РУСЛОВАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
RIVER HYDRO-ELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к бесплотинным гидроэлектростанциям, которые размещают на равнинных многоводных реках, в узких сжатых долинах, на горных реках, а также в быстрых течениях морей и океанов.
Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами - их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря на значительные, удельные капиталовложения на 1 кВт установленной мощности и продолжительные сроки строительства, придавалось и придается большое значение, особенно когда это связано с размещением электроемких производств.
Конечно, ГЭС в отличие от тепловых электростанций атмосферу не отравляют, глобальному потеплению не способствуют и запасы ископаемого топлива не сокращают. И киловатт энергии у них дешевле, чем у ТЭС. Правда, строительство обходится довольно дорого: огромные плотины, каналы, колоссальные объемы земляных и бетонных работ. Да и экологически такие ГЭС отнюдь не безопасны. Плотины нарушают естественную жизнь реки, рыба гибнет, берега заболачиваются, исчезают под водохранилищами большие площади плодородной почвы. Порой и местный климат меняется не в лучшую сторону.
Уровень развития гидроэнергетики в разных странах и на разных континентах неодинаковый. Больше всего гидроэлектроэнергии вырабатывают Соединенные Штаты Америки, за ними идут Россия, Украина, Канада, Япония, Бразилия, КНР и Норвегия.
Потенциал гидроэнергетических ресурсов мира составляет более 2200 ГВт. Используемый процент гидроэнергетических ресурсов - 21%. /http://www.allsoch.ru/.
Износ гидросооружений в России на сегодня составляет 70% и они "представляют серьезную техногенную опасность в свете террористической угрозы" (REGNUM).
Так что в индустриально развитых странах сооружение электростанций на крупных реках, очевидно, не имеет перспектив. Более того, в США, например, разрабатывается программа постепенной ликвидации ГЭС, наносящих ущерб окружающей среде. «Первой ласточкой» явилось решение о выделении средств на демонтаж плотины электростанции Эдвардс на реке Кенниибек в штате Мэн.
В последние десятилетия в нашей стране и за рубежом предпринимались попытки создания низконапорных турбин для бесплотинных ГЭС. Были разработаны различные конструкции (с осью вращения рабочего колеса, перпендикулярной или параллельной потоку). Например, инженер Б. Блинов сконструировал так называемую торцовую осевую турбину. Несколько гидродвигателей насаживались на гибкий вал (трос), образуя «торцовую гирлянду». В результате появлялась возможность использования энергии извилистых рек и даже ручьев. (Блинов предложил ряд конструкций такого назначения, одна из которых описана в «ТМ», 7 за 1964 г - Ред.) В середине 70-х гг. проводились эксперименты по применению реактивной турбины Дарье с прямыми лопастями, предлагались свободнопроточная воронкообразная турбина Тайсона, многоступенчатый свободно прямоточный гидродвигатель с лопастями из упругого материала и др.
Однако все эти устройства не получили распространения из-за низкого КПД, не превышающего 10-15%. Сложную техническую задачу удалось решить, создав реактивную поперечноструйную геликоидную турбину со спиральными лопастями. Автор этого изобретения, запатентованного в США в 1994 г., - Александр Горлов, наш соотечественник, ныне - директор лаборатории энергетики воды и ветра Северо-восточного университета в Бостоне.
В чем преимущества «турбины Горлова»? Ее КПД в 2-3 раза выше, чем у любой другой, работающей в свободном потоке, без плотины. Вращается она равномерно, без пульсаций и вибраций. В отличие от обычных многотонных металлических турбин речных и приливных электростанций пластиковая геликоидная имеет очень небольшие размеры (диаметр - 1 м, длина - 84 см) и весит всего 35 кг. Для получения требуемой мощности можно использовать любое количество таких турбин, насаженных на вал электрогенератора. Поверхность рабочего колеса имеет специальное эластичное покрытие, снижающее трение о воду и исключающее налипание водорослей и моллюсков.
Исследования с целью определения оптимальных параметров и совершенствования конструкции турбины проводились в лаборатории энергетики воды и ветра Северо-восточного университета, а затем - в лаборатории Мичиганского университета. В 1996 г.испытания опытных образцов были перенесены в производственные условия: три месяца они проработали во время приливов и отливов в морском канале Кейп-Код близ Бостона, показав высокую надежность и эффективность работы.
Для выработки 136 МВт электроэнергии на ГЭС у острова Марафон потребуется 50000 турбин Горлова, из секций по 16 турбин на 13-метровом валу и около 3,5 тысяч генераторов по 38 киловатт в водонепроницаемой оболочке. Все эти системы подвешивают к металлическим секциям размером 40 на 40 метров, по 16 турбин на секцию, на глубине, обеспечивающей свободный проход судов (ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 11/1998).
Надо полагать, что размещение и обслуживание огромного количества маломощных турбин и генераторов в свободном потоке океанских течений малоэффективно.
Наиболее близким техническим решением - аналогом - является гидроэлектростанция, которую изобрели сотрудники Санкт-Петербургского Военного инженерно-технического университета, руководимые А.Савчуком. Электростанцию устанавливают в русле реки, ниже возможного уровня образования льда. Прямо на перекрытии корпуса в помещении установлены редуктор и электрогенератор, которому по валу передается вращение от турбины. Поток воды, движущийся по реке, обтекает ледорезную опору и бонные сети, защищающие сооружение во время ледохода, а также рыбу от попадания в роторы турбины. Поток входит в конфузорный канал, образуемый стенками ГЭС, и затем, ускорившись, направляется на лопасти колес, вращает турбины и, соответственно, вал генератора, вырабатывая электроэнергию. Пройдя последнее гидроколесо, поток попадает в диффузорный канал, где его скорость снижается до течения реки, с которым он и смешивается (патент РФ 2171910).
Данное техническое решение не исключает взаимодействие с ледоходом, т.к имеет надводную часть, в которой размещены редуктор и генератор. Кроме того, турбина выполнена с вертикальными лопастями, на вертикальном валу и помещена в поток одной половиной, вторая же половина лопастей помещена в углубление и вынуждена тратить энергию на бесполезное перемешивание воды. КПД такого решения довольно низкий. Кроме того, конфузор, в данном техническом решении, может увеличить скорость потока у турбины только в 5-7 раз.
Задача изобретения - расширение возможностей использования русловой бесплотинной гидроэлектростанции в узких сжатых долинах равнинных многоводных рек, на горных реках, а также в быстрых течениях морей и океанов.
Решение, на которое направлено изобретение, достигается тем, что направляющий аппарат выполнен из нескольких встроенных друг в друга труб Вентури, каждая из которых состоит из двух фасонных участков - сходящегося (конфузора) и расходящегося (диффузора), соединенных между собой меньшими основаниями, причем каждая меньшая труба Вентури широким основанием диффузора помещена с зазором в узкое основание большей трубы, а гидравлическая турбина с электрогенератором помещены на понтоне или на берегу и связаны с направляющим аппаратом водоводом в виде сифонной трубы, один конец которой помещен на входе в конфузор большей из труб Вентури, а другой конец - в узком месте меньшей из труб Вентури и оснащен насадкой в виде струйного насоса.
Русловая гидроэлектростанция может оснащаться электролизером для получения водорода и кислорода, емкостями для хранения водорода и заправки топливных элементов в контейнерах на морских судах.
На фиг.1 показана принципиальная схема гидроэлектростанции для морских и океанских течений, на фиг.2 - для речных течений.
Обозначены: 1 - внешняя труба Вентури; 2 - внутренняя (меньшая) труба Вентури; 3 - конфузор внешней трубы; 4 - конфузор меньшей трубы; 5 - диффузор внешней трубы; 6 - диффузор меньшей трубы; 7 - узкое место внешней трубы Вентури 1; 8 - узкое место внутренней трубы Вентури 2; 9 - зазор между широким основанием диффузора 6 внутренней трубы Вентури 2 и узким местом 7 внешней трубы Вентури 1; 10 - гидравлическая турбина с электрогенератором; 11 - понтон (1 вариант) или берег (2 вариант, фиг.2); 12 - сифонная труба; 13 - струйный насос, установленный в узком месте 8 меньшей из труб Вентури 2; 14 - электролизер; 15 - емкость для хранения водорода; 16 - защитная решетка.
Русловая гидроэлектростанция устанавливается в узкой сжатой долине реки или в быстрых морских или океанских течениях и представляет собой направляющий аппарат, который выполнен из нескольких встроенных друг в друга труб Вентури 1, 2, каждая из которых состоит из двух фасонных участков - сходящегося (конфузора) 3, 4 и расходящегося (диффузора) 5, 6, соединенных между собой меньшими основаниями 7, 8, причем каждая меньшая труба Вентури 2, широким основанием диффузора 6 помешена с зазором 9 в узкое место 7 большей трубы 1, а гидравлическая турбина с электрогенератором 10 помещена на понтоне 11 или на берегу 11 (фиг.2) и связана с направляющим аппаратом водоводом в виде сифонной трубы 12, один конец которой помещен на входе в конфузор 3 большей из труб Вентури 1, а другой конец помещен в узком соединении 8 меньшей из труб Вентури 2 и оснащен насадкой в виде струйного насоса 13. Русловая гидроэлектростанция может оснащаться электролизером 14 для получения водорода и кислорода, емкостями водорода 15 для его хранения и заправки топливных элементов в контейнерах на морских судах.
Работа гидроэлектростанции осуществляется за счет кинетической энергии потока воды, проходящего через сифонную трубу со скоростью у турбины, по крайней мере, в 15-20 раз большей, чем в течении реки или в свободном потоке океанского течения.
Высокая эффективность преобразования энергии течений в электрическую энергию достигается за счет перепада давлений в широких и узких основаниях во встроенных друг в друга трубах Вентури и ускорения потока воды у турбины генератора в 15-20 раз по сравнению со свободным потоком, путем помещения гидравлической турбины в сифонную трубу, один конец которой помещен на входе в конфузор внешней трубы Вентури, а другой конец - в узком месте меньшей из труб Вентури и оснащен насадкой в виде струйного насоса.
3
3
А так как мощность потока воды у турбины зависит от ометаемой площади (диаметра турбины) прямо пропорционально, а от скорости потока - в кубе, то эффективность такого решения по сравнению с аналогом (15/6), по крайней мере, в 15-35 раз выше.
Например, одна гидроэлектростанция размерами с железнодорожную цистерну, при скорости течения 10 км/час может выдать мощность более 2 мВт, что позволит обеспечить электроэнергией город с населением численностью 10000 человек, а размерами с атомную субмарину более 250 МВт - город с численностью населения более 1 миллиона человек.
3
А так как мощность океанских течений колоссальна (Гольфстрим - средний расход воды во Флоридском проливе 25 млн. м/с (в 20 раз превышает суммарный расход воды всех рек земного шара), Куросио - ширина составляет 170 км, глубина до 700 метров, средний расход воды 38 млн. кубометров в секунду), строительство таких гидроэлектростанций позволит существенно сократить потребность в невозобновляемых источниках энергии - нефти, газе, угле и др. для тепловых электростанций и перейти к экологически чистым источникам энергии.
Неосвоенные гидроэнергетические ресурсы Африки, Азии и Южной Америки открывают широкие возможности строительства новых ГЭС. На Северную Америку, в распоряжении которой находится приблизительно 13% мировых ресурсов гидроэнергетики, приходится около 35% полной мощности действующих ГЭС. В то же время Африка (21% мировых гидроэнергетических ресурсов) и Азия (39%) вносят лишь 5 и 18% соответственно в мировое производство гидроэлектроэнергии. Из других континентов Европа (21% ресурсов) дает 31% производства, а Южная Америка и Австралия, вместе взятые, имея приблизительно 15% ресурсов, дают только 11% выработанной в мире гидроэлектроэнергии.
Проект ГЭС на Гольфстриме вызвал большой интерес у японских специалистов. По их мнению, строительство таких электростанций на тихоокеанском течении Куросио позволит укрепить энергетическую базу экономики и улучшить экологическую обстановку в стране за счет сокращения количества тепловых электростанций. Рассматривая более далекие перспективы, японские ученые считают, что океанские ГЭС наилучшим образом обеспечат электроэнергией «морские» города на искусственных островах в Тихом океане. Имеется в виду грандиозная программа постепенного переселения значительной части японцев на острова, сооружаемые в океане. Это позволит остановить дальнейший рост городов, неизбежно ведущий к ухудшению экологической ситуации, решить проблему перенаселения страны. Коренная же территория, согласно проекту, должна использоваться под сельскохозяйственные угодья, национальные парки и парки для отдыха жителей «морских» городов.
ГЭС на Гольфстриме, ГЭС на Куросио… Похоже, XXI в. может стать началом нового этапа развития морской энергетики, связанного с использованием океанских течений.