Приливная гидроэлектростанция

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Автор Сычик Василий Андреевич(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) 1. Приливная гидроэлектростанция, содержащая водонакопительный резервуар, сливную магистраль-водовод, гидроагрегат, включающий гидротурбину с подшипникамиопорами, кинематически связанную с электрогенератором, отличающаяся тем, что водонакопительный резервуар снабжен проемами со шлюзами, поплавками, размещенными в проемах, опорными площадками поплавков, при этом водовод выполнен замкнутым эллипсообразным в форме пологой экспоненты, снабжен соплом и наклонен вниз в пределах 520, ось водовода расположена в пределах (0,450,55)Н, а опорные площадки поплавков - в пределах (0,250,4)Н, где- высота передней вертикальной стены водонакопительного резервуара. 2. Приливная гидроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что отрезки передней стены между проемами составляют (0,52,0) ширины проемов и выполнены от середины в форме вогнутых экспонент. 30972006.10.30 Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована при строительстве гидроэлектростанций на морских и океанских акваториях с приливами и отливами. Известна приливная гидроэлектростанция 1, которая содержит плотину с гидроагрегатом, подсоединенные к нему впускной и выпускной трубопроводы, погруженные под уровень воды, и поплавки. Трубопровод снабжен рядом гибких труб и расположенной между ними и гидроагрегатом заслонкой. В трубах одного ряда установлены прямые, а в трубах другого ряда - обратные клапана, а поплавки соединены с верхними концами труб и связаны между собой с помощью гибкой связи. Недостатками такой гидроэлектростанции являются сложность конструкции и невысокий коэффициент полезного действия. В авторском свидетельстве СССР 2 описана приливная гидроэлектростанция, включающая гидроагрегат с полым корпусом, входным конфузором, выходным окном и размещенные в полости корпуса барабанные рабочие колеса противоположного вращения,соединенные при помощи редуктора с установленным в защитном колпаке на корпусе генератором. Корпус установлен на раме с возможностью вращения вокруг поперечной оси и соединен с рамой при помощи тангенциальной пружины, а колпак сообщен с полостью корпуса и частично заполнен маслом. Этот тип гидроэлектростанции также обладает сложной конструкцией, невысокой надежностью работы и низким КПД. Прототипом предлагаемой полезной модели является приливная гидроэлектростанция,описанная в 3. Она содержит водонакопительный резервуар со сливной магистралью водоводом, гидроагрегат, включающий гидротурбину и электрогенератор, волноводный раструб с наклонной водоподъемной трубой. Гидроагрегат частично погружен под уровень воды, а водонакопительный резервуар гидравлически связан с гидроагрегатом и водоподъемной трубой раструба. Недостатками устройства-прототипа являются 1. Сложность конструкции, обусловленная наличием системы гидравлической защиты гидроагрегата, волноводного раструба с наклонной водоподъемной трубой. 2. Невысоким КПД, обусловленный неэффективным использованием гидродинамических свойств водяного потока в накопительном резервуаре и невысокой скоростью заполнения накопительного резервуара во время прилива. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы приливной гидроэлектростанции, ее КПД и упрощение конструкции гидроэлектростанции. Поставленная задача достигается тем, что в приливной гидроэлектростанции, содержащей водонакопительный резервуар, водовод, гидроагрегат, включающий гидротурбину с подшипниками-опорами, кинематически связанную с электрогенератором, водонакопительный резервуар снабжен проемами со шлюзами, поплавками, размещенными в проемах,опорными площадками поплавков, при этом водовод выполнен замкнутым эллипсообразным, в форме пологой экспоненты, снабжен соплом и наклонен вниз в пределах 520,ось водовода расположена в пределах (0,450,55)Н, а опорные площадки поплавков расположены на расстоянии (0,250,4)Н, где- высота вертикальной стены водонакопительного резервуара, причем отрезки передней стены между проемами составляют(0,520) ширины проемов и выполнены от середины в форме вогнутых экспонент. Сущность полезной модели поясняет чертеж, где на фиг. 1 изображен главный вид приливной гидроэлектростанции, а на фиг. 2 - сечение ее корпуса и водовода. Приливная гидроэлектростанция (ПГЭС) содержит водонакопительный резервуар-корпус 1 в форме четырехгранной призмы с дном, в котором со стороны прилива на передней вертикальной стене сформированы проемы 2 со шлюзами 3. В них размещены поплавки 4. В основаниях проемов 2 на корпусе 1 ПГЭС размещены опорные площадки поплавков 5. На противоположной вертикальной стороне корпуса 1 расположен водовод 6, заканчивающийся соплом 7. Снизу возле сопла 7 размещена гидротурбина 8 с подшипниками-опорами, на которую 2 30972006.10.30 воздействует вытекающий из сопла 7 ускоренный водяной поток 9. Гидротурбина 8 соединена посредством вала 10 с электрогенератором 11. Водяной прилив 12 воздействует на вертикальную стену корпуса 1 со стороны проемов 2, в которых размещены поплавки 4. Водонакопительный резервуар-корпус 1 ПГЭС выполнен в форме четырехгранной прямоугольной призмы с основанием бетонным или грунтовым дном, установленным в океанском акватории с высоким водяным приливом вблизи крутого берега. Корпус 1 изготовлен из железобетона, толщина стен корпуса зависит от его геометрических размеров и составляет 0,52,5 м, а высота вертикальных стен превышает верхний уровень прилива при штилевом состоянии водяного океана на 2-5 м с учетом защиты поплавков 4 со шлюзами 3 от штормовых океанских волн и может составлять 1220 м. Отрезки передней стены корпуса 1 между проемами 2 составляют 12 ширины проемов 2, причем со стороны прилива эти отрезки передней стены от своей середины выполнены в форме пологой экспоненты, что значительно ускоряет продвижение водяных масс прилива 12 через проемы 2 с поплавками 4. Передняя стенка корпуса 1 у основания выполняется большой толщины, где более высокое давление воды. Размер водонакопительного резервуара ПГЭС зависит от ландшафта местности, высоты водяного прилива 12, мощности электрогенератора 11. Длина передней вертикальной стены корпуса 1 составляет от 100 м до 2 км и более,а ширина корпуса 1 находится в пределах 20-100 м. Отрезки передней стены корпуса 1 между проемами 2 составляют (0,52,0) ширины проемов 2 и выполнены от своей середины в форме вогнутой экспоненты. Такая форма выполнения отрезков передней стены обеспечивает значительное ускорение натекания воды в водонакопительный резервуар и снижает удары высоких океанских волн при штормах. В основаниях проемов 2 корпуса 1 размещены опорные площадки поплавков 5 на высоте (0,25-0,4)Н от верхней кромки водонакопительного резервуара, где- высота передней вертикальной стены водонакопительного резервуара-корпуса 1. В проемах 2 передней вертикальной стены выполнены шлюзы 3 стандартной конструкции, в которых размещены поплавки 4. Шлюзы 3 предотвращают утечку воды с корпуса 1 во время отлива. Поплавки 4 выполнены металлическими, например из дюралюминия,пустотелыми, либо из легких синтетических материалов с наклоном верхней горизонтальной их стороны от внутреннего края передней стены корпуса 1 на 1020, нижняя их горизонтальная сторона, покоящаяся в воде, плоская. Такая форма поплавков 4 обеспечивает оптимальное поступление воды во время прилива и исключает утечку воды через них с корпуса 1 во время отлива. Ширина поплавков 4 составляет 25 м. Вертикальная сторона поплавков 4 выполнена такой высотой , чтобы обеспечить требуемую жесткой конструкции шлюз 3 - поплавок 4 при максимальном уровне воды в водоеме и исключить утечку воды из водоема при быстром отливе воды. Высотапоплавков 4 должна превышать максимальный уровень воды в водоеме по основанию опорных площадок поплавков 5 на 12 м и составляет 36 м. Упрощенный вариант конструкции поплавков 4 предусматривает высотувертикальной стены, обеспечивающей требуемую жесткость конструкции поплавок 4 - шлюз 3 и находящуюся в пределах 0,5-2 м, причем дно поплавков является плоским. Ширина проемов 2 и их число зависят от геометрических размеров корпуса и ширина составляет 5-15 м, их число 530. Поплавки 4 нижней частью своей вертикальной стены укладываются в шлюзы 3 проемов 2 корпуса 1 и при опускании в процессе расхода воды в водоеме ПГЭС оседают на эластичное основание 13 опорных площадок поплавков 5 и проемов 2. На задней вертикальной стене корпуса 1 размещен водовод 6, причем ось водовода в зависимости от высоты водяного прилива 12 расположена в пределах (0,400,55)Н. Водовод 6 в сечении по ширине выполнен замкнутым эллипсообразным в форме пологой экспоненты из железобетона или антикоррозийного легкого сплава, синтетика и снабжен со стороны корпуса 1 водозащитной сеткой. Площадь сечения и длина водовода 6 зависят от массы воды в накопительном водоеме, мощности ПГЭС. Большая ось эллиптического 3 30972006.10.30 сечения у вертикальной стены водоема составляет 15-50 м, а малая ось - 310 м. Эллиптическое сечение водовода 6 по его длине сужается по пологой экспоненте, ось водовода 6 наклонена вниз в пределах 520. Водовод 6 представляет зону гидродинамического ускорения воды и заканчивается соплом 7. Угол наклона водовода 6 определяется уровнем подъема воды, длиной зоны гидродинамического ускорения воды, которая находится в пределах 1040 м и требуемой энергией выходящего из нее потока воды. Водовод 6 снабжен фильтром 14 в виде металлических или из синтетических материалов сеток, заканчивается соплом 7 прямолинейной формы со скругленными со стороны ребер основанием и торцом по периметру. Сопло 7 является продолжением зоны гидродинамического ускорения воды, его длина составляет 26 м, а его ширина определяется размерами движителя(лопастей) гидротурбины 8 и составляет 520 м. Сопло 7 является равномерным по ширине для обеспечения равномерности гидродинамических свойств водяного потока 9, а угол наклона сопла 7 определяется оптимальным углом падения водяного потока 9 на лопатки гидротурбины 8 для получения максимального крутящего момента на валу 10 электрогенератора 11. Водовод 6 со стороны корпуса 1 сопряжен внутренней стороной со стеной овальной кривой для получения оптимального коэффициента истеченияна уровне 0,9. Для упрощения конструкции водовода 6 он может быть выполнен желобообразным,однако его внутренний профиль должен быть эллипсоидным и желобом должен сужаться в сторону сопла 7 по пологой экспоненте. Ширина корпуса 1 и длина водовода 6 выбираются так, чтобы гидротурбина 8, на которую воздействует вытекающий из сопла 7 высокоэнергетический водяной поток 9, размещалась на берегу в специальном помещении и отработанный в гидротурбине 8 поток воды стекал по специальному каналу (на фиг. не показано) в устье впадающей в океанский акваторий реки. Гидротурбина 8 установлена на подшипниковых опорах на бетонном основании (на чертеже не показано) в специальном помещении и кинематически через вал 10 с редуктором соединена с трехфазным электрогенератором 11. Приливная гидроэлектростанция работает следующим образом. При размещении ПГЭС в океанском акватории с высоким водяным приливом вблизи крутого берега в период прилива океанского водоема водяной прилив 12 воздействует на переднюю вертикальную стену корпуса 1, постоянно повышая уровень воды возле нее. В момент достижения уровня прилива 12 расположения поплавков 4, покоящихся на опорных площадках поплавков 5, вода начинает поступать в накопительный резервуар через проемы 2. Поскольку ширина поплавков 4 большая и их количество на передней вертикальной стене корпуса 1 значительное, вода быстро заполняет водонакопительный резервуар и по достижении уровня воды зоны сливной магистрали - водовода 6 вода начинает ускоряться и через сопло 7 воздействовать на гидротурбину 8, которая с помощью редуктора обладает минимальной нагрузкой. В период быстрого прилива воды накопительный резервуар интенсивно заполняется водой через проемы 2 и к моменту завершения прилива уровень воды в накопительном резервуаре-корпусе 1 будет максимальным. По мере повышения напора воды в сливной магистрали - водовода 6 гидротурбина 8 подключается на максимальную нагрузку, соответствующую номинальной генерируемой электрической мощности электрогенератором 11. Скорость истечения воды из водонакопительного резервуара в водовод 6 определяется из зависимости объем воды, протекающей через сечениеводовода 6, находится из выражения 30972006.10.30 а объемный расход воды - через водовод 6(3). В выражениях (1), (2), (3)- усредненная высота столба жидкости 9,81 м/с 2 ускорение свободного падения 0,9 - коэффициент истечения жидкости- время истечения жидкости. В период, когда отлив воды не наступил, вытекающая из накопительного резервуара вода непрерывно пополняется через поплавки 4 проемов 2. При наступлении отлива вода сначала убывает медленно, затем быстро. Медленное убывание воды, как показали результаты эксперимента, убывает в пределах (0,30,35)Н. На этом уровне устанавливаются опорные площадки поплавков. Поэтому последующее быстрое убывание воды во время отлива не сказывается на работу ПГЭС. С учетом того, что объемный расход воды , вытекающей из накопительного резервуара-корпуса 1 через водовод 6 и падающей на лопасти гидротурбины 8, примерно в 108-109 раз меньше объема воды в корпусе 1 ПГЭС, то она будет бесперебойно работать в течение 12-14 часов до момента достижения уровня опорных площадок поплавков 5 в процессе очередного прилива. За последующий водяной прилив 12 накопительный резервуар вновь заполняется водой до максимального уровня. Протекающая по наклонному и сужающемуся по пологой экспоненте водоводу 6 вода в процессе продвижения представляет водяной поток, обладающий высокими гидродинамическими свойствами. Результирующая накопленная энергия воды, равная сумме кинетической и потенциальной энергии, составит 1 2,(4) 2 где- плотность воды- ускорение свободного падения- высота водяного столба в накопительном резервуаре с - скорость водяного потока на выходе из сопла 7. С учетом уравнения неразрывности струи,(5) где ,- скорости потока воды на входе водовода 6 и на выходе сопла 7 ,- сечение водовода 6 на границе с корпусом 1 и сопла 7, скорость истечения водяного потока 9 из сопла 7 достигает десятков метров в секунду. Этот поток, обладая огромной суммарной энергией, воздействует на гидротурбину 8, приводя ее во вращение. Вал 10 гидротурбины приводит во вращение ротор электрогенератора 11 с требуемой скоростью, которая при необходимости корректируется редуктором электрогенератора 11. В результате того, что водонакопительный резервуар снабжен проемами со шлюзами,поплавками, размещенными в проемах, опорными площадками поплавков, причем водовод выполнен замкнутым эллипсообразным в форме пологой экспоненты, снабжен соплом и наклонен вниз в пределах 520, решается поставленная техническая задача в сравнении с прототипом и аналогами упрощается конструкция гидроэлектростанции, повышается ее КПД, оптимально используется энергия океанского прилива. Сконструированные в соответствии с фиг. 1 и фиг. 2 приливные гидроэлектростанции можно серийно размещать на океанском побережье с высокими приливами на близких расстояниях друг от друга(0,52 км) и получать энергию с таких водоемов гиговаттной мощности. Создан лабораторный макет приливной гидроэлектростанции по представленной на фиг. 1 и фиг. 2 конструкции, который, как показали результаты лабораторных испытаний,эффективно использует энергию водяного прилива. Созданная ПГЭС, длина корпуса которой составляет 200 м, ширина корпуса - 30 м, высота корпуса - 15 м, содержит 10 проемов шириной по 10 м, сечением водовода 30 м 2, позволяет генерировать электроэнергию мощностью 600800 кВт, при этом ее КПД более чем в 2 раза превышает КПД приливных гидроэлектростанций-аналогов. Промышленное освоение предлагаемой приливной гидроэлектростанции возможно на предприятиях гидротехнического строительства, энергетики и строительной индустрии. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.