МИКРО-ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к гидроэнергетике, а именно, к устройствам для выработки электрической энергии из энергии воды.
Известно устройство для преобразования энергии воды в электрическую энергию, содержащее водяное колесо из жестко соединенных барабана, боковых стенок, лопаток и ступицы, жестко скрепленной спицами с барабаном, соединенное механической передачей посредством редуктора с электрогенератором, связанным с системой автоматического управления, подшипниковые узлы, опоры, водоподводящую и водоотводящую системы, снабженное водоудерживающим элементом, установленным от нижней по вертикальной оси точки боковых стенок со стороны рабочей части водяного колеса на расстоянии 5-10 мм и выполненным радиально изогнутым с углом охвата, равным 150-165°, и шириной, равной ширине водяного колеса, при этом каждая из лопаток водяного колеса выполнена в виде пластин из двух частей, угол между которыми равен 120-140°, отношение длины одной части пластины к длине другой части, закрепленной на барабане, равно 1/1,5-1/2,0, с углом к касательной в месте контакта пластины и барабана, равным 25-45°, количество лопаток выбрано с учетом того, что расстояние между ними по внешнему периметру боковых стенок равно 0,25-0,35 м, причем водяное-колесо посредством ступицы и подшипниковых узлов установлено на оси, закрепленной на опорах, при этом в качестве электрогенератора используется трехфазный асинхронный двигатель, а система автоматического управления состоит из блока коммутационной и измерительной аппаратуры, к которому подключены блоки конденсаторов возбуждения, тиристорных преобразователей, полезной нагрузки, и блок регулирования, защиты и управления, соединенного с блоком тиристорных преобразователей, к которому присоединены блоки балластной нагрузки и конденсаторов возбуждения, при этом механическая передача выполнена в виде цепной передачи, ведущая звездочка которой закреплена на спицах водяного колеса (Патент РФ №2306453, МПК F03B 7/00, опубл. 20.09.2007).
Недостатком описанного устройства является низкая экономичность, обусловленная отсутствием возможности регулирования расхода воды и точной настройки электрических параметров.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является осевая гидротурбина, содержащая направляющий аппарат, выполненный из соосно расположенных внешнего и внутреннего корпусов и лопаток изогнутой формы, развернутых по направлению вращения рабочего колеса, одними концами закрепленных на внутреннем корпусе, а другими - соединенных с внешним корпусом с помощью резьбовых соединений с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата, рабочее колесо с лопастями криволинейной формы, закрепленными на корпусе посредством резьбового соединения с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса, размещенное в камере, соединенной одним торцом с водоотводящей частью, а другим - с внешним корпусом направляющего аппарата, присоединенного к водоподводящей части изогнутой формы, а корпус рабочего колеса соединен с внутренним корпусом направляющего аппарата, размещенного на горизонтальном валу, установленном посредством подшипниковых узлов на опорах, закрепленных в раме, с возможностью соединения с электрогенератором (Патент РФ №2371602, МПК F03B 3/00, F03B 13/00, опубл. 27.10.2009).
Недостатком описанной конструкции является низкая экономичность вследствие невозможности автоматического регулирования расхода воды и точной настройки электрических параметров в зависимости от изменения полезной нагрузки потребителя и изменяющихся параметров потока воды.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения экономичности при сохранении высокого КПД.
Для достижения указанного результата в микро-гидроэлектростанции, содержащей направляющий аппарат, выполненный из соосно расположенных внешнего и внутреннего корпусов и лопаток изогнутой формы, развернутых по направлению вращения рабочего колеса, одними концами закрепленных на внутреннем корпусе, а другими - соединенных с внешним корпусом с помощью резьбовых соединений с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток направляющего аппарата, рабочее колесо с лопастями криволинейной формы, закрепленными на корпусе посредством резьбового соединения с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей рабочего колеса, размещенное в камере, соединенной одним торцом с водоотводящей частью, а другим - с внешним корпусом направляющего аппарата, присоединенного к водоподводящей части изогнутой формы, а корпус рабочего колеса соединен с внутренним корпусом направляющего аппарата, размещенного на горизонтальном валу, установленном посредством подшипниковых узлов на опорах, закрепленных в раме, с возможностью соединения с электрогенератором, водоподводящая часть присоединена к трубопроводу подачи воды, на котором последовательно по направлению движения воды установлены электрические задвижка и расходомер, связанные с системой автоматического управления, водоотводящая часть присоединена к водоотводящей системе, а электрогенератор связан с балластной нагрузкой посредством системы автоматического управления, состоящей из блока коммутационной и измерительной аппаратуры, к которому подключены блоки плавного пуска, конденсаторов возбуждения, тиристорных преобразователей, полезной нагрузки, блок регулирования, защиты и управления, соединенный с блоком тиристорных преобразователей, к которому присоединены блоки балластной нагрузки и конденсаторов возбуждения, при этом к системе автоматического управления к блоку плавного пуска подсоединена электрическая задвижка, а к блоку коммутационной и измерительной аппаратуры присоединены электрогенератор, электрический расходомер и с помощью аналогово-цифрового и цифро-аналогового преобразователей электронно-вычислительная машина.
Повышение экономичности при сохранении высокого КПД, обусловленное возможностью автоматического регулирования расхода воды, точной настройки электрических параметров микро-гидроэлектростанции и использования избыточного количества вырабатываемой энергии при изменении полезной нагрузки потребителя и изменяющихся параметрах потока воды, обеспечивается тем, что водоподводящая часть присоединена к трубопроводу подачи воды, на котором последовательно по направлению движения воды установлены электрические задвижка и расходомер, связанные с системой автоматического управления, водоотводящая часть присоединена к водоотводящей системе, а электрогенератор связан с балластной нагрузкой посредством системы автоматического управления, состоящей из блока коммутационной и измерительной аппаратуры, к которому подключены блоки плавного пуска, конденсаторов возбуждения, тиристорных преобразователей, полезной нагрузки, блок регулирования, защиты и управления, соединенный с блоком тиристорных преобразователей, к которому присоединены блоки балластной нагрузки и конденсаторов возбуждения, при этом к системе автоматического управления к блоку плавного пуска подсоединена электрическая задвижка, а к блоку коммутационной и измерительной аппаратуры присоединены электрогенератор, электрический расходомер и с помощью аналогово-цифрового и цифро-аналогового преобразователей электронно-вычислительная машина.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена микро-гидроэлектростанция, общий вид; на фиг.2 - то же, вид 1; на фиг.3 - блок-схема системы автоматического управления.
Микро-гидроэлектростанция содержит направляющий аппарат 1, выполненный из соосно расположенных внешнего 2 и внутреннего 3 корпусов и лопаток 4 изогнутой формы, развернутых по направлению вращения рабочего колеса 5, одними концами закрепленных на внутреннем 3 корпусе, а другими - соединенных с внешним 2 корпусом с помощью резьбовых соединений (на чертеже не показаны) с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопаток 4 направляющего аппарата 1 (на чертеже не показано). Рабочее колесо 5 с лопастями 6 криволинейной формы, закрепленными на корпусе 7 посредством резьбового соединения на чертеже не показаны) с возможностью поворота от -20° до +20° от расчетного положения угла установки лопастей 6 рабочего колеса 5 (на чертеже не показано), размещенное в камере 8, соединенной одним торцом с водоотводящей 9 частью, а другим - с внешним 2 корпусом направляющего аппарата 1, присоединенного к водоподводящей 10 части изогнутой формы, а корпус 7 рабочего колеса 5 соединен с внутренним 3 корпусом направляющего аппарата 1, размещенного на горизонтальном валу 11. Водоподводящая 10 часть выполнена из стальных стандартных трубных элементов и конфузоров, соединенных сваркой. Водоотводящая 9 часть выполнена в виде диффузора, а камера 8 рабочего колеса 5 и внешний 2 корпус направляющего аппарата 1 выполнены из стальных стандартных трубных элементов, изготовленных на определенное давление. Горизонтальный вал 11 установлен посредством подшипниковых узлов 12 на опорах 13, закрепленных в раме 14, с возможностью соединения с электрогенератором 15, в качестве которого может быть использован трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором общепромышленного использования. Расчетные положения углов установки лопаток 4 направляющего аппарата 1 и лопастей 6 рабочего колеса 5 выбирают соответствующими оптимальному КПД при определенных напорах и расходах воды. Водоподводящая 10 часть присоединена к трубопроводу 16 подачи воды, выполненному напорным, на котором последовательно по направлению движения воды установлены электрические задвижка 17 и расходомер 18, связанные с системой автоматического управления 19. Водоотводящая 9 часть присоединена к водоотводящей 20 системе, а электрогенератор 15 связан с балластной нагрузкой 21 посредством системы автоматического управления 19, состоящей из блока коммутационной и измерительной аппаратуры 22, к которому подключены блоки плавного пуска 23, конденсаторов возбуждения 24, тиристорных преобразователей 25, полезной нагрузки 26, блок регулирования, защиты и управления 27, соединенный с блоком тиристорных преобразователей 25, к которому присоединены блоки балластной нагрузки 28 и конденсаторов возбуждения 24. При этом к системе автоматического управления 19 к блоку плавного пуска 23 подсоединена электрическая задвижка 17, а к блоку коммутационной и измерительной аппаратуры 22 присоединены электрогенератор 15, электрический расходомер 18 и с помощью аналогово-цифрового 29 и цифро-аналогового 30 преобразователей электронно-вычислительная машина 31. Электрическая задвижка 17 подсоединена к блоку плавного пуска 23 посредством двигателя 32. Водоотводящая 20 система может быть выполнена из колена 33, герметично соединенного с трубопроводом 34 отвода воды. К блоку полезной нагрузки 26 подключена полезная нагрузка 35, а к блоку балластной нагрузки 28 присоединена балластная нагрузка 21, в качестве которой может быть использован трехфазный водяной электрокотел. Электрогенератор 15 соединен валом 36 с горизонтальным валом 11. Соединения частей микрогидроэлектростанции между собой выполнены герметично посредством фланцевых соединений 37.
Микро-гидроэлектростанция работает следующим образом.
Вода по напорному трубопроводу 16 подачи воды, проходя через электрические задвижку 17 и расходомер 18, попадает из водоподводящей 10 части на лопатки 4 направляющего аппарата 1 и далее - на лопасти 6 рабочего колеса 5. После чего вода поступает в водоотводящую 9 часть, соединенную с водоотводящей 20 системой, в которой из колена 33 сбрасывается в трубопровод 34 отвода воды. При этом происходит преобразование энергии воды в механическую энергию вращения горизонтального вала 11, соединенного с валом 36 электрогенератора 15. Последний преобразует механическую энергию вращения горизонтального вала 11 в электрическую. При увеличении или уменьшении величины полезной нагрузки, более чем на 10%, от электрического расходомера 18 поступает сигнал на блок коммутационной и измерительной аппаратуры 22 системы автоматического управления 19, которая направляет сигнал открытия или закрытия с блока плавного пуска 23 на двигатель 32 электрической задвижки 17. Для сохранения электрической задвижки 17 в рабочем состоянии система автоматического управления 19 не должна оставлять свою минимальную мощность менее 10% от запланированной мощности. Во время работы предлагаемой микро-гидроэлектростанции для сохранения высокого КПД и создания условий стабильности полезной нагрузки потребителя при ее изменении и изменяющихся параметрах воды, таких как напор и расход, существуют возможности использования, в частности, избыточного количества вырабатываемой электрической энергии, а также регулирования расхода воды в напорном трубопроводе 16 подачи воды. Для этого, например, при снижении полезной нагрузки потребителя избыток электрической энергии направляется от электрогенератора 15 через систему автоматического управления 19 на балластную нагрузку 21, например, водяной электрокотел, связь электрогенератора 15 через систему автоматического управления 19 с электрическими задвижкой 17 и расходомером 18, последовательно установленных на трубопроводе 16 подачи воды, позволяет управлять расходом воды, а при аварийном режиме работы прекратить подачу воды. Применение системы автоматического управления 19 позволяет стабилизировать выходные параметры электрогенератора 15, такие как амплитуда и частота вырабатываемого напряжения, отклонения которых от номинальных параметров могут быть вызваны колебаниями расхода воды и мощности полезной нагрузки. Для более точной настройки параметров используется электронно-вычислительная машина 31, присоединенная к системе автоматического управления 19.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели приводит к повышению экономичности при сохранении высокого КПД, удобству эксплуатации и возможности установки на напорной водоподающей системе.