СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
ELECTRIC POWER GENERATION METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к способам использования водных ресурсов рек для генерирования электрической энергии.
Практически все способы получения электроэнергии заключаются в том, что поток воды по каналу в плотине подается к турбине, состоящей кроме лопастей из магнитного ротора и обмотки-статора. Вращающийся магнитный ротор своим магнитным полем воздействует на выполненную из электропроводящего материала обмотку, индуцируя в ней электрическую энергию. См., например, патент РФ №2157870, Е02В 9/00.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при этом результату является способ, предусматривающий подачу воды под напором гидростанции к машинному агрегату [US 4276482 А, Н02К 7/18, 1981]. Турбина агрегата приводит во вращение ротор гидрогенератора, на котором укреплены полюса сильных электромагнитов, воздействующих своим полем на установленную в статоре обмотку из изолированных медных проводников.
Недостатком прототипа является то, что энергия движущейся воды с использованием традиционных гидротурбин снимается с сечения водного потока, а мощность потока в сечении существенно ограничена расходом и напором перед ним, то есть высотой плотины. Строительство плотин дорого и зачастую наносит большой экологический ущерб территории.
Задачей, стоящей перед изобретением, является создание простого и некапиталоемкого способа выработки гидроэлектроэнергии при минимальном экологическом ущербе для прилегающих территорий.
Согласно изобретению задача решается тем, что способ получения гидроэлектроэнергии, включающий приведение в движение магнитов относительно обмоток изолированного токопроводяшего провода под действием энергии потока воды, подаваемого по водоводу, и съем напряжения с обмоток, характеризуется тем, что в пульсирующем режиме изменяют давление воды в водоводе, вызывая пульсацию стенок водовода и приводя магниты, установленные на или в стенках водовода, в радиальное возвратно-поступательное движение, воздействуя полем магнитов на обмотки.
В предложенном способе кинетическая энергия всего объема движущейся воды более полно преобразуется в электрическую энергию.
Для решения задачи можно использовать устройство для получения гидроэлектроэнергии, содержащее водовод, обмотки из изолированного токопроводящего провода, подвижные магниты для воздействия на обмотку и узел съема напряжения с обмоток [US 4276482 А, Н02К 7/18, 1981]. Устройство необходимо снабдить ударным клапаном для обеспечения пульсаций стенок водовода. Магниты должны быть выполнены из подвижных относительно друг друга и собранных в кольца элементов и вместе с обмотками установлены в чередующейся последовательности по длине водовода, стенки которого выполнены из эластично-упругого материала.
Гидроагрегаты сооружают в виде водоводов, стенки которых способны к радиальным перемещениям под действием изменяющегося в водоводах давления, прикрепляют к стенкам водоводов в их поперечных сечениях высокоэнергетические постоянные магниты с направлением магнитного потока вдоль оси трубопровода, в промежутки между кольцевыми магнитами устанавливают кольцевые обмотки из медного изолированного провода, создают в трубопроводе гидравлический удар с использованием гидротаранов [Гидравлика. Н.Н.Кременецкий, Д.В.Штеренлихт, В.М.Алышев, Л.В.Яковлева, М., Энергия, 1973, с.215-217], который приводит к колебаниям давления в водоводах и радиальным перемещениям постоянных магнитов относительно кольцевых обмоток, индуцируя тем самым электродвижущую силу в кольцевых обмотках.
Достигается возможность получения электроэнергии без перекрытия русел рек высокими плотинами.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема устройства для получения гидроэлектроэнергии, а на фиг.2 - вид по АА на фиг.1.
Гидроагрегаты сооружают в виде водоводов 1, стенки которых способны к радиальным перемещениям под действием изменяющегося в водоводах давления воды. К стенкам водоводов в их поперечных сечениях прикреплены высокоэнергетические постоянные магниты 2 или электромагниты с направлением магнитного потока вдоль осей водоводов. Промежутки между кольцами, набранными из магнитов 2, заполнены кольцевыми обмотками 3 из медного изолированного провода. Таким образом, магниты вместе с обмотками устанавливают в чередующейся последовательности по длине водоводов.
Способ получения электроэнергии реализуют следующим образом. В водоводе 1 с использованием ударного клапана 4 создают периодический гидравлический удар, который приводит к колебаниям давления в водоводе и радиальным перемещениям стенок в водоводе. Благодаря тому, что магниты 2 установлены по кольцу вокруг водовода 1 и не связаны жестко друг с другом, происходят их радиальные возвратно-поступательные перемещения относительно кольцевых обмоток 3, индуцируя тем самым электродвижущую силу в кольцевых обмотках.
Рассмотрим следующий пример. Скорость движения воды в эластично-упругом трубопроводе с внутренним диаметром 1,4 м составляет 5 м/с. При напоре воды перед ним 5 м и коэффициенте расхода системы 0,5.
При резком перекрытии трубопровода в нем возникает прямой гидравлический удар, движущийся от перекрытого сечения водовода к его началу со скоростью распространения ударной волны 177 м/с. Эта скорость соответствует увеличению радиуса упруго-эластичного водовода при прямом гидроударе на 0,01 м. Механическая работа, производимая в течение одной секунды по расширению водовода (время пробега ударной волной 177 м водовода), представляет собой механическую мощность, эффективное значение которой можно определить по средней скорости приращения радиуса в диапазоне изменения его от нуля до 0,01 м. Эффективная механическая мощность, равная половине ее пикового значения, составляет 3400000 Вт. Механическая работа по расширению трубопровода, совершенная за одну секунду, равна кинетической энергии массы воды, движущейся в трубопроводе длиной 177 м при первоначальной скорости 1,5 м/с, то есть до гидроудара. При условии, что линейный электрогенератор (катушки с магнитами), смонтированный на корпусе эластичного (упругого) водовода, имеет кпд порядка 0,8, с данного устройства в течение секунды можно снять эффективную электрическую мощность переменного тока 2720000 Вт. Далее следует пауза, необходимая для инициирования нового гидроудара в водоводе при помощи ударного клапана, и процесс повторяется. Для непрерывного снятия мощности необходимо иметь два одинаковых устройства, работающих в противофазе.
Снимаемая с гидроагрегатов электрическая мощность зависит от квадрата диаметра водовода, от квадрата первоначальной скорости движения воды в водоводе до гидроудара, линейно зависит от скорости распространения ударной волны. Чем больше скорость распространения ударной волны, тем больше, при прочих равных условиях, снимаемая мощность. Скорость распространения ударной волны в свою очередь зависит от радиальной длины хода магнитов. Чем больше радиальная длина хода магнитов, тем меньше скорость распространения ударной волны. Максимальную длину радиального хода магнитов выбирают, исходя из условия невыхода магнитного потока за пределы обмоток при перемещении магнитов относительно обмоток. Максимальная длина хода обусловлена конструктивными особенностями электрогенератора. Минимальная длина радиального хода магнитов обусловлена инерционными свойствами подвижных магнитов. Для водоводов большого диаметра 1,4 м и более длина радиального хода магнитов находится в диапазоне 1-5 см. Конкретная величина длины радиального хода магнитов для нахождения значения снимаемой мощности определяется расчетом.
При традиционном способе получении электроэнергии с помощью гидротурбин и электрогенераторов вращательного типа при таком же напоре, коэффициенте расхода системы и скорости движения воды можно снять механическую мощность потока воды всего 380800 Вт. При принятии значения кпд электрического генератора вращательного типа равным 0,8 электрическая мощность составит 304640 Вт, что почти в десять раз меньше, чем при генерировании электрической мощности с использованием энергии гидравлического удара.
Использование заявленного технического решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает выработку значительного количества гидроэлектроэнергии без возведения высотных, массивных плотин и при минимальном экологическом ущербе для прилегающих к рекам территорий.