну с приемным окном ниже уровня моря, верхнюю воздушную камеру, в которой установлено ветровое колесо с генератором, регуляторы давления потока, причем она снабжена несколькими энергоблоками, к каждом из которых имеется два отсека, в которых установлены на разных уровнях гидротурбины с гидрогенераторами, пустотелая колонна выполнена в виде круглого цилиндра и установлена между отсеками энергоблока, верхняя воздушная камера выполнена в виде круглого цилиндра со стабилизатором, входным и выходными отверстиями на боковой поверхности и установлена на торце колонны с возможность вращения вокруг вертикальной оси, регуляторы давления потока выполнены в виде датчика уровня воды и байпаса для сброса части воды из колонны.
Кроме того, заявляемое решение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, а именно:
- верхняя воздушная камера выполнена без входного отверстия и ветрового колеса с генератором;
- стабилизаторы выполнены в виде пластин из твердого синтетического материала и имеют форму полукруга.
Отличительными признаками предлагаемого устройства от указанного выше, наиболее близкого к нему, являются то, что оно снабжено несколькими энергоблоками, к каждом из которых имеется два отсека, в которых установлены на разных уровнях гидротурбины с гидрогенераторами, пустотелая колонна выполнена в виде круглого цилиндра и установлена между отсеками энергоблока, верхняя воздушная камера выполнена в виде круглого цилиндра со стабилизатором, входным и выходными отверстиями на боковой поверхности и установлена на торце колонны с возможность вращения вокруг вертикальной оси, регуляторы давления потока выполнены в виде датчика уровня воды и байпаса для сброса части воды из колонны.
Благодаря наличию этих признаков применение этого устройства позволит эксплуатировать станцию при приливах и отливах, повысить надежность и выходную мощность за счет использования гибридной схемы преобразования ветра, приливов и отливов в электрическую энергию.
Предлагаемое устройство - гидроаэродинамическая электростанция иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2, 3, 4 и 5.
На фиг. 1 - гидроаэродинамическая электростанция (план).
На фиг. 2 - продольный разрез А-А - гидроаэродинамической электростанции.
На фиг. 3 - поперечный разрез В-В воздушной камеры.
На фиг. 4 - продольный разрез С-С воздушной камеры (вариант).
На фиг. 5 - поперечный разрез D-D воздушной камеры (вариант).
Гидроаэродинамическая электростанция включает несколько энергоблоков 1 (фиг. 1), установленных на морском шельфе при наличии ветра, приливов и отливов. Энергоблок 1 выполняется в заводских условиях и на плавсредстве доставляется на место установки. Энергоблок 1 выполнен в виде двух отсеков 2 (фиг. 2), между которыми установлена пустотелая колонна 3 в виде круглого цилиндра. Верхняя воздушная камера 4 выполнена в виде круглого цилиндра со стабилизатором 5, который выполнен в виде пластины из твердого синтетического материала и имеют форму полукруга. Под уровнем воды в нижней части энергоблока 1 размещены приемные окна 6, оборудованные грубыми решетками 7. Приемные окна 6 сообщаются с полостью колоны 3. Стрелкой 8 показано направление прилива, а стрелкой 9 направление отлива. В мокром канале 19 установлена гидротурбина 11, а сухой камере размещен гидрогенератор 12. Мокрая камера 10 со стороны моря перекрыта затвором 13. Пазы грубых решеток 7 можно использовать для перекрытия приемных окон 6 затворами при технических осмотрах. Регуляторы давления потока выполнены в виде датчика уровня воды 14, байпаса 15 и затвора 16 с электроприводом. Воздушная камера 4 (фиг. 3) установлена на катках 17 с возможность вращения вокруг вертикальной оси и имеет входное отверстие 18 и выходные отверстия 19, а внутри ее установлено ветровое колесо 20 с генератором 21. Стрелкой 22 показано направление ветра, а стрелкой 23 выход воздуха из воздушной камеры 4. На фиг. 4 и 5 показан вариант воздушной камеры 4 без входного отверстия 19 и установки ветрового колеса 20 с генератором 21.
Работа гидроаэродинамической электростанции осуществляется следующим образом.
В основе работы электростанции лежит гибридная схема (способ) преобразования энергии ветра, морского прилива и отлива в электрическую энергию. Работа ветрового колеса 20 осуществляется за счет перепада давления между точками а и b (или с, фиг. 3). Движение воздуха создает вакуум в зоне b (или с, фиг. 3), в которую интенсивно подсасывается воздух в направлении 23 через выходные отверстия 19. Вращение ветрового колеса 20 приводит в работу генератор 21, который вырабатывает электрическую энергию. Рассмотрен вариант (фиг. 4 и 5), когда верхняя ветровая камера 4 выполнена без входного отверстия 18, ветрового колеса 20 и генератора 21.
В этом частном случае, так же как и в основном случае, воздушная камера 4 при помощи стабилизатора 5 будет автоматически ориентирована входным отверстием 18 навстречу ветру за счет возможности вращения ее по каткам 17 вокруг вертикальной оси, при этом она будет выполнять только функцию отсоса воздуха через выходные отверстия 19 из колонны 3, которая установлена в центре энергоблока 1 между отсеками 2. Отсос воздуха из пустотелой колонны 3 способствует подъему уровня воды в ее полости. Рассмотрим работу гидротурбины 11 с гидрогенератором 12 в цикле прилива 8. Морская вода проходит сквозь грубую решетку 7, которая предотвращает поступление рыбы в приемное окно 6 и далее поступает в полость колонны 3. Проход морской воды через тыловое приемное окно 6 исключен, так как с обратной стороны в результате отрыва потока за энергоблоком 1 имеет место отрицательное давление, и поток будет подсасываться в колонну 3. При работе ветрового колеса 20 из воздушной камеры 4 отсасывается воздух и в верхней части колонны 3 имеем место разряжение, которое заполняется морской водой. Уровень воды в колонне 3 может увеличиваться до отметки датчика уровня 14. При превышении этого уровня электрический сигнал от датчика 14 поступает на электропривод задвижки 16, она открывается, и морская вода по трубе байпаса 15 поступает к гидротурбине 11. Морская вода под напором (от уровень воды датчика 14 до оси гидротурбины 11) поступает из колонны 3 к гидротурбине 11 вращает ее и гидрогенератор 12 вырабатывает электрическую энергию и далее через выходное окно 10 поступает в море. При техническом осмотре выходное окно 13 перекрывается затвором 13. В цикле отлива 9 при малой воде работает гидротурбина 11 с гидрогенератором 12 левого отсека 2, так как они размещены ниже агрегатов правого отсека 2. Рабочий цикл агрегатов левого отсека 2 ничем не отличается от цикла работы правого отсека 2. Не исключена совместная работа агрегатов обеих отсеков 2 в цикле прилива 8, если величина напора в колонне 3 будет больше величины подсасывающего давления с тыла энергоблока 1.
По сравнению с прототипом использование гидроаэродинамической электростанции позволит эффективно использовать гибридную схему преобразования энергии ветра, приливов и отливов в электрическую энергию. Использовать ветер для создания разряжения в пустотелой колонне, что приведет к увеличению действующего напора перед гидротурбиной и в итоге существенно повысит выходную мощность гидрогенератора.