BG113300A - Подпонтонна полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване - Google Patents

Abstract

Предвидена е за денонощна електрогенерация за сметка на хидрокинетичната енергия в естествени речни водни течения и гравитацията. Главните предимства на подпонтонната полупотопена хидрокинетична турбина с гравитационно усилване, съгласно изобретението, са че е високо ефективна и е с опростена конструкция, която я прави със сравнително ниска себестойност за генерация на електроенергия с нулеви вредни емисии. Нейно енерготехническо предимство е, че движението на лопатите, спрямо шарнирите им, става под действието на гравитацията. Затова те винаги се ориентират вертикално под водата, с което загребват в пъти повече вода от потока, в сравнение с подобни съоръжения. Подпонтонна полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване, включваща турбинен вал (1), около който е монтиран цилиндричен ротор (2), към чиято повърхност са монтирани шарнирни лопати (3), посредством шарнири (4), характеризираща се с това, че цилиндричният ротор (2) е симетрично коаксиално монтиран около турбинния вал (1), лопатите (4) са полуводопропускливи и са с монтирани утежнения (5) в периферните си краища.

Description

Подпонтонна полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Настоящото изобретение се отнася до подпонтонна полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване.

По-специално е предвидена за денонощна електрогенерация с нулеви вредни емисии за сметка на хидрокинетичната енергия в естествени речни водни течения и гравитацията.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Постигането на нулеви въглеродни емисии от енергетиката е пряко свързано с реализацията на т.н. “Зелена сделка” на Европейския съюз.

“Зелената сделка” изисква намаляване на вредните емисии до 2030 г. поне с 55 % спрямо равнището им от 1990 г. Това не е лесна задача. Особено за енергетиките, разчитащи на немалък дял на въглищните ТЕЦ в енергийния си микс. Затова се налага всички държави членки да провеждат практическа политика за подмяна на енергийни горивни инсталации, излъчващи вредни емисии, с такива с радикално намалени или нулеви въглеродни емисии.

Хидрокинетичната енергия е възобновяем източник на енергия, в който се използва водна турбина за преобразуване на движещия се воден поток в полезна електрическа енергия. Електроцентрали с такива турбини имат нулев въглероден отпечатък върху природата и най-добре се вписват в приоритетите на зелената сделка. Специално за иновации и нови технологии за различни реализации на зелената сделка в енергетиката Европейският съюз вече стартира процедури за нисковъглеродни и безвъглеродни енергийни иновации, за които още през 2020 г. са заделени милиардни иновационни фондове с улеснен пряк достъп, без ползване на национални институции и друга бюрокрация. Свободно течащата вода в открити реки и канали е със сравнително ниска скорост, съответно с малка енергийна плътност.

Затова в някои иновативни технически решения за реализация на хидрокинетични енергийни съоръжения се предлага водата да се насочва към водната турбина / водно колело през стесняващи се канали. Те ускоряват водния поток и увеличават енергийната им плътност, но оскъпяват и усложняват хидрокинетичните съоръжения. Те стават по-капиталоемки и понякога могат да бъдат вредни за околната среда или за естествените местообитания. Например, двойно по-ниска скорост води до осемкратно (2^Л3) спадане на мощността на кинетичната енергия на потока.

С всяко отклоняване на водния поток, чрез дефлектори, направляващи апарати, стесняващи се канали и др. подобни значително нараства хидравличното съпротивление на движещата се вода в тях и тя се турбулизира. Тези явления в крайна сметка неизбежно водят до значителна загуба на хидрокинетична енергия, поради увличено вътрешно триене на водата в потока, както и със стените на стесняващите се канални структури. Затова водната турбина е препоръчително да бъде потопена или полупотопена в открито естествено водно течение, за да е с минимални въздействия върху естествената среда.

От патентен документ на САЩ US2008279687(A1) е известно речно водно колело, което е направено от съвременни полимерни и композитни материали, включително и текстилни такива. То, по принципа си на работа, не се различава от древните речни водни колела на персите и египтяните, и поновите на арабите, европейските колонизатори на америките и много други. То е с ниска ефективност, защото лопатите му са фиксирани, което налага да бъде плитко потопено, за да се избегне самоспиращият ефект при движението на лопатите на водното колело нагоре във водата.

От друг патентен документ на САЩ US2014217738 (А1) е известно по-ефективно хидрокинетично решение. Предлага се плаващо водно колело /турбина с нефиксирани, а подвижно монтирани лопати към централно цилиндрично тяло. Турбината включва турбинен вал, около който е монтиран цилиндричен ротор, към чиято повърхност са монтирани шарнирни лопати. Описаната водна турбина не изисква отклоняване на потока или фунийно стесняващи ускорителни канали за увеличаване на флуидната енергия на движещия се поток, чиято кинетична енергия да се преобразува в полезна електрическа енергия.

Съгласно посоченото патентно предложение плаващата турбина няма стабилно лагеруване на турбинния вал и се върти напречно на течението, което е нестабилно състояние, особено в океанските приливи и отливи и морските течения. Това я прави трудна за поддръжка и недостатъчно ефективна при функционирането си.

Лопатите на всички напречно-поточни хидрокинетични турбини се движат по-бавно от течението, което ги върти. Затова водното налягане в лопатата от предната страна (страната на постъпване на водния поток) е високо. Но то никога не може да придвижи лопатата по-бързо от скоростта на самото течение. По - бързо движение на турбинните лопати може да се постигне, само когато водното налягане зад тях допълнително се понижи. Тогава увеличената разлика в налягането, пред и зад лопатата, ускорява движението й - съответно нарастват и обротите на турбината. Това не означава, че задължително лопатата ще се движи с по-голяма линейна скорост от тази на течението, но във всички случаи скоростта й ще се увеличи, спрямо случаите на лопата без понижение на водното налягане зад нея.

Увеличената разлика между разглежданите налягания е възможна, когато мини отвори в лопатата пропускат водата под налягане от предната към задната страна. Тя се инжектира зад лопатата с увеличена скорост, което, според принципа на Бернули, означава спадане на налягането зад лопатата. С описаното действие се увеличава и скоростта на потока, който преминава през лопатите, което увлича и самите тях. Така се ускорява движението на лопатата, респективно и оборотите на хидрокинетичната турбина.

Нито едно от разгледаните патентни публикации и в други подобни технически решения за турбинни лопати не предвижа описания начин за ускорение на оборотите им, нито друго аналогично решение. Не е предвидено и саморегулиране на лопатите по време на работата им, което също може да осигури по-добра степен на преобразуване на кинетичната енергия на потока в полезна енергия.

Разгледаните иновативни технически решения, и други подобни, не са достатъчно енергоефективни, защото не са в състояние да увеличавт разликата в налягането на водата пред и зад лопатите и защото самите те не са регулируеми.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Задача на настоящото изобретение е да се обезпечи подпонтонна полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване, която да генерирара електричество с нулеви въглеродни и други вредни емисии, да превъзхожда радикално познатите хидрокинетични турбини с допълнително гравитационно индуциране увеличение на въртящия й момент.

Задачата е решена, чрез подпонтонна полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване, включваща турбинен вал, около който е монтиран цилиндричен ротор, към чиято повърхност са монтирани шарнирни лопати, посредством шарнири, характеризираща се с това, че цилиндричният ротор е симетрично коаксиално монтиран около турбинния вал, лопатите са полуводопропускливи и са с монтирани утежненения в периферните си краища.

В едно предпочитано изпълнение на подпонтонната полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване шарнирните лопати може да са с напречен профил, наподобяващ на самолетно крило.

В друго предпочитано изпълнение на подпонтонната полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване шарнирните лопати са може да правоъгълни твърди рамки с опъната на тях полуводопропусклива тъкан.

В друго предпочитано изпълнение на подпонтонната полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване шарнирите може да са еднопосочно въртящи се.

В друго предпочитано изпълнение на подпонтонната полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване шарнирните лопати са четен брой като половината са плътни, а другата половина са полуводопропускливи.

Главните предимства на подпонтонната полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване, съгласно изобретението, са че е високо ефективна и е с опростена и олекотена конструкция, която я прави със сравнително ниска себестойност за генерация на електроенергия с нулеви вредни емисии.

Съществено енерготехническо предимство на подпонтонната полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване, съгласно изобретението, е че движението на лопатите, спрямо шарнирите им, става под действието на гравитацията. Затова те винаги се ориентират вертикално под водата, с което загребват в пъти повече вода от потока, в сравнение с подобни съоръжения.

Електроцентралите с подпонтонни хидрокинетични турбини, съгласно изобретението, работят 24/7, което може да доведе до излишъци на генерирано електричество нощем Тогава, с него е целесъобразно да се произведе “зелен“ водород, чрез водна електролиза, като чист метод на енергоакумулация.

Важно и уникално преимущство на водната турбина, съгласно изобретението, е че движението на тежестите в периферите на лопатите става с максимално дълго рамо, спрямо вала на турбината, при движението им надолу, с което увеличават въртящия им момент. А при обратното им движение нагоре тежестите преминават близо до вала, с което се намалява спирачният момент. Така нетният допълнителен въртящ момент, индуциран от гравитацията, е винаги положителен и увеличава въртящия й момент.

Ръстът на ефективността се дължи на две синергични едновременни действия:

А. Вертикално дълбоко потопените водополупропускливи лопати във водата увеличават работния дебит на турбината и скоростта на придвижване на лопатите във водата. А от това и производителността й. Това увеличение е няколоко пъти, сравнено с водно колело с фиксирани лопати.

Б. Нетният допълнителен въртящ момент увеличава мощността на турбината. Нарастването му зависи от радиуса на турбината и масата на периферните тежести. Те могат да не са отделни детайли, а да са интегрирани в самата лопата. А при бавни водни течения лопатите могат изцяло или частично да бъдат плътни.

Поради А. се увеличават оборотите, а следвайки Б. нараства въртящият момент. Резултатното увеличение на ефективността е мултипликацията на А. и Б. и може да се предстви като А. х Б.

Предимство на подпонтонните полупотопени хидрокинетични турбини е, че се въртят с много ниски обороти, поради което са с висока надеждност и дълъг експлоатационен живот, който е не по-малко от 60 години.

Индустриално предимството на полупотопените хидрокинетични турбини е, че се изработват във фабрични условия и се монтират на вода под понтони, за което не са необходими инвестиционни проекти, както изискват строителните нормативи за всеки теренен обект.

Енергосистемно предимство на мегаватовите понтонни структури по дължината на течението с подпонтонни турбини, съгласно изобретението е, че са денонощно работещи. Те са конкурентни и перспективни енергийни проекти с нулеви въглеродни емисии, което прави възможно такива електроцентрали да са базови за всяка енергийна система.

Природосъобразно предимство на полупотопените хидрокинетични турбини е, че нямат маслонапълнени части под вода. Мултипликаторите на оборотите им, трансмисията, електрогенераторите и всички останали механични, електрически и електронни компоненти са над водата.

Горното предимство има преимуществото на лесния и бърз достъп до агрегатите, което значително улеснява поддържката и ремонтите им.

Инвестиционно предимство е, че не е необходим терен за инсталирането на полупотопените хидрокинетични турбини, съгласно изобретението, защото се монтират на понтони във водата.

Конкурентно предимство на полупотопените хидрокинетични турбини, съгласно изобретението, е че са с нулеви въглеродни емисии, а сглобяването им е улеснено и е с ниска себестойност, поради структурирането им от налични на пазара компоненти на конкурентни цени.

Това преимущество прави възможно най-широкото им пазарно разпространение, което е допълнително икономическо предимство.

ПОЯСНЕНИЕ НА ПРИЛОЖЕНАТА ФИГУРА

На фигурата е представен схематичен вертикален разрез на подпонтонната полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване, съгласно изобретението.

ПРИМЕР ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Примерът ще илюстрираме с показания на схемата вертикален разрез на подпонтонната полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване, съгласно изобретението.

С представения пример на фигурата далеч не се изчерпват конфигурационните комбинации за реализация на подпонтонната полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване. Тези варианти са твърде разннообразни и е трудно (и ненужно тук) да бъдат изчерпателно описвани.

Подпонтонната полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване, включва турбинен вал 1, около който е монтиран цилиндричен ротор 2, към чиято повърхност са монтирани шарнирни лопати 3, посредством шарнири 4. Тя се характеризира с това, че цилиндричният ротор 2 е симетрично коаксиално монтиран около турбинния вал 1, лопатите 4 са полуводопропускливи и са с монтирани утежненения 5 в периферните си краища.

Шарнирните лопати 3 са с напречен профил, наподобяващ на самолетно крило.

Шарнирните лопати 3 са с правоъгълни твърди рамки с опъната на тях полуводопропусклива тъкан.

Шарнирите 4 са еднопосочно въртящи се.

Шарнирните лопати 4 са четен брой като половината са плътни, а другата половина са полуводопропускливи.

ИЗПОЛЗВАНЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Подпонтонната полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване, съгласно изобретението, функционира с по-висок коефициент на полезно действие, най-малко по две причини:

1. Увеличена скорост на лопатите 3 под вода, поради частичната им водопропускливост.

2. Гравитационно увеличения въртящ момент, поради нетната положителна разлика между въртящия и спирачния момент на турбината.

Оптималното самоуправление на лопатите 3 на хидрокинетична турбина, съгласно изобретението, постигнахме след множество компютърни симулации и водни изпитания.

Хидрокинетичната енергетика все още не е масово прилагана в практиката. Затова и няма натрупан достатъчно опит, както в проектирането, така и в конструирането на хидрокинетимчни съоръжения.

Поради това се наложи да се извърши значителна работа по пред проектните проучвания и изпитания. В зависимост от разнообразните условия при работата на хидрокинетична турбина, съгласно изобретението, разработихме различни оптимизационни алгоритми за проектирането й. На основание на тях изготвихме бази правила за автоматична работа на експертната система за проектиране на хидрокинетична турбина, съгласно изобретението. Освен това, софтуерно симулирахме и работата на множество последоватено закотвени понтони с подпонтони турбини. В резултат структурирахме отделни бази данни и отделни бази факти. Събраните бази с данни, факти и формираните правила при за оптималната работа турбината, съгласно изобретението. Те са неразделна част от работното проектиране, както на отделни хидрокинетични турбини, така и мегаватови понтонни инсталации, изградени на модулен принцип.

Експертната проектантска система е изпълнена с помощта на обектно ориентиран алгоритмичен език, съдържащ собствен механизъм на умозаключенията. Така изготвеният софтуер работи като изкуствен интелект за самостоятелно проектиране. Това прави възможно сравнително бързо да се изготви работен проект за всеки конкретен случай.

Европейската инвестиционна банка рязко ограничи финансирането електроенергийни проекти с фосилни горива. Това е важна предпоставка за широкото индустриално приложение на хидрокинетичната турбина, съгласно изобретението, и на мегаватови понтонни структури с нея. Те са денонощно работещи конкурентни и перспективни енергийни проекти с нулеви въглеродни емисии. Това е важно обстоятелство, което прави възможно такива електроцентрали да са базови за всяка енергийна система.

Сглобяването хидрокинетичната турбина, съгласно изобретението, както и формирането на мегаватови понтонни мощности на водни течения, е улеснено и е с ниска себестойност, поради структурирането им от налични на пазара компоненти на конкурентни цени. Последното е предпоставка за облекчено снабдяване с резервни части на конкурентни цени, което е предпоставка за широко използване на такива съоръжения в енергийната практика

Claims (5)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   1. Подпонтонна полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване, включваща турбинен вал (1), около който е монтиран цилиндричен ротор (2), към чиято повърхност са монтирани шарнирни лопати (3), посредством шарнири (4), характеризираща се с това, че цилиндричният ротор (2) е симетрично коаксиално монтиран около турбинния вал (1), лопатите (4) са полуводопропускливи и са с монтирани утежненения (5) в периферните си краища.
2. 2. Подпонтонна полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че шарнирните лопати (3) са с напречен профил, наподобяващ на самолетно крило.
3. 3. Подпонтонна полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване съгласно претенции 1 и 2, характеризираща се с това, че шарнирните лопати (3) са с правоъгълни твърди рамки с опъната на тях полуводопропусклива тъкан.
4. 4. Подпонтонна полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване съгласно претенции от 1 до 3, характеризираща се с това, че шарнирите (4) еднопосочно въртящи се.
5. 5. Подпонтонна полупотопена хидрокинетична турбина със саморегулируеми шарнирни полуводопропускливи лопати с гравитационно усилване съгласно претенции от 1 до 4, характеризираща се с това, че шарнирните лопати (4) са четен брой като половината са плътни, а другата половина са полуводопропускливи.