Волноводная гидроэлектростанция

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Сычик Василий Андреевич Сычик Людмила Николаевна(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) 1. Волноводная гидроэлектростанция, содержащая корпус-водовод, смонтированный на вертикальных опорах, гидротурбину с подшипниками-опорами, кинематически связанную с электрогенератором, регулирующее устройство, отличающаяся тем, что корпусводовод выполнен желобообразным в форме экспоненты, снабжен волнорезами и уловителем водяной волны, причем корпус-водовод состоит из зоны набега волны, зоны накопления водяной массы и зоны гидродинамического ускорения воды с соплом. 26802006.04.30 2. Волноводная гидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что зона набега волны в корпусе-водоводе выполнена в форме крутой экспоненты, зона накопления водяной массы - в форме пологой экспоненты, а зона гидродинамического ускорения воды с соплом - в форме крутой экспоненты, при этом соотношение длин указанных зон находится в пределах от 140,2 до 1102. 3. Волноводная гидроэлектростанция по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что основание зоны набега волны в корпусе-водоводе наклонено вверх в пределах 1045 градусов,основание зоны накопления водяной массы наклонено вниз в пределах 520 градусов, а основание зоны гидродинамического ускорения воды наклонено вниз в пределах 1545 градусов.(56) 1. А.с. СССР 1020617, МПК 03 В 13/12, 1983. 2. А.с. СССР 868094, МПК 03 В 13/12, 1981. 3. А.с. СССР 750125, МПК 03 В 13/12, 1980. Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована при строительстве гидроэлектростанций на морских и океанских акваториях. Известна волновая гидроэлектростанция 1, которая содержит частично заполненные рабочей жидкостью емкости, расположенную между ними рабочую камеру, сообщенную с емкостями, установленную в камере турбину. Электрогенератор размещен в секции под турбиной, вал которой расположен вертикально. Недостатками такой гидроэлектростанции являются сложность конструкции и невысокий коэффициент полезного действия. В авторском свидетельстве СССР 2 описана волновая гидроэлектростанция, включающая поплавки, кинематически связанные с насосами, соединенными через трубопроводы с гидрогенератором. Она также снабжена регулирующим устройством, имеющим датчики амплитуды волны, давления в трубопроводе, блок сравнения и исполнительный механизм. Этот тип гидроэлектростанции также обладает сложной конструкцией, невысокой надежностью работы и низким КПД. Прототипом предлагаемой полезной модели является волновая гидроэлектростанция,описанная в 3. Она располагается на подступах к берегу в водоеме и состоит из заборного расширяющегося патрубка-корпуса (водовода), смонтированного на вертикальных опорах и подсоединенного посредством трубопровода к накопительному бассейну, на стенке которого вмонтированы датчики для фиксирования крайних положений уровня воды. Бассейн имеет выпускное отверстие, между заборным патрубком и бассейном расположено рабочее колесо - гидротурбина с горизонтальной осью вращения, которая кинематически соединена с электрогенератором. Недостатками устройства-прототипа являются 1. Сложность конструкции, обусловленная наличием накопительного бассейна, водопроводной системы связи заборного патрубка-корпуса с бассейном. 2. Невысокий КПД, обусловленный неэффективным использованием гидродинамических свойств водяных волн (морских, океанических) и сложной системой передачи потока водяных волн к гидротурбине. Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы гидроэлектростанции, ее КПД, оптимальное использование гидродинамических свойств водяных волн и упрощение конструкции электростанции. Поставленная задача достигается тем, что в волноводной гидроэлектростанции, содержащей корпус-волновод, смонтированный на вертикальных опорах, гидротурбину с подшипниками-опорами, кинематически связанную с электрогенератором, регулирующее устройство, корпус-водовод выполнен желобообразным в форме экспоненты, снабжен 2 26802006.04.30 волнорезами и уловителем водяной волны, причем корпус-водовод состоит из зоны набега волны, зоны накопления водяной массы и зоны гидродинамического ускорения воды с соплом. Зона набега волны выполнена в форме крутой экспоненты, зона накопления водяной массы - в форме пологой экспоненты, а зона гидродинамического ускорения воды с соплом - в форме крутой экспоненты, при этом соотношение длин указанных зон находится в пределах от 140,2 до 1102. Основание зоны набега в корпусе-водоводе наклонено вверх в пределах 1045 градусов, основание зоны накопления водяной массы наклонено вниз в пределах 520 градусов, а основание зоны гидродинамического ускорения воды наклонено вниз в пределах 1545 градусов. Сущность полезной модели поясняет чертеж, где на фиг. 1 изображен главный вид волноводной гидроэлектростанции, а на фиг. 2 сечение ее корпуса волновода. Волноводная гидроэлектростанция (ВГЭС) содержит корпус 1 желобообразного типа,представляющий водовод. Корпус 1 включает зону набега волны 2, зону накопления водяной массы 3, зону гидродинамического ускорения воды 4 с соплом 5. К корпусу 1 ВГЭС примыкает уловитель волны 6, который подвижно размещен в кожухе 7 с электроприводом на нижней стороне основания корпуса 1. На верхней стороне основания корпуса 1 установлены волнорезы 8. Корпус 1 ВГЭС размещен на вертикальных опорах 9, нижние части которых неподвижно закреплены в основании водоема 10. Снизу возле сопла 5 размещена гидротурбина 11 с подшипниками-опорами, на которую воздействует вытекающий из сопла 5 ускоренный водяной поток 12. Гидротурбина 11 соединена посредством вала 13 с электрогенератором 14. Водяная волна 15 воздействует на корпус 1 ВГЭС через уловитель волны 6, нижний край которого размещен на уровне стоячей воды 16. ВГЭС также содержит регулирующее устройство, включающее датчики уровня амплитуды волны и стоячей воды 17, размещенные на передних гранях корпуса 1 со стороны действия водяной волны 15, которые электрически подключены ко входу электронного измерительного блока с исполнительным механизмом 18, электрически связанным с электроприводом 7 уловителя волны 6. Корпус-водовод 1 выполнен желобообразным в форме экспоненты из высокопрочного, устойчивого к химическим средам и повышенным давлениям водяных волн материала, например высокопрочных синтетиков, керметных материалов. Он снабжен по всей длине боковыми ребрами, расширяющимися к основанию. Толщина боковых ребер корпуса 1 зависит от величины и энергии водяных волн и может составлять 0,5-2,0 м у основания. Высота боковых ребер корпуса 1 также зависит от величины воздействующих водяных волн и достигает 1020 м. Для максимального перемещения водяной массы в виде водяных волн по корпусу-водоводу 1 он содержит на общей длине три конструктивные зоны. Зона набега волны выполнена в форме крутой экспоненты, и ее начальная ширина по основанию зависит от требуемой величины вырабатываемой гидроэлектростанцией электрической энергии и может составлять от 100 до 500 м. Для обеспечения оптимального прохода водяной массы через зону набега волны 2 соотношение начальной и конечной ее ширины по основанию составляет от 21 до 51. Основание зоны набега волны 2 в корпусе-водоводе 1 наклонено вверх в форме крутой экспоненты или линейного наклона в пределах 1045 градусов. Длина зоны набега волны 2 зависит от ее начальной ширины, требуемой энергии водяного потока, воздействующего на гидротурбину, и составляет, как показали результаты расчета, величину 10100 м. По длине зоны набега волны 2 вода поднимается относительно уровня стоячей воды в зависимости от амплитуды и энергии водяной волны на 3-5 м. Волнорезы 8 установлены по длине зоны набега волны 2, изготовлены из облегченных материалов, обладают аналогичной боковым ребрам корпуса 1 высотой они улучшают и ускоряют продвижение водяной массы через указанную зону. Число волнорезов 8 зависит от ширины зоны набега волны 2 и составляет от 1 до 15, их толщина определяется требуемой жесткостью конструкции и находится в пределах 0,20,5 м. Со стороны набега 3 26802006.04.30 водяной волны они имеют заостренную форму для снижения потерь энергии волны, а с обратной стороны - закругленную или заостренную. Нижняя граница основания зоны набега волны 4 устанавливается на уровне стоячей воды 16 водоема при штиле. Зона накопления водяной массы 3 является центральной частью корпуса 1, она выполнена в форме пологой экспоненты, начальная ширина которой соответствует конечной ширине зоны набега волны 2 и составляет 150300 м. Основание зоны накопления водяной массы 3 наклонено вниз в пределах 520 градусов для непрерывного продвижения нагнетаемой в нее водяной массы в последующую зону корпуса-водовода 1. Длина зоны накопления водяной массы 3 зависит от требуемой мощности гидроэлектростанции, ее конструктивных особенностей, угла наклона основания зоны и находится в пределах 80500 м, а ширина ее суженной части составляет 70150 м. Боковые ребра повторяют геометрию основания зоны, и они сопряжены по радиусу с основанием. Зона гидродинамического ускорения воды 4 является завершающей частью корпуса 1,выполнена в форме крутой экспоненты и заканчивается соплом 5. Основание указанной зоны имеет усредненный наклон вниз в пределах 1545 градусов для придания накопленному в зоне 3 водяному потоку высоких гидродинамических свойств, то есть кинематической и потенциальной энергии. При этом угол наклона определяется уровнем подъема воды, длиной зоны гидродинамического ускорения воды 4, которая находится в пределах 10100 м, и требуемой энергией выходящего из нее потока воды. Зона 4 заканчивается соплом 5 прямолинейной формы со скругленными со стороны ребер основанием и торцом по периметру. Сопло 5 является продолжением зоны гидродинамического ускорения воды 4, его длина составляет 26 м, а его ширина определяется размерами движителя (ротора) гидротурбины 11 и составляет 520 м. Сопло 5 является равномерным по ширине для обеспечения равномерности гидродинамических свойств водяного потока 12, а угол наклона сопла 5 определяется оптимальным углом падения водяного потока 12 на лопатки гидротурбины 11 для получения максимального крутящего момента на валу 13 электрогенератора 14. Снизу на основании корпуса-водовода 1 в зоне набега волны 2 подвижно размещен уловитель волны 6 с помещенным в корпус своим электроприводом 7, осуществляющим перемещение уловителя волны 6 в зоне водоема до уровня стоячей воды 16 в процессе изменения размеров водяных волн морских и океанских водоемов путем подачи силовой электроэнергии от исполнительного механизма 18, управляемого электронным измерительным блоком по сигналам от датчиков уровня амплитуды волны и стоячей воды 17,причем глубина его погружения варьируется в пределах 220 м. Изменение длины уловителя волны 6 позволяет поставлять максимально возможный объем воды в корпус-водовод 1 и достигать оптимальных гидродинамических характеристик водяного потока на его выходе. Корпус-водовод 1 размещен в водоеме на вертикальных опорах 9, нижние части которых неподвижно, например путем бетонирования, закреплены в основании водоема 10. Вертикальные опоры 9 представляют железобетонные конструкции эллипсообразной формы с минимальным гидродинамическим сопротивлением перемещающимся водяным массам. Размеры опор 9 (высота, сечение) определяются глубиной водоема 10, массой и уровнем размещения корпуса-водовода 1 в водоеме 10, а число опор 9 - необходимостью обеспечения требуемой прочности конструкции и надежности работы ВГЭС. Как показали результаты расчета и эксперимента, оптимальное соотношение длин зоны набега волны 2, зоны накопления водяной массы 3 и зоны гидродинамического ускорения воды 4 находится в пределах от 140,2 до 1102, а угол наклона оснований соответствующих зон находится в пределах 1045 градусов 520 градусов и 1545 градусов соответственно. Для обеспечения максимального подъема воды в корпус-водовод 1 и получения оптимальной энергии водяного потока 12 основание зоны набега волны 2 выполнено в форме крутой экспоненты со средним углом наклона в пределах 1545 градусов, основание зоны 4 26802006.04.30 накопления водяной массы 3 в форме пологой экспоненты и зоны гидродинамического ускорения воды 4 в форме крутой экспоненты соответственно со средним углом наклона 5-20 градусов, 1545 градусов. Длина корпуса-водовода 1 ВГЭС выбирается такой, чтобы гидротурбина 11, на которую воздействует вытекающий из сопла 5 высокоэнергетический водяной поток 12, размещалась на берегу водоема (моря, океана) и отработанный в гидротурбине 11 поток воды стекал обратно в водоем. Гидротурбина 11 установлена на подшипниковых опорах на бетонном основании (на фигурах не показано) на берегу водоема (моря, океана) и кинематически через вал 13 с редуктором соединена с трехфазным электрогенератором 14. Нижняя граница основания зоны набега волны 2 установлена на уровне стоячей воды водоема при штиле. Волноводная гидроэлектростанция работает следующим образом. При размещении ВГЭС в акватории морского или океанского водоема возникшие водяные волны 15 воздействуют на зону набега волны 2 корпуса-водовода 1. Обладая большой кинетической и потенциальной энергией, водяные волны 15 перемещают через указанную зону большие объемы и массу воды, которая в процессе продвижения с высокой скоростью по наклонной книзу зоне накопления водяной массы 3 представляет водяной поток, обладающий высокими гидродинамическими свойствами. Результирующая накопленная энергия воды, равная сумме кинетической и потенциальной энергии, составит 1 2,(1) 2 где- плотность воды 9,81 м/с 2 - ускорение свободного падения-максимальная высота поднятой в зоне накопления водяной массы 3 воды с - скорость водяного потока на выходе из сопла 5. С учетом уравнения неразрывности струи(2) 33,где 3, с - скорости потока воды на выходе зоны накопления водяной массы 3 и выходе сопла 5 3, - сечения корпуса-водовода 1 в зоне 3 и сопла 5, скорость истечения водяного потока 12 из сопла 5 достигает десятков метров в секунду. Этот поток, обладая огромной суммарной энергией, воздействует на гидротурбину 11, приводя ее во вращение. Поскольку в пределах зоны накопления водяной массы 3 содержится огромный объем воды, который непрерывно стекает в зону гидродинамического ускорения воды 4 и непрерывно пополняется набегающими волнами воды из зоны набега волны 2, гидротурбина также непрерывно вращается с заданной скоростью. Вал 13 гидротурбины 11 приводит во вращение ротор электрогенератора 14 с требуемой скоростью, которая при необходимости корректируется редуктором электрогенератора 14. Изменение размеров набегающей на корпус-водовод 1 водяной волны 15 и уровня стоячей воды 16 фиксируют соответствующие датчики 17 регулирующего устройства, усиленный сигнал от которых обрабатывается электронным измерительным блоком, поступает на исполнительный механизм 18, и осуществляется автоматическая установка уловителя волны 6 на уровень стоячей воды 16. В результате реализации корпуса-водовода ВГЭС желобообразной конструкцией в форме экспоненты, который снабжен волнорезами и уловителем водяной волны, причем корпус-водовод включает зону набега волны, реализованную в форме крутой экспоненты,зону накопления водяной массы в форме пологой экспоненты и зону гидродинамического ускорения воды с соплом в форме крутой экспоненты, решается поставленная техническая задача в сравнении с прототипом и аналогами упрощается конструкция гидроэлектростанции, повышается ее КПД, оптимально используются гидродинамические свойства водяной волны. Сконструированные в соответствии с фиг. 1 и фиг. 2 волноводные гидроэлектростанции можно серийно размещать на морском и океанском прибрежном водоеме на близких расстояниях друг от друга (200300 м) и получать энергию с таких водоемов гигаваттной мощности. 5 26802006.04.30 Создан лабораторный макет волноводной гидроэлектростанции по представленной на фиг. 1 и фиг. 2 конструкции, который, как показали результаты лабораторных испытаний,эффективно использует энергию водяных волн. Созданная ВГЭС, длина корпуса-водовода которой составляет 100 м, причем зона набега волны длиной 20 м, зона накопления водяной массы длиной 70 м и зона гидродинамического ускорения воды с соплом длиной 10 м,ширина корпуса-водовода со стороны зоны набега волны составляет 100 м, а со стороны сопла - 56 м, при воздействии водяной волны амплитудой в 1,5 м позволяет генерировать электроэнергию мощностью 700900 кВт, при этом ее КПД более чем в 2 раза превышает КПД электростанций-аналогов. Промышленное освоение предлагаемой волноводной гидроэлектростанции возможно на предприятиях гидротехнического строительства, энергетики и строительной индустрии. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.