Бесплотинная инерционная гидроэлектростанция
DAMLESS INERTIAL HYDROELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности для преобразования энергии водного потока в электрическую энергию, и может быть использовано в качестве установки, использующей кинематическую и потенциальную энергию движущейся в реках воды.
Известны современные гидроэлектростанции, содержащие крупные железобетонные плотины, мощные гидравлические турбины, электрогенераторы и ряд других сооружений.
Однако эти электростанции используют только потенциальную энергию воды, накопленной с использованием поднятой, иногда весьма высоко, железобетонной плотины, которая, в свою очередь, вынужденно подавляет кинематическую энергию текущей воды в русле реки, причем на больших участках ее отрезка. Кроме того, такие гидроэлектростанции с такими высокими и низкими плотинами являются экологически вредными сооружениями на руслах больших и малых рек.
Известна (SU, авторское свидетельство 1788309, опубл. 1993) гидроэлектростанция, содержащая установку, выполненную в виде двух жестко связанных поплавков с водонаправляющими стенками, образующими входной сужающий канал, турбины с лопастями, размещенными между поплавками на горизонтальном валу, установленном на корпусах последних и кинематически связанном с электрогенератором, и средства для фиксации установки в потоке воды, дополнительно к упомянутому установка снабжена перемычкой, установленной между поплавками вдоль оси турбины с зазором.
Однако известная установка не может полно использовать всю массу потока воды на участке, покрытом установкой, т.к. значительная часть энергии потока воды гасится направляющими стенками поплавков, образующими входной сужающийся канал. По этой же причине ламинарный поток воды на этом участке превращается в турбулентный поток, который в известной мере не лучшим образом воздействует на лопасти турбины. Часть энергии потока гасится перемычкой, установленной между поплавками, т.е. поперек потока воды. Не может использоваться энергия массы воды на случай подъема уровня выше оптимального, на который рассчитана установка.
Известна (RU, патент 2095618, опубл. 10.11.1997) русловая гидроэлектростанция, содержащая вертикальные силовые опоры с элементами крепления, электрогенераторы и связанный с ними посредством передачи гидродвигатель, выполненный в виде лопастного цилиндрического ротора, подшипниковые опоры для установки ротора и придонную перемычку, кроме того, гидроэлектростанция снабжена противовесами, передача от гидродвигателя выполнена в виде редукторов, придонная перемычка в виде плиты, а подшипниковые опоры в виде подушек, силовые опоры закреплены в грунте русла реки, подшипниковые подушки помещены между силовых опор с возможностью ограниченного перемещения вниз и свободного вверх, ротор выполнен плавающим, его лопасти установлены горизонтально, или косо, или с шевронным расположением и согнуты с образованием в поперечном сечении тупого угла, причем ротор установлен в подшипниковых подушках посредством расположенных внутри него полых полуосей, на каждой из которых совокупно и шарнирно подвешены редуктор, противовесы и электрогенератор, силовой кабель которого для выхода из ротора к потребителю протянут через отверстие в полой оси, при этом придонная плита связана с подшипниковыми подушками при помощи тяг для обеспечения совместного перемещения.
Недостатком известной гидроэлектростанции следует признать сложность конструкции, а также сложность технологии ее создания.
Наиболее близким аналогом разработанной конструкции можно признать (RU, патент 2306453, опубл. 10.05.2007) устройство для преобразования энергии воды в электроэнергию, содержащее водяное колесо из жестко соединенных барабана, боковых стенок, лопаток и ступицы, жестко скрепленной спицами с барабаном, соединенное механической передачей посредством редуктора с электрогенератором, подшипниковые узлы, опоры, водоподводящую и водоотводящую системы. Оно также снабжено водоудерживающим элементом, установленным от нижней по вертикальной оси точки боковых стенок со стороны рабочей части водяного колеса на расстоянии 5-10 мм и выполненным радиально изогнутым с углом охвата, равным 150-165°, и шириной, равной ширине водяного колеса, при этом каждая из лопаток водяного колеса выполнена в виде пластины из двух частей, угол между которыми равен 120-140°, а отношение длины одной части пластины к длине другой части, закрепленной на барабане, равно 1/1,5-1/2,0, с углом к касательной в месте контакта пластины и барабана, равным 25-45°, количество лопаток выбрано с учетом того, что расстояние между ними по внешнему диаметру боковых стенок равно 0,25-0,35 м, причем водяное колесо посредством ступицы и подшипниковых узлов установлено на оси, закрепленной на опорах, а в качестве электрогенератора использован асинхронный двигатель, связанный с системой автоматического управления, включающей блок коммутационной и измерительной аппаратуры, к которому подключены блоки конденсаторов возбуждения, тиристорных преобразователей, полезной нагрузки, и блок регулирования, защиты и управления, соединенный с блоком тиристорных преобразователей, к которому присоединены блоки балластной нагрузки и конденсаторов возбуждения, при этом механическая передача выполнена в виде цепной передачи, ведущая звездочка которой закреплена на спицах водяного колеса.
Недостатками описанного выше устройства является наличие водоподводящей и водоотводящей системы, что резко сужает область его применения. Кроме того, оно имеет низкую удельную мощность из-за большого веса водяного колеса и сложную в изготовлении конструкцию лопастей колеса.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного устройства, состоит в разработке бесплотинной гидроэлектростанции нового типа - бесплотинной инерционной гидроэлектростанции.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанной конструкции, состоит в увеличении мощности бесплотинной ГЭС, расширении области применения за счет снижения требований к скорости, глубине и ширине руслового потока, где устанавливают бесплотинную ГЭС, практически отсутствии требований к предварительной подготовке места, где устанавливают разработанное устройство, увеличении надежности за счет уменьшения количества деталей и простоты конструкции.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать бесплотинную инерционную гидроэлектростанцию разработанной конструкции (БИГЭС). БИГЭС содержит водяное колесо, выполненное в виде барабана, на оси которого размещена ступица, от которой в радиальном направлении отходят спицы, и электрогенератор, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит каркас, выполненный с возможностью прохода части речного потока, внутри каркаса размещено с, по меньшей мере, частичным погружением в проходящий поток воды водяное колесо, на удаленных от ступицы концах спиц закреплены лопасти, причем концами с лопастями спицы закреплены на внутренней поверхности барабана, ступица закреплена на подшипниковых узлах, установленных на указанном каркасе, и кинематически связана с маховиком, который представляет из себя пустотелое колесо, содержащее горловину для залива/слива жидкости, и внутри разделен на секции перегородками с отверстиями для перелива воды между секциями, расположенными в шахматном порядке, маховик закреплен на второй ступице, также установленной на подшипниковых узлах в каркасе, маховик жестко механически соединен с электрогенератором, выполняющим для маховика функцию электродинамического тормоза, также она содержит датчик оборотов маховика, блок реле, подключенный к датчику оборотов маховика, и средство отбора выработанной электроэнергии.
В некоторых вариантах реализации разработанного устройства лопасти выполнены прямоугольными плоскими или вогнутыми.
Ступица может быть соединена с маховиком посредством редуктора или цепной передачи.
Предпочтительно маховик выполнен из материалов с низкой плотностью, что позволяет обеспечить удобство эксплуатации устройства, так как маховик, являющийся наиболее тяжелой его частью, перевозится до нужного места пустым и заполняется водой из реки после установки в каркас.
Предпочтительно каркас собран из труб в форме усеченной пирамиды, устанавливаемой на русле реки с использованием штырей. Такая конструкция обеспечивает удобство эксплуатации, так как не требует фундамента, перевозится в разобранном виде и собирается на месте, где будет работать электростанция.
Обычно датчик оборотов маховика представляет собой датчик оборотов любого типа с аналоговым выходом, подключен к аккумулятору и установлен на ступице маховика.
Предпочтительно блок реле подключен к датчику оборотов маховика и установлен на каркасе вместе с электрогенератором.
Средство отбора выработанной электроэнергии представляет собой аккумулятор или выпрямительный блок.
Бесплотинная инерционная гидроэлектростанция (БИГЭС) в базовом варианте содержит водяное колесо в виде барабана с прямоугольными плоскими или вогнутыми лопастями, жестко закрепленными на радиальных спицах на максимальном удалении от ступицы, к которой прикреплены одним концом спицы. Другим концом спицы крепятся к барабану. Ступица, в свою очередь, крепится на подшипниковых узлах, установленных на каркасе БИГЭС, и кинематически, посредством редуктора или цепной передачи, связана с маховиком. Маховик представляет из себя пустотелое колесо требуемых размеров, выполненное из легких материалов, которое через заливную-сливную горловину заполняется водой до нужного веса. Колесо внутри снабжено перегородками, разделяющими его на секции, с отверстиями для перелива воды между секциями, расположенными в шахматном порядке. Маховик закреплен на своей ступице, установленной на подшипниковых узлах в каркасе БИГЭС. Маховик также жестко механически связан с электрогенератором, являющимся для него электродинамическим тормозом. Кроме того, БИГЭС содержит датчик оборотов маховика, блок реле и накопитель электроэнергии в виде аккумуляторов (на рисунке не показаны). Каркас БИГЭС представляет из себя конструкцию, собранную из труб и имеющую вид усеченной пирамиды, устанавливаемой на русле реки с помощью штырей.
Конструкция разработанного устройства приведена на фиг. 1 - фиг. 4.
На фиг. 1 изображена бесплотинная инерционная электростанция.
На фиг. 2 – разрез А-А на фиг. 1.
На фиг. 3 – вид В на фиг. 2.
На фиг. 4 – поперечный разрез маховика.
Использованы следующие обозначения: водяное колесо 1 из жестко связанных барабана 2, лопаток 3 и ступицы 5, жестко скрепленной спицами 4 с барабаном 2, соединенное механической передачей посредством редуктора 8 с электрогенератором 15, подшипниковые узлы 6, опоры 7, маховик 9, который представляет из себя пустотелое колесо требуемых размеров, изготовленное из легких материалов, которое через заливную-сливную горловину 10 заполняется водой до нужного веса. Маховик закреплен на своей ступице 13, установленной на подшипниковых узлах 14 в каркасе 7 БИГЭС. Кроме того, маховик внутри снабжен жесткими перегородками 11, разделяющими его на секции, с отверстиями 12 для перелива воды между секциями, расположенными в шахматном порядке. Маховик 9 жестко связан с электрогенератором 15, являющимся для него электродинамическим тормозом. Кроме того, БИГЭС содержит датчик оборотов маховика, блок реле и накопитель электроэнергии в виде аккумуляторов (не показанные).
В разработанном устройстве, по сравнению с ближайшим аналогом, отсутствуют водоподводящая и водоотводящая системы, боковые стенки барабана и водоудерживающий элемент, что значительно уменьшает вес водяного колеса, а лопасти имеют простую конструкцию в виде прямоугольных плоских или вогнутых пластин. Кроме того, вместо опор используется трубчатый каркас в виде усеченной пирамиды, внутри которой устанавливается водяное колесо и маховик, а сам каркас крепится на дне русла потока штырями 16.
Предлагаемая БИГЭС работает следующим образом. Работа БИГЭС имеет циклический характер и состоит из двух циклов: цикла разгона маховика, во время которого он накапливает кинетическую энергию, и цикл торможения маховика, во время которого он отдает накопленную энергию на аккумуляторы.
Под воздействием потока воды водяное колесо начинает вращаться и, соответственно, через редуктор 8 приводит во вращение маховик 9 и он начинает разгоняться. При разгоне маховика генератор находится в выключенном состоянии и создает для водяного колеса минимальную нагрузку в виде дополнительного к маховику инерционного момента.
Кинетическая энергия, которую накапливает маховик, определяется по формуле (1):
где
к
Е - кинетическая энергия маховика в Дж;
м
2
J - момент инерции маховика в нмс;
м
ω - угловая скорость вращения маховика в 1/с.
Крутящий момент, развиваемый водяным колесом, будет зависеть от квадрата скорости потока воды, площади лопасти водяного колеса и его радиуса и определяется по формуле (2):
где
к
М - крутящий момент в н⋅м;
3
ρ - плотность воды в кг/м;
V - скорость потока воды в м/с;
Λ
2
S - площадь лопасти в м;
к
R - радиус водяного колеса в м.
Крутящий момент, развиваемый водяным колесом, будет уравновешиваться инерционным моментом маховика (3):
где:
м
М - инерционный момент маховика в н⋅м;
м
2
J - момент инерции маховика в нмс;
м
2
ω - угловое ускорение маховика в 1/с.
После разгона маховика до требуемой угловой скорости, которая определяется по показаниям датчика оборотов маховика, с использованием блока реле подключают обмотки электрогенератора. Электрогенератор является электродинамическим тормозом и тормозит маховик практически до его полной остановки. После этого циклы работы БИГЭС повторяются.
Бесплотинную инерционную ГЭС легко изготовить на современном уровне развития техники. Барабан и лопасти изготавливают из легких материалов типа алюминия. Каркас изготавливают из алюминиевых труб прямоугольного сечения с усилением в местах крепления барабана, маховика и редуктора.
Маховик можно изготовить из алюминия или из жесткой пластмассы, способной выдержать требуемые центробежные и инерционные усилия.
Генератор можно взять любого типа. Но проще всего взять генератор в виде мотор-колеса от электровелосипеда, работающего в режиме рекуперации. Например, можно взять мотор-колесо от электробайка «Колобок», имеющего следующие параметры (www/as-рр/ru):
- мощность 20 КВт;
- крутящий момент - 200 н⋅м;
- ток в режиме рекуперации - 350 А;
- емкость батареи - 29,4 А⋅ч
При этом мотор-колесо устанавливается внутрь маховика по той же схеме, как оно устанавливается на колесо электровелосипеда.
Используя формулы (1), (2), (3), нетрудно подсчитать, что при радиусе водяного колеса 1,5 м, длине лопасти 1,5 м и ее высоте 0,2 м, весе маховика 100 кг, его внешнем радиусе 1 м и внутреннем 0,82 м, скорости водяного потока 3 м/с, бесплотинная инерционная ГЭС будет в сутки вырабатывать около 150 кВт⋅ч электроэнергии. Это позволит обеспечить электроэнергией от 10 до 15 домовладений.
Достоинством предлагаемой конструкции является то, что маховик будет раскручиваться даже от слабого крутящего момента. Главное, чтобы крутящий момент превосходил по величине момент трения в подшипниковых узлах. Это резко расширяет область применения БИГЭС, так как ее можно ставить практически на любых русловых потоках. Единственное требование, чтобы ширина потока соответствовала ширине лопасти водяного колеса, а глубина потока была равна высоте лопасти. Кроме того, площадка, где устанавливается устройство, практически не требует предварительной подготовки. Каркас просто устанавливается на дно руслового потока и укрепляется штырями.
Достоинством предлагаемой конструкции является также то, что при одних и тех же параметрах руслового потока мощность БИГЭС можно увеличивать, просто увеличивая радиус водяного колеса в разумных пределах.
Устройство имеет простую конструкцию и содержит минимальное количество вращающихся частей, что, несомненно, увеличивает его надежность.
Достоинством предлагаемого устройства является также простота доставки на места установки на русле реки. Каркас представляет из себя трубчатую конструкцию, не требующую фундамента, и собирается на месте. Маховик, являющийся наиболее тяжелой частью устройства, перевозится до нужного места пустым и заполняется водой из реки после установки в каркас.
Кроме того, заполнение маховика водой позволяет ему самобалансироваться, что снижает вибрацию в подшипниковых узлах и увеличивает надежность и ресурс устройства.