Устройство ускорения низкопотенциального водного потока свободопоточной микрогэс

Авторы патента:

F03B17/06 - с использованием потока жидкости, например с подвижными створками

Владельцы патента RU 2592953:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ФГБНУ ВИЭСХ) (RU)

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к свободопоточным гидроэлектростанциям, которые размещают на равнинных реках с низкопотенциальным водным потоком. Устройство ускорения низкопотенциального водного потока свободопоточной микроГЭС включает направляющий аппарат в виде трубки Вентури 1, трубопровод 2 и гидротурбину 3. На ссуженном участке направляющего аппарата встроен трубопровод 2 с гидротурбиной 3, установленный под регулируемым углом φ = 30° $\div$ 80° к направляющему аппарату в зависимости от скорости свободного внешнего потока, который ускоряет прохождение водного потока на ссуженном участке, создавая зону пониженного динамического давления, при этом увеличивая скорость водного потока, проходящего через гидротурбину 3. Изобретение направлено на увеличение удельной мощности, повышение эффективности использования энергии водного потока, а также к созданию несложного по конструкции и надежного в работе устройства. 1 ил.

Настоящее изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к конструкции свободнопоточных микрогидроэлектростанций, преобразующих кинетическую энергию свободного потока воды в электрическую для всесезонного стабильного снабжения автономных потребителей электроэнергией без нарушений гидрологических и экологических характеристик реки, а также без какого-либо ущерба судоходству и рыбоводству.

Изобретение относится к свободопоточным гидроэлектростанциям, которые размещают на равнинных реках с низкопотенциальным водным потоком.

Электростанции, для которых в качестве источника энергии для выработки электричества используется низкопотенциальный поток воды, часто требуют наличия плотины или другого аналогичного искусственного сооружения, перегораживающего естественное течение воды. Связанные с этим расходы и требования к инфраструктуре могут быть довольно значительными, кроме того, имеет место неблагоприятное воздействие на окружающую среду, например, препятствия миграции рыб, избыточное заиление водоема из-за замедленного течения и разлив водоема выше плотины.

Известны свободопоточные гидроэлектростанции, а за последние десятилетия энтузиастами и специалистами в разных странах разработано и запатентовано огромное количество конструкций свободнопоточных ГЭС (Кажинский Б.Б. Госэнергоизд, Москва-Ленинград, 1950 г., стр. 76).

Недостатком данных конструкций является то, что свободнопоточные ГЭС вынуждены использовать низкопотенциальную энергию, так как существенно растут удельные затраты на единицу мощности и вырабатываемой электроэнергии. Увеличить потенциал энергии за счет увеличения диаметра гидротурбины невозможно, так как глубина рек относительно невелика, да к тому же резко изменяется в зависимости от текущих показателей водности, а также русловых процессов. Поэтому такие конструкции имеют низкий КПД, очень металлоемкие, чувствительны к качеству изготовления и скорости потока, требовательны к месту размещения.

Известна гидроэлектростанция, которую устанавливают в русле реки, ниже возможного уровня образования льда с направляющим устройством потока воды. Прямо на перекрытии корпуса в помещении установлены редуктор и электрогенератор, которому по валу передается вращение от турбины. Поток воды, движущийся по реке, обтекает ледорезную опору и бонные сети, защищающие сооружение во время ледохода, а также рыбу от попадания в роторы турбины. Поток входит в конфузорный канал, образуемый стенками ГЭС, и затем, ускорившись, направляется на лопасти колес, вращает турбины и, соответственно, вал генератора, вырабатывая электроэнергию. Пройдя последнее гидроколесо, поток попадает в диффузорный канал, где его скорость снижается до течения реки, с которым он и смешивается (патент РФ 2171910 кл F0313/00, F03B 7/00, опубл. 10.08.2001).

Недостатком известной гидроэлектростанции является то, что данное техническое решение не исключает взаимодействие с ледоходом, т.к имеет надводную часть, в которой размещены редуктор и генератор. КПД такого устройства довольно низкий, сама конструкция очень громоздка, материалоемка и дорога в обслуживании.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является гидроэлектростанция, которая включает направляющий аппарат в виде конфузора и диффузора, а также водовод, турбину и генератор. Направляющий аппарат выполнен из нескольких встроенных друг в друга труб Вентури, каждая из которых состоит из двух фасонных участков - сходящегося (конфузора) и расходящегося (диффузора), соединенных между собой меньшими основаниями, причем каждая меньшая труба Вентури широким основанием диффузора помещена, с зазором, в узкое место большей трубы. Гидравлическая турбина с электрогенератором помещена на понтоне или на берегу и связаны с направляющим аппаратом водоводом в виде сифонной трубы, один конец которой помещен на входе в конфузор внешней трубы Вентури, а другой конец - в узком месте меньшей из труб Вентури и оснащен насадкой в виде струйного насоса (патент РФ №2380479 кл. Е02В 9/00, опубл. 27.01.2010).

Недостатком данного устройства является низкое КПД, громоздкость и дороговизна установки.

Важнейшей характеристикой гидротурбины является зависимость мощности от частоты вращения при постоянных значениях расхода и напора воды. Для свободопоточных ГЭС, характерных для равнинной местности, используются турбины пропеллерного типа, достоинством которых является максимальная быстроходность при малых напорах, которые в зависимости от скорости реки и мощности установки, вращаются со скоростью 80-200 об/мин.

Задачей предлагаемого изобретения является ускорение низкопотенциального водного потока свободопоточной микроГЭС, способного увеличивать скорость потока на локальном отрезке с высоким коэффициентом полезного действия (КПД), что приведет к увеличению удельной мощности, повышению эффективности использования энергии водного потока, а также к созданию несложного по конструкции и надежного в работе устройства с возможностью применения на любых реках и других водных объектах, на которых есть направленный водоток.

В результате использования предлагаемого устройства низкопотенциального водного потока свободопоточной микроГЭС появляется возможность ускорения свободного потока воды, проходящего через гидротурбину для повышения количества оборотов гидротурбины, обеспечивающего отдачу электроэнергии, создание свободопоточной микроГЭС, обладающей высокой надежностью и технологически простой в изготовлении, независимой от сезонных факторов, колебаний уровня воды, функционирующей зимой подо льдом, не создающей препятствий для движения рыбы.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что устройство ускорения низкопотенциального водного потока свободопоточной микроГЭС, включающий направляющий аппарат в виде трубки Вентури, а также трубопровод и гидротурбину, отличающийся тем, что на ссуженном участке направляющего аппарата в виде трубки Вентури встроен трубопровод с гидротурбиной, установленный под регулируемым углом φ = 30°÷80° к направляющему аппарату в зависимости от скорости свободного внешнего потока, который ускоряет прохождение водного потока на ссуженном участке, создавая зону пониженного динамического давления, при этом увеличивая скорость водного потока, проходящего через гидротурбину.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом, на котором представлена общая схема устройства ускорения низкопотенциального водного потока свободопоточной микроГЭС.

Свободопоточная микроГЭС с направляющим аппаратом содержит трубку Вентури 1, на ссуженном участке которого встроен трубопровод 2, установленный под регулируемым углом φ = 30°÷80° к направляющему аппарату в зависимости от скорости свободного потока, внутри трубопровода 2 размещена гидротурбина 3 и задвижка, регулирующая скорость водного потока 4, проходящего через гидротурбину 3.

Устройство ускорения низкопотенциального водного потока свободопоточной микроГЭС работает следующим образом.

При закрытой задвижке свободный поток со скоростью V₁ втекает в сопло трубки Вентури 1 и на ссуженном участке согласно закону Бернулли и эффекту Вентури ускоряется до скорости V₂, а давление уменьшается до Р₂, после прохождения ссуженного участка поток замедляется до скорости V₃ с давлением P₃, и кинетическая энергия потока переходит в статическую энергию давления. При открытии задвижки 4 свободный поток со скоростью V₁, проходящий через трубопровод 2 с гидротурбиной 3 со скоростью , увеличенной за счет уменьшения давления за гидротурбиной 3, устремляется к зауженному участку трубки Вентури 1, в которой проходящий поток увеличен до скорости V₂ за счет пониженного давления Р₂, в связи с этим происходит как бы «всасывание» (инжектирование) водного потока и скорость возрастает до близкого значения V₂.

Так как мощность свободно-поточных турбин находится в кубической зависимости от скорости свободного потока Р = К V³ S · p, где V - скорость входящего потока, S - площадь эффективного сечения турбины перпендикулярно потоку, p - плотность движущейся среды, К - постоянный коэффициент, зависящий от типа турбины и равный обычно 0.1÷0., это позволит свободопоточной микроГЭС увеличить мощность на водотоках с малой скоростью, или уменьшить габариты микроГЭС, не снижая мощности гидродвигателя 35 (Кажинский Б.Б. Госэнергоизд, Москва-Ленинград, 1950 г., стр. 76).

Устройство ускорения низкопотенциального водного потока свободопоточной микроГЭС, включающий направляющий аппарат в виде трубки Вентури, а также трубопровод и гидротурбину, отличающееся тем, что на ссуженном участке направляющего аппарата в виде трубки Вентури встроен трубопровод с гидротурбиной, установленный под регулируемым углом φ = 30° $\div$ 80° к направляющему аппарату в зависимости от скорости свободного внешнего потока, который ускоряет прохождение водного потока на ссуженном участке, создавая зону пониженного динамического давления, при этом увеличивая скорость водного потока, проходящего через гидротурбину.

Группа изобретений относится к установке и методу для генерирования энергии из потока жидкости. Установка для монтажа поперек пласта воды, в которой используется падение напора от напорной стороны к ненапорной стороне для генерирования электричества с использованием потока воды, содержит комплект элементов, расположенных на расстоянии друг от друга.

Система и способ подъема гидроэлектрической турбины // 2591970

Группа изобретений относится к системе подъема гидроэлектрической турбины. Система 10 содержит основание В, турбину Т, установленную основании В, и раму, имеющую проем, позволяющий продвигать раму вокруг установленной на основании В турбины Т посредством указанного проема.

Преобразователь энергии "двужильный" // 2585993

Преобразователь энергии содержит плотину с уровнем воды, которая содержит по меньшей мере одно окно, которое соединяет наливную емкость с выпускной емкостью через кран.

Погружная свободнопоточная микрогидроэлектростанция // 2585161

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к конструкции свободнопоточных микрогидроэлектростанций, преобразующих кинетическую энергию свободного потока воды в электрическую.

Увеличение до максимума извлечения энергии из перемещающихся текучих сред // 2583181

Изобретение относится к способу и системе для извлечения энергии из перемещающихся текучих сред. В способе извлечения механической энергии из перемещающихся масс текучей среды, текучая среда входит в инкапсулирующее средство.

Способ испытаний гидроэлектрической турбины // 2581260

Изобретение относится к способу испытаний гидроэлектрической турбины, позволяющему выполнять испытания турбины до ее окончательной установки на дне моря путем моделирования прохождения приливно-отливных течений воды через турбину.

Многоцелевое роторное устройство (варианты) и генерирующая система, включающая такое устройство // 2580193

Группа изобретений относится к многоцелевому роторному устройству и генерирующей системе, включающей такое устройство. Многоцелевое роторное устройство содержит ротор, включающий некоторое число лопастей по окружности, и тело направления нагрузки, предназначенное для направления потока текучих сред, поступающих внутрь ротора.

Устройство преобразования механической энергии движения водной среды в электрическую энергию // 2579794

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для преобразования механической энергии движения водной среды в электрическую энергию. Устройство для преобразования энергии движения водной среды 3 в электрическую энергию содержит опору 4, герметизированное гибкое полотнище 1, прикрепленное к опоре 4, вмонтированные в ткань гибкого полотнища 1 элементы-преобразователи механических воздействий на полотнище 1 в электрические сигналы, вмонтированные в ткань гибкого полотнища 1 элементы-преобразователи этих электрических сигналов в однополярный электрический ток, который подается потребителю.

Подводная приливная электростанция // 2579283

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности к устройствам, вырабатывающим электроэнергию за счет преобразования энергии морских волн, образующихся при приливах и отливах.

Гидрогенератор на постоянных магнитах для гидростанций подводного типа // 2578771

Изобретение относится к области гидроэнергетики, в частности к устройствам, предназначенным для преобразования энергии потока текучей среды в электрическую энергию в условиях малых и средних рек.

Речная подледная гидроэнергетическая установка // 2597732

Изобретение относится к гидроэнергетике, в частности к конструкциям устройств для выработки электроэнергии за счет энергии гидравлического потока реки, покрытой льдом. Речная подледная гидроэнергетическая установка содержит лопастное колесо 1 и генератор 4. Колесо 1 погружено в поток воды под ледяным покровом реки. Лопасти колеса 1 выполнены с возможностью преобразования энергии потока воды в механическую энергию вращательного движения колеса 1. Колесо 1 посредством вала 10, установленного в цилиндрическом корпусе 2 на подшипниках, кинематически связано с генератором 4. Корпус 2 вертикально зафиксирован в ледяном покрове таким образом, что его верхняя часть вместе с генератором 4 размещена над поверхностью ледяного покрова. Верхняя часть корпуса 2 выполнена с образованием установочного диска 5. К диску 5 сверху жестко присоединен генератор 4, а снизу - три установочные лапки 3, лежащие в горизонтальной плоскости и размещенные друг относительно друга под углом 120 градусов. Свободные концы лапок 3 выступают за окружность диска 5 и выполнены с образованием отверстий под винты, которые также входят в состав установки. Изобретение направлено на создание простой гидроэнергетической установки для ее использования на реке, покрытой льдом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Схема расположения катушек гидроэлектрической турбины // 2602092

Изобретение относится к гидроэлектрической турбине для генерации электричества путем извлечения мощности из приливного потока воды через турбину. Технический результат - устранение электрического дисбаланса катушек вследствие эксцентричного вращения ротора. Гидроэлектрическая турбина содержит статор и безвальный ротор, расположенный с возможностью вращения внутри статора. При этом статор образует отверстие, внутри которого удерживается ротор. Указанное отверстие имеет форму и размеры относительно ротора, обеспечивающие наличие у ротора плавающей оси вращения. Ротор содержит совокупность магнитов, а на статоре расположена соответствующая совокупность катушек. При этом катушки расположены в группах, внутри которых катушки расположены по окружности на равном расстоянии друг от друга и электрически соединены вместе последовательно. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Направляющий аппарат микрогидроэлектростанции // 2603882

Изобретение относится к области малой гидроэнергетики. Направляющий аппарат микрогидроэлектростанции образован совокупностью продольно ориентированных ребер, формирующих совокупность направляющих каналов для подачи ускоренных струй воды к лопаткам рабочего колеса гидротурбины и размещенных в кольцевом пространстве между наружной и внутренней оболочками базового корпуса агрегата, концентрически охватывающими мультипликатор и электрогенератор. На внутренней оболочке смонтирован обтекатель. Корпус, снабженный конфузором, выполнен в виде усеченного конуса, центральная полость которого образована внутренней цилиндрической оболочкой. Направляющие каналы выполнены в виде секторов конуса с переменным поперечным сечением в направлении течения воды. Основаниями конуса являются дуги окружностей наружной и внутренней оболочек, а боковыми сторонами - продольные ребра, высота которых уменьшается в сторону выхода потока воды к лопаткам рабочего колеса гидротурбины. Изобретение направлено на уменьшение радиальных габаритов и материалоемкости, на обеспечение технологичности в изготовлении и удобства в техническом обслуживании направляющего аппарата микрогидроэлектростанции. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Гидродинамическая машина с двумя или более рабочими колесами с управляемыми лопастями // 2604474

Изобретение относится к гидродинамической машине с двумя или более рабочими колесами. Машина содержит корпус (2), по крайней мере два рабочих колеса (3, 4), по крайней мере две лопасти (6), установленные с возможностью вращения, равномерно расположенные вдоль окружности колес (3, 4), оси которых параллельны оси рабочего колеса. Ось каждой лопасти (6) связана с направляющей (22, 23), которая перемещается относительно вала колеса (4) с помощью параллелограмма, находящегося в плоскости, перпендикулярной оси лопасти, который содержит рычаг, жестко связанный с осью лопасти. Второй рычаг параллелограмма шарнирно закреплен на нижней части рабочего колеса, в то время как его другой конец соединен с концом первого рычага. Рычаг, вращающийся на нижней части рабочего колеса, десмодромически соединен с ползунком, интегрированным в направляющую. Система ползунок-направляющая участвует во вращении, позволяя задавать соответствующей лопасти гармоническое движение, в соответствии синусоиде кривой, ось которой совпадает с основной окружностью рабочего колеса. Изобретение направлено на создание компактной и простой гидродинамической машины. 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

Гидроэлектростанция // 2607142

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано при производстве электроэнергии на реках. Гидроэлектростанция состоит из одного и более рядов цепочек плавучих гидротурбинных модулей, приводящих во вращение электрогенератор. Каждый ряд цепочек модулей имеет отбойник в виде клина для отвода посторонних предметов. Рамы модулей соединены между собой при помощи шарнирных сочленений в последовательную цепочку. Модули представляют собой звенья цепочки. Гидротурбины соседних модулей соединены между собой кинематически. Модуль выполнен в виде пары плавучих гидротурбин, цилиндрические корпусы которых наполнены материалом легче воды, не впитывающим воду. На поверхности цилиндрического корпуса гидротурбин установлены лопасти на шарнирных петлях. Лопасти при вращении гидротурбины раскрываются в рабочее положение при вхождении лопасти в воду. При выходе лопастей из воды складываются на цилиндрическую поверхность корпуса с возможностью фиксации в закрытом положении при помощи механизма с переставляемым упором. Наружная поверхность сложенных лопастей представляет собой цилиндрическую поверхность. Вертикальные стойки отбойника, установленного на раме первого по течению модуля, имеют возможность подъема и опускания в воду. Изобретение направлено на снижение материалоемкости и повышение надежности гидротурбин. 8 ил.

Гидроветросиловая установка // 2611139

Изобретение относится к области силовых механизмов, а именно к ветряным и водяным двигателям. Установка предназначена для преобразования энергии потока воды или ветра и содержит основание 1, вал 3, ротор 4, жестко установленный на валу 3 с возможностью вращения вокруг своей оси, лопасти 10, установленные с возможностью изменения своего положения по отношению к потоку, нагрузочное устройство. Установка снабжена корпусом 2, установленным на основании 1, в котором размещен вал 3, поворотной втулкой 5, установленной в отверстии ротора 4, рычагами с роликами, жестко закрепленными на поворотной втулке 5, основным кулачком 8 с выступами и впадинами, сидящим на диске 9, установленном на корпусе 2, цепной передачей 16 для передачи вращения нагрузочному устройству от лопастей 10, пружинами. Лопасти 10 установлены в отверстиях ротора 4 перпендикулярно оси вращения ротора 4. Ролики вместе с рычагами установлены с возможностью качения по выступам и впадинам основного кулачка 8, преодолевая усилия пружин, и поворачивания лопастей на 90° и обратно, устанавливая лопасти 10 перпендикулярно потоку при рабочей фазе и вдоль потока при нерабочей. Изобретение направлено на создание мощной и удобной в эксплуатации установки. 4 з.п. ф-лы, 15 ил.

Прибойная гидроэлектростанция // 2613476

Изобретение относится к гидроэнергетике, а именно к использованию энергии прибойного потока у берегов морей, океанов и крупных водоемов путем ее преобразования в электроэнергию. Под действием прямого прибойного потока внешний цилиндрический ротор (11) вращается. Собачки находятся в зацеплении с зубьями храповых колес (12), вращающий момент передается на внутренний цилиндрический ротор (10). Через вал (9) и механический редуктор (7) вращающий момент передается на маховик (5), вертикальный вал (4) и электрогенератор (3), который вырабатывает электрический ток. Во время действия обратного прибойного потока собачки выходят из зацепления с зубцами и вращающий момент на внутренний цилиндрический ротор (10) не передается, и последний продолжает вращаться по инерции благодаря энергии, запасенной маховиком (5). Изобретение направлено на обеспечение высокой эффективности работы прибойной гидроэлектростанции. 2 ил.

Поплавковая блочная гидроэлектростанция на основе подливных водяных колес с активными лопастями // 2616333

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии без строительства плотин. Гидроэлектростанция содержит идентичные блоки. Каждый из блоков состоит из электрощитка, поплавков, между которыми закреплен каркас с сужающимся коробом рабочего канала и установленными подливными водяными колесами с активными лопастями на параллельных горизонтальных валах, связанными с электрогенератором. Колеса выполнены в виде набора катушек с взаимно перпендикулярными направляющими для лопастей, демпферов, ограничителей и балансировочных грузов. Введена система бесступенчатого регулирования, содержащая закрепленные на каркасе промежуточные и первичные отбойники, пандус, оси с раскрывающимися створками, кронштейны с пружинами, обеспечивающими натяжку тросов в блочках механизма регулирования угла раскрытия створок посредством серводвигателя, установленного в корыте кессона, закрепленного на каркасе. Поплавки выполнены в виде секционных емкостей с кингстонами. Дополнительно введен компрессор, соединенный с корытом кессона и поплавками. Изобретение направлено на создание экологически чистой простой технологичной конструкции, позволяющей увеличить объемы выработки энергии. 7 ил.

Гидроэнергетическая установка // 2617369

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии потоков воды в электроэнергию. Гидроэнергетическая установка содержит установленные на водоизмещающем основании две гидротурбины 1, размещенные симметрично относительно продольной оси 4, вдоль которой ориентированы оси 3 их вращения, выполненные с возможностью вращения в противоположные стороны, кинематически связанные с электрогенератором 5, якорное устройство 6, балластные емкости 7. Роторы 2 гидротурбин 1 снабжены винтами 9 изменяемого шага, лопасти которых выполнены с возможностью принудительного поворота. Водоизмещающее основание выполнено обтекаемым. Вдоль продольных бортов основания выполнены колодцы 12. Гидротурбины 1 установлены на концах мачт 13, вторые концы которых снабжены балластом 14. Мачты 13 пропущены через колодцы 12 и установлены на горизонтальных осях 15 с возможностью качания в колодцах 12 в плоскостях, параллельных оси 4. Вес балласта 14 с учетом размеров нижней части мачты 13 достаточен для удержания продольной оси мачты 13 вертикально при вращении роторов 2. Изобретение направлено на повышение эффективности преобразования энергии потока в энергию, используемую для вращения электрогенератора. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Микрогидроэлектростанция речная русловая // 2619966

Изобретение относится к гидроэнергетике и предназначено для обеспечения электрической энергией небольших населенных пунктов, лагерей геологов, охотников, рыбаков, леспромхозов преобразованием энергии русловых потоков реки в электрическую. Микрогидроэлектростанция (микроГЭС) речная русловая содержит корпус 1 в виде цилиндрической оболочки, состоящий из двух половинок – турбины 5 с лопастями 7 и машинного отделения с генератором 27, закрытой с концов невращающимися оголовками 2 и 3, связанными жестко болтами 35 с кольцевыми головками 37 для якорных шестов 38 с ограничителями. Осевая турбина 5 установлена на сквозной полой оси 4, имеющей на концах внутреннюю резьбу для законтрированных болтов 35. Изобретение направлено на разработку компактной с упрощенным цилиндрическим корпусом надежной микроГЭС для бесперебойного электроснабжения потребителей. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.