АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
ALTERNATIVE HYDROELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к конструкциям для получения электроэнергии из возобновляемых источников.
Из уровня техники известен «Аппарат для выработки электроэнергии» WO 2010150932 А1, который представляет собой очень сложную конструкцию.
Это высотное здание, в основании которого размещается нижнее водохранилище. Верхнее водохранилище располагается на верху здания и установлено на четырех полых колоннах, внутри которых оборудованы каналы для прохождения потоков воды к гидротурбинам, установленным внутри колонн, внизу. Гидротурбины вращают электрогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. Под верхним водохранилищем, на заданной высоте, установлен мощный ветрогенератор с горизонтальной осью вращения и механизмом ориентации на направление ветра. На четырех колоннах вокруг ветрогенератора установлены поворотные панели, управляемые специальным датчиком, которые при повороте на определенный угол усиливают ветровой поток, поступающий на ветрогенератор. Электроэнергия, полученная от ветрогенератора, питает электронасос, который поднимает воду, по трубе, из нижнего водохранилища в верхнее водохранилище. Аппарат имеет контроллер для управления работой насоса и клапанов, регулирующих потоки воды, падающие на гидротурбины в соответствии с уровнем воды верхнего водохранилища.
В данном источнике электроэнергии невозможно использование энергии ветра малой скорости, так как мощный ветрогенератор может работать только при ветрах большой скорости.
Задачей изобретения является создание конструкции альтернативной гидроэлектростанции (АГЭС), которая использует сбалансированные ленточные водоподъемные установки (СЛВПУ), приводимые в движение энергией ветра, начиная с ветра малой скорости, обеспечивающие подъем воды на необходимую высоту для создания напора, необходимого для работы гидротурбин.
Указанная задача решена в альтернативной гидроэлектростанции, содержащей водохранилище верхнего бьефа, конструкцию для его размещения на необходимой высоте, в которую включено здание с машинным залом, гидротурбину, устройство подвода воды к гидротурбине, ветродвигатель с вертикальной осью вращения, водохранилище нижнего бьефа. Согласно изобретению гидроэлектростанция снабжена сбалансированной ленточной водоподъемной установкой для подъема воды на необходимую высоту и создания напора необходимого для работы гидротурбины, приводимой в движение энергией ветра, путем передачи вращательного движения от ветродвигателя на сбалансированную ленточную водоподъемную установку, состоящую из двух одинаковых зеркально установленных друг к другу ленточных водоподъемных установок, одна из которых ведущая, а другая - ведомая и которые установлены относительно друг друга так, чтобы нагруженные стороны водоподъемных лент водоподъемных установок находились снаружи сбалансированной ленточной водоподъемной установки, а ненагруженные стороны водоподъемных лент находились внутри сбалансированной ленточной водоподъемной установки, в которых верхний и нижний шкивы ведущей ленточной водоподъемной установки приводят в движение соответственно верхний и нижний шкивы зеркально установленной ведомой ленточной водоподъемной установки, вращающейся в направлении, противоположном вращению ведущей ленточной водоподъемной установки, в результате чего ненагруженная сторона ведущей ленточной водоподъемной установки нагружена нагруженной стороной ведомой ленточной водоподъемной установки, при этом величина ее нагрузки меньше на величину силы трения, существующей при передаче нагрузки ведомой ленточной водоподъемной установки на ведущую ленточную водоподъемную установку, что обеспечивается механизмом балансировки, состоящим из отжимного ролика, закрепленного на поворотном рычаге с регулировочным винтом, регулирующим положение рычага между водоподъемной лентой с закрепленным водовпитывающим материалом, и жестко закрепленным упорным кронштейном, изменяя расстояние между отжимным роликом и водоподъемной лентой с закрепленным водовпитывающим материалом и, таким образом, регулируя вес воды, поднимаемой зеркально установленной ведомой ленточной водоподъемной установкой. Кроме того, пространство конструкции между водохранилищем верхнего бьефа и водохранилищем нижнего бьефа разделено на этажи для размещения на них промышленных, аграрных или коммерческих предприятий.
Устройство АГЭС поясняют чертежи.
На фиг. 1-4 изображена структурная схема АГЭС.
На фиг. 1 (вид слева), фиг. 2 (вид спереди), фиг. 3 (вид справа), фиг. 4 (вид сверху).
1 - ВНБ (водохранилище нижнего бьефа),
2 - ВВБ (водохранилище верхнего бьефа),
3 - трубопровод, соединяющий ВВБ,
4 - трубопровод, подводящий воду к гидротурбине,
5 - трубопровод, соединяющий ВНБ,
6 - запорная арматура,
7 - ветродвигатели с вертикальной осью вращения,
8 - эстакады для монтажа и технического обслуживания ветродвигателей,
9 - линии, на которых устанавливаются СЛВПУ, приводимые в движение ветродвигателями,
10 - коридоры, в которых устанавливаются СЛВПУ, приводимые в движение ветродвигателями,
11 - машинный зал,
12 - вход в машинный зал,
13 - лестница,
14 - лифт,
15 - гидротурбина и генератор,
16 - этажи для коммерческого применения.
На фиг. 5 (вид спереди) и 6 (вид сбоку) изображена структурная схема СЛВПУ.
17 - верхний блок СЛВПУ,
18 - нижний блок СЛВПУ,
19 - ветродвигатель с вертикальной осью вращения, передача которого на СЛВПУ осуществляется через коническую передачу,
20 - бесконечная лента с водовпитывающим слоем,
21 - ведущий шкив верхнего блока СЛВПУ,
22 - зеркально установленный шкив верхнего блока СЛВПУ,
23 - шкив нижнего блока СЛВПУ,
24 - зеркально установленный шкив нижнего блока СЛВПУ,
25 - выжимной механизм,
26 - водоприемник,
27 - механизм балансировки,
28 - уровень воды.
В состав АГЭС входят:
- ВВБ и ВНБ;
- конструкция, обеспечивающая размещение ВВБ на необходимой высоте и размещение ВНБ внизу;
- СЛВПУ (сбалансированные ленточные водоподъемные установки), обеспечивающие подъем воды на необходимую высоту для создания напора;
- здание с машинным залом с устройством подвода воды к гидротурбине и к СЛВПУ.
ВВБ и ВНБ представляют собой набор одинаковых емкостей, соединенных между собой трубопроводами. ВВБ имеет верхний и нижний трубопроводы. Верхний трубопровод обеспечивает заполнение емкостей ВВБ сверху, а нижний соединяет их по принципу сообщающихся сосудов. Каждая емкость оборудована запорной арматурой: кранами, которые отключают емкость от трубопроводов при ремонте, и аварийными клапанами. Количество емкостей ВВБ и ВНБ прямо пропорционально мощности АГЭС.
В том случае, когда АГЭС имеет постоянное соединение с незамерзающим природным источником воды, способным обеспечить потребности АГЭС в воде, этот источник играет роль ВНБ.
В ГЭС напор, создаваемый плотиной, равен разности между верхним уровнем ВВБ и верхним уровнем ВНБ, поэтому плотина испытывает огромную нагрузку. В АГЭС уровень воды в ВВБ может быть небольшим, так как напор равен разности уровней между дном ВВБ и верхним уровнем ВНБ. Поэтому удельная нагрузка конструкции для размещения ВВБ невелика.
Конструкция для размещения ВВБ на высоте, обеспечивающей необходимый напор воды, может представлять собой стальную, железобетонную каркасную или иную конструкцию. Таким образом, конструкция может быть быстровозводимой. К иным конструкциям можно отнести насыпную конструкцию для размещения ВВБ, при этом ВНБ размещается рядом или, при наличии, природного перепада высот.
В основании конструкции, обеспечивающей размещение ВВБ, находится здание с машинным залом и устройством подвода воды к гидротурбине и к СЛВПУ.
В АГЭС используется наиболее эффективный способ использования энергии водотока, так как трубопровод, подводящий воду к турбине, соединенный с емкостями ВВБ, может устанавливаться вертикально.
СЛВПУ, приводимые в движение энергией ветра, начиная с ветра малой скорости (менее 5 м/с), обеспечивают подъем воды на необходимую высоту для создания напора, необходимого для работы гидротурбин.
Ведущий вал ЛВПУ (ленточная водоподъемная установка) разбалансирован, поэтому невозможно использование энергии ветра малой скорости для привода в движение ЛВПУ.
Сторона ленты ЛВПУ, насыщенная водой, от уровня воды, в которую опущен нижний шкив, до выжимного ролика, называется нагруженной стороной, а противоположная сторона ленты ЛВПУ называется ненагруженной стороной.
Часть подъемной ленты, от уровня воды до выжимного механизма насыщена водой и поэтому тяжелее части подъемной ленты после выжимного механизма на величину веса воды, которая удалена с подъемной ленты выжимным механизмом. Этот разбаланс присутствует постоянно.
Для обеспечения вращения ЛВПУ необходима скорость ветра с силой, превышающей силу, необходимую для преодоления разбаланса. К тому же происходит быстрый износ вращающихся деталей ЛВПУ, что приводит к резкому снижению эксплуатационного ресурса.
Для устранения разбаланса механизма ЛВПУ рядом с ним, зеркально, устанавливается второй такой же механизм ЛВПУ. Верхний и нижний шкивы первого механизма, который будет называться ведущим, приводят в движение верхний и нижний шкивы зеркально установленного, второго, ведомого механизма, которые вращаются в направлении, противоположном вращению первого механизма.
Передача движения может происходить посредством фрикционной передачи, зубчатой, цепной или ременной передачи, ремнем, надетым восьмеркой.
Механизмы сбалансированной ЛВПУ монтируются так, чтобы нагруженные стороны подъемных лент находились с наружных сторон, а ненагруженные, с внутренних сторон зеркально установленных друг к другу ЛВПУ.
В результате ненагруженная сторона ведущего водоподъемного механизма нагружается нагруженной стороной зеркально установленного ведомого водоподъемного механизма. Нагрузка нагруженной стороны зеркально установленного механизма равна нагрузке нагруженной стороны основного механизма, уменьшенной на величину силы трения, существующей при передаче движения зеркально установленного механизма. Таким образом, разбаланс устраняется.
Механизм балансировки СЛВПУ состоит из отжимного ролика, который закреплен на поворотном рычаге с регулировочным винтом, регулирующим положение рычага, между лентой с закрепленным водовпитывающим материалом и жестко закрепленным упорным кронштейном, изменяя расстояние между отжимным роликом и лентой с закрепленным водовпитывающим материалом и, таким образом, регулируется вес воды, поднимаемый зеркально установленной ленточной водоподъемной установкой. Механизм балансировки устанавливается максимально близко к нижнему шкиву зеркально установленного механизма ЛВПУ на его нагруженной стороне.
Механизм СЛВПУ предназначен для подъема воды на десятки метров. Для предотвращения колебаний и вибрации лент СЛВПУ на участках между ведущим и ведомым шкивами устанавливаются пары стабилизирующих роликов. Ролик, устанавливаемый с внутренней стороны ленты, имеет цилиндрическую форму. Ролик, устанавливаемый с наружной стороны ленты, имеет в цилиндрической форме выемку, равную поперечному сечению закрепленного на ленте водовпитывающего материала. При этом лента шире полосы водовпитывающего материала, закрепленного на ней симметрично относительно продольной оси. Количество стабилизирующих пар роликов зависит от высоты подъема воды СЛВПУ.
В ЛВПУ используется ветродвигатель с горизонтальной осью вращения, который имеет устройство для ориентации на ветер. ЛВПУ с ветродвигателем помещен в подвижный корпус, который вращается вокруг своей вертикальной оси, внутри неподвижного корпуса. Это усложняет конструкцию, делает ее значительно дороже.
Для устранения этого недостатка предлагается использовать ветродвигатель с вертикальной осью вращения, с передачей вращения на горизонтальный ведущий вал СЛВПУ через коническую, зубчатую или фрикционную передачу, напрямую или через редуктор. В этом случае достаточно одного неподвижного корпуса, в который заключена СЛВПУ, и конструкция становится значительно проще, надежней и дешевле.
При использовании механизма СЛВПУ для подъема воды на десятки метров его можно разделить на блоки. Верхний блок включает в себя два шкива, выжимной механизм и водоприемник, заключенные в корпус. Нижний блок включает в себя два шкива и механизм балансировки, заключенные в корпус. Отпадает необходимость в общем большом корпусе для СЛВПУ. Верхний блок и нижний блок можно устанавливать непосредственно на конструкцию АГЭС. Использование блочной схемы СЛВПУ обеспечит удешевление СЛВПУ.
То, что СЛВПУ будет работать при наличии ветра самой малой скорости, можно увидеть на примере отбалансированного автомобильного колеса на балансировочном станке. После легкого касания тяжелое колесо начинает вращаться и вращается некоторое время по инерции, после прекращения действия силы, приводящей его в движение. Разбалансированное колесо начнет движение после приложения силы, превышающей вес разбаланса, а после прекращения приложения силы начнет маятниковое качание относительно точки разбаланса и быстро остановится.
Объем воды, поднимаемый СЛВПУ, - величина переменная, которая зависит от скорости ветра. Кроме того, бывают периоды времени, когда ветра нет вообще. Поэтому количество СЛВПУ, работающих на АГЭС, определяется условиями ветрообстановки в месте размещения АГЭС.
Для обеспечения работы АГЭС при отрицательных температурах можно применить два способа:
Способ 1 - использовать водный раствор, который будет незамерзающим при отрицательных температурах;
Способ 2 - заключить всю конструкцию АГЭС в кожух, внутри которого будет поддерживаться положительная температура. Мощность АГЭС изначально увеличивается на величину мощности, необходимой для обеспечения нужной температуры внутри кожуха. Можно использовать тепло земли, заложив необходимую конструкцию получения этого тепла в проект АГЭС. В этом случае ВВБ располагается над ВНБ.
Для обеспечения работы ветродвигателей при отрицательных температурах можно применить противообледенительные системы и средства, используемые в авиации.
Работа АГЭС
Дующий ветер, начиная с ветра малой скорости, вращает ветродвигатели с вертикальной осью вращения, которые вращают СЛВПУ, обеспечивающие подъем воды из ВНБ в ВВБ.
Вода из ВВБ по трубопроводу подводится к гидротурбине, после чего поступает в ВНБ.
Объем ВВБ должен быть таким, какой обеспечит выработку электроэнергии во время отсутствия ветра.
Для начала промышленного производства АГЭС нужно:
- выбрать материалы для изготовления лент СЛВПУ;
- опытным путем определить оптимальное соотношение между высотой подъема и объемом поднимаемой воды одной СЛВПУ, приводимой в движение энергии ветра малой скорости. Проще говоря, определить, какое количество воды и на какую высоту будет подниматься СЛВПУ при самой малой скорости ветра.
Эти опыты можно провести за несколько месяцев.
По результатам опытов будет определено количество СЛВПУ, соответствующее мощности АГЭС, которая как законченное изделие будет производиться и комплектоваться на предприятиях.