МАШИНА И СИСТЕМА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ (ВАРИАНТЫ)
MACHINE AND SYSTEM FOR GENERATION OF ELECTRIC ENERGY DUE TO WATER MOTION (VERSIONS)

Настоящее изобретение относится к области производства электроэнергии, в частности к машине и системе для выработки электроэнергии за счет движения воды.
Получение электроэнергии из водных источников остается мечтой человечества на протяжении множества веков. С этой целью использовались разнообразные средства, включая водяные колеса и гидравлические турбины. Предыдущие попытки преобразовать энергию приливно-отливного движения вод или течений в электроэнергию требовали использования крупномасштабных систем, традиционных электрогенераторов и различных видов турбин.
Недостатком известных технических решений (например, раскрытого в US 5440176) является тот факт, что используемые в настоящее время системы трудно сконфигурировать для специфических нужд, они требуют крупномасштабных сооружений и не всегда рентабельны. Они не подходят для быстрого переноса в другое место, не являются легко приспосабливаемыми с точки зрения топографии, а также не могут противостоять коррозии под воздействием воды. Вес традиционных генераторов с магнитами и медным проводом препятствует возможности их быстрой замены. Кроме того, до сих пор отсутствуют системы, которые бы использовали группу небольших по мощности вырабатывающих электричество (электрогенерирующих) блоков, которые, размещаясь параллельно друг другу, преобразовали энергию воды океана, рек или иных водных потоков в электрическую, объединяя относительно маломощные генераторы в одну крупную систему производства электроэнергии в промышленном масштабе.
Соответственно, в общем, в основу настоящего изобретения положена задача создания малозатратных машин и систем, которые бы использовали группу небольших по мощности электрогенерирующих блоков, которые могли бы размещаться параллельно друг другу одновременно электрически связанными и взаимозаменяемыми. В одном из вариантов это достигается за счет предлагаемой модульной конструкции, в других - за счет использования магнитных элементов на основе магнитополимеров или редкоземельных металлов, позволяющих уменьшить вес устройства и уменьшить затраты на их производство, что особо подходит для заменяемых модульных конструкций.
С учетом вышеизложенного, в настоящем изобретении предлагается машина для выработки электроэнергии за счет движения воды, содержащая множество электрогенерирующих блоков, которые установлены с возможностью приема кинетической энергии от движущейся воды и преобразуют указанную энергию за счет движения турбины, имеющейся в каждом электрогенерирующем блоке. Причем электрогенерирующие блоки электрически связаны между собой и скомпонованы в качестве взаимозаменяемых модулей (с возможностью замены неисправного электрогенерирующего блока без прерывания процесса выработки всей машиной электроэнергии).
В другом варианте машина для выработки электроэнергии содержит корпус с электропроводящими обмотками, размещенное в корпусе рабочее колесо с магнитными элементами на основе магнитополимеров или редкоземельных металлов, создающими индуцированную электроэнергию при вращении рабочего колеса в корпусе, и расположенные на рабочем колесе лопасти для приема от воды кинетической энергии, причем рабочее колесо приводится во вращение движением воды через указанные лопасти.
Еще одним объектом изобретения является система для выработки электроэнергии за счет движения воды, содержащая множество турбин, рабочие колеса которых содержат магнитные элементы на основе магнитополимеров или редкоземельных металлов, окружены электропроводящими обмотками, размещенными в корпусе вокруг рабочих колес, и приводятся во вращение движением воды, вырабатывая электроэнергию, причем турбины скомпонованы в модульной конструкции и электрически связаны между собой.
В другом варианте предлагаемая в изобретении система для выработки электроэнергии за счет движения воды содержит множество электрогенерирующих блоков, вырабатывающих по отдельности менее 5000 Вт электрической мощности, объединительный блок для удержания электрогенерирующих блоков с обеспечением их электрической связи с одним или несколькими электрогенерирующими блоками, которые расположены предпочтительно упорядоченными массивами в виде решеток (матриц), размещенными в океане по вертикали и поперек направления приливного течения океана и электрически связаны с электрической сетью и при этом установлены с возможностью замены каждого электрогенерирующего блока без прерывания процесса выработки системой электроэнергии.
Для получения электроэнергии из движения водных потоков (волн, течений, приливов, отливов и пр.) используются гидротурбины. Самостоятельно вращаясь в сужающемся сопле, рабочее колесо турбины извлекает дополнительную энергию потока воды, прошедшего другое независимое рабочее колесо турбины. Лопасти рабочего колеса турбины вращаются внутри корпуса, содержащего обмотку, изготовленную из меди, проводящего полимера или иного токопроводящего материала. Вращающееся магнитное поле, создаваемое магнитополимером, порошковыми материалами, порождающими магнитное поле, взвешенными в гомогенном или гетерогенном полимере, или традиционными магнитными материалами, такими как Fe, Co Ni, Gd, Sn, Nd, или керамикой, порождающей магнитное поле, генерирует электрическую энергию при вращении независимой турбины, содержащей магнитный материал, внутри токопроводящей обмотки. Магнитополимер отличается тем, что его магнитная характеристика существует на атомном уровне, в отличие от смеси макрочастиц, находящихся во взвешенном состоянии в полимере. Каркасная конструкция в полимерном корпусе состоит из полимера или полимера, армированного стекловолокном, углепластика или полимера, армированного нанотрубками. Эта каркасная конструкция служит опорой для центрального вала ротора турбины внутри полимерного корпуса турбины. Электрическая мощность, вырабатываемая каждой такой турбиной, должна находиться в пределах от 0,001 до 5000 Вт, но также может достигать значений порядка 100000 Вт на турбину. Электрический ток снимается с обмотки турбины и при помощи параллельного соединения подается на изготавливаемый из медного провода или электропроводящего полимера токопровод, расположенный внутри корпуса турбины. По внутреннему токопроводу электрический ток проходит от одного корпуса турбины к следующему, пока не достигнет системы сбора электроэнергии, служащей для измерения ее мощности и дальнейшей передачи в электрическую сеть. Если отдельный генератор вырабатывает от 0,001 до 100000 Вт электроэнергии, то множество генераторов, параллельно соединенных в группу по типу двумерного массива (решетки или матрицы), способны производить электроэнергию в промышленных масштабах мощностью порядка нескольких мегаватт (МВт). Поскольку такие системы изготавливаются из полимеров, керамики или цветных металлов с покрытием, и все потенциально магнитные части конструкции турбины не контактируют напрямую с водой, то такие системы не подвержены коррозии, имеют малый вес, являются переносными, дешевыми в производстве и замене и легко могут быть установлены на любой местности. Помимо этого, модульная (ячеистая) конструкция массива электрогенерирующих блоков позволяет производить ремонт и обслуживание турбин, не отключая при этом весь массив. В действительности, в любой момент времени из эксплуатации может быть выведена лишь некоторая доля генерирующего потенциала, так как при обслуживании или ремонте той или иной турбины отключению подлежит лишь отдельный вертикальный набор ("стояк") электрогенерирующих блоков или агрегатов, входящих в двумерный массив, в котором эта турбина находится.
Ниже осуществление изобретения поясняется следующими чертежами, на которых в некоторых случаях различные особенности изобретения для облегчения понимания изобретения могут быть искусственно выделены или показаны в увеличенном масштабе и на которых показано:
на фиг.1 - график, иллюстрирующий зависимость средней скорости течения от глубины моря в глубоководной зоне океана;
на фиг.2 - график, иллюстрирующий зависимость скорости движения воды от глубины моря в прибрежной зоне волнорезов;
на фиг.3 - схематичное изображение массивов (решеток) электрогенерирующих блоков промышленной энергоустановки;
на фиг.4 - схематичное изображение вертикального набора электрогенерирующих блоков, являющегося частью массива электрогенерирующих блоков, установленных таким образом, чтобы работать при однонаправленном течении в глубоководной зоне;
на фиг.5 - схематичное изображение вертикального набора электрогенерирующих блоков, являющегося частью массива электрогенерирующих блоков, установленных таким образом, чтобы работать при двунаправленном течении в глубоководной зоне;
на фиг.6 - вид сбоку конического рабочего колеса турбины с множеством расположенных одной ступенью лопастей, помещенного внутри корпуса со средствами электрического соединения с электрогенерирующими блоками массива;
на фиг.7 - вид спереди рабочего колеса турбины с множеством лопастей;
на фиг.8 - схематичное изображение объединительного блока для электромонтажа пакетов электрогенерирующих блоков;
на фиг.9А - схематичное изображение массива двунаправленных электрогенерирующих блоков, установленных перпендикулярно океанскому течению;
на фиг.9Б - схематичное изображение массива двунаправленных электрогенерирующих блоков с якорями, буем и электрическими соединениями;
на фиг.10А-10Г - несколько видов конического турбогенератора и объединительного блока, предназначенного для сборки массива электрогенерирующих блоков;
на фиг.11А и 11Б - виды сбоку и спереди/сзади турбогенератора с несколькими рабочими колесами;
на фиг.12 - группа массивов электрогенерирующих блоков, подсоединенных к электрической сети.
Ниже приводится подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения. Необходимо понимать, однако, что данное изобретение может быть воплощено в различных вариантах. Таким образом, конкретные технические детали, раскрытые ниже, следует толковать не как огранивающие возможности осуществления изобретения, а как иллюстративный материал, показывающий специалисту путь к применению настоящего изобретения практически в любой конкретной системе, конструкции или практически любым образом.
На фиг.1 представлен график, иллюстрирующий зависимость средней скорости 10 течения от глубины 12 моря в глубоководной зоне океана. Можно отметить, что средняя скорость течения в глубоководных зонах океана между некоторыми верхним и нижним пределами относительно постоянна, что в ряде случаев позволяет использовать это движение воды в качестве источника электроэнергии в соответствии с настоящим изобретением. Примерами постоянных глубоководных течений, от которых в соответствии с настоящим изобретением рассматриваемым ниже образом может работать множество электрогенерирующих блоков, являются течения Гольфстрим в Атлантическом океане и Куросио в Тихом океане. Однако в глубоководных зонах океана обуздать энергию воды тяжело, равно как и обслуживать массивы электрогенерирующих блоков. Зона же волнорезов, водохранилище, не имеющее электростанций, река или водопроводящее сооружение в большей степени подходят для достижения преимуществ настоящего изобретения и экономических выгод от его осуществления.
Фиг.2 представляет собой график, иллюстрирующий зависимость скорости 20 течения от глубины 22 моря в зоне волнорезов океанского побережья. Можно отметить, что при уменьшении глубины, т.е. по мере приближения волны к берегу, поток воды становится быстрее, рассеивая содержащуюся в волне энергию. Это дает готовый к использованию и возобновляемый источник энергии для массива электрогенерирующих блоков рассматриваемого в данном описании типа. В приведенном ниже описания будет нагляднее показано, что это явление способствует созданию у береговой линии систем отбора энергии, рассматриваемых в данном описании, для получения дешевой и надежной энергии. Этот метод будет работать для любой движущейся массы воды, имеющей относительно постоянную скорость на заданной площади поперечного сечения.
На фиг.3 изображена группа 30 массивов электрогенерирующих блоков, выстроенных в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения. Группа 30 массивов состоит из последовательности отдельных массивов 34, установленных в зоне волнорезов параллельно берегу 32 для приема энергии приливно-отливных течений. Такие массивы могут располагаться поперек течения реки, на глубоководных участках океана и в других местах, где их расположение позволяет использовать энергию движения преобладающих в данном месте потоков воды. Каждый массив 34 представляет собой последовательность скомпонованных тем или иным образом электрогенерирующих блоков, которые приводятся в действие движением проходящей через них воды. Электрогенерирующие блоки электрически связаны между собой при помощи объединительного блока или шасси (см. фиг.8) таким образом, что каждая группа 30 массивов вырабатывает электроэнергию, равную сумме электрической энергии, производимой каждым из электрогенерирующих блоков. В конечном счете, группа 30 массивов соединяется с электрической сетью.
На фиг.4 изображен вид сбоку одного набора 40 электрогенерирующих блоков 42, входящих в состав массива большего размера, например, показанного на фиг.3. На фиг.4 показан один набор 40 электрогенерирующих блоков 42, служащий для приема энергии однонаправленного потока воды глубоководного участка океана, реки и даже океанской зоны волнорезов. При прохождении воды через электрогенерирующие блоки по направленным влево стрелкам 44 электрогенерирующие блоки 42 преобразуют кинетическую энергию воды в электрическую. Отдельные электрогенерирующие блоки 42 скомпонованы в набор и электрически соединены между собой в положительных и отрицательных полюсах 46, вырабатывая электроэнергию, которая передается по линиям 49 к инвертору или в электрическую сеть. Каждый отдельный электрогенерирующий блок 42 способен вырабатывать небольшое количество электроэнергии, но наборы 40 электрогенерирующих блоков 42, соединенные параллельно, вырабатывают большое количество электроэнергии. Набор 40 электрогенерирующих блоков может быть пришвартован к океанскому дну якорем 48 обычными средствами, хорошо известными в данной области техники. Установленные таким образом массивы являются гибкими и плавают в воде, одновременно располагаясь поперек потока воды для максимальной выработки энергии.
Значительным преимуществом модульного построения массивов электрогенерирующих блоков является использование малых энергетических агрегатов, которые согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения могут иметь выходную мощность по вырабатываемой энергии порядка 0,001-5000 Вт. Это позволяет использовать устройства, которые могут быть значительно меньше турбин типичных энергоблоков, имея объем, составляющий одну тысячную от их объема, а именно 3 до 50000 кубических дюймов.
Использование таких небольших устройств позволяет значительно облегчить создание крупных массивов электрогенерирующих блоков, а также позволяет в любое время оперативно заменять неработоспособные устройства без прерывания процесса выработки электрической энергии. Такие миниатюрные энергетические агрегаты можно назвать микрогенераторами или микроэнергоузлами. Комбинация множества таких устройств в массиве дает в совокупности энергию, равную энергии, вырабатываемой одним гораздо более крупным генератором.
На фиг.5 изображен один набор 50 электрогенерирующих блоков 52, применяющийся для максимального использования энергии двунаправленного течения воды в зоне волнорезов. При прохождении воды через электрогенерирующие блоки 52 по стрелкам 54, направленным влево и вправо, электрогенерирующие блоки 52 преобразуют кинетическую энергию воды в электрическую. Течение воды может быть связано с приливом и отливом и, следовательно, может быстро менять свое направление, приводя в действие электрогенерирующие блоки, выполненные и установленные таким образом, чтобы поглощать кинетическую энергию водного потока с двух разных направлений. На фиг.5 изображен вид сбоку одного набора 50 электрогенерирующих блоков 52, входящих в состав массива большего размера, например, показанного на фиг.3, причем электрогенерирующие блоки электрически соединены друг с другом положительными и отрицательными полюсами 56 подобно тому, как это было показано на фиг.4.
На фиг.6 изображен вид сбоку одного рабочего колеса 60 турбины с множеством лопастей (см. фиг.7), применяющегося для преобразования кинетической энергии водного потока в электрическую энергию. В устройстве отдельных электрогенерирующих блоков присутствуют электрические соединители 64, позволяющие параллельно соединять эти блоки в единую электрическую сеть, что позволяет суммировать вырабатываемую энергию. Рабочее колесо 60 (или турбина) расположено в корпусе, выполненном соответствующим образом для выработки электроэнергии. Для придания корпусу жесткости он снабжен перекрещивающимися раскосами (показанными на фиг.7). Генерирование электроэнергии происходит благодаря помещению магнитов или магнитных материалов в оболочку корпуса лопастей рабочего колеса турбины и помещению обмотки в корпус рабочего колеса 60 турбины. Под воздействием водного потока рабочее колесо 60 турбины приводится во вращение, создавая электромагнитную силу, индуцирующую ток в обмотках и, тем самым, вырабатывая электричество. Благодаря параллельному соединению электрической цепи электрогенерирующих блоков малые количества электроэнергии, вырабатываемые отдельными элементами, складываются для производства электрической энергии большой мощности.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения с использованием обычных средств производства изделий из полимеров можно изготавливать турбины и корпуса, в которых вместо стандартных магнитов и медной обмотки используются магнитные полимеры или магнитополимеры. Количество используемого магнитного полимера или магнитополимера и его местоположение в корпусе определяется степенью магнитного притяжения, необходимой в конкретном случае. Благодаря использованию этих материалов достигается напряженность магнитного поля и магнитная проницаемость, достаточные для производства электроэнергии требуемой мощности, а в результате на выходе мы получаем генератор, который обладает легким весом и не подвержен коррозии под воздействием воды.
Единичная турбина может быть снабжена независимыми лопаточными венцами 66, что позволяет снимать с турбины максимум работы вдоль ее продольной оси, и турбина может сужаться по наружной поверхности 68, что позволяет повышать скорость потока благодаря сужению турбинного сопла.
На фиг.7 изображен вид с торца на корпус 70 турбины и рабочее колесо 72 с множеством лопастей 74, позволяющих отбирать у движущейся воды максимум энергии. Перекрещивающиеся раскосы 76 обеспечивают повышенную жесткость корпуса.
На фиг.8 показан объединительный блок 80, служащий для крепления множества наборов электрогенерирующих блоков для создания массивов большего размера, показанных на фиг.3. Объединительный блок 80 снабжен каналами положительных 82 и отрицательных 84 контактов для подключения наборов электрогенерирующих блоков. На объединительный блок устанавливается каждая группа расположенных по вертикали электрогенерирующих блоков. Первый вертикальный набор 85, второй вертикальный набор 86 и N-й вертикальный набор размещаются рядом друг с другом, включаясь в цепь параллельно через контакты 82 и 84, а примыкающие наборы электрогенерирующих блоков соединяются в единую электрическую цепь посредством своих оснований. Как легко можно увидеть, в объединительном блоке 80 может быть размещено множество вертикальных наборов электрогенерирующих блоков, электрически связанных друг с другом. Таким образом, можно создавать массивы из любого количества вертикальных наборов ("стояков"), состоящих, в свою очередь, из любого числа электрогенерирующих блоков, что диктуется лишь особенностями поставленной прикладной задачи. Сверху множества электрогенерирующих блоков может быть установлена полимерная передающая пластина, что позволяет наращивать наборы электрогенерирующих блоков, объединять их в единую электрическую цепь и передавать электрический ток от массива в выпрямитель/инвертор, а затем и во внешнюю электрическую сеть. Подобная схема обеспечивает условия для быстрого монтажа и легкого ремонта оборудования.
На фиг.9А показан перспективный вид массива 92 электрогенерирующих блоков, ориентированных таким образом, чтобы пропускать через себя водяной поток со стороны океана 94 или со стороны берега 95. Подобное расположение электрогенерирующих блоков позволяет каждому отдельному блоку в максимальной мере преобразовывать кинетическую энергию потоков воды при приливе и отливе. В данном конструктивном исполнении отдельные электрогенерирующие блоки ориентированы либо в одном, либо в другом направлении, а их турбины вращаются с оптимальной скоростью, когда водяной поток поступает к ним с соответствующего направления.
На фиг.9Б показан вид сбоку набора электрогенерирующих блоков, электрически связанных между собой рассмотренным в описании образом и расположенных таким образом, чтобы принимать кинетическую энергию потоков воды, поступающих с двух разных направлений. Предпочтительно, чтобы наборы крепились к прочным, но легким корпусам 95, способным оказывать сопротивление потокам океанской воды и поддерживать устойчивость конструкции в неблагоприятную погоду. Массив электрогенерирующих блоков может быть закреплен на дне океана якорем 97, что обеспечивает дополнительную устойчивость конструкции. Для поддержания заданного положения конструкции и для определения ее местоположения в воде может использоваться поплавок или буй 98. Предпочтительно, чтобы электрогенерирующие блоки монтировались на объединительных блоках отдельных наборов с образованием массива и в дальнейшем, объединенные в единую электрическую сеть, совместно вырабатывали электрическую энергию, передаваемую внешним источникам потребления. Суммарная энергия, произведенная массивом электрогенерирующих блоков, может передаваться во внешние электрические сети как по обычным электрическим проводам 99, так и по сверхпроводящим кабелям или иными средствами передачи электрической энергии, известными в настоящее время.
На фиг.10А, 10Б, 10В и 10Г представлено несколько изображений турбогенератора конической формы с центральным валом 100 и множеством лопастей рабочего колеса, расположенных по окружности вала несколькими ступенями, такими как ступень 102. В некоторых вариантах осуществления изобретения предпочтительно использовать одноступенчатое рабочее колесо. Корпус рабочего колеса турбины содержит вмонтированные в него магниты 104 или внедренный в него магнитный полимер. Внешний корпус 108 турбины содержит проходящие насквозь электрические выводы 106 и жесткую опору 107, позволяющую монтировать набор из отдельных агрегатов. На фиг.10Г также изображен объединительный блок 111, служащий для монтажа и соединения в единую электрическую цепь массивов электрогенерирующих блоков. Объединительный блок содержит электрические соединения, выполненные из медных проводов или проводящего полимера 109.
2
Новаторская конструкция турбин получена за счет использования полимеров, применяющихся в полимерных формах для массового изготовления турбин. Магнитные элементы турбины могут быть одним из разного рода материалов, внедренных в турбину, в том числе железосодержащий, керамикообразующий, магнитный полимер (магниты на основе магнитополимеров) или магниты из редкоземельных металлов (NdFeB). Использование электропроводящего полимера для изготовления катодов и анодов внедренной в конструкцию передающей системы и ее массивов уменьшает общий вес устройства и позволяет сделать производство турбин эффективным и малозатратным. Помимо этого, использование подобных турбин не приводит к выбросу в атмосферу СО, CO, NOx, SOx или предшественников озона. Рабочее колесо турбины, изображенное на фиг.10, изготовлено из полимера для выполнения максимальной работы в тандеме с сужающимся корпусом или соплом.
Полимеры используются для достижения коррозионной устойчивости, низкой себестоимости производства, массового производства, для производства лопастей рабочего колеса турбины, производства нескольких независимых друг от друга рабочих колес турбины. Полимеры используются для производства полимерных форм для массового изготовления турбин. В полимерах применяются такие магнитные элементы конструкции, как железосодержащие, керамикообразующие или магнитные полимеры (магниты на основе магнитополимеров и редкоземельных металлов NdFeB), что позволяет применять их для преобразования кинетической энергии океана в электрическую. Помимо этого, электропроводящие полимеры используются для изготовления катодов и анодов внедренной в конструкцию передающей системы и ее массивов.
На фиг.11А и 11Б представлены виды сбоку и спереди/сзади турбогенератора с несколькими рабочими колесами, расположенными несколькими ступенями. В некоторых примерах конструктивного воплощения изобретения для выделения энергии может быть предпочтительным использовать одноступенчатые рабочие колеса турбин. Турбина смонтирована на подсоединенной к единой электрической цепи базе 111, которая позволяет вертикально собирать несколько электрогенерирующих блоков, являющихся частью большого массива, выстраивая эти блоки по вертикали. Перекрещивающиеся раскосы 112 обеспечивают дополнительную устойчивость корпусу турбины. Обмотки корпуса турбины из медного провода или проводящего полимера располагаются вокруг рабочего колеса турбины и служат для выработки электрического тока, когда магниты или магнитный материал, внедренный в рабочее колесо, вращается вместе с рабочим колесом, создавая поток магнитной индукции.
На фиг.12 изображена группа массивов 120 электрогенерирующих блоков, электрически соединенных с сетью 122. Массивы электрогенерирующих блоков установлены под прямым углом по отношению к направлению потоков океанской воды и включены в сеть параллельно. Сверху массивов предусмотрены поплавки (буи) 124, которые поддерживают массивы в заданном положении и ориентации и служат для определения их местоположения в воде. В предпочтительном варианте осуществления изобретения массивы электрогенерирующих блоков располагаются неподалеку от зоны волнорезов, чтобы использовать максимальное количество энергии океанских волн рядом с береговой линией.
Хотя данное изобретение было объяснено в связи с предпочтительным вариантом его осуществления, данный факт не означает, что объем правовой охраны изобретения ограничивается лишь данным вариантом. Наоборот, объем правовой охраны изобретения распространяется на такие альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем данного изобретения.