Подводная приливная электростанция

Полезная модель относится к области гидроэнергетики, в частности к устройствам, вырабатывающим электрическую энергию за счет использования энергии течений морских приливов и отливов.
Известна «Погружная свободнопоточная микрогидроэлектростанция» (Патент РФ №2247859, МПК F03B 13/00, опубл. 10.03.2005, Бюлл. №7). Устройство предназначено для преобразования кинетической энергии свободного потока воды в электрическую. Микрогидроэлектростанция содержит гидротурбину с горизонтальной осью вращения, соединенную с погруженным в воду герметизированным электрическим генератором. При этом она оснащена состоящей из секций несущей рамой, на концах которой установлены щиты, образующие на входе потока воды конфузор, а на выходе - диффузор. В качестве электрического генератора использован низкоскоростной генератор, вал которого соединен непосредственно с валом гидротурбины, выполненной из отдельных секций, смонтированных в подшипниковых опорах. Каждая секция содержит один или более винтов, смещенных относительно друг друга на равный угол. Каждый из движителей состоит из двух противоположно направленных лопастей, представляющих собой профиль НАСА, и установленных на стойках, которые закреплены на валу гидротурбины с возможностью фиксированного перемещения лопастей в радиальном и угловом направлениях.
Недостатком погружной свободнопоточной микрогидроэлектростанции является сложность конструкции, в частности большие линейные размеры из-за особенностей конструкции гидротурбины.
Известна «Подводная гидроэлектростанция» (Патент РФ 2139972, МПК Е02В 9/00, F03B 13/10, опубл. 20.10.1999). которая содержит установленный в потоке воды и разделенный на отсеки корпус с входным конфузором, внутри корпуса последовательно расположены гидропривод, выполненный в виде лопастной турбины с горизонтальным валом на подшипниках, и электрический генератор, ротор которого через две полумуфты соединен с валом гидропривода, электрический генератор помещен в герметичный отсек корпуса, на входном конфузоре установлена оградительная сетка, отсек корпуса с гидроприводом имеет продольные выходные окна и отражатель внутреннего потока воды, выполненный в виде усеченного конуса и герметично соединенный с цилиндрической обечайкой, внутри которой установлен горизонтальный вал турбины на подшипниках. Вал имеет торцевое уплотнение, герметично соединенное с цилиндрической обечайкой.
Известное решение имеет недостаток, заключающийся в том, что в микро-ГЭС использована соосная схема расположения винта, вала и электрического генератора. В результате водный поток, попадая через входной конфузор в корпус трубчатой формы, сужаясь, набирает скорость перемещения, проходя через зону винта, вращает его, а потом упирается в торцевую стенку электрического генератора, где происходит торможение водного потока и перенаправление его в выпускные окна на стенке корпуса. В результате за винтом формируется турбулентная зона, которая снижает скорость потока, так как на одной стороне винта формируется давление на их вращение, а на тыльной стороне образована зона смутного потока, оказывающего обратное действие. В результате этого снижается эффективность преобразования энергии морского потока в электрическую энергию.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является «Подводная приливная электростанция» (Патент РФ №2579283, МПК F03B 13/26, F03B 17/06, опубл. 10.04.2016), которая содержит гидрогенератор, состоящий из гидротурбины и электрического генератора, размещенного в металлическом корпусе и кинематически связанного с гидротурбиной, выполненой лопастного типа, а электрический генератор с возбуждением от постоянных магнитов. Гидрогенератор установлен в металлическом цилиндрическом каркасе, к верхней части которого присоединены полые емкости для удержания каркаса в подводном заглубленном положении. К нижней части каркаса прикреплены тросы, одними концами связанные с каркасом, а другими с фиксирующими блоками, опущенными на морское дно. Преобразователь размещен на берегу и связан с гидрогенератором с помощью электрического кабеля. На концах каркаса установлены конусные устройства, образующие на входе потока воды конфузор, а на выходе - диффузор.
Недостатком известного устройства являются то, что эффективность преобразования энергии морского течения в электрическую энергию не постоянна, поскольку отсутствует возможность поддерживать постоянство глубины заглубления электростанции как во время прилива, так и во время отлива. Высота приливов в открытом море около 1 метра, но значительно возрастает в области шельфа - до 18 м. При сильном отливе присоединенные к каркасу электрического генератора полые емкости для удержания каркаса в подводном заглубленном положении могут опуститься вниз, ко дну, на столько, что это ослабит натяжение тросов и тем самым нарушит положение электростанция в морской среде и уменьшит величину генерируемой электрической энергии вплоть до нуля.
Задачей является создание устройства, обеспечивающего постоянную глубину заглубления электростанции во время прилива и отлива.
Техническим результатом является повышение эффективности и надежности преобразования энергии морских течений приливов и отливов в электрическую энергию.
Технический результат достигается за счет того, что в подводную приливную электростанцию, содержащую электрический генератор с возбуждением от постоянных магнитов, размещенный в металлическом корпусе и винты, закрепленные на валу электрического генератора, к верхней части металлического корпуса электрического генератора прикреплен поплавок, а на торцах металлического корпуса электрического генератора установлены конусные устройства, образующие на входе потока воды конфузор, а на выходе - диффузор, дополнительно введены второй винт, массивное основание, балки и опорные стойки, нижние концы которых закреплены на массивном основании, а верхние концы жестко скреплены балками, к боковым сторонам металлического корпуса электрического генератора и поплавка жестко закреплены проушины, через которые пропущены опорные стойки с возможностью перемещения по ним металлического корпуса электрического генератора и поплавка по вертикали вверх-вниз, а электрический генератор выполнен по кольцевой схеме с размещенными внутри полости ротора генератора с двумя винтами, первый винт установлен навстречу морского потока прилива, а второй - навстречу морского потока отлива, причем металлический корпус электрического генератора и поплавок имеют в сечении прямоугольную форму.
Существенные отличия, позволяющие реализовать технический результат:
- электрический генератор вместе с винтами и поплавком установлен с возможностью перемещения по опорным вертикальным стойкам вверх-вниз, в зависимости от изменения уровня воды при приливе или отливе, сохраняя постоянство заглубления электростанции независимо от силы прилива и отлива, и тем самым, поддерживая постоянным уровень эффективности работы электростанции;
- электрический генератор конструктивно выполнен по кольцевой схеме, при реализации которой винты размещен внутри полости ротора генератора, в результате этого уменьшается длина электростанции и снижается влияние кавитации на прочность винтов, увеличивая при этом срок службы и надежность работы электростанции в целом [1];
- внутри полости ротора электрического генератора размещены последовательно два винта, причем первый винт установлен навстречу морского потока прилива, а второй винт установлен навстречу морского потока отлива, что обеспечивает эффективность преобразования энергии морского потока, как прилива, так и отлива.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена конструктивная схема приливной электростанции, а на фиг. 2 приведена конструктивная схема генератора и введены следующие обозначения:
1. - ротор;
2. - первый винт;
3. -второй винт;
4. - вал;
5. - статор
6. - металлический корпус электрического генератора;
7. - конфузор;
8. - диффузор;
9. - поплавок;
10. -проушины;
11. - стойки;
12. - балки;
13. - массивное основание.
Устройство состоит из электрического генератора кольцевого типа, состоящего из ротора 1, который жестко соединен с первым 2 и вторым 3 винтами, установленными на валу 4, и статора 5, размещенном в металлическом корпусе электрического генератора 6, на торцах которого установлены конусные устройства, образующие на входе потока воды конфузор 7, а на выходе - диффузор 8, на верхней части металлического корпуса электрического генератора 6 закреплен поплавок 9, на боковых сторонах которого жестко закреплены проушины 10, через которые пропущены опорные стойки 11, верхние концы которых жестко скреплены балками 12, а нижние концы закреплены на массивном основании 13, что обеспечивает жесткость конструкции подводной приливной электростанции и устойчивость конструкции в морской среде.
Устройство работает следующим образом:
Данное устройство работает одинаково при наличии морских течений прилива или отлива. Выталкивающая сила поплавка 9 и герметичных полостей металлического корпуса электрического генератора 6 поднимают электрический генератор по стойкам 11 к верхним слоям морского течения на заданную глубину заглубления. Морское течение прилива или отлива проходит через конусное устройство конфузор 7 в полость ротора 1 и приводит в движение по средствам вала 4 первый 2 или второй 3 винты (в зависимости от направления морского потока) и выходит через конусное устройство диффузор 8. При прохождении морского потока через конфузор 7 или диффузор 8 (в зависимости от направления морского потока) скорость морского течения увеличивается, увеличивается скорость вращения винтов и повышается эффективность преобразования энергии морского течения в электрическую энергию.
При вращении постоянных магнитов ротора 1 их магнитные силовые линии пересекают проводники обмотки статора 5, и наводят в них трехфазную систему ЭДС переменного тока:
1
m
- на обмотке статора 1 наводится ЭДС e=Esinωt;
2
m
- на обмотке статора 2 наводится ЭДС e=Esin(ωt-2π/3);
3
m
- на обмотке статора 3 наводится ЭДС e=Esin(ωt-4π/3),
m
ф
где E=4,44ФƒW;
ф
W - число витков одной фазы;
Ф - магнитный поток одного полюса индуктора;
F - частота ЭДС, генерируемой в обмотке статора;
ω=2ωƒ - угловая частота ЭДС, генерируемой в обмотке статора.
Таким образом, механическая энергия морского течения преобразуется в электрическую энергию. Глубина заглубления электрического генератора по отношению к уровню морской поверхности зависит от величины выталкивающей силы поплавка 9 и герметичных полостей металлического корпуса электрического генератора 6, а их объем должен быть больше массы подвижной части приливной электростанции. При выполнении этого условия часть поплавка 9 всегда находится над поверхностью воды. Благодаря этому генератор находится в верхних слоях морского течения, обладающих наибольшей скоростью течения, что обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии морского течения в электрическую энергию.
г
Мощность Р, генерируемая электрическим генератором, определяется с учетом эффективности работы электрического генератора и винтов:
г
г
т
п
Р=η⋅η⋅Р,
п
где Р - мощность потока воды, поступающего на лопасти винта прилива или отлива, Вт;
г
г
η - КПД электрического генератора, значение η=0,85-0,95;
в
в
η - КПД винта прилива или отлива, значение η=0,5-0,7;
п
P=ρ⋅g⋅Q⋅H, Вт,
3
где ρ - плотность воды, равна 1000 кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, равно 9,81 м/с;
3
Q - расход воды, м/с;
Н - скоростной напор потока воды, м;
в
n
Q=S⋅υ;
в
2
S - площадь сечения, через которое проходит поток воды на лопасти винта прилива или отлива, м.
Скоростной напор потока воды Н определяют по формуле:
2
n
Н=υ/2g.
С учетом значений параметров, приведенных выше, мощность потока определяют по формуле:
п
в
3
Р=0,5⋅ρ⋅S⋅υ Вт.
Приведем пример расчета при следующих параметрах:
т
2
2
- размер диаметра лопастей винта D=1,0 м (площадь S=π⋅D/4=0,785 м),
п
- скорость потока υ=3,0 м/с;
3
- плотность воды ρ=1000 кг/м.
Мощность потока определяют по формуле:
п
п
3
Р=392⋅υ Вт.
п
Значение мощности Р является предельным значением мощности, которую можно получить от электрического генератора без учета потерь при заданном значении скорости потока и размерах винта.
г
в
Мощность, генерируемая электрическим генератором с учетом минимально возможных значений КПД электрического генератора η=0,9 и винта η=0,5:
г
п
п
п
3
3
3
Р=0,9⋅0,5⋅392⋅υ Вт=176,71⋅υ Вт=0,17671⋅υ кВт.
п
г
3
При скорости морского потока υ=3,084 м/с, мощность, генерируемая электрическим генератором без конических насадок конфузора 7 и диффузора 8, составит Р=0,17671⋅3,0=4,771 кВт.
Из физики [2] известно, что при стационарном течении жидкости скорость движения ее частиц через разные поперечные сечения трубы обратно пропорциональны площадям этих сечений.
При установке на металлический корпус электрического генератора 6 насадок конической формы, которые образуют на входе потока воды конфузор 7, а на выходе - диффузор 8, как показано на фиг. 2 и отношении диаметра входного отверстия насадки к диаметру входного отверстия полости ротора равным, например, 2:1, отношение площадей сечений входного и выходного отверстий насадки составит 4:1, следовательно, скорость морского потока в полости ротора при установки такой насадки увеличится в 4 раза по отношению к скорости морского потока вне насадки. Таким образом, при установке насадки конической формы с указанными параметрами электрический генератор будет генерировать мощность, равную
г
3
Р=4,771⋅4=305 кВт.
За сутки может быть выработана энергия, равная 7328 кВт/час.
Приведенные результаты расчетов показывают, что заявляемая подводная приливная электростанция преобразует энергию морского течения прилива и отлива в электрическую энергию с высоким уровнем эффективности.
Введение новых отличительных признаков полезной модели позволяет повысить эффективность и надежность работы подводной приливной электростанции, увеличить ее срок службы, а также повысить безотказность ее работы.
Список использованных источников:
1. Устройство ВРК с электродвигателем на постоянных магнитах: [сайт]. URL: https://sudostroenie.info (дата обращения: 15.11.2020).
2. Фарбер Ф.Е. Физика: учеб. пособие.- Высш. школа, 1979. - 320 с.