Приливная ГЭС

Изобретение относится к конструкциям автономных приливных бесплотинных электростанций небольшой мощности и может быть использовано для преобразования энергии морских течений (приливов-отливов) в электрическую энергию.

Известна «Приливная электростанция» по авторскому свидетельству СССР № 1432133, МПК E 02 B 9/08, автора А.Б. Ермилова [1]. Данное устройство содержит плотину, образующую отделенный от свободной акватории моря водоем, причем плотина выполнена в виде понтонных секций с каналами, в которых установлены турбины, и гибкой водонепроницаемой перемычки с грузами, анкерных якорей и гибких связей, закрепляющих плотину на дне.

При возведении приливных ГЭС основные затраты приходятся на возведение плотин и создание искусственного водоема [2]: «Приливные электростанции», портал по альтернативной энергетике [Электронный ресурс], www.alter220.ru, с.7, поэтому автор по авторскому свидетельству № 1432133 предлагал использовать плавающую гибкою водонепроницаемую перемычку.

Недостатками данного устройства являются конструктивная сложность и невысокая надежность, обусловленная неустойчивостью ГЭС к штормам и малый срок службы применяемых материалов. При штормовом волнении в акватории предложено аварийное погружение секций, для чего открываются кингстоны и вода поступает в балластные камеры, опуская секции ниже уровня воды, а подъем секций осуществляется сжатым воздухом из предварительно заполненных ресиверов. Кроме того, для работы электростанции требуется наличие обслуживающего персонала.

Известно так же «Устройство для извлечения энергии из морских течений» по патенту РФ № 2401358, МПК E 02 B 9/08, авторов Е.Н. Беллендир, А.В. Петрашкевич и др.

Данное устройство содержит несколько цилиндрических опор-оболочек, размещенных на морском шельфе, систему подводящих и отводящих трубопроводов, гидрогенераторы, причем опоры-оболочки установлены в ряд с зазором для прохода воды по линии, перпендикулярной к направлению приливных и отливных течений, полость опоры-оболочки разделена по вертикали перегородками на несколько ярусов для размещения трубопроводов и гидрогенераторов, подводящий трубопровод проходит по диагонали перпендикулярно, а отводящий трубопровод – по диагонали параллельно линии установки опор- оболочек, концы трубопроводов сообщаются с морем, а гидрогенераторы размещены на отводящих трубопроводах.

Недостатком данного устройства так же является конструктивная сложность, реализуемая только для ГЭС большой мощности и наличие значительного числа обслуживающего персонала. Кроме сложности изготовления самих крупногабаритных цилиндрических опор-оболочек, размещенных на морском шельфе, и полостей в опорах-оболочках с перегородками на несколько ярусов, в которых размещаются трубопроводы и гидрогенераторы, требуется большое число автономных гидрогенераторов (гидротурбина с генератором), работу которых понадобиться еще синхронизировать в системе выработки электроэнергии.

Наиболее близким техническим решением является «Волновая электростанция» авторов Ю.Б. Шполянского, Б.Л. Историка и др. патенту РФ № 2459974, МПК F 03 B 13/24.

Данное изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано при значительных колебаниях уровня водной поверхности из-за приливно-отливных или сгонно-нагонных явлений в электрическую энергию.

Устройство содержит неподвижную опору, пневмогидравлическую камеру, подвижная часть которой сообщена с водоемом, а надводная – с атмосферой через напорный воздуховод, в котором установлена турбина с генератором. Кроме того, устройство оснащено вращающимся приводом, кинематически связанным с камерой, которая закреплена на опоре с возможностью вертикального перемещения, причем привод связан с камерой через пару силовых элементов из ряда гайка-винт, зубчатое колесо-зубчатая рейка, гидроцилиндр-шток, барабан-трос, а вращающийся привод снабжен средствами автоматического управления с возможностью перемещения камеры относительно опоры в соответствие с колебаниями среднего уровня водной поверхности.

Недостатком данного устройства является конструктивная сложность, необходимость в опорах-оболочках, выполняющих функцию плотины, и так же - необходимость в обслуживающем персонале и его высокая стоимость, характерная для ГЭС большой мощности, включенную в общую систему обеспечения электроэнергией потребителей. Кроме того, для установки камеры на требуемый уровень водной поверхности требуется электроприводу внешний источник электроэнергии.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и создание автономной, простой по конструкции приливной ГЭС, не использующей внешние дополнительные источники электропитания и не требующей постоянных затрат на ее обслуживание.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в следующем:

- упрощена конструкция за счет отсутствия плотины и накопительного резервуара, отгороженного плотиной от свободной акватории моря;

- функционирование устройства в автоматическом режиме без необходимости постоянного обслуживания;

- функцию накопителя энергии – сжатого воздуха выполняет эластичный газгольдер, расположенный на дне водоема;

- газгольдер, расположенный на мелководье или на поверхности суши, оснащается дополнительными рассредоточенными грузами, создающими давление на его поверхность;

- в качестве воздушной турбины применен объемный расходомер с высоким классом точности.

Технический результат достигается за счет того, что в приливную ГЭС, содержащую пневмогидравлическую камеру, подводная часть которой сообщена с морем, а надводная – с атмосферой через закрепленный на верхнем торце камеры напорный воздуховод и – воздушную турбину, кинематически связанную с генератором, дополнительно введен эластичный газгольдер, расположенный на дне моря, камера оснащена отверстиями около дна камеры в зоне отлива воды и отверстием на верхнем торце, на котором размещена клапанная коробка с двумя отверстиями, одно из которых оснащено подпружиненным на закрывание клапаном, подключенному к напорному воздуховоду, а другое отверстие соединено через локальный воздуховод к входу газгольдера, причем с выхода последнего сжатый воздух через воздуховод подан на воздушную турбину.

Технический результат достигается так же за счет того, что на дне моря в зоне отлива- прилива воды установлено несколько пневмогидравлических камер, дополнительные локальные воздуховоды которых через дополнительные обратные клапаны подключены к общему воздуховоду газгольдера;

Технический результат достигается так же за счет того, что в качестве воздушной турбины использован объемный расходомер с высоким классом точности, а на поверхности эластичного газгольдера расположен дополнительный груз.

На чертеже приведена конструкция предлагаемой «Приливной ГЭС». Устройство содержит подводную пневмогидравлическую камеру 1, устанавливаемую на дне моря, имеющую около ее дна отверстия 2 для входа- выхода воды, и клапанную коробку3 на верху, оснащенную подпружиненным на закрывание воздушным клапаном 4, который соединяется с атмосферой посредством напорного воздуховода 5, при этом клапанная коробка имеет общее отверстие 6 с камерой, оснащенное внутри поплавковым клапаном 7 и отверстие 8, подключенное через локальный воздуховод 9, обратный воздушный клапан 10 и общий воздуховод 11 к эластичному газгольдеру 12, выполняющему функцию хранилища сжатого воздуха. Газгольдер оснащен предохранительным клапаном 13 давления и соединен через подающий воздуховод 14 и регулятор давления 15 с воздушной турбиной 16, нагруженной на электрический генератор 17.

При необходимости увеличивать мощность ГЭС на дне моря устанавливается несколько пневмогидравлических камер (не показано на чертеже), а с каждой из них посредством дополнительных локальных воздуховодов 18 через дополнительные обратные воздушные клапаны 19 сжатый воздух подается в общий воздуховод и далее в газгольдер.

В процессе работы устройства в пневмогидравлической камере создаются переменные объемы воздушной полости 20 и водной полости 21.

«Приливная ГЭС» работает следующим образом. Во время отлива Нотл. при минимальном уровне воды в море, вода из камеры 1 выходит через отверстия 2, при этом водяная полость 21 уменьшается, а воздушная полость 20 увеличивается за счет образовавшегося вакуума в камере и заполнения ее воздухом через воздуховод 5, открывшийся клапан 4 и отверстие 6. Одновременно, пока камера 1 наполняется воздухом при открытом клапане 4, через отверстие 8, локальный воздуховод 9, обратный воздушный клапан 10 и общий воздуховод 11 засасываемый воздух частично поступает в газгольдер 12.

При наступлении морского прилива вода входит через отверстия 2 во внутрь камеры 1, при этом водяная полость 21 увеличивается до уровня Нприл., а воздушная полость 20 сжимается, подпружиненный воздушный клапан 4 закрыт и сжатый воздух через открытое отверстие 6 камеры, отверстие 8 клапанной коробки, локальный воздуховод 9, обратный воздушный клапан 10, общий воздуховод 11 подается на наполнение эластичного газгольдера 12. Сжатый воздух с газгольдера через подающий воздуховод 14 поступает на регулятор давления 15 и далее на воздушную турбину 16, оснащенную генератором 17.

При наступлении следующего отлива воды в море циклы работы «Приливной ГЭС» повторяются. Запас сжатого воздуха в газгольдере 12 должен обеспечивать равномерную работу ГЭС на время между циклами «прилив-отлив», поэтому либо пневмогидравлическая камера 1 должна иметь соответствующие габариты, либо через дополнительные локальные воздуховоды 18 и дополнительные обратные воздушные клапаны 19 к общему воздуховоду 11 газгольдера 12 подсоединяются аналогичные пневмогидравлические камеры (не показано на чертеже).

Для предохранения газгольдера 12 от разрыва при превышении давления в нем выше нормативного, используется предохранительный клапан давления13.

Если камера 1 расположена на глубине, превышающей высоту камеры, то в результате прилива водяная полость 21 полностью заполняет внутренний объем, при этом поплавковый клапан 7 перекрывает отверстие 6 камеры, предотвращая проникновение воды в клапанную коробку 3. В этом случае высота напорного воздуховода 5 должна быть выше уровня водной поверхности прилива.

Газгольдер крепится ко дну на значительной глубине или оснащается на мелководье, а также на поверхности земли дополнительными рассредоточенными по поверхности газгольдера грузами (не показано на чертеже). Такое хранилище сжатого воздуха может быть выполнено в виде надуваемых эластичных баллонов, давление в которых возможно поддерживать на более высоких параметрах за счет давления верхних слоев воды, поэтому его целесообразно располагать на больших глубинах или сверху, по предложению автора, нагружать дополнительными грузами [5]: Павел Котляр. Канадцы придумали, как хранить излишки энергии под водой [Электронный ресурс]: www. Gazeta. ru/science/2014/07/12. shtin 1. В качестве данных хранилищ сжатого воздуха может быть использовано различное резервуарное оборудование, в том числе эластичные газгольдеры ЗАО «Пензэлектро» [6]: «Газгольдеры для биогаза, биогазовые установки. ЗАО «Пензенский завод нефтегазового оборудования» [Электронный ресурс]: www. penzenergo. Ru, и так же - газгольдеры австрийской фирмы Sattler Textilwerkt (Мембранные газгольдеры доя биогаза. – «Акватерм», №5 (21), 2004, с. 98 [7].

В качестве воздушной турбины 15 более целесообразно использовать объемный расходомер с высоким классом точности. Это обусловлено их способностью превращать в механическую энергию большую часть кинетической энергии воздуха, а доля пролетной массы потока, не задействованной по превращению ее в работу весьма мала [8]: Домогацкий В.А., Левченко И.В. Ролико-лопастная машина. Патент РФ № 2230194, МПК F01C1, и так же – «Пневмодвигатели» фирмы ООО «Вест-метрология» [Электронный ресурс] www. west-metrology.ru/production/air-motor.html [9].

Предлагаемая автономная «Приливная ГЭС» предназначается для массового использования, как отдельными удаленными от магистральных электрических сетей индивидуальными потребителями, так и не большими поселениями. ГЭС работает в автоматическом режиме и не требует постоянного обслуживания. ГЭС собирается из серийных узлов и конструкций, поэтому имеет минимальную стоимость при ее сооружении, что позволяет рекомендовать ее для широкого применения.