ГИДРОУДАРНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

1. Область техники
Предполагаемое техническое решение относится к возобновляемым источникам электроэнергии для децентрализованного энергоснабжения небольших населенных пунктов и малых предприятий, расположенных вблизи водоемов и рек с располагаемым перепадом уровней воды не менее одного метра.
2. Уровень техники
Одним из основных направлений увеличения экономического гидроэнергетического потенциала промышленно развитых государств в настоящее время является использование энергии малых рек, что достигается сооружением на них плотинных и бесплотинных гидроэлектростанций (ГЭС). Для России с ее огромной территорией снабжение электроэнергией удаленных от линий электропередач малонаселенных районов является актуальной задачей, которая может быть решена за счет строительства малых ГЭС, особенно, если учесть, что малые населенные пункты обычно располагаются вблизи источников водоснабжения.
Известны плотинные гидроэлектростанции малой мощности (200…500 кВт) с относительно малыми для плотинных ГЭС напорами [1]. В них используются пропеллерные или поворотно-лопастные осевые гидротурбины упрощенной конструкции и полуоткрытые машинные залы. Для работы этих электростанций необходимо иметь располагаемый напор не менее десяти метров, что в естественных условиях встречается достаточно редко и строительство даже таких малых гидроузлов требует больших затрат.
Одним из вариантов малых бесплотинных ГЭС являются наплавные гидроэлектростанции. Анализ патентов на наплавные ГЭС показал, что их конструкции в основном совершенствуются в направлении увеличения скорости потока и полезной мощности.
Известна наплавная гидроэлектростанция [2], которая снабжена устройствами формирования потока и гидротурбиной с оребренными поворотными лопастями, обеспечивающими возможность ее работы не только на плаву, но и под водой.
Так же известна бесплотинная гидроэлектростанция [3], которая включает заглубленную навстречу потоку пластину, гидротаран и гидрогенератор, соединенные между собой подводящим и напорным трубопроводами. Гидротаран, входящий в состав гидроэлектростанции, работает за счет поднятия слоя водотока на высоту скоростного напора при помощи заглубленной пластины.
Имеющиеся опытные разработки по наплавным и бесплотинным ГЭС, включая варианты [2] и [3], на практике не нашли широкого применения, так как малые напоры и скорости потока на входе в гидротурбину, не позволяют получить промышленно значимые электрические мощности и обеспечить устойчивую работу типовых малооборотных электрогенераторов в оптимальном режиме, даже при больших передаточных числах мультипликаторов. Необходимо так же учитывать, что в бесплотинной ГЭС по патенту [3] гидротаран работает в импульсном режиме и около 50% потока проходит через ударный клапан гидротарана, минуя гидротурбину, и дополнительно снижая ее мощность.
По количеству общих признаков и достигаемому результату наиболее близким к заявляемой модели техническим решением является бесплотинная гидроэлектростанция [3], которая выбрана в качестве прототипа.
3. Сущность полезной модели
Задачей полезной модели является разработка устройства электростанции, эффективно и непрерывно вырабатывающего электроэнергию в любое время года с использованием гидравлической энергии потока воды в реке с малыми значениями ширины русла и располагаемого напора. Поставленная задача решается сооружением малой плотины, например, высотой 1…2 метра, с водосливом. К водопропускному отверстию основной плотины через подводящую трубу подсоединен гидротаран и над ним дополнительно установлен напорный бак, причем, высота установки напорного бока определяется напором, создаваемым гидротараном на выходе. На входе подводящей трубы, соединяющей гидротаран с источником водоснабжения, дополнительно установлен обратный клапан. Напорный бак турбинным водоводом соединен с гидрогенератором, состоящим из гидротурбины, например, осевой, и электрогенератора. Гидрогенератор установлен на опорах над уровнем нижнего бьефа.
Во время работы электростанции многократное увеличение потенциальной энергии части движущегося потока воды при подъеме его в напорный бок обеспечивается гидротараном за счет сброса другой части потока через ударный клапан на уровень нижнего бьефа. При наличии минимально необходимого перепада уровней гидротаран может работать длительное время в автоматическом режиме без затрат внешней энергии, используя для подъема воды энергию циклических гидроударов. Если перепад уровней верхнего и нижнего бьефов h (фиг.) составляет величину около одного метра, то гидротаран способен поднимать воду на высоту Н до десяти метров при коэффициенте полезного действия равном 0,5.
Обратный клапан, установленный в подводящей трубе перед гидротараном и отсекающий рабочий объем жидкости во время второго такта гидроудара, значительно увеличивает частоту гидроударов и КПД гидроэлектростанции.
В отличие от прототипа в предлагаемой полезной модели предусмотрен напорный бак, установленный на достаточно большой высоте (до 10 метров), что обеспечивает необходимый перепад уровней и позволяет во время работы электростанции постоянно иметь запас воды с большим значением потенциальной энергии. В дополнение к этому, в напорном баке импульсный поток воды преобразуется в непрерывный, что способствует повышению мощности гидротурбины.
Другая проблема обеспечения эффективной работы станции связана со значительными изменениями мощности потока воды в реке в течение года. В летнее время, когда появляется дефицит мощности потока за счет уменьшения расхода, гидрогенератор переносят на уровень верхнего бьефа, а при наличии двух стационарных гидрогенераторов осуществляют их переключение. Весной, когда мощность потока возрастает, к водопропускным отверстиям в плотине подключают несколько гидротаранов, а после напорного бака по параллельной схеме устанавливают несколько гидрогенераторов, в результате чего мощность электростанции увеличивается.
Увеличение мощности потока воды в реке, даже при наличии водослива, значительно нарушает баланс потоков в напорном баке и верхний уровень воды может увеличиться больше его предельно допустимого значения, что приведет к затоплению станции, а возможно и к разрушению опорных конструкций. Для предотвращения этого явления в боковой стенке напорного бака на высоте верхнего уровня выполнено водопропускное отверстие, к которому подсоединена сливная труба, соединяющая напорный бак с уровнем нижнего бьефа.
В зимнее время года при отрицательных температурах окружающего воздуха для предотвращения замерзания воды, находящейся в малоподвижном состоянии, наружные поверхности напорного бака и колпака гидротарана покрывают слоем теплоизоляционного материала.
В целом, совокупность признаков ограничительной и отличительной частей формулы полезной модели необходима и достаточна для решения поставленной задачи. Эта совокупность в полном объеме ранее нигде не использовалась для решения поставленной задачи и других эквивалентных задач. Следовательно, предлагаемое техническое решение отвечает критериям существенной новизны и полезности.
Схема и конструкции основных элементов предлагаемой гидроударной электростанции иллюстрируются чертежом, представленным на фиг.
4. Примеры конкретного выполнения
Пример 1 конкретного выполнения
Гидроударная электростанция (ГУЭС) по примеру 1 состоит из малой плотины 1 с водосливом (фиг.), к водопропускному отверстию которой через подводящую трубу 2 подключен гидротаран ГТ, расположенный над уровнем нижнего бьефа НБ и состоящий из нагнетательного клапана 3, ударного клапана 4 и воздушного колпака 5. На подводящей трубе 2 перед входом в гидротаран установлен обратный клапан 6, а на выходе после напорного трубопровода 7 на высоте равной напору гидротарана закреплен напорный бак 8. К водосливному отверстию напорного бака подключен турбинный водовод 9, соединяющий его с гидрогенератором ГТ, расположенным на опорах над уровнем нижнего бьефа.
Малая плотина (1), например, высотой 1…1,5 м, при небольших затратах обеспечивает требуемый напор перед гидротараном ГТ и запас воды, необходимый для устойчивой работы гидроэлектростанции. Обратный клапан (6), установленный в подводящей трубе 2, при работе гидротарана отсекает обратную ударную волну, что увеличивает подачу воды в напорный бак 8 за счет повышения частоты гидроударов. При работе гидротарана поток воды разделяется на две части, одна из которых через ударный клапан 4 уходит на слив, а другая под давлением нагнетается в напорный бак 8. Напорный бак служит для обеспечения постоянного запаса воды с большим значением потенциальной энергии и преобразования импульсного потока, создаваемого гидротараном, в непрерывный, что обеспечивает устойчивую работу гидрогенератора в заданном режиме.
Пример 2 конкретного выполнения
Описанный в примере 1 вариант конструкции ГУЭС рассчитан на среднее для летнего периода значение мощности потока воды, а при уменьшении мощности ниже среднего значения целесообразно использовать энергию потока, выходящего из гидрогенератора, несмотря на частичное уменьшение напора на его входе. Для этого в примере 2 конкретного выполнения гидрогенератор ГГ, соединенный турбинным водоводом с напорным баком, устанавливается на уровне верхнего бьефа (на фиг. не показан).
При таком устройстве ГУЭС ее мощность несколько снижается, но за счет обеспечения устойчивой работа гидротарана в заданном режиме в целом получается положительный технико-экономический эффект.
Пример 3 конкретного выполнения
При мощностях потока, значительно превышающих расчетное среднее значение, появляется возможность кратного увеличения электрической мощности ГУЭС. Для этого в примере 3 конкретного выполнения в основной плотине выполняется несколько водопропускных отверстий с затворами, к которым по параллельной схеме через подводящие трубы подсоединяется несколько гидротаранов, подающих воду в напорный бак. К напорному баку через турбинные водоводы по параллельной схеме подключено несколько гидрогенераторов (на фиг. не показаны).
Реализация устройства ГУЭС по примеру 3 позволяет многократно увеличить электрическую мощность станции, уменьшить нагрузку на водослив в период половодья и в определенных диапазонах регулировать уровень верхнего бьефа.
Пример 4 конкретного выполнения
В устройстве ГУЭС по примеру 4 к напорному баку на высоте предельного значения верхнего уровня дополнительно подсоединена сливная труба 10 (фиг.), по которой избыточная вода сливается под уровень нижнего бьефа.
Сброс избыточного объема воды из напорного бака исключает аварийные ситуации, свидетельствует об увеличении мощности потока воды в реке и определяет возможность использовать устройство ГУЭС по примеру 3.
Пример 5 конкретного выполнения
В устройстве ГУЭС по примеру 5 наружные поверхности напорного бака 8 и колпака гидротарана 5 покрыты слоем теплоизоляции, что обеспечивает работу станции при отрицательных температурах атмосферного воздуха.
5. Промышленная применимость
Предложенная полезная модель позволяет при малых располагаемых перепадах уровней воды в реке за счет модернизации конструкции прототипа, включая устройство малой плотины и установку напорного бака, обеспечить работу станции в напорном режиме с использованием оборудования малых плотинных гидроэлектростанций, что при массовом производстве в целом будет способствовать повышению экономического гидроэнергетического потенциала страны. Отметим, что наряду с естественными перепадами уровней в руслах рек для работы гидроударной электростанции могут быть сооружены искусственные плотины высотой 1…1,5 метра с водосливами, строительство которых на малых реках больших затрат не требует, Источники информации
1. Ильиных, И. И. Гидроэлектростанции / И. И. Ильиных. - М.: Энергоатомиздат 1988.-248 с.
2. Патент RU на полезную модель №74169, кл. F03B 7/00,2007
3. Патент RU на изобретение №2241092, кл. Е02В 9/00,2003 (прототип)