ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
HYDRO-ELECTRIC POWER-PLANT

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики и предназначено для получения электрической энергии от водных потоков: ручьев, рек, морских течений и приливов, а также от воздушных потоков.
Известна гидроэнергетическая установка АС 46491, использующая энергию водного ручья со всей его ширины для получения электрической энергии. Она содержит ротор, выполненный из двух полуцилиндров, который установлен на двух поплавках так, чтобы его ось вращения приходилась точно поперек потока. Ротор разделен двумя промежуточными дисками на три яруса для исключения «мертвой точки» вращения. Каждый ярус ротора смещен относительно друг друга на 120°. На кронштейнах, установленных ниже поплавков, в подшипниках крепится ротор. На каждом поплавке установлен электрический генератор, который посредством цепи Галля соединен с ротором. Оба поплавка жестко связаны между собой поперечными перекладинами.
Данное устройство принято за прототип. Оно имеет ряд существенных недостатков:
- низкую энергетическую эффективность, а также невысокую надежность за счет подшипников и цепи Галля работающих в воде;
- частота вращения электрических генераторов не регулируется, поэтому его невозможно подключить в существующую электрическую сеть.
Задачей предлагаемого изобретения является получение электрической энергии с высокой эффективностью, надежностью и постоянной частотой вращения электрических генераторов, используя всю ширину потока с малой глубиной, типа ручья.
Указанная задача решена в гидроэнергетической установке, содержащей электрические генераторы, подшипники и поплавок, при этом на основании устройства установлены друг за другом конфузоры и диффузоры, между конфузорами и диффузорами расположена  лопаточная решетка с возможностью вертикального перемещения относительно конфузоров и диффузоров, а подшипники качения установлены на опоре выше водного потока.
Предлагаемое устройство представлено на Фиг.1 и Фиг.2. На фиг.1 фронтальный вид устройства. На фиг.2 разрез по А-А. Устройство содержит основание 1, установленное в ложе водного потока 2. На основании 1 установлена опора 3. На верхнем конце опоры 3 установлен фланец 4. На фланце 4 установлены электрические генераторы 5, редуктор 6 и двигатель 7. На тихоходном валу редуктора 6 установлен винт 8 с трапецеидальной резьбой. Винт 8 соединен с гайкой 9, содержащей упоры 10, соединенные с цилиндром 11, который установлен с зазором на опоре 3. На цилиндре 11 установлены радиальные подшипники 12 и опорный подшипник 13. На опорном подшипнике 13 и радиальных подшипниках 12 установлен выше водного потока вал лопаточной решетки 14. На валу лопаточной решетки 14 установлено зубчатое колесо 15 и трубная решетка 16. На трубной решетке 16 установлен опорный фланец 17. На опорном фланце 17 установлен поплавок 18. Поплавок 18 соединен с лопаточной решеткой 19. На лопаточной решетке 19 установлены аэродинамические профили 20. На валах электрических генераторов 5 установлены шестерни 21, которые соединены с зубчатым колесом 15. На основании 1 друг за другом по потоку установлены конфузоры 22 и диффузоры 23. Между конфузорами 22 и диффузорами 23 в одной плоскости расположена лопаточная решетка 19.
Устройство работает следующим образом. Водный поток поступает в конфузоры 22, где ускоряется со снижением внутренней энергии за счет уменьшения проходного сечения в конфузорах 22. С конфузоров 22 охлажденный водный поток с высокой скоростью поступает на лопаточную решетку 19. Поток, обтекая под оптимальным углом атаки профили 20, создает импульс силы, который приводит во вращение лопаточную решетку 19. Часть внутренней энергии водного потока передается электрическим генераторам 5 через трубную решетку 16 и зубчатую передачу, образованную зубчатым колесом 15 и шестернями 21. Из лопаточной решетки 19 водный поток поступает на диффузоры 23, где скорость потока уменьшается до скорости ручья. Затем водный поток снова поступает на конфузоры 22, где ускоряется со снижением внутренней энергии потока. С высокой скоростью и низкой температурой водный поток поступает на лопаточную решетку 19, где передает часть внутренней энергии электрическим генераторам 5. Из лопаточной решетки 19 водный поток поступает на диффузоры 23, где замедляется до скорости ручья и сливается с основным потоком ручья. На выходе температура потока меньше основного водного потока на величину, которая пропорциональна переданной потребителю электрической энергии. Поплавок 18, установленный на лопаточной решетке 19, компенсирует вес трубной решетки 16, опорного фланца 17 и лопаточной решетки 19, тем самым предотвращая деформацию трубной решетки 16 и уменьшая осевую нагрузку на опорный подшипник 13. При увеличении скорости водного потока или снижение потребляемой электрической мощности приводит к увеличению частоты вращения электрических генераторов 5. Для уменьшения частоты вращения электрических генераторов 5 включают электрический двигатель 7, который через редуктор 6 приводит во вращение винт 8. Винт 8 перемещает гайку 9 вверх. Упоры 10, установленные на гайке 9, перемещают цилиндр 11 вверх по опоре 3. Вал лопаточной решетки 14, установленный на опорном подшипнике 13 и радиальных подшипниках 12, перемещается вверх с зубчатым колесом 15, трубной решеткой 16, опорным фланцем 17, поплавком 18 и лопаточной решеткой 19. Лопаточная решетка 19 частично выводится из водного потока, что ведет к уменьшению импульса силы и снижению генерируемой электрической мощности. Частота вращения электрических генераторов 5 снижается. При уменьшении скорости водного потока или повышении потребляемой электрической мощности частота вращения электрических генераторов снижается. Для увеличения частоты вращения генераторов 5 включают электрический двигатель 7, который перемещает гайку 9 с упорами 10 вниз.
Лопаточная решетка 19 опускается вниз и увеличивает связь с водным потоком. Электрическая мощность гидроэнергетической установки возрастает, а частота вращения электрических генераторов 5 увеличивается.
Предлагаемое устройство обладает более высокой энергетической эффективностью по сравнению с прототипом. Для сравнения воспользуемся законом о сохранении энергии для потока между сечениями 1 и 2, отнесенной к единице массы:
1-2
где Q - тепло подводимое к потоку между сечениями 1 и 2;
1- сечение потока до установки;
2- сечение потока после установки;
тех.
L - техническая работа, совершаемая потоком между сечениями 1 и 2;
TP.
L - работа трения, совершаемая потоком между сечениями 1 и 2;
1-2
U - внутренняя энергия водного потока в сечениях 1 и 2;
1-2
γ - плотность водного потока в сечениях 1 и 2;
1-2
P - статическое давление в сечениях 1 и 2;
1-2
W - скорость водного потока в сечениях 1 и 2;
1-2
h - пьезометрическая высота водного потока в сечениях 1 и 2;
g - ускорение свободного падения.
Принимая теплоемкость воды, не зависящей от температуры, можно записать:
1
p
1
2
p
2
U=c·T; U=c·T
р
где с - теплоемкость воды;
1-2
Т - температура водного потока соответственно в сечениях 1 и 2.
1-2
TP
1
2
1
2
1
2
1
2
Для идеального водного потока, типа ручья, справедливы следующие соотношения: Q=0; L=0; γ=γ; Р=Р; W=W; h=h
Закон сохранения энергии для водного потока примет вид:
тех.
р
1
2
p
L=с·(Т-Т)=c·ΔT
Используя известное в термодинамике соотношение для заторможенного адиабатического потока:
А.Т
где Т - температура адиабатного торможения:
Т - температура потока.
Откуда максимально возможная техническая работа для прототипа будет равна:
1
где W - скорость водного потока.
В предлагаемом устройстве скорость потока, поступающего на лопаточную решетку 19, будет равна:
1
2
1
1
W=F/F·W=k·W
1
где F - входное сечение конфузора;
2
F - выходное сечение конфузора;
k - коэффициент увеличения скорости потока в конфузоре.
Максимальная техническая работа, полученная в предлагаемом устройстве, будет равна:
Отношение технической работы в предлагаемом устройстве к прототипу при прочих равных условиях будет равно:
тех.2
тех.1
2
L/L=k
2
Электрическая мощность, полученная в предлагаемом устройстве, в k раз больше, чем в прототипе. При обтекании водным потоком ротора прототипа и лопаточной решети с конфузорами и диффузорами часть энергии водного потока тратится на местных сопротивлениях. Снижение местных сопротивлений в предлагаемом устройстве осуществляется за счет применения конфузоров 22 и диффузоров 23. В прототипе входной поток в ротор и выходной поток из ротора не организованны и потери мощности будут максимальными за счет высокой турбулентности потока.
Предлагаемое устройство имеет более высокую энергетическую эффективность и надежность за счет выноса механической передачи и подшипников качения из водного потока, а также имеет возможность поддерживать постоянной частоту вращения электрических генераторов.
Предварительные расчеты показывают, что предлагаемая гидроэнергетическая установка, установленная в ложе ручья шириной 7 м, глубиной 1 м и скоростью потока 1,5 м/с, имея диаметр лопаточной решетки 6,111 м и высоту конфузоров, по ходу течения, 0,748 м и 0,915 м может передать потребителю 143,5 кВт электрической мощности. Температура водного потока будет на 0,0039°C ниже исходного водного потока.
3
6
9
Например, река Кубань имеет сток 425 м/с и протяженность 870 км. Если ее охладить на 8,5°C, то можно будет получить 15,052·10 кВт электрической мощности или 131,854·10 кВт/ч в год. Для этого необходимо установить, по обеим берегам реки с интервалом в 16,5 м, 10490 предлагаемых гидроэнергетических установок мощностью по 143,5 кВт. Мощность 10490 гидроэнергетических установок на реке Кубань эквивалентна трем Саяно-Шушенским ГЭС.