МАЛОГАБАРИТНАЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к гидроэнергетике, а именно к гидроэлектростанциям, погруженным в воду и обеспечивающим получение электроэнергии путем использования энергии водного потока. В частности, рассматривается конструкция малогабаритной переносной гидроэлектростанции (микро-ГЭС) на базе малоинерционного асинхронного генератора, используемого в качестве источника производства электрического тока. Данной конструкции автором присвоено торговое название «Колосок».
Применение микро-ГЭС может быть целесообразно на небольших предприятиях или фермерских хозяйствах. Как известно гидроэлектростанция - это самый эффективный производитель электроэнергии, который работает на неисчерпаемых источниках движения потоков воды. В отличие от АЭС она безопасна, а в отличие от ветро- и солнечных генераторов - более производительна. Поэтому принцип получения энергии за счет движения воды имеет самый высокий КПД. Однако построить ГЭС вне больших крупных рек невозможно. Отсюда встала задача разработки миниГЭС высокой мощности.
Например, известна гидроэлектростанция, которая может иметь компактное исполнение и которая содержит установленный в потоке воды и разделенный на отсеки корпус с входным конфузором, внутри корпуса последовательно расположены гидропривод, выполненный в виде лопастной турбины с горизонтальным валом на подшипниках, и электрогенератор, ротор которого через две полумуфты соединен с валом гидропривода, электрогенератор помещен в герметичный отсек корпуса, на входном конфузоре установлена оградительная сетка, отсек корпуса с гидроприводом имеет продольные выходные окна и отражатель внутреннего потока воды, выполненный в виде усеченного конуса и герметично соединенный с цилиндрической обечайкой, внутри которой установлен горизонтальный вал турбины на подшипниках. Вал имеет торцевое уплотнение, герметично соединенное с цилиндрической обечайкой. Хвостовой отсек корпуса выполнен герметичным в виде усеченного конуса и имеет установленный на меньшем основании герметичный водостойкий электроразъем с электрокабелем (RU 2139972, E02B 9/00, F03B 13/10, опубл. 20.10.1999). Данное решение принято в качестве прототипа.
Известное решение имеет недостаток, заключающийся в том, что в микро-ГЭС использована соосная схема расположения пропеллера, вала и электрогенератора. В результате водный поток, попадая через входной конфузор в корпус трубчатой формы, ссужаясь, набирает скорость перемещения, проходя через зону пропеллера, вращает последние, а потом упирается в торцевую стенку электрогенератора, где происходит торможение водного потока и перенаправление его в выпускные окна на стенке корпуса. В результате за лопастями пропеллера формируется турбулентная зона, которая снижает скорость потока, так как на одной стороне лопастей пропеллера формируется давление на их вращение, а на тыльной стороне образована зона смутного потока, оказывающего обратное действие. Для исключения этого явления необходимо как можно дальше друг от друга расположить пропеллер и электрогенератор. Но при этом сильно увеличиваются осевые габариты микро-ГЭС и усложняются условия работы вала привода, так как при большой длине сложно правильно установить опорные узлы для этого вала и соблюсти соосность подшипниковых гнезд. Кроме того, в этом случае корпус должен обладать достаточной жесткостью, чтобы исключить пространственную деформацию, которая может привести к изменению положения подшипниковых узлов и заклиниванию вала. А при сокращении длины вала возникает ситуация, при которой зона турбулентности водного потока переходит в зону размещения пропеллера. Эти конструктивные особенности не позволяют полностью реализовать все преимущества использования энергии водного потока.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции и повышении ее эффективности за счет более полного использования энергии водного потока.
Указанный технический результат достигается тем, что малогабаритная гидроэлектростанция, размещаемая в водном потоке по направлению течения последнего, содержит корпус трубообразной формы с входным конфузором, на выходе из которого, выполненного ссужающимся, расположена лопастная турбина с горизонтальным валом на подшипниках, и электрогенератор, ротор которого кинематически связан с валом лопастной турбины, при этом электрогенератор помещен в герметичный отсек, корпус трубообразной формы представляет сбой трубчатый каркас, обтянутый снаружи водонепроницаемой тканью, входной конфузор выполнен в виде по крайней мере двух рамок из трубок, обтянутых водонепроницаемой тканью и расположенных под углом к продольной оси корпуса трубообразной формы для направления водного потока в полость корпуса трубообразной формы, лопастная турбина с горизонтальным валом на подшипниках смонтирована в трубчатом тонкостенном корпусе, присоединенном к ссуженному выходу корпуса трубообразной формы соосно последнему с возможностью вращения вокруг продольной оси этого корпуса, лопасти лопастной турбины смонтированы на подшипниках с возможностью вращения на неподвижном горизонтальном валу и прикреплены концевыми участками к стенке трубчатого тонкостенного корпуса для обеспечения его вращения на неподвижном горизонтальном валу, при этом электрогенератор в герметичном отсеке расположен снаружи трубчатого тонкостенного корпуса и выполнен со звездочкой на валу ротора, а на трубчатом тонкостенном корпусе выполнены элементы зацепления с цепью, охватывающей трубчатый тонкостенный корпус и звездочку на валу ротора.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - вид сбоку на микро-ГЭС;
фиг.2 - вид сверху на микро-ГЭС;
фиг.3 - вид на энергоблок со стоны вращающегося элемента
фиг.4 - то же, что на фиг.3, вид сбоку;
фиг.5 - то же, что на фиг.3, вид сверху.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается малогабаритная переносная конструкция микро-ГЭС, позволяющая реализовать максимальную эффективность использования энергии водного потока за счет обеспечения нужного напора водного потока на вращающемся элементе, приводящим во вращения источник образования электрического тока. Новая микро ГЭС обладает повышенной удельной эффективностью с обеспечением простоты конструкции и надежности эксплуатации. Последнее обеспечивается тем, что в конструкции микро-ГЭС водный поток проходит вращающийся элемент и зону расположения источника образования электрического тока без торможения и турбулентности.
Малогабаритная гидроэлектростанция размещается в водном потоке по направлению течения последнего и удерживается в потоке от самопроизвольного перемещения по течению различными средствами. Например, удержание микро-ГЭС от перемещения по течению может быть выполнено с помощью тросов и привязки к опорным точками. Удержание на заданной глубине может быть осуществлено с помощью поплавков.
Микро-ГЭС содержит корпус 1 трубообразной формы с входным конфузором 2 с одной стороны и с ссужающимся выходом 3 на другом конце. Корпус трубообразной формы представляет сбой трубчатый каркас, который выполняют из трубчатых колец 4, отрезков трубок, соединяющих кольца по длине корпуса. Затем каркасная конструкция обтягивается снаружи водонепроницаемой тканью. Это позволяет создать облегченный и достаточно пространственно жесткий корпус. На входе в корпус смонтирован входной конфузор 2, который представляет собой два и более крыльев 5, каждое из которых выполнено в виде рамки из трубок, обтянутой водонепроницаемой тканью. Такие крылья или пластины располагают под углом к продольной оси корпуса трубообразной формы для направления водного потока в полость корпуса трубообразной формы. Крылья или пластины располагают наклонными в разные стороны от корпуса, что позволяет сформировать некий входной конус для направления водного потока и первичного увеличения его скорости при входе в сам корпус. На другом конце корпуса выполнено сужение в виде сопла, где происходит второе увеличение скорости потока. Регулируя наклон крыльев по отношению друг к другу и к продольной оси корпуса можно регулировать напорно-скоростные характеристики той часть водного потока, которая проходит через полость корпуса трубообразной формы.
При установке основной конструкции корпуса на поток реки следует заметить, что крылья конструкции служат для создания и удержания большего объема воды. При прохождении водного потока по направляющим элементам - крыльям из водонепроницаемой ткани, которая закреплена на алюминиевые кольца большего и наименьшего диаметра, получим необходимый нам целенаправленный водной поток. В результате меньших потерь водного потока с помощью данной конструкции увеличиваем частоту вращения турбины. Тем самым увеличиваем выработку энергии турбины.
Гидроагрегат 6, в состав которого входит лопастная турбина 7 с неподвижным горизонтальным валом 8 на подшипниках 9, смонтирован в отдельном трубчатом тонкостенном корпусе 10, присоединенном через кольцевую проставку 11 (кожух) к ссуженному выходу корпуса трубообразной формы соосно последнему. Отдельный трубчатый тонкостенный корпус 10 установлен с возможностью вращения вокруг продольной оси этого корпуса и относительно кольцевой проставки. Лопасти 12 лопастной турбины смонтированы на подшипниках 9 с возможностью вращения на неподвижном горизонтальном валу 8 и прикреплены концевыми участками к стенке трубчатого тонкостенного корпуса 10 для обеспечения его вращения на неподвижном горизонтальном валу 8. Таким образом, при появлении давления на лопастях и вращении лопастной турбины происходит вращение тонкостенного трубчатого корпуса. Это вращение осуществляется относительно неподвижного горизонтального вала. На пути водного потока лопасти являются единственным элементом, являющимся препятствием, которое может затормозить поток. Но поскольку при прохождении водного потока лопасти вращаются, а это является ответной реакцией на возмущение, топок практически не тормозится, так как за лопастной турбиной образуется зона пониженного давления.
Микро-ГЭС оснащена электрогенератором 13 (малоинерционный асинхронный генератор), ротор которого кинематически связан с лопастной турбиной, при этом электрогенератор 13 помещен в герметичный отсек 14. Электрогенератор в герметичном отсеке расположен снаружи трубчатого тонкостенного корпуса 10 и закреплен через упругую прокладку 15 на кольцевой проставке. Электрогенератор выполнен со звездочкой 16 на валу ротора, а на трубчатом тонкостенном корпусе выполнены элементы зацепления 17 (например, в виде звездочки) с цепью 18, охватывающей трубчатый тонкостенный корпус и звездочку на валу ротора.
Для предотвращения завихрений которые понижают КПД в данной конструкции предусмотрены крылья. Электрогенератор плотно крепится к кожуху на удерживающих штырях. Между электрогенератором присутствует резиновая прокладка. Резиновая прокладка предотвращает соскальзывания генератора и гасит вибрацию.
Мощность на рабочем валу.
3
N=(1/2)·ρ·V F·η,
где:
- N - мощность на рабочем валу (Вт);
3
- ρ - плотность воды (1000 кг/м);
- V - скорость течения реки (м/с);
2
- F - площадь сечения активной (погружаемой) части рабочего органа гидротурбины(м);
- η - КПД преобразования энергии.
N=0,5·1000·6·0.273·0.95=778.05 Вт.
Таким образом, при вращении лопастей турбины происходит вращение трубчатого тонкостенного корпуса и вращение цепи, которое передается через звездочку валу ротора электрогенератора. Вывод блока электрогенератора и привода его ротора из зоны водного потока внутри корпуса позволило существенно повысить эффективность использования энергии водного потока и повысить кпд микро-ГЭС.
Данная Микро-ГЭС легко выполняется в виде конструктора, то есть может быть составлена из отдельных разборных и при сборке соединяемых между собой элементов. Это позволяет хранить ее в разобранном состоянии, а при необходимости собрать и установить в водном потоке.