Бесплотинная погружная модульная универсальная береговая гидроэлектростанция и энергетический комплекс, состоящий из нескольких модульных гидроэлектростанций, объединенных общей платформой

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии. Гидроэлектростанция содержит трубу-водовод 2 с установленной в ней гидротурбиной 6, соединенной с генератором 7. Труба-водовод 2 установлена в водоем и проложена по дну водоема к платформе 8, закрепленной на берегу. Труба-водовод 2 дополнительно снабжена в верхней, возвышающейся над уровнем водоема части, осевым насосом 9 с винтом регулируемого шага. Гидротурбина 6 установлена в нижней части трубы-водовода. Труба-водовод 2 закреплена на дне водоема и имеет отверстия 4 для входа воды. Энергетический комплекс состоит из нескольких гидроэлектростанций, объединенных общей платформой и имеющих необходимую мощность, регулируемую с помощью включения-отключения насосов. Заявленная группа изобретений позволяет вырабатывать электрическую энергию в разных климатических условиях, с возможностью наращивания мощности установки, путем увеличения протяженности напорного фронта ГЭС. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к выработке электрической энергии. Задачей изобретения является создание бесплотинной погружной модульной универсальной береговой гидроэлектростанции и энергетического комплекса, состоящего из нескольких модульных гидроэлектростанций, объединенных общей платформой и имеющих необходимую мощность, регулируемую с помощью включения-отключения насосов.

Гидравлические электростанции (ГЭС) используют для выработки электрической энергии силу падающей воды. Известны три вида (ГЭС) [(1) стр.16-17]; гидроэлектростанции (ГЭС), приливные гидроэлектростанции (ПЭС), гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

Технологическая схема производства электрической энергии гидроэлектростанций, содержащая: искусственно созданную плотину, искусственно созданное водохранилище (верхний бьеф), турбинный водовод с гидрогенератором, вырабатывающим электрическую энергию, нижний бьеф, куда стекает сработанная вода. Чем больше перепад высот между верхним и нижним бьефами, тем большую мощность вырабатывает гидрогенератор [(1) стр.16 рис.1.16]. Вышеперечисленные энергетические объекты, работающие по данной технологической схеме, имеют множество недостатков:

1. Строительство искусственных плотин и водохранилищ требует больших удельных капиталовложений.

2. Длительные сроки изготовления ГЭС.

3. Потеря больших земельных площадей.

4. Наносится ущерб рыбному хозяйству из-за сбросов и подъемов уровня бассейна в нерестовый период.

5. Наносится экологический вред в виде загрязнения бассейна.

6. Невозможность остановки технологического процесса.

Разработанная бесплотинная погружная модульная универсальная береговая гидроэлектростанция и энергетический комплекс (БМПУБГЭС и ЭК) предназначены для устранения множества из перечисленных выше недостатков.

Задача изобретения и достигаемый технический результат заключаются в создании бесплотинной погружной модульной универсальной береговой гидроэлектростанции и энергетического комплекса (БПМУБГЭС и ЭК), состоящего из нескольких модульных гидроэлектростанций, объединенных общей платформой и имеющих необходимую мощность, регулируемую с помощью включения-отключения насосов, использующий неисчерпаемый источник энергии водоем (океан, море, озеро, водохранилище), способной вырабатывать электрическую энергию, в разных климатических условиях, при низких удельных капитальных затратах на 1 кВт установленной мощности, с возможностью наращивания мощности установки, путем увеличения протяженности напорного фронта ГЭС, и использования поднятой с глубины холодной воды в системе (ОТЕС-закрытого типа), и системе кондиционирования для создания комфортных условий в жилых домах в теплое время года.

В основу работы разработанной (БПМУБГЭС и ЭК) положено свойство однородной жидкости-воды (рабочего тела), помещенной в сообщающиеся сосуды, занимать положение устойчивого равновесия (Фиг.1).

Давление P1 и P2 зависят от плотности жидкости, ускорения свободного падения и высоты столба [(2) ст.53-54 раздел 1. Статика (1.55)]… "величина давления не зависит от формы столба, а определяется только его высотой"...

При условии h1=h2 давление в нижней точке сообщающегося сосуда будет P1=P2 (Фиг.1)

Уменьшение высоты h в любой ветви сообщающихся сосудов приведет к нарушению равенства давлений P1≠P2 и движению однородной жидкости-воды (рабочего тела) к состоянию устойчивого равновесия, при котором h1=h2 и P1=P2. Установленная в нижней точке сообщающихся сосудов гидротурбина с электрогенератором преобразует энергию движения однородной жидкости - воды (рабочего тела) в электрическую энергию. Известна энергоизвлекающая пневмогидравлическая турбина (по патенту РФ №2120058 F03B 17/02, от 10.10.1998), содержащая осевое пропеллерное рабочее колесо, установленное в цилиндрическом корпусе, выполненным с нижней закрытой частью, при использовании турбины на суше или с нижней открытой частью, при использовании турбины в водоеме, а также отсасывающий аппарат, через который подается сжатый воздух, с помощью которого происходит циркуляция воды и извлекается энергия.

Известна пневмогидравлическая турбина (по патенту РФ №2170364 F03B 17/02, от 10.07.2001), содержащая цилиндрический корпус, соединенный с источником сжатого воздуха. В цилиндрическом корпусе имеются два водовода представляющие из себя сообщающиеся сосуды, по которым движется вода, которая за счет преобразования энергии сжатого воздуха постоянно циркулирует в водоводах. С помощью турбин энергия движущейся воды преобразуется в электроэнергию.

Известна двухкорпусная пневмогидравлическая турбина (по патенту РФ №2376494 F03B 17/02, от 20.12.2009.), содержащая цилиндрический корпус с размещенными в нем рабочими колесами, который заполнен водой и соединен с источником сжатого воздуха. Корпус на нижнем и верхнем уровне соединен переточными трубопроводами. Получается замкнутая система сообщающихся сосудов, по которым движется вода и преобразуется в электроэнергию.

Описанные выше устройства преобразуют энергию движения воды в замкнутой системе сообщающихся сосудов в электроэнергию. Однако данный способ имеет свои недостатки. Использование сжатого воздуха может быть оправдано до определенного предела. Используется большое количество агрегатов для преобразования, что снижает КПД.

Известен особый гидроагрегат [Щапов Н.М. "Турбинное оборудование гидростанций", М.,-Л., Госэнергоиздат, 1961, с.281-283, рис.16-24(4)], в котором кожух-генератор помещен в турбинную камеру и закреплен на дне, вал агрегата опирается на кожух. На него же опирается жестколопаточный направитель лопастнорегулируемой турбины. Вода через направляющий аппарат на рабочее колесо подается снизу и удаляется по трубе-водоводу через отсасывающий аппарат, расположенный над рабочим колесом. В данном агрегате повышение эффективности достигается за счет наиболее полного использования напора. Описанная микро-ГЭС является «сифонным агрегатом с восходящим отводом воды». Запускается он откачкой из трубы воздуха. КПД агрегата при небольших нагрузках 70-74%.

Недостатком является создание глубокого разряжения в отсасывающем агрегате. Для нормальной работы сифона необходимо, чтобы минимальное абсолютное давление в трубе сифона должно быть меньше давления парообразования. При увеличении высоты напора, это может привести к освобождению воздуха из воды «закипанию жидкости при низком давлении». Установка является прототипом.

Известна также водостолбовая машина [(4) стр.15], в которой используется давление жидкости, поэтому если в одной из ветвей сообщающихся сосудов изменить уровень жидкости, то это приведет к уменьшению давления в этой ветви и движению жидкости до тех пор, пока уровни и давления не уравновесятся.

Для достижения технического результата при разработке бесплотинной погружной модульной универсальной береговой гидроэлектростанции и энергетического комплекса изменена конструкция отсасывающего аппарата (см. фиг.2). В верхней части трубы-водовода 2 дополнительно устанавливается перегиб в сторону водоема, на котором установлен насос 9.

Разработанная, бесплотинная погружная модульная универсальная береговая гидроэлектростанция и энергетический комплекс (БПМУБГЭС и ЭК) отличается измененной технологической схемой, в которой гидравлическое давление на гидротурбину создается при движении однородной жидкости - воды (рабочего тела) к положению устойчивого равновесия, от нижней точки сообщающихся сосудов к верхней точке и возвратом воды в водоем, при которой h1 станет равно h2. Одной ветвью сообщающихся сосудов является водоем (океан, море, озеро, водохранилище) - неисчерпаемый источник однородной жидкости-воды (рабочего тела) 1. Второй ветвью сообщающихся сосудов является труба-водовод 2, показанная на (Фиг.2), в которой смонтирована (БПМУБГЭС и ЭК), установленная мощность ГЭС будет зависеть от глубины погружения гидротурбины, расположенной в нижней части трубы-водовода 2. Нижняя часть трубы-водовода 2 заканчивается площадкой 3, которая закрепляется на дне водоема (океан, море, озеро, водохранилище). В трубе-водоводе 2, выше площадки 3 изготовлены впускные отверстия 4 для прохода однородной жидкости-воды (рабочего тела) 1 внутрь трубы-водовода 2, закрытые ограждающей сеткой 5. Выше впускного отверстия 4 установлена гидротурбина 6, соединенная с электрогенератором 7. Труба-водовод 2 установлена в водоем, проложена по дну водоема к платформе 8, закрепленной на берегу и дополнительно снабжена в верхней, возвышающейся над уровнем водоема части, осевым насосом 9 с винтом регулируемого шага. Установленный осевой насос 9, лопасти которого погружены в однородную жидкость-воду (рабочее тело) 1 на глубину 1-2 метра. Верхняя часть трубы-водовода возвышается над поверхностью водоема на 1-3 метра, с учетом высоты прилива, и имеет перегиб в сторону водоема. Установленный насос 9, откачивающий воду из трубы-водовода 2 [например, осевой с изменяемым ВРШ и КПД 0.8-0.86, высота подъема 6-8 метров (3)], приводится в движение либо электромотором, либо ветродвигателем (не показано). Мощность, затраченная на подъем воды из верхней части трубы-водовода 2 на высоту 1-3 метра, значительно меньше (2-10 кВт), чем мощность, вырабатываемая гидрогенератором. С помощью насоса 9 из заполненной водой трубы-водовода 2 откачивается вода - (рабочее тело) 1 в водоем и понижается уровень воды - (рабочего тела) 1 в трубе-водоводе 2. Насос 9 откачивает воду из трубы-водовода 2, с производительностью, равной или большей, чем расход воды гидротурбины (л/сек, м³/час). Движение воды в трубе-водоводе 2 приведет к вращению гидротурбины и генератора электрической энергии.

Разработанная бесплотинная погружная модульная береговая гидроэлектростанция и энергетический комплекс работают следующим образом. Монтируется согласно Фиг.2, 3 и описанию. Труба-водовод 2 установлена в водоем, проложена по дну водоема к платформе 8, закрепленной на берегу, и дополнительно снабжена в верхней, возвышающейся над уровнем водоема части, осевым насосом 9 с винтом регулируемого шага. Труба-водовод 2 заполняется водой. Запускается насос 9 переменной производительности за счет винта регулируемого шага (ВРШ). Вода начинает двигаться и постепенно производительность доводится до расчетной величины, возбуждается генератор и происходит выработка электроэнергии и подается нагрузка. Насос запускается от независимого источника. При остановке производится обратный процесс. Если насос сразу остановить, может произойти гидроудар и разрушение насоса. Для увеличения генерируемой мощности, используется энергетический комплекс, состоящий из нескольких генераторов, включаемых в параллельную работу, включаемых-отключаемых с помощью насосов.

На Фиг.3 показана схема соединения нескольких труб-водоводов 2 в энергетический комплекс для наращивания генерирующей мощности. Трубы-водоводы 2 установлены в водоем, проложены по дну водоема к платформе 8, закрепленной на берегу, и дополнительно снабжены в верхней, возвышающейся над уровнем водоема части, осевыми насосами с винтами регулируемого шага. С помощью осевых насосов 9 откачивается вода - (рабочее тело) 1 из трубы-водовода 2. В зависимости от необходимой мощности используется разное количество труб-водоводов 2, которые включаются-отключаются с помощью насосов 9. На данной платформе 8 могут быть дополнительно установлены ветрогенераторы (не показано).

На (Фиг.4) показана схема использования холодной воды, поднятой с глубины океана, в системе конверсии тепловой энергии океана и получить дополнительную электрическую энергию (OTEC - Ocean Thermal Energy Conversion) предназначена для утилизации тепловой энергии океана, использующей эффект разности температур воды на разных глубинах, т.е. температурный градиент океана. [(6)].

Реализация данной технологической схемы осуществляется с помощью трубы-водовода 2, установленной на дне водоема (океан, море, озеро, водохранилище) с помощью площадки 3. Труба-водовод 2 установлена в водоем и проложена по дну водоема к платформе 8, закрепленной на берегу и дополнительно снабжена в верхней, возвышающейся над уровнем водоема части, осевым насосом с винтом регулируемого шага. В системе (OTEC - закрытого типа), рабочим телом является жидкость с низкой температурой кипения, циркулирующая по замкнутому циклу. С помощью циркуляционного насоса 13 жидкость с низкой температурой кипения проходит теплообменник 14, нагревается за счет океанской воды, попадает в турбину 15, превращается в пар и вращает турбину и соединенный с ней электрогенератор 16. Вырабатываемая электрическая энергия уходит в электрическую сеть 17. Сработанный пар попадает в конденсатор 12, охлаждается холодной водой, поднятой со дна водоема, и далее по замкнутому циклу. Рабочее тело 1 откачивается из трубы-водовода 2 с помощью насоса 9, проходит перегиб и попадает в водоем. На пути движения воды установлен конденсатор 12 из системы OTEC - закрытого типа (выделена пунктиром 11)(Фиг.4).

Технологическая схема использования охлажденной воды, поднятой с глубины, для системы кондиционирования в жилых домах в теплое время года изображена на Фиг.5.

Вода - (рабочее тело) 1, поднятая насосом 9, выходя из трубы-водовода 2 попадает в емкость 18, которая находится ниже уровня водоема (океан, море, озеро, водохранилище). Циркуляционным насосом 19 вода - (рабочее тело) 1 закачивается в водонапорную башню 20, которая находится выше уровня жилых домов, откуда самотеком стекает в дома 22, и проходя теплообменник 21, возвращается в водоем.

Работоспособность бесплотинной погружной модульной береговой гидроэлектростанции и энергетического комплекса (БПМУБГЭС и ЭК) подтверждается нижеприведенными расчетами (данные условные). Методика расчета описана [(5) пример 5]… 5. В турбину, КПД которой η_Т=75, поступает Q_Т=200 л воды за секунду с высоты h=2,04 м. Какую мощность отдает генератор с КПД η_Г=0,85, связанный с турбиной через редуктор с КПД η_Р=0,90. Q_Т=200 л/сек=720 м³/час.

Подводимая к турбине мощность рассчитывается по формуле

Р_Т1 = мощность, подводимая к турбине

Q_Т = масса воды, проходящая через турбину

h = высота напора воды

Мощность на валу турбины (P_Т2)

Мощность на вторичном валу редуктора (P_Р)

Мощность, отдаваемая генератором (P_Г2)

КПД всего агрегата

Определим, как будет изменяться мощность ГЭС от глубины водоема

h1=100 м
РГ21=0,57·196 кВт ≈111 кВт
h2=300 м	PГ22=335 кВт
h3=500 м	PГ23≈559 кВт
h4=1000 м	PГ24=11628 кВт
h5=2000 м	PГ25=11628 кВт·2=23256 кВт
h6=3000 м	PГ26=11628 кВт·3=34884 кВт
h7=4000 м	PГ27=11628 кВт·4=46512 кВт
h8=11000	PГ28=11628 кВт·11=2790 кВт

Рассчитаем мощность насоса необходимую для того, чтобы обеспечить заданную производительность гидротурбины Q_Т=200 л/сек=720 м³/час. Методика расчета [(5) пример 11]… 11. Центробежный насос перекачивает 20 л воды в секунду с глубины 5 м на высоту 10 м. Какую мощность потребляет электродвигатель при КПД η_∂=0,85 и КПД насоса η_н=0,70.

Полезная мощность насоса (P_Н2)

Мощность на валу насоса (полезная мощность двигателя) (P_∂2)

Потребляемая двигателем мощность (P_∂1)

Для разработанной БПМУБГЭС и ЭК производим расчет потребляемой двигателем мощности при условии, что высота подъема воды (рабочего тела) для откачки ее из трубы-водовода в водоем h=5 м (данные условные).

Мощность на валу насоса (P_∂2)

Потребляемая двигателем мощность (P_∂1)

Исходя из вышеперечисленных расчетов, можем составить таблицу, в которую сведем полученные результаты

P_∂1 - величина, постоянная для данной трубы-водовода.

При установке БПМУБГЭС и ЭК на глубину h1=100 м можем получить полезную мощность P_Г21=111 кВт-16,5 кВт=94,5 кВт

Сводная таблица расчета мощности энергетического комплекса для разных глубин установки БПМУБГЭС в водоем и в разном количестве труб-водоводов
PГ21 при 1 трубе-водоводе, кВт	PГ21 при 3 трубах-водоводах, кВт	Установленная мощность, Pуст=PГ21·24 ч·365 д, МВт·ч в год
h=100 м
94,5	283,5	2,48
h=300 м
318,5	955	8,37
h=500 м
542	1626	14,24
h=700 м
766	2295	20104
h=1000 м
11628	34884	305,568

Задача, поставленная изобретением, выполнена. Разработанная бесплотинная погружная модульная универсальная береговая гидроэлектростанция и энергетический комплекс (БПМУБГЭС и ЭК) соответствуют заявленному названию, технические расчеты и описание конструкций иллюстрируются рисунками фиг.1-5, и доказывают работоспособность устройства.

Разработанная бесплотинная погружная модульная универсальная береговая гидроэлектростанция и энергетический комплекс обладает следующими положительными признаками:

1. Отсутствие искусственной плотины и искусственного водохранилища.

2. Низкие удельные капиталовложения

3. Расширенная область установки (океан, море, озеро, дрейфующие льдины.)

4. Возможность наращивания генерирующих мощностей.

5. Не используется органическое топливо, солнечная, атомная, приливная, ветровая энергия.

6. Неисчерпаемость гидроресурса.

7. Экологическая безопасность.

8. Простая схема запуска, остановки и регулирования генерирующей мощности.

9. Повышение комфортности и безопасности жилья.

Перечень используемых источников

1. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Учебное издание. 2-е изд. исп. и доп. - М.: ИП Радиософт, 2009.

2. Н.И. Кошкин и М.Г. Ширкевич «Справочник по элементарной физике». Издание шестое, стереотипное. Издательство «Наука», Москва, 1974 г.

3. Черепанов Б.Е. «Судовые вспомогательные и промысловые механизмы, системы и их эксплуатация». - М.: Агропромиздат, 1986.

4. Щапов Н.М. "Турбинное оборудование гидростанций", М., -Л., Госэнергоиздат, 1961, с.281-283, рис.16-24,

5. Мелузин Г. Примеры и задачи по электротехнике: Пер. со словацкого под ред. Б.Я. Жуховицкого. - М.: Энергия, 1979.

6. Журнал «Популярная Механика». Август. 2011 г. Стр.54-59.

1. Бесплотинная погружная модульная универсальная береговая гидроэлектростанция, содержащая трубу-водовод с установленной в ней гидротурбиной, соединенной с генератором, отличающаяся тем, что труба-водовод установлена в водоем, проложена по дну водоема к платформе, закрепленной на берегу, и дополнительно снабжена в верхней, возвышающейся над уровнем водоема части, осевым насосом с винтом регулируемого шага, гидротурбина установлена в нижней части трубы-водовода, при этом последняя закреплена на дне водоема и имеет отверстия для входа воды.

2. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что установленная мощность гидроэлектростанции зависит от глубины погружения гидротурбины в водоем.

3. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что верхняя часть трубы-водовода возвышается над уровнем водоема на 1-3 метра, с учетом высоты прилива, и имеет перегиб в сторону водоема.

4. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве водоема используют океан, море, озеро.

5. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что движение воды в трубе-водоводе происходит от нижней точки входа в трубу-водовод к поверхности водоема, в соответствии со свойством сообщающихся сосудов, с возвратом в водоем.

6. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что поднятая с глубины вода, имеющая низкую температуру, может быть использована в системе конверсии тепловой энергии океана (OTEC - закрытого типа).

7. Гидроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что поднятая с глубины вода, имеющая низкую температуру, может быть использована для системы кондиционирования жилых домов в теплое время года.

8. Энергетический комплекс, состоящий из нескольких гидроэлектростанций по п.1, объединенных общей платформой и имеющих необходимую мощность, регулируемую с помощью включения-отключения насосов.