СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА МАЛЫХ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
CONSTRUCTION METHOD OF MIDGET HYDROELECTRIC POWER PLANTS

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к способам использования водных ресурсов малых рек и техногенных потоков для генерирования электрической энергии.
Известен способ строительства малых гидроэлектростанций, включающий гидроагрегаты в виде водоводов, в которых создают колебания давления, вызванные гидравлическими ударами, и линейные электрогенераторы, подвижные рабочие органы которых соединяют с подвижными частями стенок водоводов гидроагрегатов [Способ строительства малых гидроэлектростанций. Патент РФ №2412302, зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ 20.02.2011 г.].
Недостатком этого способа строительства малых гидроэлектростанций является невозможность получения переменного тока стандартизованного напряжения и частоты без применения дополнительных, дорогостоящих устройств, включающих аккумулирование выработанной электрической энергии. Аккумуляторы большой электрической мощности - достаточно дорогостоящие устройства, что негативно влияет на себестоимость конечного продукта - получаемой электроэнергии.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при этом результату является способ, предусматривающий преобразование кинетической энергии потока воды в потенциальную энергию гидравлического удара, аккумулирование потенциальной энергии воды в специальном гидравлическом аккумуляторе и подачу ее на гидротурбину, вращающую электрогенератор [WATER CIRCULATING POWER GENERATION SYSTEM. Патент Японии JP 2003148319 (А), дата публикации 21.05.2003 г., F03B 17/00].
Недостатком прототипа является то, что для непрерывной и устойчивой работы гидротурбины, генерирующей значительную мощность, требуется большой запас потенциальной энергии энергоносителя в гидравлическом аккумуляторе, так как рабочей жидкостью и энергоносителем, вращающим гидротурбину, в прототипе является вода. Это приводит к увеличению размеров специальных гидравлических аккумуляторов и, соответственно, их стоимости.
Технической задачей, стоящей перед изобретением, является создание несложного способа строительства малых гидроэлектростанций на низконапорных водотоках, способного генерировать значительную мощность с меньшими размерами специального аккумулятора потенциальной энергии.
Согласно изобретению техническая задача достигается тем, что в способе строительства малых гидроэлектростанций, включающем сооружение гидроагрегатов в виде преобразователей кинетической энергии потока воды в потенциальную энергию гидравлического удара и привода электрогенераторов вращательного типа, особенностью является то, что на водоводах гидроагрегатов, имеющих подвижные в радиальном направлении стенки, устанавливают нагнетатели, рабочие органы которых приводят в возвратно-поступательное движение подвижными в радиальном направлении стенками водовода, выполняют привод электрогенераторов в виде движителей, вращающихся за счет энергии, переносимой от нагнетателей к движителям промежуточным энергоносителем-рабочим телом, отличным от воды.
В качестве рабочего тела используют воздух, нагнетатели выполняют в виде воздушных компрессоров, а движители в виде пневмомоторов.
В качестве рабочего тела используют жидкость для систем гидроприводов, нагнетатели выполняют в виде насосов объемного действия, а движители в виде гидромоторов.
Гидроагрегаты устанавливают в растворе водотока параллельно друг другу в количестве, равном времени накопления кинетической энергии воды
в гидроагрегатах и преобразования ее в механическую мощность, инициируют гидравлический удар в водоводах гидроагрегатов со сдвигом во времени, обеспечивая непрерывность процесса накопления энергии и отбора полезной мощности.
Способ строительства малых гидроэлектростанций (см. чертеж), включает сооружение гидроагрегатов в виде преобразователей кинетической энергии потока воды в потенциальную энергию гидравлического удара (1), аккумуляторов энергии (4) и привода электрогенераторов вращательного типа (7). Преобразователи энергии выполняют в виде водоводов (1) с подвижными в радиальном направлении стенками (мембранами), приводящими в возвратно-поступательное движение рабочие органы нагнетателей (2), которые могут быть насосами объемного действия или воздушными компрессорами в зависимости от вида промежуточного энергоносителя. Накопители энергии выполняют в виде воздушных ресиверов или пневмогидравлических аккумуляторов в зависимости от вида промежуточного энергоносителя (4), снабженных устройствами для слива (3), предохранительными клапанами давления (5), манометрами (6). Привод электрогенераторов (9) выполняют в виде пневмомоторов или гидромоторов (7) в зависимости от вида используемого промежуточного энергоносителя.
В предложенном способе кинетическая энергия всего объема воды, движущейся в водоводе с первоначальной скоростью (до инициирования гидравлического удара в водоводе), сначала преобразуется при перекрытии сечения водовода автоматически работающими от энергии потока воды ударными клапанами (8) в потенциальную энергию упругой деформации воды и стенок водовода, под действием потенциальной энергии совершается механическая работа по радиальному перемещению подвижных частей стенок водовода (мембран), приводящих в возвратно-поступательное движение рабочие органы нагнетателей, воздушных компрессоров или насосов объемного действия (2). Промежуточный энергоноситель, жидкость для систем гидропривода или воздух из нагнетателей (2) под давлением поступает в накопитель энергии (4), далее по трубопроводу в пневмодвигатель или гидродвигатель (7), в зависимости от вида используемого промежуточного энергоносителя, который приводит в действие электрогенератор вращательного типа (9), вырабатывающий переменный электрический ток со стандартизованными параметрами напряжения и частоты.
В предложенном способе кинетическая энергия начинает накапливаться в водоводах гидроагрегатов при открытии ударных клапанов, работающих автоматически за счет энергии потока воды. Количество и время накопления кинетической энергии воды в водоводах гидроагрегатов зависит от массы воды в них, т.е. от длины и поперечных размеров водоводов. Масса является мерой инерции, чем больше длина водовода при фиксированных размерах его поперечного сечения, тем больше требуется времени для накопления энергии. Накопление кинетической энергии происходит при возрастании скорости движения воды от нуля до значения, соответствующего установившемуся движению жидкости в водоводах при известных значениях гидравлических сопротивлений и напора на входе в водоводы. Далее, кинетическая энергия всего объема воды, движущейся в водоводе со скоростью, соответствующей установившемуся движению, быстро преобразуется в потенциальную энергию гидравлического удара при перекрытии сечения водовода автоматически срабатывающими от энергии потока воды ударными клапанами. Под действием потенциальной энергии совершается механическая работа по радиальному перемещению подвижных частей стенок водовода (мембран), приводящих в возвратно-поступательное движение рабочие органы нагнетателей (воздушных компрессоров или насосов, в зависимости от рода используемой рабочей жидкости в качестве энергоносителя). Площадь и радиальный ход подвижных стенок водовода (мембран), а также их количество выбирают таким образом, чтобы отбор механической энергии (отбор мощности) с водовода гидроагрегата происходил за одну секунду, т.е., чтобы волна ударного давления проходила всю длину водовода за одну секунду. Для водоводов больших размеров время накопления кинетической энергии может во много раз превышать время ее преобразования в потенциальную энергию и, соответственно, превышать время отбора мощности. Размеры водоводов выбирают согласно гидрологическим параметрам природного или техногенного водотока. Водоводы устанавливают в створе водотока параллельно друг другу. Количество параллельно установленных водоводов гидроагрегатов выбирают равным времени накопления кинетической энергии и времени ее отбора в секундах и округляют до целого числа. Срабатывание автоматических ударных клапанов всех параллельно установленных водоводов происходит не одновременно, а со сдвигом во времени, обеспечивая непрерывность накопления и отбора энергии во времени. Таким образом отпадает необходимость в специальных аккумуляторах потенциальной энергии большой емкости, роль аккумуляторов и преобразователей энергии выполняют сами водоводы, что существенно снижает затраты на сооружение гидроэлектростанций. Кроме того, установленные параллельно друг другу водоводы в створе водотока являются для последнего гидравлическими сопротивлениями, поэтому создают перед собой подпор, необходимый для накопления энергии и срабатывания автоматических ударных клапанов. Для сглаживания незначительных пульсаций потребления энергии возможна дополнительная установка недорогих стандартных гидро- или пневмоаккумуляторов малой емкости в зависимости от выбора рабочей жидкости-энергоносителя.
В случае использования пневмопривода электрогенераторов вращательного типа сжатый атмосферный воздух из компрессоров под давлением поступает в небольшой стандартный пневматический аккумулятор (ресивер) для сглаживания пульсаций давления, далее по пневмопроводу в пневмодвигатель (пневмомотор), который приводит в действие электрогенератор вращательного типа, вырабатывающий переменный электрический ток со стандартизованными параметрами напряжения и частоты. Отработанный воздух из пневмомотора выбрасывается в атмосферу через специальный глушитель звука.
В случае использования в качестве рабочего тела-энергоносителя жидкости для систем гидроприводов, капельная жидкость поступает под давлением из насосов в небольшие стандартные пневмогидравлические аккумуляторы для сглаживания пульсаций. Далее жидкость поступает в гидродвигатели (гидромоторы), вращающие электрогенераторы, и возвращается назад во всасывающие линии насосов, приводимых в действие подвижными мембранами водоводов гидроагрегатов при замкнутой системе гидропривода, или в специальную емкость для сбора и охлаждения рабочей жидкости при открытой системе гидропривода.
Использование заявленного технического решения обеспечивает выработку электроэнергии с низконапорных природных и техногенных водотоков без применения специальных, массивных аккумуляторов большой емкости. Функцию аккумуляторов и преобразователей энергии выполняют водоводы гидроагрегатов, сначала аккумулируют кинетическую энергию водного потока, затем преобразовывают ее в полезную мощность. Специальные стандартные аккумуляторы небольшой емкости могут применяться только для сглаживания незначительных пульсаций давления.