УСТРОЙСТВО УСКОРЕНИЯ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ВОДНОГО ПОТОКА СВОБОДОПОТОЧНОЙ МИКРОГЭС
DEVICE FOR ACCELERATION OF LOW-POTENTIAL WATER FLOW OF FREE-FLOW MICROHYDROELECTRIC POWER PLANT

Настоящее изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к конструкции свободнопоточных микрогидроэлектростанций, преобразующих кинетическую энергию свободного потока воды в электрическую для всесезонного стабильного снабжения автономных потребителей электроэнергией без нарушений гидрологических и экологических характеристик реки, а также без какого-либо ущерба судоходству и рыбоводству.
Изобретение относится к свободопоточным гидроэлектростанциям, которые размещают на равнинных реках с низкопотенциальным водным потоком.
Электростанции, для которых в качестве источника энергии для выработки электричества используется низкопотенциальный поток воды, часто требуют наличия плотины или другого аналогичного искусственного сооружения, перегораживающего естественное течение воды. Связанные с этим расходы и требования к инфраструктуре могут быть довольно значительными, кроме того, имеет место неблагоприятное воздействие на окружающую среду, например, препятствия миграции рыб, избыточное заиление водоема из-за замедленного течения и разлив водоема выше плотины.
Известны свободопоточные гидроэлектростанции, а за последние десятилетия энтузиастами и специалистами в разных странах разработано и запатентовано огромное количество конструкций свободнопоточных ГЭС (Кажинский Б.Б. Госэнергоизд, Москва-Ленинград, 1950 г., стр. 76).
Недостатком данных конструкций является то, что свободнопоточные ГЭС вынуждены использовать низкопотенциальную энергию, так как существенно растут удельные затраты на единицу мощности и вырабатываемой электроэнергии. Увеличить потенциал энергии за счет увеличения диаметра гидротурбины невозможно, так как глубина рек относительно невелика, да к тому же резко изменяется в зависимости от текущих показателей водности, а также русловых процессов. Поэтому такие конструкции имеют низкий КПД, очень металлоемкие, чувствительны к качеству изготовления и скорости потока, требовательны к месту размещения.
Известна гидроэлектростанция, которую устанавливают в русле реки, ниже возможного уровня образования льда с направляющим устройством потока воды. 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 кл F0313/00, F03B 7/00, опубл. 10.08.2001).
Недостатком известной гидроэлектростанции является то, что данное техническое решение не исключает взаимодействие с ледоходом, т.к имеет надводную часть, в которой размещены редуктор и генератор. КПД такого устройства довольно низкий, сама конструкция очень громоздка, материалоемка и дорога в обслуживании.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является гидроэлектростанция, которая включает направляющий аппарат в виде конфузора и диффузора, а также водовод, турбину и генератор. 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 место большей трубы. Гидравлическая турбина с электрогенератором помещена на понтоне или на берегу и связаны с направляющим аппаратом водоводом в виде сифонной трубы, 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 (патент РФ №2380479 кл. Е02В 9/00, опубл. 27.01.2010).
Недостатком данного устройства является низкое КПД, громоздкость и дороговизна установки.
Важнейшей характеристикой гидротурбины является зависимость мощности от частоты вращения при постоянных значениях расхода и напора воды. Для свободопоточных ГЭС, характерных для равнинной местности, используются турбины пропеллерного типа, достоинством которых является максимальная быстроходность при малых напорах, которые в зависимости от скорости реки и мощности установки, вращаются со скоростью 80-200 об/мин.
Задачей предлагаемого изобретения является ускорение низкопотенциального водного потока свободопоточной микроГЭС, способного увеличивать скорость потока на локальном отрезке с высоким коэффициентом полезного действия (КПД), что приведет к увеличению удельной мощности, повышению эффективности использования энергии водного потока, а также к созданию несложного по конструкции и надежного в работе устройства с возможностью применения на любых реках и других водных объектах, на которых есть направленный водоток.
В результате использования предлагаемого устройства низкопотенциального водного потока свободопоточной микроГЭС появляется возможность ускорения свободного потока воды, проходящего через гидротурбину для повышения количества оборотов гидротурбины, обеспечивающего отдачу электроэнергии, создание свободопоточной микроГЭС, обладающей высокой надежностью и технологически простой в изготовлении, независимой от сезонных факторов, колебаний уровня воды, функционирующей зимой подо льдом, не создающей препятствий для движения рыбы.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что устройство ускорения низкопотенциального водного потока свободопоточной микроГЭС, включающий направляющий аппарат в виде трубки Вентури, а также трубопровод и гидротурбину, отличающийся тем, что на ссуженном участке направляющего аппарата в виде трубки Вентури встроен трубопровод с гидротурбиной, установленный под регулируемым углом φ = 30°÷80° к направляющему аппарату в зависимости от скорости свободного внешнего потока, который ускоряет прохождение водного потока на ссуженном участке, создавая зону пониженного динамического давления, при этом увеличивая скорость водного потока, проходящего через гидротурбину.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом, на котором представлена общая схема устройства ускорения низкопотенциального водного потока свободопоточной микроГЭС.
Свободопоточная микроГЭС с направляющим аппаратом содержит трубку Вентури 1, на ссуженном участке которого встроен трубопровод 2, установленный под регулируемым углом φ = 30°÷80° к направляющему аппарату в зависимости от скорости свободного потока, внутри трубопровода 2 размещена гидротурбина 3 и задвижка, регулирующая скорость водного потока 4, проходящего через гидротурбину 3.
Устройство ускорения низкопотенциального водного потока свободопоточной микроГЭС работает следующим образом.
1
2
2
3
3
1
2
2
2
При закрытой задвижке свободный поток со скоростью V втекает в сопло трубки Вентури 1 и на ссуженном участке согласно закону Бернулли и эффекту Вентури ускоряется до скорости V, а давление уменьшается до Р, после прохождения ссуженного участка поток замедляется до скорости V с давлением P, и кинетическая энергия потока переходит в статическую энергию давления. При открытии задвижки 4 свободный поток со скоростью V, проходящий через трубопровод 2 с гидротурбиной 3 со скоростью  , увеличенной за счет уменьшения давления за гидротурбиной 3, устремляется к зауженному участку трубки Вентури 1, в которой проходящий поток увеличен до скорости V за счет пониженного давления Р, в связи с этим происходит как бы «всасывание» (инжектирование) водного потока и скорость  возрастает до близкого значения V.
3
Так как мощность свободно-поточных турбин находится в кубической зависимости от скорости свободного потока Р = К V S · p, где V - скорость входящего потока, S - площадь эффективного сечения турбины перпендикулярно потоку, p - плотность движущейся среды, К - постоянный коэффициент, зависящий от типа турбины и равный обычно 0.1÷0., это позволит свободопоточной микроГЭС увеличить мощность на водотоках с малой скоростью, или уменьшить габариты микроГЭС, не снижая мощности гидродвигателя 35 (Кажинский Б.Б. Госэнергоизд, Москва-Ленинград, 1950 г., стр. 76).