ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2167334
ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
Имя изобретателя: Чердаков П.А.; Чердакова О.А.
Имя патентообладателя: Иркутский энергетический колледж
Адрес для переписки:
Дата начала действия патента: 2000.01.27
Электростанция предназначена для выработки электрической энергии путем
преобразования потенциальной энергии воды. Преобразователь энергии воды в энергию
воздушного потока состоит из нескольких сифонных трубопроводов, по которым вода
перетекает из верхнего бьефа в нижний бьеф. Верхняя часть каждого из сифонов, т.е.
область с наибольшим значением вакуума, соединена отдельным воздуховодом с
коллектором, где размещается воздушная турбина, соединенная с электрогенератором.
Конструкция электростанции позволяет расширить область применения плотинных
гидроэлектростанций.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к технике выработки электрической энергии, в частности к
нетрадиционным источникам энергии.
Известно устройство, преобразующее энергию морских волн в электрическую
энергию (см. Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы. - М.: Знание, 1990, с. 72-73), которое
представляет собой плавающую на воде платформу, разделенную на открытые снизу секции,
заполненные воздухом. Волны, проходя под платформой, сжимают поочередно находящийся в
секциях воздух. Установленная на пути потока воздуха, перетекающего из секции с
большим давлением в секцию с меньшим давлением, воздушная турбинка, соединенная с
электрическим генератором, будет преобразовывать энергию волн в электрическую
энергию.
Недостатками данного устройства являются небольшая мощность, выход из работы во время
штиля? а также громоздкость, т.к. данное устройство должно иметь большие линейные
размеры, с тем чтобы колебания платформы под действием волн были небольшими. Кроме
этого, направление протекания воздуха из одной секции в другую будет периодически
меняться, а это приводит к периодической остановке воздушной турбинки и генератора,
что еще более снижает мощность электростанции и требует использования специального
обратимого генератора.
Известна также гидропневматическая электростанция (A.M. Gorlov. A New Opportunity for Hydro: Using Air Turbines
for Generating Electricity. Hydro Review, September 1992, Volume 11, Number 5), состоящая из герметичного гидровоздушного
конвертора, преобразующего энергию воды в энергию воздушного потока, плотины,
создающей перепад воды относительно нижнего бьефа и энергоблока, в котором размещены
воздушные турбогенераторы. Основным элементом этой электростанции является водо- и
воздухонепроницаемый конвертор, сооружаемый из бетона и размещаемый в русле реки. Он
может выполняться одно- и двухкамерным. По мнению автора разработки более эффективным
является двухкамерный конвертор, состоящий из двух идентичных камер, связанных между
собой воздуховодом, в котором размещена воздушная турбина.
Обе камеры оборудованы системой впускных и выпускных затворов, которые обеспечивают
опорожнение одной камеры при заполнении другой и наоборот. Когда одна камера
заполняется, воздух из нее через воздухопровод выходит в камеру, которая опорожняется,
вращая при этом воздушную турбину.
В данном устройстве направление движения воздушного потока в воздухопроводе также
будет периодически изменяться, что приведет к следующему циклу работы турбины и
генератора: разгон - достижение максимальной скорости вращения - замедление вращения -
остановка и т.д. по тому же циклу, что ведет к снижению мощности электростанции и также
требует использования обратимого генератора. По данным автора прототипа при перепаде
уровней верхнего и нижнего бьефов 6,5 футов (1,98 м) давление (напор), под действием
которого движется по воздуховоду воздушный поток, составляет 13 футов водного столба
(3,96 м вод.ст. = 38,86 кПа) для более совершенного двухкамерного конвертора (см. там же).
Конвертор данной электростанции, особенно двухкамерный, представляет из себя довольно
сложную, громоздкую конструкцию, включающую в себя четыре попеременно открывающихся и
закрывающихся затвора, оси и шарниры которых постоянно находятся в воде, что снижает
надежность данного устройства и суживает область его применения (из-за невозможности
применения электростанции такого типа на ручьях и малых реках).
Задачей настоящего изобретения является увеличение мощности электростанции и
расширение области ее применения.
Указанный технический результат достигается тем, что преобразователь энергии воды в
энергию воздушного потока выполнен в виде батареи сифонных трубопроводов, верхняя
часть каждого из которых соединяется воздухопроводом с общим коллектором, в котором
располагается воздушная турбинка.
Выполнение преобразователя в виде сифонов позволяет резко увеличить мощность
электростанции, т.к. вакуум в верхней части сифона достигает 7 метров водного столба (68,65
кПа) (см. Чугаев P.P. Гидравлика. - Л.: Энергоиздат, 1982, с. 222), причем достичь такого значения
вакуума можно при небольшом перепаде уровней в верхнем и нижнем бьефах, т.к. величина
вакуума в сифоне в основном зависит от высоты поднятия верхней части сифона над
уровнем воды в верхнем бьефе и определяется по следующей зависимости (см. там же, с. 221):
где h' - высота поднятия верхней части сифона над уровнем воды в верхнем бьефе;
 - полный коэффициент
сопротивления, учитывающий потерю напора от входа в сифон до его верхней части;
v - скорость течения воды в сифоне;
g - ускорение свободного падения.
Развиваемая турбиной мощность в общем случае вычисляется по формуле (см.
Гидроэлектрические станции. / Под ред. Карелина В.Я., Кривченко Г.Я. - М., 1987, с. 21):
N =  ·g·Q·H· эн.об.,
где - плотность воздуха;
g - ускорение свободного падения;
Q - расход воздушного потока;
H - действующий напор (перепад давлений);
эн.об. - КПД энергетического
оборудования.
Гидропневматическая концепция производства электроэнергии по данным исследований (см.
A.M. Goriov. A New Opportunity for Hydro: Using Air Turbines for Generating Electricity. Hydro Review, September 1992, Volume 11, Number 5) эффективна
при напорах на плотине до 13 футов (3,96 м), а при больших напорах предпочтительнее
гидравлические турбины. Как видно из вышесказанного, при таких условиях перепад
давлений, под действием которого движется воздушный поток, а следовательно, и расход
воздушного потока, выше у сифона (при одинаковом диаметре воздуховода). При этом расход
воздуха, а значит и мощность станции могут быть многократно увеличены при увеличении
числа сифонов в батарее. Последнее ограничивается только расходом реки.
К тому же изготовлены сифоны могут быть довольно просто из обычных стальных или
пластмассовых труб. При этом не требуется, как в случае строительства прототипа, отвода
реки в другое русло.
Установить предлагаемую электростанцию можно на небольших водотоках, причем в
некоторых случаях даже без плотины - на реках, имеющих естественные перепады (пороги),
что расширяет область ее применения.
На фиг. 1 изображен общий вид гидропневматической электростанции, а на фиг. 2 - схема,
поясняющая принцип ее работы.
Конструкция состоит из плотины 1, на которой закреплена батарея сифонных трубопроводов
2, каждый из которых посредством воздуховодов 3 сообщается с коллектором, где
располагается воздушная турбина 4, и далее с атмосферой. Вакуум-насос 5 подключен к
устью воздуховода и соединяется с последним при помощи вентилей 6 и 7. Все перечисленные
составляющие электростанции за исключением сифонов и большей части воздуховодов
располагаются в энергоблоке 8.
Гидропневматическая электростанция работает следующим образом. Перед пуском
электростанции закрывается вентиль 7, а вентиль 6 открывается и включается вакуум-насос
5, создавая в сифонах давление меньше атмосферного. В результате через сифонные
трубопроводы 2 начинается движение воды из верхнего бьефа в нижний. После этого вентиль
6 закрывается, а вентиль 7 открывается и за счет разности давлений, возникающей из-за
наличия вакуума в сифоне, начинается движение воздушного потока из атмосферы через
воздушную турбину 4 и воздуховоды 3 в сифонные трубопроводы 2. Под воздействием
воздушного потока турбина вращается и соединенный с ней генератор вырабатывает
электрическую энергию. Во избежание прекращения течения воды в трубопроводах 2 подвод
воздуха по воздуховодам 3 регулируется вентилем 7 и не должен уменьшать расход воды на
более чем 0,2 максимального, когда каждый трубопровод 2 работает полным сечением (без
подвода воздуха).
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Гидропневматическая электростанция, включающая низконапорную плотину,
преобразователь энергии воды в энергию воздушного потока, воздушный турбогенератор,
отличающаяся тем, что преобразователь энергии выполнен в виде батареи сифонных
трубопроводов, верхняя часть каждого из которых соединена воздуховодами с
коллектором, в котором расположена воздушная турбина.
Версия для печати
Дата публикации 16.01.2007гг
вверх
|
