Речная бесплотинная гидроэлектростанция

Полезная модель относится к гидроэнергетике и может быть использована для производства электроэнергии на судоходных реках с большим течением.
Известно устройство «Гидроэлектростанция», патент №2451824, Россия, МПК, F03B 13/10, F03B 7/00. Гидроэлектростанция / Засеев Л.З.; опубл. в БИ 27.05.2012.
Гидроэлектростанция представляет собой плавсредство, закрепленное тросами с опорами на берегу, содержащее один ряд и более турбин, параллельно установленных на полых платформах. На валах турбин смонтированы звездочки, соединенные между собой цепями. Перед плавсредством установлен фильтр в виде клина для отвода предметов. Электрогенератор и пускорегулирующее оборудование устанавливаются на берегу.
Основным недостатком данного устройства является то, что данная гидроэлектростанция предназначена для производства электроэнергии на несудоходных малых реках. Плавсредство гидроэлектростанции, закрепленное тросами с опорами на берегу полностью закрывает судовой ход участка реки.
Наиболее близким решением к заявляемому техническому решению является гидроэлектрическая установка, патент №2474724, F03B 7/00, F03B 17/06. Гидроэлектрическая установка / Манташьян П.Н., опубл. в БИ 10.02.2013.
Гидроэлектрическая установка содержит плавучее основание, выполненное в виде катамарана, т.е. имеет двухкорпусную конструкцию. Между корпусами плавучего основания образован канал, в котором размещено водяное колесо с лопатками, вал которого кинематически связан с электрогенератором. На щитке корпуса катамарана закреплен трос, который фиксирует установку к берегу.
Прототип имеет следующие недостатки:
- данная гидроэлектрическая установка не приспособлена для ее использования участков реки с большой скоростью потока воды, которая различна на плесах и перекатах: в межень больше на перекатах, в половодье на плесах;
- данная гидроэлектрическая установка в ночное время не защищена световой сигнализацией от предупреждения столкновения с транзитными судами;
- при резком изменении погодных условий - ураганных ветров плавсредство может занять не стандартное положение, например, поперек речного русла. При этом резко уменьшится производство электроэнергии и создается аварийная ситуация при прохождении транзитных судов.
Задачей полезной модели является увеличение надежности и эффективности гидроэлектростанции на речных участках с большими течениями.
Техническим результатом, достигаемым при этом, является создание надежной и эффективной бесплотинной гидроэлектростанции на речных участках с большими течениями.
Этот технический результат достигается тем, что речная бесплотинная гидроэлектростанция, содержащая плавучее основание, выполненное в виде катамарана, между корпусами которого размещено водяное колесо с лопатками, вал которого связан с электрогенератором, главный распределительный щит, блок управления, каналы потребления, дополнительно содержит насадку с внутренним изменением диаметра профиля по длине, установленной между корпусами плавучего основания с возможностью пропуска потока воды через насадку, и герметично связанной с корпусами плавучего основания. Кроме того, бесплотинная гидроэлектростанция содержит: балластные системы, расположенные в корпусах плавучего основания с возможностью изменения осадки и дифферента плавучего основания; по два носовых и кормовых якорных устройств; вход которых подключен к якорям, выход связаны с корпусами плавучего основания; по два стояночных клотиковых и бортовых огней с возможностью включения с наступлением темноты и выключения в дневное время суток; аккумулятор, вход которого подключен к главному распределительному щитку, выход связан с потребителями электроэнергии.
**
*
Сущность полезной модели иллюстрируется фигурами 1, 2, выполненные по ГОСТ 2.305-68. На фиг. 1 на фронтальной плоскости изображен разрез гидроэлектростанции, выполненный секущей плоскостью А-А, на фиг. 2 на горизонтальной плоскости изображен вид гидроэлектростанции сверху. Основные элементы на фиг. 1, 2 обозначены позициями (пронумерованы), а некоторые элементы, например поток воды (жидкость) и дно реки (грунт) не обозначены. Их можно распознавать по штриховке согласно ГОСТ 2.306-68. Направление течение потока воды условно показаны стрелками.
Гидроэлектростанция содержит (см. фиг. 2) плавучее основание 1, выполненное в виде двух корпусов, между корпусами которого образован суживающийся канал; носовые якорные устройства 2, 5; козырек 3; фильтр клиновой 4; балластные системы 6; кормовые якорные устройства 7, 8; поперечные крепления 9, установленные между корпусами плавучего основания; опоры 10, 11; вал 12; колесо водяное с лопатками 13; электрогенератор 14; насадку 15 (см. фиг. 1); электрический водяной насос 16; главный распределительный щит (ГРЩ) 17; блок управления (БУ) 18; аккумулятор 19; блок включения - выключения (БВВ) стояночных сигнальных огней 20, клотиковые стояночные огни 21 (см. фиг. 1, 2), 22; бортовые стояночные огни 23, 24; каналы подачи электроэнергии 25, 26, 27, 28; канал подачи электроэнергии потребителю 29; канал подачи электроэнергии к потребителям стояночных сигнальных огней 30, канал подачи электроэнергии к потребителям гидроэлектростанции 31.
Наружная поверхность насадки 15 герметично крепится к корпусам плавучего основания 1, что позволяет весь поток воды направить по внутренней поверхности насадки 15. Диаметр внутренней поверхности насадки от начала по длине до середины уменьшается, т.е. выполняется с переменными диаметром, а на выходе от середины насадки до конца ее диаметр увеличивается. Энергия потока воды зависит от уклона и размеров насадки 15: диаметра и ее длины.
Якорные устройства 2, 5, 7, 8 служат для постановки гидроэлектростанции в рабочее положение, и ее удержания в заданном положении. Кроме того, якорные устройства позволяют удержать заданное рабочее положение гидроэлектростанции в неблагоприятных погодных ситуациях, например, при навальном, отвальном и кормовом ветрах. Поперечное крепление 9 между корпусами плавучего основания 1 позволяет создать его остойчивость и жесткость. Количество креплений (поз. 9) устанавливается расчетным путем.
Опоры 10, 11 служат для установки вала 12 и водяного колеса с лопатками 13. Электрогенератор 14 соединен напрямую или через редуктор (последний на прилагаемых фигурах не показан) с валом водяного колеса 13.
Для увеличения напора водяного потока и его скорости при прохождении через внутреннюю поверхность насадки 15 в корпусах плавучего основания 1 предусмотрена балластные системы 6, которые позволяют регулировать уклон насадки 15 и установить оптимальную глубину ее погружения изменением осадки и дифферента плавучего основания 1.
Балластные системы 6 в обоих корпусах имеют одинаковую конструкцию и включают в себя цистерны, расположенные по длине корпуса плавучего основания. На фиг. 1 показана, по крайней мере, одна цистерна местным разрезом, причем системы выполнены с возможностью, как удаления воды из балластной системы за борт или заполнения балластных цистерн, так и перекачивания балластной воды из одной цистерны в другую. В результате наполнения и освобождения воды из балластных систем 6 происходит изменение дифферента и осадки плавучего основания, в результате чего выбирается наилучший уклон насадки 15, что приводит к увеличению напора и скорости перемещения потока воды в насадке (Бронштейн Д.Я. Устройство и основы теории судна: Учебник. Л.: Судостроение, 1988. - 336 с.: ил., стр 165).
Блок включения - выключения стояночных сигнальных огней (БВВ) 20 служит для включения стояночных клотиковых 21, 22 и бортовых стояночных огней 23, 24 с наступлением темноты; для определения местонахождения гидроэлектростанции и предотвращения столкновения с транзитными судами и выключения названных огней в светлое время суток. Аккумулятор 19 служит для обеспечения электроэнергией потребителей гидроэлектростанции при ее нерабочем положении. Якорные устройства 2, 5, 7, 8 могут быть как ручные, так и автоматизированные.
Козырек 3 служит для буксировки гидроэлектростанции на новое место или при прекращении ее работы перед зимовкой, а также для выполнения ремонта. Фильтр 4, выполненный в виде клина, предохраняет поток воды от посторонних предметов.
Водяное колесо 13 устанавливается на валу 12, имеет лопатки, которые могут иметь конструкцию, например, согласно патенту №2392488, Россия, МПК, F03D 3/00, F03D 5/00, F03B 7/00, F03B 9/00. Лопатка для тихоходных турбин / Яковенко А.Л., Жигуленко И.В., опубл. в БИ 20.06.2010.
Электрический насос 16 обеспечивает эксплуатацию балластных систем. Вал 12 установлен на опорах 10, 11 и кинематически связан с электрогенератором 14. Элементы автоматики поз. 17, 18, аккумулятор 19, БВВ 20 преобразовывают требуемое напряжение, и обеспечивает подачу напряжения потребителям.
Гидроэлектростанция предназначена преимущественно для работы в весенне-летне-осеннее время. Предлагаемая гидроэлектростанция работает следующим образом.
Данная гидроэлектростанция с помощью буксирного судна устанавливается на участке реки с наибольшим течением. При этом гидроэлектростанция должна быть размещена вне границы судового хода. Якорными устройствами 2, 5, 7, 8 гидроэлектростанция ставится на отмеченное место, проверяется достоверность установки, не сносит ли течением гидроэлектростанцию. После этого приводится в действие гидроэлектростанция, при этом с помощью балластных систем регулируется осадка и дифферент на корму плавучего основания 1, тем самым устанавливаются оптимальные параметры: напор и течение потока воды через насадку 15.
Так как диаметр насадки по длине уменьшается, в результате чего при движении потока воды по насадке увеличивается его скорость, уменьшается давление. Кинетическая энергия потока воды при этом возрастает, достигая наивысшего значения в середине насадки по длине, а на выходе за счет увеличения диаметра насадки происходит обратное явление: скорость потока резко уменьшается, а его давление и потенциальная энергия увеличивается. Этот движущийся поток воды направляется на лопатки колеса 13, при этом расходуя свою кинетическую энергию, совершает работу, увеличивая при этом крутящий момент колеса. Водяное колесо 13 начинает вращаться и через вал 12 начинает работать электрогенератор 14. Приводится канал подачи электроэнергии 29 в рабочее положение, т.е. подключается к потребителю. Выработанная электроэнергия по каналу 25 подается в ГРЩ 17, который по каналу 26 подает в БУ 18, а по каналу 27 подается в аккумулятор 19, где происходит автоматическая его зарядка.
БУ 18 подает электроэнергию по каналу 29 к потребителям, а по каналу 28 -подается в БВВ 20. При необходимости электроэнергия по каналу 31 подается к потребителям гидроэлектростанции, например в насос, 16, якорные устройства и т.п.
Гидроэлектростанция контролируется вахтенной службой, которая следит за параметрами электроэнергии, а также за работой механизмов.
Таким образом, предлагаемая конструкция речной бесплотинной гидроэлектростанции, включающая насадку с переменным внутренним диаметром с возможностью увеличения уклона за счет создания дифферента на корму балластными системами катамарана удается увеличить эффективность гидроэлетростанции. Якорные устройства создают надежность рабочей стоянки при больших течениях и ветрах, а сигнальные клотиковые и бортовые огни в ночное время защищают от столкновения с транзитными судами.