Способ преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройство для его осуществления

Номер инновационного патента: 30579

Опубликовано: 16.11.2015

Авторы: Баубекова Алия Куатовна, Баубеков Куат Талгатович, Достияров Абай Мухамедиярулы

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

Изобретение относится к малой гидроэнергетике и может быть использовано в качестве способа преобразования гидравлической энергии, а также, способа улучшения качества воды.
Технической задачей предложенного изобретения является создание способа и устройства для эффективного преобразования гидравлической энергии в электрическую на переливной плотине и одновременного предотвращения антропогенной эвтрофикации равнинных рек и водоемов.
Технический результат достигается тем, что в известном способе преобразования гидравлической энергии в электрическую, состоящем из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток, создания перепада уровня воды между верхним и нижним бьефом, а также передачи полученного движения на ротор электрогенератора, согласно изобретению, в качестве механизма формирования постоянного водослива под действием гравитационных сил и создания противоэвтрафикационной аэрации принят способ преобразования потенциальной энергии движения воды в кинетическое движение по механизму перелива через гребень плотины.
При этом в гидроэнергетической установке, состоящей из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора, гидротехническое сооружение для создания противоэвтрафикационной аэрации состоит из переливной плотины, альтернативно выполненными с широким водосливом и неглубоким поверхностным дном: с распластанным поперечным сечением, с поперечной преградой и однобоким водосливом, с поперечной преградой и двухсторонним водосливом, при этом, в нижней донной части гидротехническая установка переходит в преграду в виде рабочей гребени плотины с установленными на дне противоэвтрацикационными лампами подводного освещения в конце которой на уровне чуть выше нижнего бьефа воды установлены турбины барабанного типа с наливными желобами и дырчатым щитом со щипами.
Кроме того, за низовой гранью на уровне подошвы установлены перфорированные трубы соединенные с воздуходувкой.

Текст

Смотреть все

(51) 02 21/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ нижним бьефом, а также передачи полученного движения на ротор электрогенератора, согласно изобретению, в качестве механизма формирования постоянного водослива под действием гравитационных сил и создания противоэвтрафикационной аэрации принят способ преобразования потенциальной энергии движения воды в кинетическое движение по механизму перелива через гребень плотины. При этом в гидроэнергетической установке,состоящей из комплекса гидротехнических сооружений,рабочих органов турбины и электрогенератора, гидротехническое сооружение для создания противоэвтрафикационной аэрации состоит из переливной плотины, альтернативно выполненными с широким водосливом и неглубоким поверхностным дном с распластанным поперечным сечением, с поперечной преградой и однобоким водосливом, с поперечной преградой и двухсторонним водосливом, при этом, в нижней донной части гидротехническая установка переходит в преграду в виде рабочей гребени плотины с установленными на дне противоэвтрацикационными лампами подводного освещения в конце которой на уровне чуть выше нижнего бьефа воды установлены турбины барабанного типа с наливными желобами и дырчатым щитом со щипами. Кроме того, за низовой гранью на уровне подошвы установлены перфорированные трубы соединенные с воздуходувкой.(72) Баубеков Куат Талгатович Достияров Абай Мухамедиярулы Баубекова Алия Куатовна(73) Акционерное общество Казахский агротехнический университет им. Сакена Сейфуллина(56) Бубнова Ю., Малые вихревые гравитационные гидроэлектростанции// Сантехника, 2010. -2.с.20-22(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к малой гидроэнергетике и может быть использовано в качестве способа преобразования гидравлической энергии, а также, способа улучшения качества воды. Технической задачей предложенного изобретения является создание способа и устройства для эффективного преобразования гидравлической энергии в электрическую на переливной плотине и одновременного предотвращения антропогенной эвтрофикации равнинных рек и водоемов. Технический результат достигается тем, что в известном способе преобразования гидравлической энергии в электрическую, состоящем из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток,создания перепада уровня воды между верхним и Изобретение относится к малой гидроэнергетике и может быть использовано в качестве способа преобразования гидравлической энергии слабонаклонного течения равнинных рек и водоемов в электрическую энергию, а также,способа улучшения качества воды. Известна переливная грунтовая плотина (см. Гидротехнические сооружения Учеб. для вузов В 2 частях. Ч. 1 / Л.Н. Рассказов, В.Г. Орехов,Ю.П. Правдивец и др. Под ред. Л.Н. Рассказова. М. Стройиздат, 1996. - 435 с) которая включает порог, низовой откос и элементы крепления,размещенные по низовому откосу. Элементы крепления выполнены из железобетонных плит. Конструкция допускает перелив воды через гребень и низовой откос. При этом поток воды в период паводка переливается через плотину без размыва низового откоса, поскольку откос защищен уложенными по нему железобетонными плитами. Недостатками известного технического решения являются его высокая материалоемкость,трудоемкость и стоимость, а также длительный срок строительства. К недостатку конструкции следует также отнести низкую надежность ее работы. Известен также способ преобразования гидравлической энергии в электрическую,значительно устраняющий недостатки вышеописанного способа, состоящий из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток и передачи полученного движения последних на ротор электрогенератора (см. Большую советскую энциклопедию, 3-е издание. М. изд. Советская энциклопедия. 1971, т. 6, с.510-512). При этом гидроэнергетическая установка состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений и оборудования, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора преобразующего энергию движущейся под напором в гидротурбине воды в механическую энергию вращения, которая в свою очередь, в электрогенераторе преобразуется в электрическую энергию. Напор ГЭС создается концентрацией падения реки на используемом участке плотиной или деривацией. При этом мощность турбины для ГЭС выражается формулой 9,81 НГ, кВт(1) где- расход воды через турбину, м 3/с Н подведенный к турбине напор, определяемый разностью уровней верхнего и нижнего бассейна, с учетом гидравлических потерь, м- к.п.д. турбины Г - к.п.д. генератора. Недостатками в указанном способе преобразования гидравлической энергии в электрическую, осуществляемой в гидроэнергетической установке,являются необходимость аккумулирования потоков воды на большой высоте над гидротурбиной путем создания капиталлоемкой плотины и затопление огромных полезных и плодородных площадей. Кроме того, в указанном способе преобразования гидравлической энергии крайне неэффективно используется потенциальная энергия. Наиболее близким прототипом, создающим противоэвтрофикационное действие,является способ преобразования гидравлической энергии в электрическую,значительно устраняющий недостатки вышеописанного способа, состоящий из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток за счет тангенциального подвода воды,создания минимального перепада уровня воды между верхним и нижним бьефом, формирования постоянного водоворота под действием гравитационных сил, а также передачи полученного движения на ротор электрогенератора (см. статью Ю. Бубнова Малые вихревые гравитационные гидроэлектростанции в журнале РФ Сантехника,2,2010,стр. 20-22.). При этом в гидроэнергетической установке, осуществляемой по приведенному способу, состоящей из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора,плотина гидротехнического сооружения выполнена в виде шахты из бетонного цилиндра с диаметром и водоворотом 6,5 м и рабочем перепаде высот воды 1,5 м. Причем по оси водоворота устанавливается ротор турбины, который передает вращательное движение последнего валу электрогенератору. При этом,малые вихревые гравитационные гидроэлектростанции при работе запускает механизмы самоочищения антропогенно загрязненной воды за счет перемешивания и аэрации воды, что в свою очередь приводит к улучшению качества воды, повышает уровень обитания живых организмов в реках и прозрачность воды. Недостатками в указанном способе преобразования гидравлической энергии в электрическую,осуществляемой в гидроэнергетической установке, является слабый напор, который создается слабым водоворотом вращения воды на используемом горизонтальном участке и при обычно малых скоростях воды создает малую мощность и соответственно громоздкость гидротурбины. Также, слабым звеном по эффективности водоворота является шахта из бетонного цилиндра и рабочий орган турбины гидроэнергетической установки, который в тому же преждевременно гасит вихревую энергию в воде и снижает процесс аэрации воды. Технической задачей предложенного изобретения является создание способа и устройства для эффективного преобразования гидравлической энергии в электрическую на переливной плотине и одновременного предотвращения антропогенной эвтрофикации равнинных рек и водоемов. Технический результат достигается тем, что в известном способе преобразования гидравлической энергии в электрическую, состоящем из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток,создания перепада уровня воды между верхним и нижним бьефом, а также передачи полученного вращательного движения на ротор электрогенератора, согласно изобретению, в качестве механизма формирования постоянного водослива под действием гравитационных сил и создания противоэвтрафикационной аэрации принят способ преобразования потенциальной энергии движения воды в кинетическое движение путем перелива через гребень плотины, при этом рабочий гребень плотины для создания тонкого перелива и аэрации воды альтернативно выполнен с широким водосливом и неглубоким поверхностным дном с распластанным поперечным сечением, с поперечной преградой и однобоким водосливом, с поперечной преградой и двухсторонним водосливом, а в качестве механизма преобразования энергии движущегося широкого потока воды во вращательное движение рабочих лопаток приняты турбины барабанного типа. При этом в гидроэнергетической установке,состоящей из комплекса гидротехнических сооружений,рабочих органов турбины и электрогенератора, гидротехническое сооружение для создания противоэвтрафикационной аэрации состоит из переливной плотины, альтернативно выполненными с широким водосливом и неглубоким поверхностным дном с распластанным поперечным сечением, с поперечнойпреградой и однобоким водосливом, с поперечной преградой и двухсторонним водосливом, при этом, в нижней донной части гидротехническая установка переходит в преграду в виде рабочей гребени плотины с установленными на дне противоэвтрацикационными лампами подводного освещения в конце которой на уровне чуть выше нижнего бьефа воды установлены турбины барабанного типа с наливными желобами и дырчатым щитом со щипами. Кроме того, за низовой гранью на уровне подошвы установлены перфорированные трубы,соединенные с воздуходувкой. На фиг.1 изображена простейшая принципиальная схема для осуществления способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройство для его осуществления(размещение установки при поперечном расположении плотины) где 1 - верхний бьеф 2 нижний бьеф 3 - напорная грань 4 - низовая грань 5 - подошва 6 - рабочая гребень (бровка) плотины 7 - барабанная турбина 8 - передаточный механизм 9 - муфта 10 - электрогенератор 11 - лампы подводного освещения 12 - перфорированная труба 13 - воздуходувка с электродвигаталем 14 полый цилиндр 15 - дырчатый щит со щипами 16 водоналивные желоба на фиг.2 изображена простейшая принципиальная схема для осуществления способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройство для его осуществления (план при продольном размещений установки вдоль направления течения реки и с распластанным поперечным сечением) где 1 - верхний бьеф 2 нижний бьеф 3 - напорная грань 4 - низовая грань 5 - подошва 6 - рабочая гребень (бровка) плотины 7 - барабанная турбина 8 - передаточный механизм 9 - муфта 10 - электрогенератор 11 - лампы подводного освещения 12 - перфорированная труба 13 - воздуходувка с электродвигаталем 14 полый цилиндр 15 - дырчатый щит со щипами 16 водоналивные желоба на фиг.3 показана схема для осуществления способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройство для его осуществления (план с поперечной преградой и однобоким водосливом)(обозначения позиции - те же) на фиг.4 однобарабанная турбина. Применение предлагаемого способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройства для его осуществления может быть реализовано следующим образом. В известном способе преобразования гидравлической энергии в электрическую,состоящем из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток, создания перепада уровня воды между верхним 1 и нижним 2 бьефом,а также передачи полученного вращательного движения через передаточный механизм 8 и муфту 9 на ротор электрогенератора 10, в качестве механизма формирования постоянного водослива под действием гравитационных сил и создания противоэвтрафикационной аэрации принят способ преобразования потенциальной энергии движения воды в кинетическое движение путем перелива через гребень 6 плотины (фиг.1), при этом рабочий гребень плотины 6 для создания тонкого перелива и аэрации воды альтернативно выполнен с широким водосливом и неглубоким поверхностным дном с распластанным поперечным сечением (фиг.2), с поперечной преградой и однобоким водосливом(фиг.3), с поперечной преградой и двухсторонним водосливом (на фигурах не показаны), а в качестве механизма преобразования энергии движущегося широкого потока воды во вращательное движение рабочих лопаток приняты турбины барабанного типа (фиг.4). При этом в гидроэнергетической установке состоящей из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины 14, 15 и электрогенератора 10,гидротехническое сооружение для создания противоэвтрафикационной аэрации состоит из переливной плотины 6,альтернативно выполненными с широким водосливом и неглубоким поверхностным дном с распластанным поперечным сечением (фиг.2), с поперечной преградой и однобоким водосливом (фиг.3), с поперечной преградой и двухсторонним водосливом(на фигурах не показаны), при этом, в нижней донной части гидротехническая установка переходит в преграду в виде рабочей гребени плотины 6 с установленными на дне противоэвтрацикационными лампами подводного освещения 11 в конце которой на уровне чуть выше нижнего бьефа воды 2 подвешены турбины барабанного типа 7 с водоналивными желобами 16 и дырчатым щитом со щипами 15 (фиг.4). Кроме того, за низовой гранью 4 на уровне подошвы 5 установлены перфорированные трубы 12,соединенные с воздуходувкой с электрогенератором 13. Пример конкретного выполнения. Предлагаемый способ преобразования гидравлической энергии в электрическую и работа устройства для его осуществления реализуется следующим образом. Предлагаемый способ и гидротехническое сооружение альтернативно устанавливается в трех вариантах Пример 1. Реализация предлагаемого способа и установки производится на реке с распластанным поперечным сечением (фиг.1, 2). Поперек реки через напорную грань 3 сооружается широкая плотина с небольшим перепадом уровня воды с верхним бьефом 1 и нижним бьефом 2. Это создает перелив воды через рабочую гребень (бровку) плотины на барабанную турбину 7, содержащую полый цилиндр 14, наливные желоба 16 и дырчатый щит 15,оснащенный перфорированными отверстиями и щипами (фиг. 4) (отверстия и щипы на фигурах не показаны). Поскольку барабанная турбина 7 подвешена и не касается нижнего бьефа,то, во-первых, не происходит погружения турбины в воду и, следовательно, торможения ее, во- вторых,падающая вода наполняет наливные желоба и за счет гравитационной силы приводит во вращательное движение ось турбины, которая соединена через передаточный механизм 8 и муфту 9 с электрогенератором 10. Таким образом, с одной стороны, вырабатывается электроэнергия, а с другой стороны перелопачивание и разбрызгивание воды на барабанной турбине вызывает аэрацию и позволяет противодействовать усиливающейся эвтрофикации равнинных рек и водоемов. Кроме того, за низовой гранью 4 на уровне подошвы 5 дополнительно установлены перфорированные трубы 12 соединенные с воздуходувкой с электрогенератором 13. Пример 2. Реализация предлагаемого способа и установки производится на реке с поперечной преградой и однобоким водосливом (фиг.3). В этом случае, в отличие от примере 1, из-за наличия поперечной преграды происходит уже боковой перелив воды через рабочую гребень (бровку) плотины на барабанную турбину 7 (фиг.4),содержащую полый цилиндр 14, наливные желоба 16 и дырчатый щит 15,оснащенный перфорированными отверстиями и щипами(отверстия и щипы на фигурах не показаны). При этом, барабанная турбина 7 устанавливается вдоль прежнего берега реки и работает за счет однобокого водослива (фиг.3), а падающая вода, также,наполняет наливные желоба и приводит во вращательное движение ось турбины, которая соединена через передаточный механизм 8 и муфту 9 с электрогенератором 10. Пример 3. Реализация предлагаемого способа и установки производится на реке с поперечной преградой и двухсторонним водосливом (на фигуре не показаны). Здесь все происходит как и в примере 4 2, только способ и установка работает симметрично с двухсторонним водосливом. Поэтому единичные мощности двух турбин здесь в 2 раза меньшие, чем в примере 2, однако, общая мощность такая же, как в примере 1. Падающая вода, также, наполняет наливные желоба 16 и приводит во вращательное движение ось турбины 7, которая соединена через передаточный механизм 8 и муфту 9 с электрогенератором 10. Все 3 варианта (фиг.1, 2, 3) позволяют выработать электроэнергию и наилучшим образом противодействовать усиливающейся эвтрофикации равнинных рек и водоемов. Они позволяют создать тонкий слой воды толщиной не более 1 м на напорной грани 3 для прогрева путем воздействия солнечных лучей в ясную погоду или искусственного освещения лампами подводного освещения 11 ночью и в ненастную погоду,искусственную десгратификацию (перемешивание) путем перекачивания холодной воды со дна на поверхность, а также естественную (через дырчатый щит со щипами 15) и дополнительную искусственную (путем подачи воздуха через перфорированную трубу 12 и воздуходувку с электродвигателем 13) аэрацию воды. В результате применения предлагаемого способа и устройства на равнинных реках и водоемах происходит естественное улучшение качества воды. Таким образом, комплексное использование предлагаемого способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройства для его осуществления усиливает эффект биологической очистки воды за счет выработки собственной зеленной электроэнергии. Это достигается тем, что для увеличения эффективности и интенсивности биологической очистки при работе ступеней ГЭС глубина слоя переливающейся воды не превышает 1 м при этом создаются благоприятные условия для прогревания,освещения, перемешивания и аэрации воды, а также заселения водными организмами - гидробионтами. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ преобразования гидравлической энергии в электрическую, состоящий из процессов преобразования энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток,создания перепада уровня воды между верхним и нижним бьефом, а также передачи полученного вращательного движения на ротор электрогенератора, отличающийся тем, что в качестве механизма формирования постоянного водослива под действием гравитационных сил и создания противоэвтрафикационной аэрации принят способ преобразования потенциальной энергии движения воды в кинетическое движение путем перелива через гребень плотины, при этом рабочий гребень плотины для создания тонкого перелива и аэрации воды альтернативно выполнен с широким водосливом и неглубоким поверхностным дном с распластанным поперечным сечением, с поперечной преградой и однобоким водосливом, с поперечной преградой и двухсторонним водосливом, а в качестве механизма преобразования энергии движущегося широкого потока воды во вращательное движение рабочих лопаток приняты турбины барабанного типа. 2. Гидроэнергетическая установка, состоящая из комплекса гидротехнических сооружений, рабочих органов турбины и электрогенератора,отличающаяся тем,что гидротехническое сооружение для создания противоэвтрафикационной аэрации состоит из переливной плотины, альтернативно выполненными с широким водосливом и неглубоким поверхностным дном с распластанным поперечным сечением, с поперечной преградой и однобоким водосливом,с поперечной преградой и двухсторонним водосливом, при этом, в нижней донной части гидротехническая установка переходит в преграду в виде рабочей гребени плотины с установленными на дне противоэвтрацикационными лампами подводного освещения в конце которой на уровне чуть выше нижнего бьефа воды установлены турбины барабанного типа с наливными желобами и дырчатым щитом со щипами. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что за низовой гранью на уровне подошвы установлены перфорированные трубы,соединенные с воздуходувкой.

МПК / Метки

МПК: H02K 21/00

Метки: устройство, осуществления, способ, энергии, гидравлической, электрическую, преобразования

Код ссылки

<a href="http://kzpatents.com/6-ip30579-sposob-preobrazovaniya-gidravlicheskojj-energii-v-elektricheskuyu-i-ustrojjstvo-dlya-ego-osushhestvleniya.html" rel="bookmark" title="База патентов Казахстана">Способ преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройство для его осуществления</a>

Похожие патенты