Способ преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройство для его осуществления

(51) 02 21/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ движения воды в кинетическое движение путем широкого перелива через гребень плотины при минимальном, по условию размещения турбины,перепаде уровня воды между верхним и нижним бьефом, при этом рабочий поток воды для создания перелива и аэрации воды используется многократно,а в качестве преобразователей энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток приняты ступенчато установленные многорядные турбины барабанного типа. При этом, в гидроэнергетической установке включающей верхний бьеф, нижний бьеф,напорную грань, низовую грань, подошву, рабочую гребень плотины, а также, рабочие органы турбины и электрогенератор, за рабочей гребенью плотины подвешены многоуровневые турбины, причем,турбины входят в зацепление по сливающемуся рабочему потоку, выполнены попарно и зеркально симметричными и установлены в шахматном порядке, а за низовой гранью на уровне подошвы установлены перфорированные трубы, соединенные с воздуходувкой. Кроме того, в гидроэнергетической установке включающей верхний бьеф, нижний бьеф,напорную грань, низовую грань, подошву, рабочую гребень плотины, а также, рабочие органы турбины и электрогенератор, гидротехническое сооружение выполнено в виде переливной каскадной плотины,на дне рабочей гребени которой установлены противоэвтрацикационные лампы подводного освещения, а за рабочей гребенью плотины,ступенчато установлены турбины с наливными желобами и аэрационным щитом. При этом, в гидроэнергетической установке включающей верхний бьеф, нижний бьеф,напорную грань, низовую грань, подошву, рабочую гребень плотины, а также, рабочие органы турбины и электрогенератор, напорные грани плотины выполнены со светоотражающей поверхностью.(72) Баубеков Куат Талгатович Баубекова Алия Куатовна(73) Акционерное общество Казахский агротехнический университет им. Сакена Сейфуллина(56) Ю. Бубнова 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 равнинных рек и водоемов в электрическую энергию, а также, способа улучшения качества воды. Технической задачей предложенного изобретения является создание способа и устройства для эффективного преобразования гидравлической энергии в электрическую 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 турбины, 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 механизм преобразования потенциальной энергии Изобретение относится к малой гидроэнергетике и может быть использовано в качестве способа преобразования гидравлической энергии 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 Нтг, кВт(1) 3 где- расход воды через турбину, м /с Н подведенный к турбине напор, определяемый разностью уровней верхнего и нижнего бассейна, с учетом гидравлических потерь, м т - 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 капиталоемкой плотины и затопление огромных полезных и плодородных площадей. Наиболее близким прототипом, создающим противоэвтрофикационное действие,является способ преобразования гидравлической энергии в электрическую,значительно устраняющий 2 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 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 турбины, 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 механизм преобразования потенциальной энергии движения воды в кинетическое движение путем широкого перелива через гребень плотины при минимальном, по условию размещения турбины,перепаде уровня воды между верхним и нижним бьефом, при этом рабочий поток воды для создания перелива и аэрации воды используется многократно,а в качестве преобразователей энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток приняты ступенчато установленные многорядные турбины барабанного типа. При этом, в гидроэнергетической установке включающей верхний бьеф, нижний бьеф,напорную грань, низовую грань, подошву, рабочую гребень плотины, а также, рабочие органы турбины и электрогенератор, за рабочей гребенью плотины подвешены многоуровневые турбины, причем,турбины входят в зацепление по сливающемуся рабочему потоку, выполнены попарно и зеркально симметричными и установлены в шахматном порядке, а за низовой гранью на уровне подошвы установлены перфорированные трубы, соединенные с воздуходувкой. Кроме того, в гидроэнергетической установке включающей верхний бьеф, нижний бьеф,напорную грань, низовую грань, подошву, рабочую гребень плотины, а также, рабочие органы турбины и электрогенератор, гидротехническое сооружение выполнено в виде переливной каскадной плотины,на дне рабочей гребени которой установлены противоэвтрацикационные лампы подводного освещения, а за рабочей гребенью плотины,ступенчато установлены турбины с наливными желобами и аэрационным щитом. При этом, в гидроэнергетической установке включающей верхний бьеф, нижний бьеф,напорную грань, низовую грань, подошву, рабочую гребень плотины, а также, рабочие органы турбины и электрогенератор, напорные грани плотины выполнены со светоотражающей поверхностью. На фиг.1 изображена простейшая принципиальная схема для осуществления способа преобразования гидравлической энергии в электрическую на каскадной плотине и устройство для его осуществления 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 электродвигателем 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 на переливной плотине и устройство для его осуществления (сечение по А-А) 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 электродвигателем 14 - полый цилиндр 15 - дырчатый щит со щипами 16 водоналивные желоба на фиг. 3 показана схема для осуществления способа преобразования гидравлической энергии в электрическую на переливной плотине и устройство для его осуществления (обозначения позиции - те же) на фиг.4 - показаны двухрядные барабанные турбины,которые входят в зацепление по сливающемуся рабочему потоку,выполнены попарно симметричными и установлены в шахматном порядке. Применение предлагаемого способа преобразования гидравлической энергии в электрическую на переливной плотине 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 механизм преобразования потенциальной энергии движения воды в кинетическое движение путем широкого перелива через гребень плотины 6(фиг.1) при минимальном, по условию размещения турбины, перепаде уровня воды между верхним 1 и нижним 2 бьефом, при этом рабочий поток воды для создания перелива и аэрации воды используется многократно, а в качестве преобразователей энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток приняты ступенчато установленные многорядные турбины барабанного типа 7. При этом, в гидроэнергетической установке,включающей верхний бьеф 1, нижний бьеф 2,напорную грань 3, низовую грань 4, подошву 5,рабочую гребень плотины 6, а также, рабочие органы турбины 7 и электрогенератор 10, за рабочей гребенью плотины 6 подвешены многоуровневые турбины 7 (фиг.1), причем, турбины 7 входят в зацепление по сливающемуся рабочему потоку,выполнены попарно и зеркально симметричными и установлены в шахматном порядке (фиг. 4), а за низовой гранью 4 на уровне подошвы 5 установлены перфорированные трубы 11,соединенные с воздуходувкой с электрогенератором 13. Причем, в гидроэнергетической установке,включающей верхний бьеф 1, нижний бьеф 2,напорную грань 3, низовую грань 4, подошву 5,рабочую гребень плотины 6, а также, рабочие органы турбины 7 и электрогенератор 10,гидротехническое сооружение выполнено в виде переливной каскадной плотины (фиг.3), на дне рабочей гребени которой 6 установлены 3 противоэвтрацикационные лампы 11 подводного освещения, а за рабочей гребенью плотины 6,ступенчато установлены турбины 7 с наливными желобами 16 и аэрационным щитом 15. Кроме того, в гидроэнергетической установке,включающей верхний бьеф 1, нижний бьеф 2,напорную грань 3, низовую грань 4, подошву 5,рабочую гребень плотины 6, а также, рабочие органы турбины 7 и электрогенератор 10, напорные грани 3 плотины выполнены со светоотражающей поверхностью (фиг.3). Пример конкретного выполнения. Предлагаемый способ преобразования гидравлической энергии в электрическую и работа устройства для его осуществления реализуется следующим образом. Пример 1. Поперек реки через напорную грань 3 сооружается широкая плотина при минимальном, по условию размещения турбины, перепаде уровня воды между верхним 1 и нижним 2 бьефом. В данном случае за рабочей гребенью плотины 6 подвешены многоуровневые турбины 7 (фиг.1),причем, турбины 7 входят в зацепление по сливающемуся рабочему потоку, выполнены попарно и зеркально симметричными и установлены в шахматном порядке (фиг.4). Это создает перелив воды через рабочую гребень(бровку) плотины 6 на оба ряда барабанной турбины 7, содержащую полый цилиндр 14, наливные желоба 16 и дырчатый щит 15, оснащенный перфорированными отверстиями и щипами. При работе устройства сначала вода наполняет желоба верхней барабанной турбины, прокручивает его,потом сливается и наполняет желоба нижней барабанной турбины, прокручивает его, сливается. В данном случае при минимальном, по условию размещения турбины, перепаде уровня воды между верхним 1 и нижним 2 бьефом можно получить больший эффект по аэрации воды. Кроме того,поскольку нижний ряд барабанной турбины 7 подвешен и не касается нижнего бьефа, то, вопервых, не происходит погружения турбины в воду и следовательно, торможения ее, во-вторых,падающая вода лучше насыщается кислородом. 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. Пример 2. Реализация предлагаемого способа и установки производится следующим образом. Гидротехническое сооружение выполнено в виде переливной каскадной плотины (фиг.3), на дне рабочей гребени которой 6 установлены противоэвтрацикационные лампы 11 подводного освещения, а за рабочей гребенью плотины 6,ступенчато установлены турбины 7 с наливными желобами 16 и аэрационным щитом 15. Кроме того,ступенчатое расположение нескольких рядов турбин (фиг.3), образуют каскадный слив, что повышает эффективность установки как по выработке электроэнергии, так и,4 по процессу аэрации воды, а за низовой гранью на уровне подошвы дополнительно установлены перфорированные трубы соединенные с воздуходувкой. Двухрядные барабанные турбины образуют каскадный слив воды следующим образом(фиг.5) сначала вода наполняет желоба верхней барабанной турбины, прокручивает его, потом сливается и наполняет желоба нижней барабанной турбины, прокручивает его и сливается. Также,ступенчато будут работать наливные желоба 16 и дырчатый щит 15, оснащенный перфорированными отверстиями и щипами, которые содействуют разбрызгиванию воды на барабанной турбине и создают аэрацию воды. При этом, барабанная турбина 7 нижнего ряда работает за счет каскадного водослива (фиг.3), а падающая вода, также, наполняет наливные желоба и приводит во вращательное движение ось турбины,которая кинематический соединена с валом верхнего ряда и через передаточный механизм 8 и муфту 9 с электрогенератором 10. Все 2 варианта (фиг.1, 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. Выполнение напорных граней со светоотражающей поверхностью - усиливает эффект биологической очистки воды. Современные светящиеся материалы обладают способностью к послесвечению в течение нескольких часов, а светосоставы с примесями солей радия светятся беспрерывно в течение нескольких лет и не требуют для своего свечения предварительного их облучения другими источниками света. Это в целом приведет к снижению энергозатрат на облучение и очистку воды. Таким образом, комплексное использование предлагаемого способа преобразования гидравлической энергии в электрическую и устройства для его осуществления путем каскадного слива, а также, выполнения поверхности напорных граней светоотражающей - усиливает эффект биологической очистки воды, причем, 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 турбины, 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 механизм преобразования потенциальной энергии движения воды в кинетическое движение путем широкого перелива через гребень плотины при минимальном, по условию размещения турбины,перепаде уровня воды между верхним и нижним бьефом, при этом рабочий поток воды для создания перелива и аэрации воды используется многократно,а в качестве преобразователей энергии движущегося потока воды во вращательное движение рабочих лопаток приняты ступенчато установленные многорядные турбины барабанного типа. 2. Гидроэнергетическая установка, включающая верхний бьеф, нижний бьеф, напорную грань,низовую грань, подошву, рабочую гребень плотины,а также,рабочие органы турбины и электрогенератор, отличающаяся тем, что за рабочей гребенью плотины подвешены многоуровневые турбины, причем, турбины входят в зацепление по сливающемуся рабочему потоку,выполненные попарно и зеркально симметричными и установлены в шахматном порядке, а за низовой гранью на уровне подошвы установлены перфорированные трубы,соединенные с воздуходувкой. 3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что гидротехническое сооружение выполнено в виде переливной каскадной плотины, на дне рабочей гребени которой установлены противоэвтрацикационные лампы подводного освещения, а за рабочей гребенью плотины,ступенчато установлены турбины с наливными желобами и аэрационным щитом. 4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что напорные грани плотины выполнены со светоотражающей поверхностью.