УСТАНОВКА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В ЭНЕРГИЮ
PLANT FOR CONVERSION OF FLUID FLOW INTO ENERGY

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Данное изобретение относится к системам и установкам для вырабатывания энергии из потока воды.
Уровень техники
[0002] Было предложено много систем для преобразования волновых, приливных, неприливных или речных потоков в электричество. Один тип устройства, применяемого для вырабатывания энергии, представляет собой подводную свободнопоточную турбину, обычно приводимую в движение приливным потоком. Размещаемые под водой, свободнопоточные турбины могут быть расположены в группе, но они требуют значительного зазора между отдельными турбинами во избежание взаимного ухудшения производительности.
[0003] На практике эти устройства также требуют высокой скорости потока для возможности применения устройств для промышленного производства энергии. Подводные свободнопоточные турбины используют кинетическую энергию, присутствующую в потоке воды, для вырабатывания энергии и должны быть размещены на пути быстрых потоков для того, чтобы быть экономически эффективными без неосуществимо большого диаметра. Это происходит потому, что кинетическая энергия потока, падающего на диск турбины, пропорциональна квадрату скорости свободного потока.
[0004] Теоретически наибольшая часть кинетической энергии падающего потока, которую можно преобразовать в механическую энергию любой свободнопоточной турбиной, называется пределом Беца. Вне данного предела вода просто течет вокруг наружной части диска турбины, как если бы турбина была твердым препятствием, и не способствует получению дополнительной энергии.
[0005] Устройства, генерирующие энергию из водного потока, описаны в FR 2497877, GB 2478743 и DE 102010018892. Еще одним типом устройства для вырабатывания энергии является плотина гидроэлектростанции, в которой источник воды направляет всю воду по каналам через турбины, расположенные внутри плотины. Тем не менее, эти типы систем требуют высоты напора, равной 5 метров или более, для обеспечения эффективной работы генератора. Таким образом, это ограничивает места возможного применения подобной системы.
[0006] Настоящее изобретение предоставляет альтернативную установку для вырабатывания энергии из текущей водной массы, особенно в ситуациях, в которых присутствует высокий объемный расход воды при сравнительно низкой скорости, ниже скоростей, желательных для эффективного вырабатывания энергии с помощью свободнопоточной турбины. Кроме этого настоящее изобретение не попадает под действие предела Беца и, таким образом, подходит для вырабатывания очень большого количества энергии.
Описание изобретения
[0007] Изобретение, в общем, относится к установке для вырабатывания электричества из потока воды, содержащей:
трубу Вентури, содержащую сужающуюся впускную область, расширяющуюся выпускную область, выполненную в виде диффузора, и суженную область горловины между узким концом впускной области и узким концом выпускной области, предоставляющую канал для прохождения потока между впускной и выпускной областями;
трубу, содержащую турбину, выполненную в трубе Вентури, и при этом конец трубы расположен таким образом, чтобы пространство между трубой Вентури и трубой образовывало первый канал для прохождения потока, для главного потока, и труба образовывала второй канал для прохождения потока, для вторичного потока, так что при эксплуатации поток воды по первому каналу для прохождения потока вызывает поток воды по второму каналу для прохождения потока.
Труба, содержащая турбину, может быть выполнена в сужающейся впускной области, при этом конец трубы расположен таким образом, чтобы пространство между сужающейся впускной областью и трубой образовывало первый канал для прохождения потока.
[0008] Один аспект изобретения предоставляет установку для вырабатывания электричества из потока воды, содержащую: сужающуюся секцию, присоединенную к первому концу смесительной камеры, так что устройство Вентури ограничено между концом сужающейся секции и смесительной камерой; диффузорную секцию, присоединенную ко второму концу смесительной камеры, при этом диффузорная секция выполнена таким образом, что при эксплуатации давление на выходе из диффузорной секции больше давления в устройстве Вентури; по меньшей мере часть трубы, расположенную в сужающейся секции, так что кольцевое пространство ограничено между трубой и сужающейся секцией, для формирования первого канала для прохождения потока, и трубу, ограничивающую второй канал для прохождения потока внутри трубы; и турбину, обладающую возможностью присоединения к генератору; при этом турбина расположена внутри трубы.
[0009] Труба может дополнительно содержать защитный экран, содержащий отверстия, на своем конце, расположенном выше по потоку. В одном варианте осуществления труба содержит защитный экран, содержащий отверстия, расположенные по всему просвету трубы.
[0010] Размер отверстий в защитном экране выбран таким образом, чтобы позволить воде течь по трубе и одновременно препятствовать попаданию рыб в трубу. Защитный экран может быть изготовлен из любого подходящего материала, например, он может представлять собой защитный экран из перфорированного металла или сеть. Размер отверстий выбирают таким образом, чтобы препятствовать попаданию в трубу рыб и других морских животных (выдр и др.) и одновременно позволить воде течь по трубе. Может быть использована любая подходящая система защитного экрана. Предпочтительно используется экран для защиты от рыб.
[0011] Поскольку турбина не расположена во внешней трубе, образованной сужающейся секцией, смесительной камерой и расширяющейся камерой, прохождение рыб и других морских животных вниз по потоку не затруднено. Рыбы и другие морские животные могут безопасно проплывать от одной стороны плотины, в которой расположена установка, к другой стороне. Установка по-прежнему способна вырабатывать большое количество энергии из потока воды и одновременно не наносить повреждений рыбам и другим животным. Защитный экран предотвращает попадание рыб во внутреннюю трубу.
[0012] Труба содержит выпускное отверстие и впускное отверстие, и по меньшей мере часть трубы, содержащая выпускное отверстие, расположена в сужающейся секции. Труба расположена на одной оси с сужающейся секцией, и между трубой и сужающейся секцией находится зазор для ограничения первого канала для прохождения потока.
[0013] Труба может быть подвижной относительно сужающейся секции и смесительной камеры. Труба может быть подвижной в осевом направлении относительно сужающейся секции и смесительной камеры.
[0014] Конец трубы, расположенный ниже по потоку, может быть расположен на одном уровне с секцией Вентури, выше по потоку относительно секции Вентури или ниже по потоку относительно секции Вентури. Конец трубы может быть подвижным между этими положениями.
[0015] Труба может быть присоединена к внутренней поверхности сужающейся секции с помощью опорных рычагов. Опорные рычаги могут обладать соответствующим профилем для минимизации потери энергии в главном потоке.
[0016] Труба может опираться внутри втулки. Втулка может обладать гладким профилем для минимизации помех для потока. Втулка может содержать перемещающий механизм для перемещения трубы в осевом направлении. Втулка и труба могут содержать винтовой механизм для обеспечения перемещения трубы относительно сужающейся секции. Втулка и труба могут содержать другие механизмы пошагового перемещения для обеспечения перемещения трубы относительно втулки и сужающейся секции.
[0017] Конец трубы, расположенный выше по потоку, может находиться внутри сужающейся секции или конец трубы, расположенный выше по потоку, может находиться выше по потоку от входа сужающейся секции. Конец трубы может быть подвижным между этими положениями. Положение конца трубы, расположенного выше по потоку, выбрано таким образом, чтобы оптимизировать интенсивность вторичного потока, проходящего по трубе, и разницу давлений между концами трубы, расположенными выше и ниже по потоку.
[0018] Труба может содержать группу радиальных опорных лопаток, расположенных внутри трубы. Группа радиальных опорных лопаток находится с противоположной стороны от лопаток турбины. Неподвижная группа радиальных опорных лопаток расположена в трубе, выше или ниже по потоку относительно турбины.
[0019] Труба может содержать сужающуюся область на своем конце, расположенном выше по потоку. Сужающаяся область может способствовать установлению желаемой скорости потока, проходящего через турбину. Труба может содержать расширяющуюся область в своей области, расположенной ниже по потоку.
[0020] В одном варианте осуществления труба может обладать по существу одинаковым диаметром вдоль своей длины. При этом просвет трубы и выход трубы обладают по существу одинаковым диаметром.
[0021] Соотношение площади поперечного сечения входа сужающейся секции и площади поперечного сечения входа смесительной камеры выбрано таким образом, чтобы оптимизировать интенсивность вторичного потока, проходящего по трубе, и разницу давлений между концами трубы, расположенными выше и ниже по потоку.
[0022] Соотношение площади поперечного сечения входа смесительной камеры и площади поперечного сечения трубы выбрано таким образом, чтобы оптимизировать интенсивность вторичного потока, проходящего по трубе, и разницу давлений между концом трубы, расположенным выше по потоку, и концом трубы, расположенным ниже по потоку.
[0023] Соотношение площади поперечного сечения входа сужающейся секции и площади поперечного сечения выхода диффузорной секции выбирают таким образом, чтобы оптимизировать производительность устройства. Соотношение площади поперечного сечения входа сужающейся секции и площади поперечного сечения выхода диффузорной секции может составлять 1:1.
[0024] Турбина может быть присоединена к генератору, расположенному на одной оси с ней, с помощью приводного вала. В качестве альтернативы, турбина присоединена к удаленному генератору с помощью шкива и приводных ремней, шестерней и приводных валов, гидравлического насоса, или трубопровода и гидравлического двигателя, или комбинации вышеперечисленного.
[0025] Выход диффузорной секции может иметь по существу прямоугольное, круглое или овальное поперечное сечение.
[0026] Вход сужающейся секции может иметь по существу прямоугольное, круглое или овальное поперечное сечение.
[0027] Выход диффузорной секции и вход сужающейся секции могут иметь по существу круглое поперечное сечение.
[0028] Смесительная камера может иметь по существу круглое поперечное сечение вдоль своей длины. Смесительная камера может сужаться на конус или расширяться на конус в направлении вниз по потоку для оптимизации интенсивности вторичного потока, проходящего по трубе, и разницы давлений между концами трубы, расположенными выше и ниже по потоку.
[0029] Под термином "сужаться на конус" подразумевается, что смесительная камера сужается в направлении вниз по потоку, так что просвет смесительной камеры имеет больший диаметр, чем выход смесительной камеры. Под термином "расширяться на конус" подразумевается, что смесительная камера расширятся в направлении вниз по потоку, так что просвет смесительной камеры имеет меньший диаметр, чем выход смесительной камеры.
[0030] Внешняя трубка Вентури и области смешивания не содержат турбину. Благодаря тому, что турбина не предоставлена непосредственно в смесительной камере или непосредственно в устройстве Вентури, можно поддерживать соответствующие условия потока, проходящего через данную область, перед поступлением потока в диффузорную секцию. Расширяющаяся секция также не содержит турбину. Турбина предоставлена лишь во внутренней трубе, так что лишь вторичный поток проходит мимо турбины.
[0031] Настоящее изобретение также относится к системе, содержащей множество труб Вентури, при этом каждая труба Вентури содержит сужающуюся впускную область, расширяющуюся выпускную область, выполненную в виде диффузора, и суженную область горловины между узким концом впускной области и узким концом выпускной области, предоставляющую канал для прохождения потока между впускной и выпускной областями;
трубу, содержащую турбину, впускную область и несколько выпускных областей, при этом труба выполнена в трубах Вентури, так что каждое выпускное отверстие трубы расположено в сужающейся впускной области трубы Вентури, так что пространство между сужающейся впускной областью и частью трубы во впускной области образует первый канал для прохождения потока, для главного потока, и труба образует второй канал для прохождения потока, для вторичного потока, так что при эксплуатации поток воды по первым каналам для прохождения потока вызывает поток воды по второму каналу для прохождения потока. Турбина может быть расположена во впускной области трубы.
[0032] Дальнейший аспект изобретения предоставляет установку для вырабатывания электричества из потока воды, содержащую
- множество сужающихся секций, при этом каждая сужающаяся секция присоединена к первому концу смесительной камеры, так что устройство Вентури ограничено между концом сужающейся секции и смесительной камерой;
- множество диффузорных секций, при этом каждая диффузорная секция присоединена ко второму концу одной из смесительных камер, диффузор выполнен таким образом, что при эксплуатации давление на выходе диффузора больше давления в устройстве Вентури;
- трубу, содержащую впускную трубу, магистраль и множество выпускных труб, проходящих от магистрали, при этом по меньшей мере часть одной из выпускных труб расположена в одной из сужающихся секций, так что кольцевое пространство ограничено между выпускной трубой и сужающейся секцией, для формирования первого канала для прохождения потока, и труба образует второй канал для прохождения потока внутри трубы; и
- турбину, присоединяемую к генератору; при этом турбина расположена внутри трубы.
[0033] Защитный экран, содержащий отверстия, может быть расположен поперек просвета впускной трубы.
[0034] Турбина расположена во впускной трубе. Труба может дополнительно содержать диффузорную область, расположенную между магистралью и впускной трубой.
[0035] Площадь поперечного сечения магистральной области трубы может быть больше площади поперечного сечения трубы, в которой расположена турбина.
[0036] Установка, как описано выше, может быть прикреплена к плотине для предоставления канала для прохождения потока сквозь плотину.
[0037] Дальнейший аспект изобретения содержит систему для вырабатывания электричества из потока воды, содержащую заграждение для размещения в поперечном сечении текущей водной массы и оснащенную по меньшей мере одной установкой, как описано выше, при этом установка расположена таким образом, чтобы при эксплуатации предоставлять путь движения потока от стороны заграждения, расположенной выше по потоку, к стороне заграждения, расположенной ниже по потоку.
[0038] Заграждение может содержать по меньшей мере две установки, как описано выше. Предпочтительно, заграждение содержит группу установок, как описано выше. Установки встроены в заграждение для предоставления пути движения потока от одной стороны заграждения к другой стороне.
[0039] Впускную область и выпускную область можно поменять местами для двунаправленного использования, такого как использование для приливного течения. В качестве примера, признаки во впускной области, такие как труба с турбиной, также могут быть предоставлены в выпускной области.
[0040] Установка может быть использована для предоставления канала для прохождения потока через заграждение. Заграждение может представлять собой плотину или другую подобную конструкцию в водной массе, образующую запас или локализованный объем воды, находящийся под высоким давлением, с одной стороны.
[0041] Дальнейший аспект изобретения содержит способ предоставления канала для прохождения потока сквозь заграждение, расположенное поперек водной массы, содержащий этап, на котором монтируют установку, как описано выше, в заграждение.
[0042] Дальнейший аспект изобретения содержит способ вырабатывания электричества из потока воды, содержащий этапы, на которых:
- устанавливают систему или установку, как описано выше, поперек водной массы для образования резервуара воды таким образом, чтобы образовать высоту напора между сторонами заграждения, расположенными выше по потоку и ниже по потоку; и
- используют поток воды, проходящий сквозь установку, для вращения турбины.
[0043] В следующем описании термины "выше по потоку" и "ниже по потоку" используются для определения относительного местоположения признаков установки. Направления вверх по потоку и вниз по потоку определены относительно направления воды, текущей сквозь установку при эксплуатации. Конец, расположенный выше по потоку, может рассматриваться в качестве впускной области и конец, расположенный ниже по потоку, может рассматриваться в качестве выпускной области.
Краткое описание графических материалов
[0044] Далее изобретение будет описано с помощью примеров со ссылками на сопроводительные графические материалы:
На фиг. 1 показан вид сбоку в поперечном сечении варианта осуществления изобретения;
На фиг. 2 показан вид сбоку в поперечном сечении варианта осуществления изобретения;
На фиг. 3 показан пример смесительной камеры для применения в установке согласно изобретению;
На фиг. 4 показан вид в частичном разрезе трубы и турбины для применения с изобретением;
На фиг. 5 показан вид в частичном разрезе варианта осуществления сужающейся секции для применения в установке согласно изобретению;
На фиг. 6 показан вид сбоку в поперечном сечении варианта осуществления изобретения;
На фиг. 7 и фиг. 8 показан вид в частичном разрезе сужающейся секции для применения в установке согласно изобретению;
На фиг. 9 и фиг. 10 показаны примеры других вариантов осуществления изобретения; и
На фиг. 11 и 12 показаны схематические виды сверху вариантов осуществления изобретения.
Вариант(ы) осуществления изобретения
[0045] На фиг. 1 показана система согласно изобретению для преобразования потока воды в электричество. Система содержит заграждение 10, расположенное поперек ширины водной массы, и установку 12, предоставляющую канал для прохождения потока воды сквозь заграждение 10 от стороны заграждения, расположенной выше по потоку, к стороне заграждения, расположенной ниже по потоку. Система преобразует энергию гидравлического потока в энергию гидравлического потенциала и затем преобразует энергию гидравлического потенциала в электрическую энергию. Сопротивление заграждения потоку вызывает повышение открытой поверхности воды выше по потоку, образуя запас потенциальной гидравлической энергии, приводящий поток сквозь установку, и из которого турбина извлекает механическую энергию для преобразования в электричество. Запас потенциальной гидравлической энергии в приподнятой открытой поверхности, расположенной выше по потоку, постоянно пополняется кинетической энергией из вышерасположенной части потока.
[0046] Как показано на фиг. 1 и фиг. 2, установка 12 предоставляет канал для прохождения потока из местонахождения выше по потоку в местоположение ниже по потоку относительно заграждения 10. Установка 12 содержит сужающуюся секцию 14, сужающуюся по направлению к смесительной камере 16, так что устройство 18 Вентури ограничено на границе сужающейся секции и смесительной камеры 16. Расширяющаяся диффузорная секция 20 проходит от выхода смесительной камеры 16.
[0047] Труба 22 расположена вдоль по меньшей мере части длины сужающейся секции 14, так что кольцевое пространство 24 образовано между внешней поверхностью трубы 22 и внутренней поверхностью стенок, ограничивающих сужающуюся секцию 14. Продольная ось трубы 22 по существу находится на одной линии с продольной осью сужающейся секции 14. Турбина 26 расположена внутри трубы 22 и присоединена к генератору 28 с помощью приводного вала 30.
[0048] Первый путь движения потока для главного потока 32 ограничен внутри кольцевого пространства 24 между трубой 22 и стенками сужающейся секции 14. Второй путь движения потока для вторичного потока 34 ограничен внутри трубы 22. Кольцевое пространство не ограничено круглым кольцевидным пространством между трубой и внутренними стенками сужающейся секции. Форма кольцевого пространства будет зависеть от формы поперечного сечения сужающейся секции и трубы.
[0049] Заграждение 10, проходящее поперек водной массы, предоставляет высоту гидростатического напора вверх по потоку относительно установки. Это преобразует часть кинетической энергии из скорости потока, расположенного выше по потоку, в потенциальную энергию от повышенного уровня воды по мере замедления потока при увеличении глубины воды за заграждением. Полученная в результате высота напора (Н) обеспечивает преобразование потенциальной энергии в полезную энергию, превышающее верхний предел производимой энергии, известный как предел Беца, выполняемое свободнопоточным устройством, извлекающим кинетическую энергию непосредственно из эквивалентного потока. Вода из стороны заграждения 10, расположенной выше по потоку, течет через сужающуюся секцию 14 в смесительную камеру и затем из установки через диффузорную секцию 20. Индуцированный вторичный поток 34, проходящий по трубе 22, приводит в действие турбину 26 и, следовательно, обеспечивает энергией модуль генератора.
[0050] Сужающаяся секция 14 ускоряет поток воды в зону низкого давления в устройстве Вентури, образованную согласно теореме Бернулли. Зона низкого давления вызывает движение вторичного потока по трубе. Как основной, так и вторичный поток поступают в смесительную камеру, где два потока смешиваются. Смешанный поток поступает в диффузорную секцию, и скорость потока воды уменьшается по мере его движения по диффузорной секции. По мере течения воды по диффузорной секции 20 поток восстанавливает свой гидростатический набор и теряет свой скоростной напор перед своим выходом из диффузорной секции 20 ниже по потоку. Это сохраняет малый гидростатический напор в устройстве Вентури.
[0051] Таким образом, установка способна преобразовывать поток с большим объемом и малым напором в поток с малым объемом и большим напором, из которого можно вырабатывать электроэнергию с помощью обычной напорноструйной гидротурбины.
[0052] Основная часть, главный поток 32, потока воды будет проходить по кольцевому пространству 24, образованному между стенками сужающейся секции 14 и трубы 22. Меньший объем воды, вторичный поток 34, будет течь по трубе 22, приводя в действие турбину 26. По мере сужения главного потока 32 по направлению к устройству Вентури в сужающейся секции, главный поток 32 ускоряется и теряет гидростатический напор в соответствии с теоремой Бернулли. Быстрый главный поток 32 снаружи трубы 22 на выходе из трубы помогает выводить более медленный вторичный поток 34 из конца трубы 22 в главный поток 32.
[0053] В одном варианте осуществления устройство выполнено таким образом, что приблизительно 80% потока воды проходит по кольцевому пространству 24 и остальные приблизительно 20% потока воды выводится по трубе 22.
[0054] Сужающаяся секция имеет форму воронки, содержащий первый просвет, выполняющий функцию входа для приема воды из-за заграждения, на одном конце и более узкий просвет, выполняющий функцию выхода на противоположном конце для выпуска воды в смесительную камеру 16. Сужающаяся секция 14 сужается на конус от конца, расположенного выше по потоку, ко входу смесительной камеры 16. Устройство Вентури расположено на границе сужающейся секции и смесительной камеры. Параметры сужающейся секции, такие как угол сужения, α (альфа), длина, сечение и размер, например диаметры, входа и выхода сужающейся секции могут быть выбраны таким образом, чтобы оптимизировать производительность установки.
[0055] Смесительная камера 16 предоставляет область, в которой вторичный и главный поток могут объединяться и образовывать по существу равномерный поток, являющийся по существу однородным перед выходом из смесительной камеры в диффузорную секцию 20 с профилем скоростей, позволяющим получить достаточное восстановление давления в потоке, проходящем сквозь диффузорную секцию, для поддержания разницы давлений между низким давлением у устройства Вентури и более высоким давлением у выхода из диффузорной секции. Таким образом, низкое давление поддерживается у устройства Вентури рядом с концом трубы, расположенным ниже по потоку, и сообщается с задней поверхностью турбины, установленной внутри трубы, предоставляя увеличенное падение напора по всей турбине.
[0056] Смесительная камера выполнена таким образом, чтобы максимизировать выходную мощность турбины, расположенной во вторичном потоке. Это достигается, по меньшей мере частично, с помощью смесительной камеры, выполненной таким образом, чтобы оптимизировать режимы потока в области, расположенной непосредственно ниже по потоку относительно точки, в которой вторичный поток, проходящий сквозь турбину и индуцированный низким давлением в устройстве Вентури, начинает смешиваться с главным потоком. Смесительная камера выполнена таким образом, чтобы оптимизировать передачу энергии от главного потока во вторичный поток в данной смесительной камере.
[0057] Смесительная камера содержит просвет, выход и ненулевую длину для предоставления пространства между просветом и выходом, в котором может смешиваться поток. Длина (L) трубопровода, ограничивающего смесительную камеру 16, выбрана таким образом, чтобы получать поток, обладающий подходящими свойствами, перед поступлением потока в диффузорную секцию. Выбор подходящей длины для условий потока и давления обеспечивает оптимальную передачу энергии между быстрым главным потоком и более медленным вторичным потоком, так что два потока обладают допустимым профилем скоростей перед поступлением объединенных потоков в диффузорную секцию.
[0058] В качестве примера, сужающаяся секция, труба, проходящая сквозь нее, и конфигурация смесительной камеры вместе с диффузорной секцией и конструкцией турбины в трубе, выполнены в виде системы для оптимизации падения давления в трубе, внутри турбины, в сочетании с объемной скоростью потока, индуцированного в трубе и проходящего сквозь турбину, расположенную в ней, для максимизации выходной мощности турбины.
[0059] В отличие от устройств, использующих кинетическую энергию в свободном потоке текучей среды, в которых максимальная мощность любого из подобных устройств попадает под действие предела Беца и группа подобных устройств требует их размещения с существенным интервалом между каждым устройством, данное изобретение вначале создает запас потенциальной гидравлической энергии из кинетической энергии всего потока путем повышения уровня воды, находящейся выше по потоку, благодаря наличию заграждения, проходящего по всей ширине водной массы, затем концентрирует большую часть этого запаса потенциальной энергии в меньшую часть потока, проходящего по трубе, в которой установлена подходящая турбина и в которой создано соответственно увеличенное падение давления, позволяя вырабатывать электроэнергию с высокой эффективностью преобразования "воды в электричество".
[0060] Настоящее изобретение направлено на решение проблем, обычно встречающихся при эксплуатации группы свободнопоточных турбин, расположенных поочередно поперек водной массы. Если бы подобная группа свободнопоточных турбин была размещена поперек массы текущей воды, подобно настоящему изобретению, для достижения приемлемой эффективности диаметр диска свободнопоточной турбины был бы значительно больше, чем в настоящем изобретении. Скорость вращения свободнопоточной турбины была бы значительно меньше и, следовательно, она бы требовала крупногабаритной дорогостоящей высокопроизводительной повышающей коробки передач для приведения своего генератора, по сравнению с установкой согласно настоящему изобретению. Во многих местах, включая большинство рек и многие приливные устья, желательный диаметр свободнопоточной турбины может существенно превышать доступную глубину воды. Поскольку меньшая турбина может быть использована с системой согласно изобретению для достижения эквивалентной и/или большей эффективности, система подходит для применения в более широком диапазоне мест.
[0061] Уровень открытой поверхности воды, расположенной выше по потоку за системой согласно изобретению, повыше по всей ширине потока, обычно на 1,5 м - 3,5 м. Для свободнопоточных турбин на поверхности воды над турбиной будет небольшая "выпуклость", образованная сопротивлением турбины потоку воды и являющаяся мерой способности вырабатывания энергии этой свободнопоточной турбины. Данная выпуклость обычно невидима невооруженным взглядом. Повышение уровня выше по потоку от свободнопоточной турбины является почти незаметным из-за ограничения предела Беца. Кроме этого, этот небольшой объем с повышенным уровнем встречается лишь возле каждой свободнопоточной турбины в плане и предел Беца также требует наличия значительного открытого водного пространства между каждой свободнопоточной турбиной в группе, так что объем воды с повышенным уровнем, находящийся сверху и вверх по потоку относительно свободнопоточной турбины или группы турбин, принципиально меньше повышенного уровня воды вверх по потоку согласно данному изобретению, находящегося поперек такой же текущей водной массы, обычно на порядок величины или более. Данное сравнение объемов воды с повышенным уровнем является непосредственной мерой сравнения энергии, доступной для преобразования в электричество каждым типом устройства. Следовательно, система согласно изобретению обычно имеет по меньшей мере на порядок больше энергии, доступной ей, чем имеет свободнопоточная турбина или группа свободнопоточных турбин из такой же водной массы.
[0062] Кроме этого, изобретение создает значительно больший напор воды с повышенным уровнем вверх по потоку, чем сооружение свободнопоточной турбины, и затем, как правило, дополнительно усиливает эту высоту напора в 3-5 раз в индуцированном вторичном потоке, обычно составляющем 20% от потока, расположенного вверх по потоку. Таким образом, рабочий напор (давление) турбины в настоящем изобретении больше, чем в свободнопоточной турбине, обычно по меньшей мере на порядок больше. Следовательно, данная установка согласно изобретению может использовать турбину, диаметр которой по меньшей мере на порядок меньше и скорость вращения которой по меньшей мере на порядок больше, чем в обычной свободнопоточной турбине.
[0063] Обычная плотина гидроэлектростанции, в которой заграждение, расположенное поперек источника воды, пропускает по каналам весь поток воды через турбину, для эффективной работы генератора требует высоты напора, обычно равной 5 м или больше. Тем не менее, благодаря усилению давления в индуцированном вторичном потоке настоящее изобретение может экономичным образом использовать подобную турбину при высоте напоров, приблизительно равной 1,5 м.
[0064] Как показано на фиг. 3, в одном варианте осуществления изобретения смесительная камера 16 может сужаться на конус в направлении вниз по потоку на половину угла раствора конуса B, бета, так что выход смесительной камеры уже ее входа. Половина угла раствора конуса смесительной камеры может быть положительной или отрицательной. В альтернативном варианте осуществления смесительная камера может сужаться на конус в направлении вверх по потоку, так что выход смесительной камеры шире входа смесительной камеры, т.е. смесительная камера расширяется вдоль своей длины к диффузорной секции. Наличие конической смесительной камеры может облегчать передачу энергии между быстрым главным потоком, проходящим по кольцевому пространству, и более медленным вторичным потоком, выходящим из трубы 22.
[0065] Конец смесительной камеры 16, расположенный ниже по потоку, присоединен к диффузорной секции 20. Диффузорная секция имеет форму воронки, содержащий первый просвет, выполняющий функцию входа для приема воды из смесительной камеры 16, и более широкий просвет, выполняющий функцию выхода, на противоположном конце для выпуска воды обратно в свободный поток на стороне заграждения, расположенной ниже по потоку. Диффузорная секция 20 отклоняется наружу от выхода смесительной камеры 16 для замедления потока и восстановления статического давления перед его выходом из диффузорной секции 20 и для минимизации потери энергии из-за турбулентности. Угол отклонения может быть выбран таким образом, чтобы оптимизировать производительность диффузора.
[0066] Параметры диффузорной секции, такие как длина секции, угол отклонения, θ, и соотношение площади поперечного сечения первого и второго просветов выбраны таким образом, чтобы подавлять турбулентность и снижать потери энергии, вызванные срывом потока, по мере замедления потока до скорости свободного потока. Нежелательная турбулентность, завихрения и срыв потока могут ухудшить восстановление давления по мере приближения потока к выходу диффузорной секции. Параметры выбраны таким образом, чтобы максимизировать восстановление давления, так что давление на выходе диффузора, заданное глубиной воды ниже по потоку, как можно больше превышает давление у устройства Вентури.
[0067] Труба 22 проходит вдоль по меньшей мере части длины сужающейся секции 14 и расположена по центру внутри сужающейся секции 14. Труба может обладать по существу одинаковым диаметром вдоль своей длины. При этом вход трубы обладает по существу таким же диаметром, что и выход трубы. Как показано на фиг. 2 и фиг. 7, труба 22 опирается внутри сужающейся секции 14 на радиальные опорные рычаги 36, проходящие от внешней поверхности трубы 22 ко внутренней поверхности сужающейся секции 14. Количество опорных рычагов может варьироваться. Предпочтительно используются три или четыре опорных рычага, тем не менее, при необходимости может применяться больше или меньше опорных рычагов. Опорные рычаги обладают соответствующим профилем для минимизации потери энергии в главном потоке.
[0068] В дальнейшем варианте осуществления труба может содержать сужающуюся область на своем конце, расположенном выше по потоку. Сужающаяся область трубы способствует высокой скорости потока, проходящего сквозь турбину. Труба может содержать расширяющуюся область в нижнем по потоку конце трубы, расположенной ниже по потоку относительно турбины. Расширяющаяся область трубы выполняет функцию диффузора для помощи в обеспечении предпочтительного сравнения между скоростью вторичного потока, выходящего из трубы, и кольцевого главного потока в расширяющейся секции.
[0069] Вход трубы подвержен воздействию гидростатического напора, находящегося вверху по потоку, и конец трубы, расположенный ниже по потоку, подвержен воздействию пониженного гидростатического напора в области устройства Вентури. Труба предоставляет путь движения потока между большим гидростатическим напором, находящимся вверху по потоку, и малым гидростатическим напором в устройстве Вентури. Вторичный поток 34 проходит по трубе 22, индуцированный увеличенным падением напора между концом трубы, расположенным выше по потоку, и устройством Вентури. Турбина 26 расположена внутри трубы 22 и присоединена посредством приводного вала 30 к генератору 28 и извлекает энергию из вторичного потока. Благодаря низкому давлению в устройстве Вентури улучшается падение давления между выходом трубы 22 и входом трубы для более точного соответствия расчетному давлению, при котором обеспечивается наилучшая работа скоростных осевых турбин.
[0070] Как показано на фиг. 2 и фиг. 6, конец трубы 22, расположенный ниже по потоку, находится внутри сужающейся секции 14, так что конец трубы, расположенный ниже по потоку, подвержен воздействию уменьшенного гидростатического напора в области устройства Вентури. Конец трубы, расположенный ниже по потоку, оканчивается на расстоянии Х1 от смесительной камеры 16. Конец трубы 22, расположенный выше по потоку, проходит от входа сужающейся секции 14 на расстояние Х2. Расстояния Х1 и Х2 выбраны таким образом, чтобы оптимизировать производительность устройства и максимизировать вторичный поток, проходящий по трубе.
[0071] Х1 и Х2 могут быть положительными или отрицательными, так что в одной конфигурации установки конец трубы, расположенный выше по потоку, может быть расположен внутри сужающейся секции и в другой конфигурации установки конец трубы, расположенный ниже по потоку, может быть расположен внутри смесительной камеры.
[0072] Способность изменять расстояние Х2 обеспечивает прохождения конца трубы 22, расположенного выше по потоку, за пределы входа сужающейся секции 14 на оптимальное расстояние, предоставляющее доступ к концу трубы 22, расположенному выше по потоку, максимальной высоте гидростатического напора вверх по потоку без нежелательных потерь энергии вследствие трения вторичного потока внутри трубы, вызванных ее чрезмерной длиной.
[0073] Быстрый главный поток 32 снаружи трубы на выходе из трубы помогает выводить более медленный вторичный поток 34 по трубу и из конца трубы в главный поток. Вторичный поток 34 ускоряется по мере смешивания с главным потоком 32. Изменение Х1, положения выхода трубы, от размещения вверх по потоку относительно устройства Вентури до размещения внутри смесительной камеры, вызывает различные характеристики смешивания в очень турбулентном и сложном режиме потока. Способность осуществления подобных детальных изменений позволяет выбирать оптимальный режим смешивания, подходящий для любой конструкции и любых условий потока.
[0074] В одном варианте осуществления труба 22 может перемещаться вперед или назад (вниз или вверх по потоку) относительно смесительной камеры в осевом направлении. Как показано на фиг. 5 и фиг. 6, труба 22 опирается в сужающейся секции 14 на полую опорную втулку 42. Опорные рычаги 36 проходят в радиальном направлении от втулки к внутренней поверхности сужающейся секции 14. Количество опорных рычагов может варьироваться, и они обладают соответствующим профилем для минимизации потерь энергии в главном потоке.
[0075] Втулка 42 и труба 22 содержат вспомогательный винтовой механизм для обеспечения перемещения трубы относительно сужающейся секции. Винтовая резьба внутри втулки входит в сцепление с зацепляющей резьбой, расположенной вокруг локальной части внешней поверхности трубы рядом с опорной втулкой. Поворотный механизм поворачивает трубу 22 и позволяет изменять расстояния Х1 и Х2 при эксплуатации для лучшего соответствия изменяющимся условиям эксплуатации. Могут применяться другие механизмы пошагового перемещения, способные изменять положение трубы относительно сужающейся секции и смесительной секции. Края втулки могут обладать гладким профилем для минимизации помех для главного потока.
[0076] Размещение турбины перед устройством Вентури в трубе позволяет подвергать поверхность турбины, расположенную вверх по потоку, воздействию окружающего напора, находящегося вверх по потоку, в то время как поверхность турбины, расположенная ниже по потоку, подвержена воздействию зоны низкого давления, так что по всей длине трубы существует разница давления, создающая вторичный поток. Турбина способна получать энергию от вторичного потока, принудительно движущегося по трубе в присутствии области низкого давления на выходе трубы.
[0077] Труба может содержать фиксированную группу радиальных опорных лопаток, противоположных лопаткам турбины. Например, опорные лопатки могут быть вращающимися вправо и лопатки турбины могут быть вращающимися влево или наоборот. Фиксированная группа радиальных опорных лопаток выполняют функцию выпрямления потока и вращаются в противоположную сторону относительно вращения лопаток турбины. Группа радиальных опорных лопаток может быть расположена внутри трубы вверх по потоку или вниз по потоку относительно турбины и выполнена таким образом, чтобы обеспечивать противодействие любой энергии вращения, индуцированной в поток турбиной, так что направление потока, выходящего из трубы, максимально приближено к осевому.
[0078] Как показано на фиг. 4, 6 и 8, осевая гидротурбина опирается на статор, содержащий множество опорных лопаток 38, проходящих в радиальном направлении и расположенных выше по потоку относительно турбины. Статор может содержать две или более, предпочтительно пять или более радиальных опорных лопаток 38. Подшипник 40 вала установлен на приводном валу 30 в центре опорных лопаток 38. Каждая опорная лопатка имеет угол наклона относительно вторичного потока, так что вторичный поток предварительно закручивается в сторону, противоположную закручиванию потока, вызванному ротором турбины в сборе в результате прохождения вторичного потока по трубе. Противоположные углы наклона лопаток ротора и лопаток статора выбраны таким образом, чтобы максимизировать выходную мощность и создавать поток, выходящий из конца трубы 22, расположенного ниже по потоку, по существу в осевом направлении с минимальным закручиванием. Турбина 26 присоединена посредством приводного вала 30 к электрическому генератору. Генератор может быть расположен под водой, внутри заграждения или в непосредственной близости от него. В других вариантах осуществления генератор может быть расположен вдали от установки и/или на суше и приводиться подходящим ременным приводом или цепью привода, присоединяющей турбину к генератору. Другие подходящие системы, такие как шкивы, приводные ремни, зубчатые колеса, приводные валы, гидравлические насосы, трубопроводы и гидравлические двигатели и комбинации этих систем, могут быть использованы для присоединения турбины к генератору. В дальнейших вариантах осуществления генератор может составлять единое целое с турбиной.
[0079] Соотношение площади (А1) поперечного сечения смесительной камеры 16 и площади (А2) поперечного сечения конца трубы 22, расположенного ниже по потоку, влияет на производительность устройства Вентури. Соотношение А1:А2 выбрано таким образом, чтобы оптимизировать вторичный поток, проходящий по трубе, и максимизировать производительность установки. Площадь (А1) поперечного сечения смесительной камеры 16 и площадь (A3) поперечного сечения входа сужающейся секции 14 также влияют на производительность устройства Вентури и выбраны таким образом, чтобы оптимизировать вторичный поток, проходящий по трубе, и максимизировать производительность установки.
[0080] Как показано на фиг. 9, в одном варианте осуществления вход сужающейся секции 14 и выход диффузорной секции 20 могут иметь по существу прямоугольное поперечное сечение. Сужающаяся секция 14 и диффузорная секция 20 могут сужаться к смесительной камере 16, обладающей по существу круглым поперечным сечением. В альтернативных конфигурациях устройство может иметь по существу круглое поперечное сечение с различным диаметром вдоль своей длины. Как показано на фиг. 10, вход сужающейся секции 14, выход диффузорной секции 20 и смесительная камера 16 имеют по существу круглое поперечное сечение. Также предусмотрены другие формы и комбинации форм поперечных сечений входа сужающейся секции и выход диффузорной секции, такие как овальные и/или прямоугольные поперечные сечения, в которых внутренние углы закруглены.
[0081] Соотношение площади поперечного сечения входа сужающейся секции и площади поперечного сечения выхода диффузорной секции выбирают таким образом, чтобы оптимизировать производительность устройства. В одном варианте осуществления эти две области по существу равны. Соотношение выбрано таким образом, чтобы на условия потока, находящегося ниже по потоку относительно устройства, минимально воздействовала установка устройства, и условия потока на выходе устройства эффективно воспроизводили окружающие условия, преобладающие в водной массе перед установкой устройств.
[0082] В одном варианте осуществления защитный экран (не изображен) расположен поперек входа трубы. Защитный экран содержит отверстия для того, чтобы позволить воде проходить по трубе. Защитный экран может представлять собой любой подходящий защитный экран, способный обеспечивать прохождение вторичного потока по трубе. В одном варианте осуществления защитный экран представляет собой экран для защиты от рыб.
[0083] Как показано на фиг. 11 и фиг. 12, установка 110 для вырабатывания электричества содержит группу модулей Вентури, каждый из которых содержит сужающуюся секцию 112, смесительную камеру 114 и расширяющуюся диффузорную секцию. В каждом модуле сужающаяся секция сужается к смесительной камере, так что устройство Вентури расположено на границе сужающейся секции и смесительной камеры. Диффузорная секция проходит от выхода диффузорной секции.
[0084] Труба 116, содержащая одно впускное отверстие, расположена вдоль по меньшей мере части длины каждой сужающейся секции 112 и проходит вверх по потоку на подходящее расстояние в главном потоке. Первые каналы для прохождения главного потока 124 ограничены внутри установки между частью трубы 116, расположенной внутри сужающейся секции, и стенками сужающейся секции 112.
[0085] Труба 116 содержит множество выпускных труб 118а, 118b, 118с, объединенных в магистраль 120, соединенную с единственной впускной секцией 122 трубы. Труба образует второй путь движения потока для вторичного потока 126. Впускное отверстие трубы расположено вверх по потоку относительно модулей, так что впускное отверстие подвержено воздействию гидростатического напора, присутствующего выше по потоку, и труба предоставляет путь движения потока между большим гидростатическим напором выше по потоку и малым гидростатическим напором в устройстве Вентури. Перфорированный защитный экран (не изображен) может быть расположен поперек входа впускной секции 122.
[0086] Турбина 128 расположена во впускной секции трубы в общей области второго пути движения потока, перед разделением труб, образующим отдельные выпускные трубы для направления вторичного потока 126 к каждой сужающейся секции 112.
[0087] Зоны низкого давления в устройствах Вентури индуцируют движение объединенного вторичного потока 126 сквозь трубу 116 и единственную турбину 128. Труба может содержать диффузорную область 130 между турбиной и магистралью.
[0088] Место сгиба и объединения выпускных труб 118а, 188b, 188с расположено на достаточном расстоянии вверх по потоку с тем, чтобы не нарушать режим 124 главного потока, входящего в каждую сужающуюся секцию 112. Место соединения каждой трубы (118а, 118b, 118с) с объединенным вторичным потоком внутри магистрального потока имеет гладкий профиль, ограничивая индуцированную турбулентность на любых изгибах под острым углом или внутренних краях.
[0089] Когда единственная турбина 128, обслуживающая таким образом группу отдельных устройств, достаточно удалена от устройств Вентури, площадь поперечного сечения магистрали 130 предпочтительно выполнена таким образом, чтобы превышать площадь поперечного сечения турбины 116, таким образом ограничивая скорость потока в магистрали 130 и тем самым ограничивая соответствующие потери кинетической энергии, которые могут происходить в ином случае.
[0090] Установка нескольких модулей вместе в одном водном потоке позволяет объединять модули в группы с общей системой трубопроводов, так что индуцированные вторичные потоки из нескольких выпускных труб в нескольких сужающихся секциях объединяются друг с другом и этот объединенный поток принудительно пропускают через единственную турбину с большей пропускной способностью, чем турбина, которую можно было бы установить в ином случае в каждой отдельной трубе, внутри сужающейся секции.
[0091] Благодаря объединению вторичных потоков можно применять меньшее количество более крупных турбин и генераторов, чем требовалось бы в ином случае. Это может привести к уменьшению сложности и улучшению экономичности.
[0092] Заграждение 10 может содержать одну установку для вырабатывания энергии из потока воды. В дальнейших конфигурациях системы группа установок 12 может быть присоединена к заграждению. Предпочтительно, установки расположены у основания заграждения. Тем не менее, в других конфигурациях установка может быть расположена на разной высоте заграждения.
[0093] Установка расположена в водной массе для вырабатывания электричества из потока воды. Установки 12 присоединены к заграждению 10, так что по меньшей мере часть заграждения проходит по существу перпендикулярно вверх от установок и над уровнем воды, так что при установке заграждения поперек водной массы между сторонами заграждения, расположенными выше по потоку и ниже по потоку, образуется высота напора. Когда установки расположены у основания заграждения, большая часть высоты заграждения будет проходить над установкой.
[0094] Установка может проходить в поперечном направлении сквозь плотину. В зависимости от ширины заграждения установка может быть заключена внутри заграждения или выходить наружу из стороны заграждения, расположенной выше по потоку и/или ниже по потоку.
[0095] В одной конфигурации по меньшей мере сужающаяся секция, расширяющаяся секция и смесительная камера расположены внутри заграждения. Вход сужающейся секции находится по существу на одной линии со стороной заграждения, расположенной выше по потоку, и выход расширяющейся секции находится по существу на одной линии со стороной заграждения, расположенной ниже по потоку.
[0096] В другой конфигурации установки могут проходить вниз по потоку относительно заграждения, так что вход сужающейся секции находится по существу на одной линии со стороной заграждения, расположенной выше по потоку, в то время как выход расширяющейся секции проходит за пределы ширины заграждения.
[0097] Заграждение может быть установлено для минимизации обходного потока, проходящего вокруг конструкции. В одном варианте осуществления заграждение установлено на дне ручья, реки или приливного течения и поперек всей ширины ручья, реки или приливного течения для минимизации обходного потока.
[0098] Описанное устройство представляет собой часть системы заграждения в водной массе для вырабатывания энергии из потока текучей среды. Устройство также может использоваться в других вариантах применения для вырабатывания электричества при наличии потока с большим объемом и малым напором.
Принимая во внимание эти и другие варианты, находящиеся в пределах новаторской идеи, необходимо сделать ссылку на прилагаемую формулу изобретения. Другие изменения могут быть выполнены в пределах объема изобретения. Например, признаки, описанные далее для установки, содержащей одну сужающуюся секцию, также могут быть внедрены в установку, содержащую несколько модулей Вентури. Хотя установка, содержащая несколько модулей Вентури, в примере содержит четыре трубы Вентури, установка может содержать больше или меньше модулей, например она может содержать два или больше модулей Вентури.