ГОРИЗОНТАЛЬНО-ЛОПАСТНАЯ ГЭС
HORIZONTAL VANE HYDROELECTRIC POWER STATION

Изобретение относится к гидроэнергетике и предназначено для преобразования широкого диапазона энергии водной среды и морских, речных потоков в электрическую энергию.
Из уровня техники известна горизонтально-лопастная ГЭС подводного базирования, содержащая корпус, рабочие лопасти, расположенные вертикально к набегающему потоку, с горизонтальной осью вращения, донные опоры, площадки обслуживания и машинные залы, генераторы тока, при этом лопасти составляют блок, из минимум пяти лопастей, которые размещены ярусами, патент US 7352078 В2, 01.04.2008, F03B 13/00, который является прототипом.
Недостатком прототипа является то, что:
- весь комплекс стационарный и требует больших глубин, т.к. для снятия энергии подводных течений используются пропеллерные винты, где глубина воды для одного пропеллера должна быть больше диаметра вращения пропеллера от 2 до 10 метров, как безопасная часть глубины, учитывая в т.ч. волновые колебания. Например, английские турбины диаметром до 19 метров устанавливаются на глубине в 25 метров;
- при вертикальном размещении вращающих лопастей, при диаметре от 6 метров, лопасти испытывают разные нагрузки от потока течения, донного течения, скорость отличается от течения, выше оси вращения. Это ведет к удорожанию конструкций лопастей и трансмиссий;
- донные фронтальные пропеллерные турбины должны иметь систему ориентации по потоку, особенно при приливных течениях, т.е. дополнительно должна быть система разворота всей турбины по потоку или на 180 градусов;
- при наличии нескольких гидротурбин усложняется отбор мощности и требуются отдельные отводящие электрические кабели, что усложняет и удорожает электросхему;
- ГЭС и ветроэлектростанция пропеллерного типа создают вибрацию, что требует массивной донной опоры, а ультразвук опасен для фауны моря, изменяя миграцию животных и рыб.
Заявленное изобретение лишено большей части недостатков прототипа, а главное использует широкий диапазон глубин от 1 м и выше, разное направление и скорости течений.
Задачей изобретения является универсализация горизонтально-лопастной ГЭС, расширение диапазона применения рабочего органа предлагаемого устройства, универсального для ГЭС, как по силе, направлению и глубине использованных потоков, особенно резко и часто меняющихся в море, облегчающего установку станций на рабочее место и их ремонта, или даже самостоятельного поиска наиболее удобного базирования, т.е. есть возможность создания плавающего и самоходного варианта горизонтально-лопастных ГЭС, а также возможность комбинирования ГЭС с другими энергоустановками типа ВЭС в один блок (Гидро-ВЭС), даже с раздельными генераторами тока, с одинаковой схемой горизонтальных турбин. Единственное общее для всех лопастных ГЭС - это недопущение судоходства и нахождение людей в зоне работы лопастей для поверхностных течений. Появилась возможность создания систем комбинированных ВЭС с ГЭС, т.е. унифицированная схема Гидро-ВЭС, размещенная в акваториях морей, в донных течениях или приливных потоках, в проливах между островами, или в затопленных поймах больших рек, в том числе под мостами.
Указанная задача достигается в горизонтально-лопастной ГЭС подводного базирования, содержащей лопасти, составляющие блок, минимум, из пяти лопастей и генератор тока, в которой согласно изобретению лопасти расположены горизонтально, своей формой нейтральны к потоку среды и снабжены сменными узлами с подвижными жесткими или эластичными лопатками, размещенными на нижней и верхней поверхностях лопасти, которые при воздействии набегающего потока среды выполнены раскрывающимися в рабочем положении, создавая момент сил, или закрывающимися при вхождении лопатки в теневую зону потока, при этом блоки лопастей установлены с вращением в разные стороны через один блок и размещены ярусами на опорном вертикальном осевом стержне или блоки лопастей вынесены от основного, например, плавающего корпуса, и соединены с ним гибким валом - карданом.
Изобретение поясняется схемами.
На фиг.1 изображен вид горизонтально-лопастной ГЭС на подводном течении в море,
на фиг.2 - вид горизонтально-лопастной ГЭС на подводном течении,
на фиг.3 - лопасть с откидными жесткими лопатками,
на фиг.4 - откидная жесткая лопатка,
на фиг.5 - лопасть с эластичными лопатками (карманами).
на фиг.6 - эластичная лопатка,
на фиг.7 - ГЭС башенного типа, стоящая на дне, использующая поверхностное течение моря,
на фиг.8 - ГЭС башенного типа, стоящая на дне, вид сверху, где показаны качающие опоры для блоков лопастей и где видно рациональное расположение блоков, относительно направления потока,
фиг.9 - ГЭС плавающего типа, на якорной стоянке, в поверхностном течении потока.
фиг.10 - ГЭС плавающего типа, на якорной стоянке, вид сверху.
Для ГЭС лопасти, не менее пяти (более пяти лопастей не эффективно, но возможно), вращаются в горизонтальной плоскости на вертикальной оси в потоке воды, на независимой втулке на опорном стержне в несколько ярусов, связанной определенным для данной схемы приводом отбора мощности с генератором тока, размещенном в придонном корпусе комплекса или на платформе выше уровня моря, причем лопасти снабжены на обеих своих плоскостях специальными подвижными лопатками, жесткими или эластичными, наполняемыми потоком среды, являющиеся основным элементом, передающим силу водного потока на лопасть и далее через нее и редукцию на генератор тока. Лопасть своей формой нейтральна к потоку, является только передающим устройством энергии воздействия среды через лопатки дальше к генератору тока (фиг.3, 4, 5, 6).
При использовании поверхностных потоков воды, в море или в реке, группа лопастей с откидными лопатками может быть вынесена за пределы основного корпуса станции, стационарного или плавающего (фиг.8, 9, 10), и крепится на выносной, качающейся в вертикальной плоскости ферме и кинематически связана с генератором тока, находящимся в корпусе, через гибкий вал или кардан, причем эти фермы с блоком лопастей, как гидродвигатели, могут размещаться по периметру корпуса ГЭС (стационарного, стоящего на дне, или плавающего, стоящего на якоре, так, чтобы максимально использовать водный поток (фиг.7, 8, 9, 10)).
Горизонтально-лопастная турбина, и на ее основе ГЭС, работает следующим образом. На втулках 4 размещены, горизонтально, конструкции лопастей 5, составляющие блок лопастей 8 и порядок размещения сменных узлов с жесткими лопатками 6 (фиг.4) или эластичными лопатками 7 (фиг.6) на обеих плоскостях лопасти 5, без создания подъемной силы, равномерно вращаются вокруг оси и передают через основной вал (фиг.1, 2) или карданную систему фиг.7, 8, 9, 10, силу вращения внутрь корпуса 2 (фиг.1.2) через стержень 1, на редукцию и генератор тока (фиг.7, 8, 9, 10). Блоки лопастей 8 (минимум пять для ГЭС) устанавливаются на вертикальном стержне 1, как вариант, четным количеством с вращением в разные стороны, через один блок, или по одному блоку вокруг стационарного корпуса искусственного острова 10 (фиг.7. 8), или вокруг, например, плавающего корпуса 11 (фиг 9. 10), но стоящего на якорях 14 в зоне поверхностных течений. Блоки лопастей 8 (фиг.7, 8, 9, 10) имеют возможность перемещаться вверх и вниз на штангах 9, чтобы была возможность укрываться от больших волн, в глубину (примерно до 3-4 м) или выходить над поверхностью воды для осмотра и ремонта блока (фиг.7, 9).
Почему в блоке для ГЭС указывается минимум пять лопастей, эксперимент показал, что при такой компоновке блока 4 и 8 с лопастями 5 наиболее оптимально снимается нагрузка воды, при увеличении количества лопастей для ГЭС, мощность увеличивается всего на 2-3%, а стоимость блока увеличивается гораздо больше. Для ветровой турбины, расположенной выше уровня моря, количество лопастей можно не ограничивать, но в разумных конструктивных размерах.
Донные стационарные ГЭС с горизонтальными лопастями опираются на дно и закреплены анкерами-шпунтами 3 (фиг.1, 7). Плавающие ГЭС (фиг.9, 10) крепятся ко дну якорями 14 на фалах 13, а сам корпус 11, как машинный зал, имеет выходной люк 12.
Технический результат, получаемый от изобретения, состоит в том, что широк диапазон использования горизонтально-лопастных ГЭС, особенно комбинированных с ВЭС. Резко возрастает общая мощность станций. Затраты на строительство невысокие, по сравнению с нынешними подводными аналогичными установками, тем более в комбинации с ветровыми установками, а комбинированных установок подобного типа сейчас почти нет. Предлагаемая схема горизонтальной лопастной ГЭС, в одинарном блоке (как микро-ГЭС), может использоваться в урезе речного берега, с некоторыми строительными конструкциями и зданием для машинного зала или для получения энергии от бегущих волн и приливов. Для плавающих ГЭС можно использовать отслужившие свой срок подводные лодки или бывшие железнодорожные цистерны.