СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ ВОЛКОВА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГИДРОЭНЕРГИИ МЕТОДОМ "ПАРУСНОГО" ЗАХВАТА РЕЧНЫХ, ПРИЛИВНЫХ И ОКЕАНИЧЕСКИХ ТЕЧЕНИЙ, А ТАКЖЕ МОРСКИХ ВОЛН
VOLKOV'S METHOD AND DEVICE TO GENERATE ELECTRIC POWER BY EXPLOITING RIVER, TIDAL AND OCEAN STREAMS AND SEA WAVES

Изобретение относится к области гидроэнергетики и может быть использовано для развертывания гидростанций на реках, в морях и океанах, где присутствуют течения, а также других водных пространствах, где есть волны.
Аналогом изобретения является способ, в котором вырабатывается максимальное количество энергии за счет регулировки и улавливания наиболее скоростных потоков, и устройство, в котором корпус изготовлен из комбинации жестких и пластичных материалов и в нем выполнена полость, а конфузор выполнен скошенным ко дну и в нем устанавливается несколько турбин (см. RU 2338089 С2, 05.01.2004) [1].
В качестве прототипа предложен источник информации, в котором описан способ производства гидроэнергии, заключающийся в том, что вращение рабочих лопаток осуществляется ускоренным потоком воды за счет ее прохождения в сооружении, закрепленном на грунте, увеличение скорости водяного потока производится за счет сооружения, которое погружается в движущийся наиболее скоростной поток, при этом при минимальном сопротивлении достигается максимальная скорость течения воды в узком сечении сооружения, дополнительное ускорение потока воды в узком сечении сооружения происходит за счет всестороннего обтекания внешних потоков воды вокруг сооружения. В данном источнике описано устройство для производства гидроэнергии, содержащее плоскость захвата воды, установленную на грунте, при этом плоскость захвата представляет из себя по внутренней части конфузор, переходящий в диффузор, а корпус устройства закреплен на грунте за счет тросов и якорей, что позволяет регулировать положение устройства и улавливать наиболее скоростные потоки (см. JP 5814371 А, 21.06.1983) [2].
Задача, решаемая изобретением, - это повышение эффективности использования и расширение технических возможностей за счет увеличения скорости водного потока при улавливании основного потока воды входящим сечением сооружения и за счет всестороннего обтекания этим потоком воды данного сооружения. Также решается задача снижения стоимости гидростанций за счет снижения затрат: за счет отказа от строительства плотин, за счет меньшего диаметра гидроколес, а также снижения затрат при установке и эксплуатации гидростанции. Кроме того, решается задача повышения эффективности гидростанции за счет регулирования ее положения в водном пространстве. Данная способность позволяет укрыть гидростанцию во время прохождения корабля, рыбацкой сети, ледохода, кроме того, за счет этой особенности станция может работать подо льдом и т.п. За счет применения в устройстве многоступенчатой турбины и многоступенчатого генератора производится увеличение мощности гидростанции, снижение ее веса, улучшение режима регулирования генераторов и т.п. Захваченный водяной поток на вводе его в турбину и выводе из нее проходит сквозь сопло с профилем Лаваля, а также при обтекании сооружения поток проходит по профилю сооружения, отображающему внутренний контур, но по более короткой радиусной кривой, что позволяет более полно использовать водяную энергию.
Поставленная задача достигается в способе производства гидроэнергии, заключающемся в том, что вращение рабочих лопаток, установленных в сооружении, состоящем из конфузора и диффузора, осуществляется ускоренным потоком воды за счет его прохождения через сооружение, которое закрепляется на грунте и погружается в движущийся наиболее скоростной поток параллельно ему, при этом при минимальном сопротивлении достигается максимальная скорость течения воды в узком сечении сооружения, а дополнительное ускорение потока воды происходит за счет всестороннего обтекания внешних потоков воды вокруг сооружения, согласно изобретению сооружение выполняют в виде сопла Лаваля с нужной плоскостью обтекаемой формы по кратчайшему расстоянию в виде плавной линии, причем конфузор и диффузор изготавливают со скосом ко дну, выполняя их верхнюю часть выступающей соответственно вперед и назад, а сопло корректируют в пространстве за счет натяжения тросов, наполнения воздухом или водой кингстонов, а также за счет скошенных сечений диффузора и конфузора.
Поставленная задача достигается в устройстве для производства гидроэнергии, содержащем сооружение, состоящее из конфузора и диффузора, закрепленное на грунте, и гидротурбину с генератором, установленную в сооружении, согласно изобретению сооружение выполнено в виде сопла Лаваля с наружной плоскостью обтекаемой формы по кратчайшему расстоянию в виде плавной линии и изготовлено из комбинации жестких и пластичных материалов, а конфузор и диффузор выполнены со скосом ко дну, верхняя часть которых выполнена выступающей соответственно вперед и назад.
На Фиг.1 изображено устройство, реализующее предложенный способ гидроэнергии. Сооружение 4, имеющее форму сопла Лаваля, конфузором улавливает поток воды 2, который, ускоряясь, проходит узкую часть сопла и раскручивает лопасти гидротурбины, вырабатывая энергию. После узкой части поток воды выходит через диффузор, снаружи поток воды, обтекающий сопло Лаваля по кратчайшему расстоянию, сливается с внутренним потоком, при этом повышая скорость течения воды в узкой части, так как энергия течения воды, протекающая внутри сопла, складывается с энергией течения воды, протекающей снаружи сопла. Это основано на закономерностях неразрьюности потока воды. Для того чтобы установить сопло по вертикали в потоке воды к якорю 1, находящемуся перед соплом, крепят тросы 3, удерживающие конфузор сопла, таким образом, чтобы конфузор улавливал наиболее скоростные потоки воды, при этом также учитывается, чтобы сопло со всех сторон омывалось также скоростными потоками воды. Якорь 1 удерживает тросом 3 диффузор сопла, не позволяя ему перемещаться поперек течения воды (фиг.1).
На Фиг.2 изображено устройство, реализующее предложенный способ гидроэнергии, таким же образом, как и на Фиг.1, с той лишь разницей, что сопло состоит из конфузора 5 и диффузора 6, выполненных из жестких материалов, что позволяет с меньшим трением раскручивать гидротурбину 7, установленную в узкой части сопла. Кроме того, жесткие материалы позволяют сделать пространство 8 пустотелым, при этом, заполняя его водой или воздухом по принципу кингстонов, можно регулировать сопло по вертикали в водном потоке. Стойки 9 могут фиксировать сопло в нужном положении, позволяя ему улавливать наиболее скоростные потоки, а также позволяя этим потокам обтекать сопло, тем самым позволяя производить турбине наибольшее количество энергии.
На Фиг.3 изображено устройство, реализующее предложенный способ, размещенный на неглубокой судоходной реке. Устройство изображено в рабочем положении, под установкой размещается углубление.
На Фиг.4 изображено устройство, аналогичное изображенному на Фиг.3, но в нижнем положении, когда оно размещается в углублении и дает проход судам.
На Фиг.5 изображено устройство, реализующее предложенный способ, размещенное в водоеме, где присутствуют волны. По вертикали устройство размещается таким образом, чтобы верхний край конфузора срезал половину волн и направлял созданное ими течение в узкую часть сопла, где установлена гидротурбина. Верхняя часть волн, обтекая сопло снаружи через диффузор, создает дополнительную тягу для течения, проходящего через узкую часть сопла. На данном устройстве может устанавливаться в ряд сразу несколько гидротурбин, так как ускоренный поток воды волнами располагается вверху у поверхности воды. В связи с этим устройство для выработки энергии волнами также будет располагаться у поверхности воды и будет растянуто в определенную линию.
На Фиг.6 показано вышеописанное устройство сбоку, на изображении видно, каким образом конфузор срезает часть волны, а другая часть волны проходит под соплом. По вертикали устройство регулируется с помощью тросов, закрепленных на якорях, а также оно может регулироваться за счет полости, расположенной между корпусами наружного и внутреннего сопла.
На Фиг.7 изображена река, где длина стрелок указывает скорость течения в зависимости от поворота русла реки, как видно из рисунка, наибольшая скорость течения реки находится у внешнего радиуса.
В связи с этим на Фиг.8 показано, где в реке выгоднее ставить устройство для производства энергии, т.е. сопло выгоднее также размещать ближе к внешнему радиусу. При этом конфузор и диффузор сопла нужно срезать таким образом, чтобы полученный острый угол был обращен к более скоростному потоку воды.
На Фиг.9 изображена скорость потока воды в реке, как видно из рисунка, скорость наибольшая находится вверху.
На Фиг.10 изображена скорость течения воды в плане, как видно из рисунка, у берегов за счет трения скорость воды минимальная, в середине потока максимальная.
На Фиг.11 изображено сопло в потоке воды, где плотность линий показывает скорость течения воды. Фиг.11 схематически показывает, каким образом в данном потоке необходимо разместить сопло, чтобы ускорить течение воды в его узкой части до максимального значения. Из Фиг.11 видно, что сопло должно размещаться в наиболее скоростных потоках, находящихся у поверхности воды, но с учетом определенного слоя воды, который должен протекать как над соплом, так и вокруг него. Конфузор и диффузор должны быть скошены, при этом острый угол скоса должен находиться в самом скоростном участке потока воды.
На Фиг.12 изображен график, на котором показано, что с ростом перепада Δp давления расход µ воды, проходящий через узкую часть сопла, в начале значительно увеличивается. С дальнейшим увеличением Δp увеличение расхода µ замедляется и наступает момент, когда увеличение расхода µ прекращается с увеличением Δр. То есть этот график показывает, что увеличение площади конфузора и диффузора при определенной площади узкой части сопла приводит к увеличению Δр, но на увеличение выработки энергии это влияет только на начальной стадии.
На Фиг.13 изображен график, на котором показано, что если постоянно увеличивать степень m сужения конфузора, то постепенно будет снижаться расход µ воды, протекающий в узкой части сопла. При дальнейшем увеличении степени m расход µ резко будет снижаться из-за значительного роста трения. Таким образом, для оптимальной выработки энергии необходимо выбрать такое m, которое позволило бы оптимально ускорить воду, не снижая значительно расход µ.
На Фиг.14 изображен график, где показано, как влияет увеличение степени m сужения и увеличение разности давления Δp на расход µ воды, протекающей в узкой части сопла. Пересечение этих графиков в точке α показывает, что оптимальный расход µ можно получить при оптимальном сужении m и оптимальной разности давления Δp.
На Фиг.15 изображено устройство, реализующее предложенный способ гидроэнергии, где показано, что гидротурбина 7 передает вращение на генератор 10 через тросик 11. Данная конструкция позволяет делать генератор не погруженным в воду, а соответственно конструкция его будет более дешевой.
На Фиг.16 изображена механическая передача вращения с гидротурбины 7 на генератор за счет вала 12 и редуктора 13.
Предложенный способ реализует устройство, представленное на фиг.1. Устройство включает якорь 1, который служит местом крепления всей системы за счет стальных тросов 3, которые крепятся к сооружению 4. Якорей 1 может быть задействовано несколько, для более точного позиционирования устройства в трехмерном пространстве передний якорь может служить поворотной осью устройства под действием напора воды 2 в случае изменения направления течения. Сооружение с наружной части имеет обтекаемую форму в виде плавной линии, где для обтекаемого снаружи потока воды создается минимальное трение, с внутренней части имеет форму сопла Лаваля, на входе состоящую из конфузора 5 (Фиг.2), а на выходе из диффузора 6. Гидроколесо состоит из генератора и гидротурбины 7, состоящей из направляющих и рабочих лопаток, причем лопаток может быть сразу же несколько рядов, то есть это может быть многорядная гидротурбина, при этом для защиты от посторонних предметов на вводе гидротурбина может оснащаться решеткой.
Для того чтобы предохранять устройство от разрушения при столкновении с льдинами, кораблями или другими подобными объектами, необходимо ее опускать или отводить в сторону, для этого предусмотрены специальные механизмы регулировки, которых может быть один или несколько. Так, например, если по фарватеру реки, где установлено устройство, двигается какое-либо судно, то эти механизмы подтягивают к якорю устройства за счет тросов или за счет наполнения водой пространства 8 (Фиг.2) по принципу кингстонов. Действие данной схемы представлено на Фиг.3, 4. На Фиг.3 устройство установлено в свое рабочее положение. На Фиг.4 устройство спрятано на глубине от столкновения с движущимся по течению объектом. Большие устройства (гидростанции) могут снабжаться собственным эхолотом и автоматически избегать столкновения. На реках устройство можно отводить в сторону в безопасное место. Сооружение 4 (Фиг.1) может быть сделано из различных материалов, так, например, часть, которая удерживает гидротурбину, из металла или жесткого пластика, а конфузор и диффузор, занимающие основную площадь, из гибкого полиэтилена или специальной ткани.
На Фиг.2 изображен вариант устройства с жестким корпусом, который установлен на стойках 9. В данном случае устройство устанавливается в местах, где нет судоходства, и его не требуется убирать. Это - наиболее удобный вариант в обслуживании устройства.
"Плавающий вариант", изображенный на Фиг.1, 3, 4, характерен тем, что устанавливается на водной поверхности моря, реки и т.п., где имеется судоходство или где требуется регулировка устройства в пространстве. В зависимости от погодных условий, особенно ветра, создающего волну, устройство необходимо устанавливать в определенное положение для производства энергии при движении волны. Этот вариант, изображенный на Фиг.5, 6, может быть особенно эффективен в открытом море, он может, например, вырабатывать электроэнергию для буровых. Если река протекает по густонаселенным районам, например, в Европе, где идут корабли, устройство также требуется убирать с фарватера. Устанавливая "Плавающий вариант" на замерзающей реке, появляется возможность маневра устройства под поверхностью льда, а кроме того, такому устройству не страшен ледоход, что повышает его эффективность и вырабатываемую мощность в любое время года. Устройство подобного типа может подзаряжать батареи морских судов и лодок, после чего быстро сворачиваться и перемещаться до следующей стоянки, при этом данным судам практически не нужно горючее. "Плавающий вариант" в виде якоря может применять груз, этот вариант характерен тем, что для установки станции не требуется специальной опоры, корпус, закрепленный на якоре, просто полностью опускается в водный поток. Данный вариант высокоэффективен в связи с тем, что станция за счет маневра устанавливается в наиболее скоростных водных слоях.
При определенной конструкции парусного захвата все устройство можно поднять в верхние слои водного потока. Для подъема устройства в сооружении можно использовать полость 4 (Фиг.2), набирая в нее воздух. При этом для вытеснения из полости воды можно использовать механизм производства из воды водорода и кислорода с помощью электричества, вырабатываемого устройством, при этом полость 4, пополняясь газами, начнет создавать подъемную силу. Для создания дополнительной подъемной силы конструкцию конфузора и диффузора можно делать более скошенной ко дну, то есть верхняя ее часть намного больше выдается вперед и назад. При этом набегающий водный поток, ударяясь в выдающуюся часть, создает подъемную силу для конструкции. Устройство, имея определенный вес, начинает подниматься вверх до оптимальной глубины под поверхностью воды, где наиболее сильные гидропотоки. Данный случай изображен на Фиг.1. Разница в скорости воды изображена в позиции 2 (Фиг.1). На Фиг.10 можно рассмотреть установившееся ламинарное течение жидкости внутри цилиндрической трубы. Благодаря адгезии между жидкостью и стенками трубы скорость жидкости у стенок равна нулю. Скорость каждого следующего слоя из-за вязкого трения между ними лишь немного больше, чем скорость предыдущего слоя. Таким образом, в центре трубы скорость максимальная, этот градиент скорости показан схематически на Фиг.10. В открытом водоеме, если пренебречь ветровыми потоками над поверхностью воды, скорость потока у поверхности воды, как показано на Фиг.9, будет максимальна.
На Фиг.8 изображено устройство, позволяющее улавливать более быстрые потоки воды верхних слоев реки с учетом поворота ее русла, то есть для большего увеличения эффективности устройства. Устройство (парусный захват) проектируется с таким скосом сопла Лаваля, где учитывается наиболее скоростная часть потока в пространстве реки. С учетом центробежных сил, возникающих при повороте реки, максимальный по скорости поток будет смещаться к большему радиусу (Фиг.7). В связи с этим скос конфузора и диффузора устройства будет выполнен с учетом этого наиболее скоростного слоя течения и профиль станции сверху будет выглядеть, как показано на Фиг.8.
Низкая стоимость устройства обусловлена еще тем, что все варианты устройства выполнены с концентраторами и диффузорами скошенной формы. Поэтому не требуется у этой поверхности применять столько же материала, сколько в противоположной стороне. Данная особенность изготовления парусного захвата позволяет экономить до 50% материала при его изготовлении, снижая общую себестоимость всего устройства.
На Фиг.11 раскрывается особенность применения в конструкции скошенной части конфузора и диффузора. Эффект от этого введения особенно проявляется там, где поверхностные слои воды намного быстрее нижних слоев (течение, образованное морской волной). Плотность параллельных линий показывает, что чем их больше, тем выше скорость течения. Как показано на Фиг.11, наиболее быстрые верхние слои, захваченные выступающим вверху конфузором, устремляются вдоль него, еще больше ускоряются, достигая максимальной скорости в узкой части, при этом они оттесняют менее скоростные нижние слои. Поэтому, если конфузор делать без скоса снизу, то нижний угол будет застойным и создаст дополнительное сопротивление. В диффузоре при выходе ускоренной воды картина повторяется, так как в связи с неразрывностью потока воды она устремляется кверху за наиболее скоростными слоями воды, которые также обтекают диффузор сверху. Наиболее оптимальный угол скоса рассчитывается с учетом наработок и теории, а затем проверяется в гидродинамической трубе для того или иного течения.
При создании водного течения за счет волны устройство будет располагаться в этом потоке волны, как показано на Фиг.5, 6. На виде спереди (Фиг.5) сечение устройства сверху будет стремиться к прямой линии, так как должно захватывать, как и в реке, наиболее быстрые слои воды. Это особенно заметно, если на устройстве устанавливаются сразу несколько гидротурбин, как показано на Фиг.5. Для того чтобы эффективность работы устройства была максимальной, необходимо сохранять скоростной слой воды над ее внешней поверхностью. Поэтому устройство (волновая гидростанция) верхней своей частью настраивается на волну таким образом, чтобы срезать примерно половину ее высоты, позволяя верхней части волны проходить над устройством. При этом данный слой воды, проходя над диффузором, создавая эффект сифона, увлекает воду из внутренней полости устройства, создавая дополнительную скорость течения потока через гидротурбину. Устройство, установленное на реке, в океанском или приливном течении с целью производства максимального количества энергии также должно омываться водным потоком со всей наружной его части.
Определить теоретически скорость гидропотока через конфузор достаточно проблематично, так как очень сложно вычислить потери на трение, сжатие (расширение), теплообмен и другие неучтенные факторы. Однако, по экспериментальным данным (см. Идельчик И.Е. Справочник по гидро- и пневмосопротивлению. Москва, Машиностроение, 1992) [3], которые нарабатывались при испытании всевозможных видов и форм сопел Лаваля в аэро- и гидродинамических трубах, была создана теория, из которой известно, что расход воды µ, проходящий через сечение конфузора, при равных давлениях на входе и выходе равен нулю, а при повышении давления Δp на входе идет повышение расхода воды и, но до определенного предела, что можно наблюдать на графике (Фиг.12).
Влияние степени сужения m конфузора на расход воды µ, проходящей через него, при постоянной разности давления Δp, достигающей определенной величины перед ним и за ним (Δp - const), изображено на графике (Фиг.13):
2
1
m=F/F
1
F - площадь на входе;
2
F - площадь на выходе.
Как видно из графика, при определенной величине давления определенная степень сужения конфузора приводит к тому, что через него начинает падать µ, расход воды. То есть становится не эффективно для конфузора делать слишком большую степень сужения.
При работе устройства ("Парусной" гидроэлектростанции) следует учесть, что с увеличением площади захвата гидропотока и уменьшении выходного отверстия расход воды, протекающий через конфузор, уменьшается, но одновременно растет перепад давления, который увеличивает этот расход. При подборе степени сужения конфузора необходимо руководствоваться знанием о скорости гидропотоков той или иной местности, которые в конечном итоге и будут создавать перепад давлений, а также опытными данными [3], по которым определена оптимальная степень сужения того или иного конфузора. В любом случае при изменении степени сужения m конфузора и изменении давления Δp общий расход воды µ будет изменяться согласно условному графику (Фиг.14).
При расчете степени сужения конфузора необходимо руководствоваться расчетом согласно графику (Фиг.14), при этом можно выбрать его оптимальную величину, которая на графике будет находиться в районе α. Следовательно, мы получим максимальный расход воды, проходящий через конфузор и максимальную мощность, вырабатываемую гидрогенератором при минимальных затратах на строительство станции.
Совместно работающая конструкция диффузора и конфузора представляет из себя конструкцию классического ракетного сопла. Согласно экспериментальным данным угол сужения, оптимальный для конфузора, находится в пределах от 5 до 40°, тогда как для диффузора в пределах от 14 до 4°.
С учетом опытных данных [3] также известно, что площадь захвата водного потока конфузором должна превышать площадь самой узкой части сопла Лаваля не более чем в 2-10 раз для наиболее оптимальной работы станции. При этом необходимо учитывать, что течение воды при попадании в конфузор должно испытывать минимальное сопротивление. То есть плоскость конфузора на выходе, куда изначально попадает водный поток, должна быть строго ему параллельна, что точно так же касается и выходящей плоскости диффузора. При этом внутренняя полость устройства, переходя от большего сечения к наименьшему, а затем снова к большему, должна проектироваться с применением максимально возможно больших радиусов. По данному принципу проектируются ракетные сопла, также учитывая опытные данные справочника [3]. В нашем случае будет необходимо учитывать дополнительно срез сопла Лаваля на входе и выходе с учетом скорости течения воды в трехмерном пространстве. Придерживаясь вышеуказанных данных, можно создавать парусные гидростанции, наиболее эффективные в производстве энергии с наименьшими затратами на строительство и расход материала.
Применяя для улавливания потока воды специальный парус из легких тканей, устройство (гидростанция) в собранном виде становится особенно малогабаритным и может перемещаться в пространстве одним человеком, что делает его полезными для рыболовов, охотников, геологов и т.п. Для применения парусного захвата воды на мелких речках возможно использование не погруженного в воду генератора в том виде, как это изображено на Фиг.15. Гидротурбина 7, находящаяся в воде, связана с генератором 10, который может находиться на плавающей платформе, через гибкий тросик 3 или т.п. механизм. При данном исполнении генератор может крепиться на берегу или на специальных стойках над водой. На Фиг.16 изображен вариант соединения гидротурбины 7 с механизмом 12 через редуктор 13, который при надобности увеличивает обороты вращения генератора. При данном исполнении механизм 12 может быть жестким в виде обычного вала.