ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ДЛЯ АРКТИЧЕСКИХ ШИРОТ
ARCTIC HYDRO-POWER PLANT

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии за счет использования разности температур подледной воды и атмосферного воздуха окружающей среды.
Известна силовая установка, использующая разность температур воды подо льдом и атмосферного воздуха, которая содержит котел с легкоиспаряющейся жидкостью, два рабочих цилиндра с поршнями, соединенными гармоникой, две гидротурбины и два конденсатора (SU 39486, МПК F03G 7/04, опубл. 31.10.1934).
Недостатками известной силовой установки являются: отсутствие системы автоматического управления, что обуславливает необходимость в операторе; проблематичность обслуживания практически полностью размещенной в подледной воде многокомпонентной конструкции и использование поршневых пар в газово-водяной среде.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является установка для преобразования тепловой энергии в механическую, содержащая смонтированную на льду платформу с опорой, на которой шарнирно установлено коромысло. На ее противоположных концах установлены рабочие камеры с нормативными объемами хладагента, сочлененные через гибкие трубопроводы с гидроцилиндрами. Цикличная смена агрегатного состояния хладагента при попеременном погружении камер в воду и подъема в холодную внешнюю воздушную среду обеспечивает возвратно-поступательный ход гидроцилиндров, приводящих в движение гидродвигатель, который вращает вал электрогенератора (SU 1343096, F03G 7/04, опубл. 07.10.1987).
Недостатками известной установки являются: проблематичность обслуживания практически полностью размещенной в подледной воде многокомпонентной конструкции; большие габаритные размеры и сложность конструкции; большие массы нормативных объемов хладагентов и отсутствие перспектив ее использования в промышленных масштабах.
Технический результат заключается в создании технологически простой в изготовлении, надежной в эксплуатации автономной автоматической гидроэлектростанции с использованием в качестве энергоносителей только подледную воду и естественный холод воздушных масс арктических широт.
Сущность изобретения заключается в том, что гидроэлектростанция для арктических широт содержит охладитель-радиатор, заполненный нормативным объемом хладагента, сообщающийся с испарителем-радиатором трубопроводами. На первом трубопроводе последовательно размещены заправочно-откачивающее устройство через первый патрубок, золотник-отсекатель, золотник слива, а через второй патрубок - заправочно-пусковое устройство. На втором трубопроводе размещен клапан-золотник. На испарителе-радиаторе с встроенным первым сильфоном установлен корпус гидромультипликатора, заполненный незамерзающей жидкостью, с встроенным вторым сильфоном, при этом на корпусе гидромультипликатора закреплено термозапорное устройство. В подвижную сторону второго сильфона вмонтирован рычаг управления, находящийся попеременно в скользящем контакте с клапаном-золотником, золотником-отсекателем и золотником слива, а при превышении температуры внешней среды над температурой кипения хладагента - с термозапорным устройством. Также подвижная сторона второго сильфона находится в контакте с поджимаемым пружиной рычагом электромеханического генератора с аккумулятором, обеспечивающим стабилизацию поступления вырабатываемой электроэнергии в сеть потребления через коммутационно-силовой пульт. В подледном пространстве расположены только испаритель-радиатор с встроенным первым сильфоном и нижние части корпуса гидромультипликатора и трубопроводов, с возможностью их установки в единой погружной трубе.
На фиг. 1 представлена схема гидроэлектростанции для арктических широт; на фиг. 2 - зависимости температуры кипения хладагентов от давления; на фиг. 3 - годовой ход температуры воздуха в Центральной Арктике.
Гидроэлектростанция для арктических широт (фиг. 1) содержит охладитель-радиатор 1, заполненный нормативным объемом хладагента 2 в жидком агрегатном состоянии, сообщающийся с испарителем-радиатором 3 трубопроводами 4 и 5. В испаритель-радиатор 3 встроен сильфон 6.
На первом трубопроводе 4 через первый патрубок 7 последовательно размещены заправочно-откачивающее устройство 8, золотник-отсекатель 9, золотник слива 10, а через второй патрубок 11 - заправочно-пусковое устройство 12. На втором трубопроводе 5 размещен клапан-золотник 13.
На испарителе-радиаторе 3 установлен корпус гидромультипликатора 14, заполненный незамерзающей жидкостью 15 (например, антифризом), на котором закреплено термозапорное устройство 16. В корпус гидромультипликатора 14 встроен сильфон 17. В подвижную сторону сильфона 17 вмонтирован рычаг управления 18, находящийся попеременно в скользящем контакте с клапаном-золотником 13, золотником-отсекателем 9 и золотником-слива 10, а при превышении температуры внешней среды над температурой кипения хладагента 2-е термозапорным устройством 16. Также подвижная сторона сильфона 17 находится в контакте с поджимаемым пружиной 19 рычагом 20 электромеханического генератора 21 с аккумулятором, обеспечивающим стабилизацию поступления вырабатываемой электроэнергии в сеть потребления через коммутационно-силовой пульт 22.
В подледном пространстве расположены только испаритель-радиатор 3 с встроенным сильфоном 6 и нижние части корпуса гидромультипликатора 14 и трубопроводов 4 и 5, с возможностью их установки в единой погружной трубе.
вср
кип.
в
1
1
2
2
м
1
м
1
2
2
2
Гидроэлектростанция для арктических широт работает следующим образом. Гидроэлектростанция относительно воздушной среды I, льда II и воды III устанавливается так, как показано на фиг. 1. Исходное состояние элементов управления системы следующее: золотник-отсекатель 9 закрыт, золотник слива 10 открыт, клапан-золотник 13 закрыт, термозапорное устройство 16 открыто, рычаг управления 18 и сильфоны 6 и 17 находятся в опущенном положении. С помощью заправочно-откачивающего устройства 8 через патрубок 7 в охладитель-радиатор 1 закачивается нормативный объем хладагента 2 при температуре t внешней воздушной среды I ниже его температуры кипения t. При тех же температурных условиях в ручном режиме заправочно-пусковым устройством 12 через патрубок 11 и трубопровод 4 производится впрыск порции хладагента 2 в испаритель-радиатор 3 с встроенным сильфоном 6. Хладагент 2 в испарителе-радиаторе 3, находящимся в контакте с морской водой с температурой t=-1,8°C, в результате кипения превращается в насыщенный пар под давлением P=0,5÷3,0 bar. Сильфон 6 с диаметром d, растягиваясь под воздействием давления паров хладагента 2, вытесняет определенный объем незамерзающей жидкости 15, находящейся в области низкого давления корпуса гидромультипликатора 14, в сильфон 17 с диаметром d. На подвижную сторону сильфона 17 с вмонтированным рычагом управления 18 действует давление Р=k⋅Р, где повышающий коэффициент мультипликации согласно закону Паскаля k=d/d, при этом ход растяжения сильфона 17 может составлять до 5÷15 см, что вполне достаточно как для реализации возвратно-поступательного движения поджимаемого пружиной 19 рычага 20 электромеханического генератора 21 с аккумулятором, обеспечивающим стабилизацию поступления вырабатываемой электроэнергии в сеть потребления через коммутационно-силовой пульт 22, так и для механического управления гидроэлектростанцией с помощью рычага управления 18. В процессе нагнетания давления рычаг управления 18 двигается вверх и последовательно закрывает золотник слива 10, открывает золотник-отсекатель 9, тем самым формируется порция хладагента 2. При достижении рычагом управления 18 крайнего верхнего положения срабатывает на открытие клапан-золотник 13, сбрасывая насыщенные пары из испарителя-радиатора 3 с встроенным сильфоном 6 в объемный охладитель-радиатор 1, тем самым устанавливая во всей системе единое давление паров хладагента 2 равное атмосферному. Под действием сил, определяющимися пружинистыми свойствами сильфонов 6 и 17 восстанавливать при спаде нагрузки свое начальное положение, рычаг управления 18, двигаясь вниз, последовательно закрывает клапан-золотник 13 и золотник-отсекатель 9, изолируя охладитель-радиатор 1, в котором в это время происходит процесс конденсации паров хладагента 2 под воздействием естественного холода внешней воздушной среды. При достижении нижнего положения рычаг управления 18 открывает золотник-слива 10, то есть, начиная очередной рабочий цикл, а именно, через трубопровод 4 в испаритель-радиатор 3 с встроенным сильфоном 6 впрыскивается очередная порция хладагента 2.
вср
кип
вер
Для соблюдения температурного режима работы гидроэлектростанции, ограниченного необходимостью ее выключения при температурах внешней воздушной среды t выше температуры кипения t хладагента 2 (фиг. 2-3), термозапорное устройство 16 однонаправленного действия, установленное на корпусе гидромультипликатора 14 со встроенным сильфоном 17, производит фиксированную остановку рычага управления 18 при движении вверх (процесс нагнетания) после закрытия золотника слива 10 и открытия золотника-отсекателя 9, не допуская открытия клапана-золотника 13. Система остается в заряженном состоянии. При спаде температуры внешней воздушной среды до границы рабочей зоны термозапорное устройство 16 освобождает рычаг управления 18 и гидроэлектростанция продолжает совершать циклическую работу. На период наступления межсезонья, когда ожидаемы высокие температуры внешней воздушной среды t, а охладитель-радиатор 1 по объему недостаточно подготовлен для хранения насыщенных паров хладагента 2 под давлением, возможна откачка избытка хладагента 2 через заправочно-откачивающее устройство 8 в отдельный ресивер (на фиг. не показано).
Принцип работы гидроэлектростанции для арктических широт основан на способности хладагентов при нагревании к фазовому переходу из одного агрегатного состояния в другое: из жидкого в газообразное, имея низкую минусовую температуру кипения, и возврат в исходное состояние под воздействием естественной отрицательной температуры внешней воздушной среды при атмосферном давлении. Если поместить жидкий хладагент некоторого объема в замкнутый сосуд, в нашем случае, испаритель-радиатор, с встроенным сильфоном и подвергнуть нагреванию, то жидкость начинает кипеть и испаряться, что приведет к понижению уровня жидкости при приросте в нем объема паров. Однако для размещения объема паров, образовавшихся в результате испарения данного объема жидкости, требуется пространство в десятки раз больше, чем объем, который занимала испарившаяся жидкость. Пары в сосуде сжимаются, повышая давление в нем по мере роста температуры, за счет чего сильфон совершает работу, выдвигаясь на величину своего хода. Согласно уравнению Клапейрона-Клаузиуса с ростом давления температура кипения хладагента увеличивается. При выравнивании температур хладагента и теплоносителя, в предлагаемом решении подледной воды, в сосуде достигается давление, при котором процесс кипения прекращается и возникает баланс между насыщенными парами с порождающей их жидкостью. Жидкий остаток хладагента фактически не участвует в процессе совершения работы и является балластом. Поэтому при расчете нормативного порционального объема хладагента на основе его молярной массы и молярного объема избыток его необходимо исключить или минимизировать.
х
кип
Графически зависимости температуры кипения хладагентов от давления имеют вид показательной функции у=а для а>1 (фиг. 2). Из анализа характеристик известных хладагентов (R600a, R134, R12 и R407c) сделан вывод: при подборе хладагента с температурой кипения t=-12°C ÷ -30°C в сосуде-испарителе при температуре морской воды -1,8°C можно достичь давления насыщенных паров в диапазоне Р=0,5÷3,0 bar.
вср
кип
Для возврата хладагента в исходное жидкое состояние требуется снизить давление в сосуде до атмосферного и охладить его до температуры кипения. Это осуществляется сбросом рабочей порции в объемный охладитель-радиатор, расположенный в воздушной среде с температурой t ниже температуры кипения t хладагента. Реализация данного процесса возможна в естественных условиях в течение 4÷7 мес. года в районах Арктики (фиг. 3).
Предложенная гидроэлектростанция для арктических широт экологически чистая и имеет простую технологичную конструкцию, что в ближайшей перспективе позволит увеличить объемы выработки электроэнергии в промышленных масштабах на основе возобновляемых природных ресурсов. Объективную сезонность ее работы можно компенсировать за счет аккумуляции энергии на последующие календарные периоды. Наряду с накопителями непосредственно электроэнергии можно рассматривать и иные, например, выработка запасов водорода, производимого в процессе электролиза воды. Актуальность применения данного типа гидроэлектростанций в Российской Федерации определена ее географическим положением.