Гидроэнергетическая установка для преобразования механической энергии первичного источника в электрическую

Авторы патента:

F03B13 - Приспосабливание машин или двигателей для особых целей, агрегатирование машин или двигателей с приводимыми или приводящими устройствами (при преобладании отличительных признаков этих устройств см. классы, к которым отнесены эти устройства, например H02K 7/18); гидроэлектростанции и силовые установки или агрегаты (состоящие только из машин и двигателей объемного вытеснения F03C; гидротехнические сооружения E02B)

Полезная модель относится к средствам для экологически чистого получения электрической энергии из природных первичных источников энергии. Установка включает преобразующую систему 1, конструктивно-технологически организованную с возможностью размещения в заданном объеме динамической водной структуры, функционально являющейся первичным источником энергии. Данным первичным источником может быть, например: приливно-отливные потоки, речные потоки, потоки океанских течений. Преобразующая система 1 содержит, по меньшей мере, один дискретный модуль 2 в виде электромеханического преобразователя энергии с положительной плавучестью. Дискретный модуль 2 оснащен фиксирующей якорной системой и коммутативно связан со средством аккумулирования электроэнергии. Дискретный модуль 2 представляет собой прямоточный или капсульный гидроагрегат, включающий гидравлическую турбину 3 (по фиг.1) или турбины 3 и 4 (по фиг.3) с направляющим аппаратом 5 (по фиг.1) или 5 и 6 (по фиг.3), кинематически связанную с гидрогенератором 7, механическим движителем которых функционально является направленный водный поток (стрелки V), объем которого предназначен для их размещения в эксплуатационном режиме. Направляющие аппараты 5 и 6 гидравлических турбин 3 и 4, соответственно, выполнены в виде сопел трапецевидной формы, сопряженных своим выходом с меньшей площадью поперечного сечения со входами гидравлических турбин 3 и 4. Связь якорной системы с гидроагрегатом конструктивно организована с возможностью обеспечения минимального, преимущественно, нулевого вертикального и горизонтального перемещения гидроагрегата в объеме динамической водной структуры, предназначенной для его размещения, относительно направления движения (стрелки V) потока в этом объеме. (1 н.п. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.).

Полезная модель относится к области электроэнергетики, в частности, к экологически чистым средствам производства электроэнергии за счет преобразования природновозобновляемой механической энергии первичного источника (конкретно - направленного потока водной структуры) в электрическую на основе известных из современного уровня техники физических явлений.

Энергетика в значительной степени определяет уровень развития любого общества, состояние экономики и качество жизни. В то же время, именно энергетика, в основном, ответственна за загрязнения и негативные изменения в экосистеме планеты. В настоящее время объемы энергии, производимые человечеством, стали соизмеримыми с энерговкладом, характерным для глобальных природных явлений.

Интенсивное использование традиционных топливосжигающих технологий в экономике и жизни сопровождается загрязнениями и парниковым эффектом, ведущими к потеплению климата и необратимой деградации биосферы Земли. В условиях возрастающего дефицита производства электроэнергии, истощения запасов ископаемых энергоносителей, высоких затрат на их приобретение и транспортировку, а также постоянно ужесточающихся требований по экологической чистоте, во многих странах проявилось явно выраженное стремление к использованию безопасных для окружающей среды технологий производства энергии на базе возобновляемых энергоресурсов первичных источников энергии. В структуре возобновляемых источников энергии (ВИЭ) весьма перспективным энергоносителем является направленный поток водной структуры (в частности, океанские и морские приливы и отливы, океанские течения, речные потоки).

Из уровня техники известна волновая энергетическая установка для преобразования механической энергии первичного источника в электрическую. Энергетическая установка включает в себя преобразующую систему, конструктивно-технологически организованную с возможностью размещения в заданном объеме динамической водной структуры, функционально являющейся первичным источником энергии. При этом преобразующая система содержит, по меньшей мере, один дискретный модуль в виде электромеханического преобразователя энергии с положительной плавучестью, обеспечиваемой посредством поплавка, оснащенный фиксирующей якорной системой и коммутативно связанный со средством аккумулирования электроэнергии (RU, 2009109153, 2009 г.).

К недостаткам данного известного из уровня техники объекта можно отнести низкую надежность, относительно невысокий энергетический выход (КПД), сложность конструкции.

В основу заявленного технического решения была положена задача повышения надежности и энергоотдачи гидроэнергетической системы в целом при упрощении конструкции и монтажа с обеспечением максимально возможного использования кинетической энергии направленного потока динамической водной структуры в качестве полезной энергии конструктивно-технологическим способом.

Технический результат: повышение надежности и коэффициента полезного действия (КПД) энергосистемы при упрощении конструкции за счет ее унификации (т.е., компоновки системы из стандартных /унифицированных/ узлов и агрегатов) при сокращении количества компонентов.

Указанный технический результат достигается посредством того, что в гидроэнергетической установке для преобразования механической энергии первичного источника в электрическую, включающей преобразующую систему, конструктивно-технологически организованную с возможностью размещения в заданном объеме динамической водной структуры, функционально являющейся первичным источником энергии, при этом преобразующая система содержит, по меньшей мере, один дискретный модуль в виде электромеханического преобразователя энергии с положительной плавучестью, обеспечиваемой посредством поплавка, оснащенный фиксирующей якорной системой и коммутативно связанный со средством аккумулирования электроэнергии, согласно полезной модели, упомянутый дискретный модуль представляет собой прямоточный или капсульный гидроагрегат, включающий гидравлическую турбину с направляющим аппаратом, кинематически связанную с гидрогенератором, механическим движителем которых функционально является направленный водный поток, объем которого предназначен для их размещения в эксплуатационном режиме; направляющий аппарат гидравлической турбины выполнен в виде сопла трапецевидной формы, сопряженного своим выходом (с меньшей площадью поперечного сечения) со входом гидравлической турбины; а связь якорной системы с гидроагрегатом конструктивно организована с возможностью обеспечения минимального, преимущественно, нулевого вертикального и горизонтального перемещения гидроагрегата в объеме динамической водной структуры (предназначенной для его размещения) относительно направления движения потока в этом объеме.

Оптимально гидроэнергетическую установку выполнять в виде множества конструктивно идентичных гидроагрегатов, которые должны быть интегрированы в упомянутую преобразующую систему посредством совокупности механических связей с образованием моноблока таким образом, чтобы площадь входных отверстий направляющих аппаратов гидравлических турбин соответствовала площади водного потока, гранично перекрываемого периметром упомянутого моноблока в эксплуатационном режиме.

В определенных условиях эксплуатации каждый гидроагрегат может быть оснащен второй гидравлической турбиной, конструктивно выполненной и кинематически связанной с общим гидрогенератором идентично первой гидравлической турбине, при этом вторая гидравлическая турбина должна быть расположена зеркально симметрично первой относительно общего гидрогенератора.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками и связями между ними, идентичными всем существенным признакам заявленного технического решения, а выбранный из перечня выявленных аналогов прототип, как наиболее близкий по совокупности признаков аналог, позволил выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле полезной модели.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствуют условию патентоспособности «новизна» по действующему законодательству.

Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.

Фиг.1 - общий вид гидроэнергетической установки по п.1 формулы, преобразующая система которой выполнена в виде одного дискретного модуля (вид сбоку).

Фиг.2 - компоновка дискретных модулей преобразующей системы с образованием моноблока в гидроэнергетической установке по п.2 формулы (вид со стороны входных отверстий направляющих аппаратов 5 или 6).

Фиг.3 - общий вид гидроэнергетической установки по п.3 формулы, преобразующая система которой выполнена в виде одного дискретного модуля оснащенного дополнительной гидравлической турбиной (вид сбоку). Далее по тексту узлы и элементы модульной гидроэнергетической установки обозначены следующими позициями:

1 - система (преобразующая);

2 - модуль (дискретный преобразующей системы 1, выполненный в виде электромеханического преобразователя энергии - гидроагрегата);

3 - турбина (первая гидроагрегата);

4 - турбина (вторая гидроагрегата);

5 - аппарат (направляющий турбины 3);

6 - аппарат (направляющий турбины 4);

7 - гидрогенератор (гидроагрегата);

Стрелками V обозначены направления потока в объеме динамической водной структуры относительно гидроагрегатов.

Волновая энергетическая установка для преобразования механической энергии первичного источника в электрическую включает преобразующую систему 1, конструктивно-технологически организованную с возможностью размещения в заданном объеме динамической водной структуры, функционально являющейся первичным источником энергии.

Данным первичным источником может быть, например: приливно-отливные потоки, речные потоки, потоки океанских течений. При этом преобразующая система 1 содержит, по меньшей мере, один дискретный модуль 2 в виде электромеханического преобразователя энергии с положительной плавучестью, обеспечиваемой, например, посредством поплавка (в графических материалах условно не показан). Дискретный модуль 2 оснащен фиксирующей якорной системой (в графических материалах условно не показана) и коммутативно связан со средством аккумулирования электроэнергии (в графических материалах условно не показано). Упомянутый дискретный модуль 2 представляет собой прямоточный или капсульный гидроагрегат, включающий гидравлическую турбину 3 (по фиг.1) или турбины 3 и 4 (по фиг.3) с направляющим аппаратом 5 (по фиг.1) или 5 и 6 (по фиг.3), кинематически связанную с гидрогенератором 7, механическим движителем которых функционально является направленный водный поток (стрелки V), объем которого предназначен для их размещения в эксплуатационном режиме.

Направляющие аппараты 5 и 6 гидравлических турбин 3 и 4, соответственно, выполнены в виде сопел трапецевидной формы, сопряженных своим выходом с меньшей площадью поперечного сечения со входами гидравлических турбин 3 и 4. Такое конструктивное выполнение и пространственное расположение направляющих аппаратов 5 и 6, во-первых, увеличивает полезный объем рабочей жидкости, проходящей через гидравлические турбины 3 и 4, соответственно, в единицу времени, а, во-вторых, увеличивает скорость потока на входе в турбины 3 и 4 пропорционально соотношению площадей на входе и выходе направляющих аппаратов 5 и 6 (что в значительной степени повышает КПД рассматриваемой энергосистемы).

Связь якорной системы с гидроагрегатом конструктивно организована с возможностью обеспечения минимального, преимущественно, нулевого вертикального и горизонтального перемещения гидроагрегата в объеме динамической водной структуры, предназначенной для его размещения, относительно направления движения (стрелки V) потока в этом объеме. Это также повышает КПД рассматриваемой энергосистемы.

Гидроэнергетическая установка может быть выполнена в виде множества конструктивно идентичных гидроагрегатов, которые интегрированы в упомянутую преобразующую систему 1 посредством совокупности механических связей (в графических материалах условно не показаны) с образованием моноблока (см. фиг.2) таким образом, что площадь входных отверстий направляющих аппаратов 5 и 6 гидравлических турбин 3 и 4 соответствует площади водного потока, гранично перекрываемого периметром упомянутого моноблока в эксплуатационном режиме. Данное конструктивное выполнение гидроэнергетической установки позволяет повысить ее мощность пропорционально количеству образующих моноблок гидроагрегатов.

Для условий эксплуатации гидроэнергетической установки в приливно-отливных водных потоках каждый гидроагрегат целесообразно оснащать второй гидравлической турбиной 4, конструктивно выполненной и кинематически связанной с общим гидрогенератором 7 идентично первой гидротурбине 3, при этом вторая гидравлическая турбина 4 должна быть расположена зеркально симметрично первой относительно общего гидрогенератора 7.

Физический принцип работы рассматриваемой гидроэнергетической установки для специалиста в данной области с очевидностью вытекает из ее конструкции, кроме того, широко известен из уровня техники и дополнительных пояснений не требует, поскольку на аналогичных принципах функционируют все известные гидроагрегаты на стационарных гидроэлектростанциях.

Следует лишь сосредоточить внимание на основном преимуществе заявленной гидроэнергетической установки относительно известных из уровня техники - ее высокой надежности и мобильности, т.е., возможности размещения в заданном месте на заданный срок и последующего перемещения в иное место с более эффективными, эксплуатационными условиями.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение при его осуществлении, предназначен для использования в промышленности, а именно, в области производства электроэнергии экологически чистым способом с использованием первичных природных источников энергии.

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствуют требованию условия патентоспособности «промышленная применимость» по действующему законодательству.

1. Гидроэнергетическая установка для преобразования механической энергии первичного источника в электрическую, включающая преобразующую систему, конструктивно-технологически организованную с возможностью размещения в заданном объеме динамической водной структуры, функционально являющейся первичным источником энергии, при этом преобразующая система содержит, по меньшей мере, один дискретный модуль в виде электромеханического преобразователя энергии с положительной плавучестью, обеспечиваемой посредством поплавка, оснащенный фиксирующей якорной системой и коммутативно связанный со средством аккумулирования электроэнергии, отличающаяся тем, что упомянутый дискретный модуль представляет собой прямоточный или капсульный гидроагрегат, включающий гидравлическую турбину с направляющим аппаратом, кинематически связанную с гидрогенератором, механическим движителем которых функционально является направленный водный поток, объем которого предназначен для их размещения в эксплуатационном режиме; направляющий аппарат гидравлической турбины выполнен в виде сопла трапецевидной формы, сопряженного своим выходом с меньшей площадью поперечного сечения со входом гидравлической турбины; а связь якорной системы с гидроагрегатом конструктивно организована с возможностью обеспечения минимального, преимущественно нулевого вертикального и горизонтального перемещения гидроагрегата в объеме динамической водной структуры, предназначенной для его размещения, относительно направления движения потока в этом объеме.

2. Гидроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена в виде множества конструктивно идентичных гидроагрегатов, которые интегрированы в упомянутую преобразующую систему посредством совокупности механических связей с образованием моноблока таким образом, что площадь входных отверстий направляющих аппаратов гидравлических турбин соответствует площади водного потока, гранично перекрываемого периметром упомянутого моноблока в эксплуатационном режиме.

3. Гидроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что каждый гидроагрегат оснащен второй гидравлической турбиной, конструктивно выполненной и кинематически связанной с общим гидрогенератором идентично первой, при этом вторая гидравлическая турбина расположена зеркально симметрично первой относительно общего гидрогенератора.