ПОДВОДНАЯ ПРИЛИВНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
UNDERWATER TIDAL POWER PLANT

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности к устройствам, вырабатывающим электроэнергию за счет преобразования энергии морских волн, образующихся при приливах и отливах, во вращательное движение гидропривода подводной электростанции.
Известно об экономической эффективности создания приливных электростанций для производства электроэнергии за счет эффекта морских приливов и отливов в прибрежных регионах России (Усачев И.Н., Прудовский A.M., Историк Б.Л., Шполянский Ю.Б. Применение ортогональной турбины на приливных электростанциях // Гидротехническое строительство. №12. - 1998). Однако эффективность приливных электростанций в значительной степени зависит от конструктивных решений гидротурбин и места расположения приливных электростанций для обеспечения необходимых скоростей движения морской воды.
Известна электростанция, принятая в качестве прототипа, использующая энергию морского течения (Копылов И.П. Низкопотенциальные источники энергии: из прошлого в будущее // Энергия №4. 1992 г. - стр. 31-41), состоящая из гидроколеса, жестко соединенного с валом генератора, который помещен в камеру, изолированную от воды бетонной капсулой и уплотнениями. Недостатком данной электростанции является следующее: гидроколесо вантовой конструкции имеет большое сопротивление потоку воды и вследствие этого не обладает достаточной мощностью.
Известно устройство приливных электростанций (ПЭС), преобразующих энергию морских приливов в электрическую. ПЭС использует перепад уровней «полной» и «малой» воды во время прилива и отлива (Проект века: Мезенская приливная электростанция // «Энергетика и промышленность России», №3 (7) март 2001 года). Однако предлагаемые варианты ПЭС предполагают перекрытие плотиной залива или устья впадающей в море реки для образования так называемого бассейна ПЭС, при этом гидротурбины и соединенные с ними гидрогенераторы размещены в теле плотины. Создание таких вариантов ПЭС сопряжено с большими капитальными и эксплуатационными затратами и высокой себестоимостью производимой электроэнергии.
Известна электростанция, использующая энергию морского течения, состоящая из гидроколеса, жестко соединенного с валом генератора, который помещен в камеру, изолированную от воды бетонной капсулой и уплотнениями. Гидроколесо вантовой конструкции находится над генератором (Журнал «Энергия», №4. 1992. - стр. 31-41). Недостатком данной электростанции является то, что гидроколесо вантовой конструкции имеет большое сопротивление потоку воды и вследствие этого не обладает достаточной мощностью, чтобы раскрутить генератор, с целью достижения нужной скорости прохождения полюсов ротора перед обмотками статора.
Известна система преобразования ветровой энергии в электрическую, включающая в себя генератор, который имеет неподвижный статор, который может быть соединен с электрической системой, и свободновращающийся ротор с постоянными магнитами (Заявка на изобретение №2013109006/07, опубл. 10.09.2014, Бюл. №25). Однако данная система предназначена для преобразования ветровой энергии в электрическую и не может быть использована для преобразования энергии приливов и отливов в электрическую энергию.
Известно устройство электрогенерирующее устройство, состоящее из гидротурбины лопастного типа и электрогенератора, при этом ротор генератора имеет полюса с постоянными магнитами (Заявка на изобретение №2008121064/06, опубл. 10.12.2009 Бюл. №34). Однако конструкция данного электрогенерирующего устройства изготовлена для ее установки на гидроэлектростанции и не может быть использована для преобразования энергии приливов и отливов в электрическую энергию.
Известно устройство гидрогенератора с возбуждением от постоянных магнитов, содержащего неподвижный статор и вращающийся ротор с постоянными магнитами (Журнал «Индустрия», №9, 2009. - стр. 41).
Известна электроэнергетическая установка, имеющая генератор с возбуждением от постоянных магнитов, преобразователь, содержащий выпрямитель, инвертор и контроллер, а также датчики напряжения фаз и тока фаз (Патент РФ на полезную модель №137014, опубл. 27.01.2014, Бюл. №3).
Известно устройство лопастной свободнопоточной гидроэлектростанции, содержащей электрогенератор, неподвижно закрепленный водопогруженный модуль, включающий гидротурбину с горизонтальной осью вращения, соединенной валом с электрогенератором, при этом электрогенератор размещен ниже уровня воды, установлен в герметичном корпусе и соединен с гондолой мультипликатора вертикально расположенной герметичной трубой, размеры которой выбраны исходя из условия образования в районе электрогенератора воздушной подушки, достаточной для предотвращения проникновения воды в корпус электрогенератора (Свидетельство на полезную модель РФ №23317, опубл. 10.06.2002). Однако данная гидроэлектростанция имеет сложное конструктивное исполнение и может быть использована только в качестве подводной гидроэлектростанции для преобразования энергии приливов и отливов в электрическую энергию.
Известно устройство подводной приливной электростанции с лопастным гидрогенератором, содержащим статор и ротор, расположенные в герметическом корпусе, и балластными отсеками, при этом фиксация гидрогенератора на месте эксплуатации осуществляется с помощью телескопических шарнирных опор, закрепленных на бетонных блоках, устанавливаемых на морском дне (Патент РФ №2070987 опубл. 27.12.1996). Однако заполняемые водой балластные отсеки, а также телескопические шарнирные опоры, закрепленные на бетонном блоке и устанавливаемые на морском дне для фиксации приливной электростанции в заглубленном положении имеют сложное и дорогостоящее исполнение.
Подводная приливная электростанция, содержащая гидрогенератор, состоящий из гидротурбины и генератора, размещенного в герметическом корпусе и кинематически связанного с гидротурбиной, преобразователя частоты, через который гидрогенератор подключен к внешней энергосистеме, и систему управления (Патент на полезную модель РФ №128251, опубл. 20.05.2013 Бюл. №14). Однако гидротурбина выполнена в виде ортогональной турбины, что снижает эффективность приливной электростанции и увеличивает ее массогабаритные характеристики, а также не раскрыто техническое решение по фиксации подводной приливной электростанции в заглубленном положении, что не позволяет оценить стоимость затрат на строительство подводной приливной электростанции.
Технический результат, который может быть получен при применении данного изобретения, заключается в снижении стоимости строительства подводной приливной электростанции за счет упрощенного способа ее фиксации в заглубленном положении, а также повышении эффективности и снижение массогабаритных характеристик подводной приливной электростанции за счет применения гидротурбины лопастного типа и генератора с возбуждением от постоянных магнитов.
Для достижения данного технического результата подводная приливная электростанция, содержащая гидрогенератор, состоящий из гидротурбины и генератора, размещенного в герметическом корпусе и кинематически связанного с гидротурбиной, преобразователя частоты, через который гидрогенератор подключен к внешней энергосистеме, и систему управления, снабжена гидротурбиной лопастного типа и генератором с возбуждением от постоянных магнитов, при этом гидрогенератор размещен в металлическом цилиндрическом каркасе, к верхней части которого присоединена полая емкость для удержания каркаса в подводном заглубленном положении, а к нижней части каркаса прикреплены тросы, одними концами связанные с каркасом, а другими с фиксирующими блоками, опущенными на морское дно, при этом преобразователь частоты размещен на берегу и связан с гидрогенератором с помощью электрического кабеля, а на концах цилиндрического каркаса установлены конусные устройства, образующие на входе потока воды конфузор, а на выходе - диффузор.
Введение в состав подводной приливной электростанции гидротурбины лопастного типа и генератора с возбуждением от постоянных магнитов, а также полой емкости, кроссов и фиксирующих блоков, опущенных на морское дно для удержания каркаса в подводном заглубленном положении, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности снижения стоимости строительства подводной приливной электростанции за счет упрощенного способа ее фиксации в заглубленном подводном положении с помощью удерживания приливной электростанции между поверхностью моря и морским дном с одной стороны подъемной силой полой емкости, а с другой стороны якорением приливной электростанции с помощью тросов к фиксирующим блокам на морском дне, а также повышении эффективности и снижение массогабаритных характеристик подводной приливной электростанции за счет применения гидрогенератора с гидротурбиной лопастного типа и генератора с возбуждением от постоянных магнитов и размещения его в металлическом каркасе, имеющем конусные устройства, образующие на входе потока воды конфузор, а на выходе - диффузор, что обеспечивает высокую скорость прохождения потока воды при приливе и отливе через гидрогенератор.
На чертеже изображено устройство подводной приливной электростанции.
Подводная приливная электростанция содержит гидрогенератор 1, состоящий из гидротурбины лопастного типа и генератора с возбуждением от постоянных магнитов в герметичном корпусе (на рис. не показаны), который размещен в металлическом цилиндрическом каркасе 2. К верхней части каркаса 2 присоединена полая емкость 3 для удержания каркаса 2 в заглубленном подводном положении, а к нижней части каркаса 2 прикреплены тросы 4 (например металлические канаты), одними концами связанные с каркасом 2, а другими с фиксирующими блоками 5, опущенными на морское дно, при этом преобразователь частоты 6 размещен на берегу и связан с гидрогенератором 1 с помощью электрического кабеля 7, а на концах цилиндрического каркаса 2 установлены конусные устройства, образующие на входе потока воды конфузор 8, а на выходе - диффузор 9.
Подводная приливная электростанция работает следующим образом.
Подводную приливную электростанцию опускают на место установки с корабля с помощью крана за счет тяжести фиксирующих блоков 5, выполненных, например, из железобетона. Металлический цилиндрический каркас 2 с расположенным в нем гидроприводом 1 за счет полой емкости 3, прикрепленной в верхней части каркаса 2, удерживается заглубленном подводном положении. За счет подъемной силы полой емкости 3 и длины тросов 4 каркас 2 с гидроприводом 1 может быть расположен на любой глубине прибрежной морской зоны. Это позволяет выбирать место для расположения подводной электростанции с максимальной скоростью движения приливной волны. Использование гидропривода 1 с лопастной гидротурбиной в комбинации с генератором с возбуждением от постоянных магнитов, позволяет преобразовывать в электрическую энергию как энергию прилива морской воды, так и энергию отлива.
При приливе (движении приливной волны в сторону берега) при проходе через каркас 2 за счет конфузора 8 и диффузора 9, расположенных на концах каркаса 2, увеличивается скорость и давление морской воды, которая преобразуется во вращательное движение гидротурбины лопастного типа и генератора с возбуждением от постоянных магнитов, являющихся элементами гидропривода 1. За счет энергии прилива и вращательного движения генератора с возбуждением от постоянных магнитов генерируется электрическая энергия, которая от гидропривода 1 подается с помощью электрического кабеля 7 на преобразователь частоты 6, размещенный на берегу моря. В преобразователе частоты 6 формируется электрический ток необходимого качества для его дальнейшей подачи потребителям электрической энергии.
При отливе (движении приливной волны от берега), при проходе через каркас 2 за счет конфузора (его роль выполняет диффузор 9) и диффузора (его роль выполняет конфузор 8), расположенных на концах каркаса 2, увеличивается скорость и давление морской воды, которая также преобразуется во вращательное движение гидротурбины лопастного типа и генератора с возбуждением от постоянных магнитов, являющихся элементами гидропривода 1. За счет энергии отлива и вращательного движения генератора с возбуждением от постоянных магнитов, генерируется электрическая энергия, которая от гидропривода 1 подается с помощью электрического кабеля 7 на преобразователь частоты 6, размещенный на берегу моря.