PL220217B1

PL220217B1 - Pływająca siłownia wodna

Info

Publication number: PL220217B1
Application number: PL400014A
Authority: PL
Inventors: Piotr Jeuté
Original assignee: Piotr Jeuté
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2015-09-30
Also published as: PL400014A1; EP2687717A2

Description

Niniejszy wynalazek dotyczy pływającej siłowni wodnej, w szczególności siłowni przepływowej przeznaczonej do instalacji w wąskich i płytkich korytach wodnych.

Siłownia wodna służy do przetwarzania energii kinetycznej płynącej wody w energię mechaniczną. Typowe siłownie wodne wykorzystują energię potencjalną wody spiętrzonej powyżej siłowni, wymagają więc instalacji w specyficznych warunkach naturalnych lub stosowania sztucznych spiętrzeń wody. Siłownie przepływowe wykorzystują energię kinetyczną wody przepływającej, mogą więc być instalowane w biegach rzek lub prądów morskich bez konieczności ich sztucznego spiętrzania, a tym samym nie wymagają dużej ingerencji w przyrodę. Jednak znane konstrukcje siłowni przepływowych nadają się do instalacji głównie w dużych rzekach lub na morzu.

Znane są siłownie wodne przepływowe zawierające dwa walce napędowe, pomiędzy którymi rozciąga się pas napędowy z łopatkami napędzanymi przepływem wody. Tego typu siłownie znane są przykładowo z patentów amerykańskich US 825,841 czy US 787,562. Siłownie takie mają dość duże rozmiary i są przeznaczone do instalacji w długich, szerokich i głębokich kanałach wodnych.

Znane są również siłownie wodne przepływowe zawierające same walce z łopatkami, które obracają się pod naporem wody. Przykładowo, z patentu amerykańskiego US 3973864 znana jest siłownia wodna zawierająca parę współosiowych walców z łopatkami napędzanymi pod naporem wody, do których osi przyłączony jest generator prądowy. Siłownia ta ma dość duże rozmiary i jest przystosowana do montażu na palach wbitych w dno koryta wodnego.

Celowym byłoby opracowanie pływającej siłowni wodnej o niewielkich rozmiarach i konstrukcji zapewniającej wysoką wydajność i bezawaryjność pracy, która to siłownia mogłaby być w prosty sposób montowana i demontowana nawet w wąskich, płytkich i krętych korytach wodnych, przykładowo w strumieniach, przy minimalnym poziomie ingerencji w przyrodę i minimalnych zagrożeniach dla fauny wodnej.

Przedmiotem wynalazku jest pływająca siłownia wodna, zawierająca współosiowe walce z rozmieszczonymi obwodowo łopatkami przystosowane do częściowego zanurzenia w wodzie tak aby nurt wody napierającej na zanurzoną część walców powodował obrót walców wokół wspólnej poziomej osi obrotu, do której przyłączony jest generator prądowy, charakteryzująca się tym, że walce mają sumaryczną wyporność konstrukcyjną, dla zanurzenia od 10% do 40% objętości walców, równą całkowitej masie siłowni, przy czym generator prądowy jest połączony z osią obrotu poprzez przekładnię multiplikującą, a środek ciężkości generatora prądowego znajduje się poniżej osi obrotu, do której przymocowany jest dyszel kotwiczący zakończony uchwytem do mocowania lin lub łańcuchów kotwiczących, natomiast walce składają się z części lewej i prawej, przy czym rozmieszczenie łopatek jednej z części jest przesunięte kątowo względem rozmieszczenia łopatek drugiej z części o kąt równy połowie odległości kątowej pomiędzy łopatkami drugiej z części, a łopatki jednej z części mają kształt kierujący napierającą na nie wodę w kierunku drugiej z części.

Korzystnie, walce są złożone z segmentów o kształcie wycinka walca, zawierających ramę nośną przystosowaną do montażu na osi obrotu i zamocowany na niej ponton w kształcie wycinka toroidu z zamontowaną na jego zewnętrznej powierzchni co najmniej jedną łopatką.

Korzystnie, ponton wykonany jest z polietylenu.

Korzystnie, łopatki mają kształt asymetrycznej łukowatej płetwy, której wierzchołek jest odsunięty od środka obwodu walca.

Korzystnie, kąt natarcia łopatki wobec przepływającej wody zmienia się wraz z szerokością łopatki od kąta 20 stopni do kąta 75 stopni.

Korzystnie, część lewa jest przesuwna wzdłuż osi obrotu względem części prawej danego walca.

Korzystnie, siłownia zawiera tylny dyszel kotwiczny skierowany przeciwnie do przedniego dyszla.

Przedmiotem wynalazku jest ponadto zestaw pływających siłowni wodnych według wynalazku, charakteryzujący się tym, że przednie dyszle kolejnych siłowni są przyłączone do tylnych dyszlów poprzedzających ich siłowni.

Przedmiot rozwiązania został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia schematycznie rozwiązanie według wynalazku w widoku z góry,

Fig. 2 przedstawia rozwiązanie według wynalazku w widoku z ukosa,

Fig. 3 przedstawia rozwiązanie według wynalazku w widoku z góry,

Fig. 4 przedstawia rozwiązanie według wynalazku w widoku z przodu,

Fig. 5 przedstawia rozwiązanie według wynalazku w widoku z boku,

PL 220 217 B1

Fig. 6 przedstawia segment walca w widoku z przodu,

Fig. 7 przedstawia segment walca w widoku z boku,

Fig. 8 przedstawia segment walca w widoku z góry,

Fig. 9 przedstawia segment walca w widoku z ukosa.

Rozwiązanie według wynalazku, przedstawione na Fig. 1-5, jest pływającą siłownią wodną która może być zainstalowana w biegu nawet niewielkich, wąskich i krętych ciągów wodnych 100, takich jak wąskie rzeki lub strumienie, i kotwiczona do dna lub brzegu za pomocą lin lub łańcuchów 102. Siłownia zawiera współosiowe walce 110, 120 z łopatkami 140 o poziomej osi obrotu 130. Walce 110, 120 są przystosowane do częściowego zanurzenia w wodzie, tak aby nurt wody napierającej na łopatki zanurzonej części walców 110, 120 powodował obrót walców wokół ich osi obrotu 140. Walce 110,

120 mają sumaryczną wyporność konstrukcyjną, dla zanurzenia równego od 10% do 40% objętości walców, korzystnie 25%, równą całkowitej masie siłowni. Wyporność konstrukcyjna rozumiana jest jako masa własna walców oraz ich nośność odpowiadająca maksymalnemu dopuszczalnemu zanurzeniu siłowni. Dzięki temu, jedynie 10% do 40% objętości walców napędowych 110, 120 znajduje się poniżej lustra wody 101, a ich oś obrotu 130 znajduje się nad wodą.

Oś obrotu 130 walców roboczych 111, 112 połączona jest z generatorem prądowym 150, który zamienia energię mechaniczną obracających się walców 111, 112 na energię elektryczną, która może być magazynowana w akumulatorze na siłowni lub przesyłana na brzeg, przykładowo za pomocą odrębnego kabla lub poprzez jedną z lin lub łańcuchów mocujących 102.

Aby siłownia swobodnie unosiła się na powierzchni wody, walce robocze powinny mieć dodatnią wyporność, tj. być wykonane z materiału lżejszego od wody lub zawierać komory powietrzne zwiększające wyporność siłowni.

W przedstawionym przykładzie wykonania każdy z walców 110, 120 ma dwie części: lewą 111,

121 i prawą 112, 122. Każda z części składa się z segmentów 160, przedstawionych szczegółowo na

Fig. 6-9.

Pojedynczy segment 160 walca ma ramę nośną 161 przystosowaną do montażu na osi obrotu 130 walców oraz zamontowany na niej ponton 162 z co najmniej jedną łopatką 140. Ponton 162 może być wykonany z polietylenu, częściowo spienionego lub pustego w środku. Przedstawiony na Fig. 6-9 przykład wykonania przedstawia segment prawej części 111, 121 walca z łopatką prawostronną 142, przy czym określenia „lewa”, „prawa”, „lewostronna”, „prawostronna” dotyczą strony montażu jednej części walca względem drugiej części patrząc od strony dyszla 115. Pojedynczy segment 160 ma kształt wycinka walca, a pontony 162 mają kształt wycinka toroidu i wspólnie tworzą toroidalny ponton. Łopatki 141, 142 są ukształtowane i rozmieszczone tak, że łopatki 141 lewej części 111, 121 walca kierują napierającą na nie wodę w kierunku prawej części 112, 122 walca a łopatki 142 prawej części 112, 122 walca kierują napierającą na nie wodę w kierunku lewej części 111, 121 walca. Łopatki jednej z części są rozmieszczone obwodowo w połowie odległości pomiędzy łopatkami drugiej z części, to znaczy obwodowe położenie łopatek jednej z części walca jest przesunięte o kąt równy połowie odległości kątowej pomiędzy łopatkami drugiej z części walca. Kształt łopatek powinien minimalizować opór hydrodynamiczny przy wyjściu z wody. Woda spływająca z jednej łopatki trafia na drugą, gdzie znów oddaje część energii, po czym płynie dalej, nie powodując spiętrzenia. Przyjęte rozwiązanie dzięki kształtowi łopatek powodującemu przyśpieszenie strumienia wody na każdej z nich, pozwala efektywniej niż w wypadku łopatek prostych wykorzystać energię swobodnie i szeroko płynącej wody, nieograniczonej jazem i niekierowanej na koła robocze.

Łopatki 141, 142 mają korzystnie kształt asymetrycznej łukowatej płetwy, której wierzchołek jest odsunięty od środka obwodu walca. Kąt natarcia łopatki wobec przepływającej wody zmienia się wraz z szerokością łopatki z ostrego na zbliżony do prostego, np. od 20 do 75 stopni, przy czym największe ugięcie występuje w pierwszej połowie szerokości łopatki, korzystnie 25-35% od krawędzi natarcia.

Korzystnie jest, gdy łopatki mają kształt wklęsły, to znaczy ich krawędź najbardziej oddalona od powierzchni walca i stanowiąca wycinek powierzchni walca opasującego całą konstrukcję w miejscu największej średnicy, jest zagięta w kierunku napływającej wody utrudniając jej przepływanie pod łopatką i ułatwiając pożądany spływ z jednej łopatki na drugą łopatkę. Ponadto, dzięki zagięciu krawędzi uzyskuje się wzmocnienie i poszerzenie łopatek, tak aby cały podwójny walec podczas wodowania lub wyciągania z wody mógł być ciągnięty za dyszel i jechać po podłożu.

Na osi obrotu 130 walców 110, 120 zamontowana jest, za pomocą łożysk, obudowa 151 generatora 150 z przekładnią multiplikującą oraz mocowanie pierwszego dyszla kotwicznego 115. Sam generator 151 znajduje się poniżej osi obrotu 130. Dzięki umieszczeniu stosunkowo ciężkiego generatora 151

PL 220 217 B1 odpowiednio nisko pod wałem 130 jako skierowanego w dół balastu znajdującego się w całości poniżej osi obrotu 130, możliwe jest mocowanie liny kotwicznej 102 do obudowy przekładni poprzez dyszel 115 na wysokości łożysk, w osi wału 130, czyli dokładnie w środku oporu całej konstrukcji, ale znacznie powyżej jej środka ciężkości. Dzięki takiemu rozwiązaniu ciężar generatora 151 wraz z przekładnią i obudową przeciwstawia się momentowi na przekładni stanowiąc równoważące ramię reakcyjne. Dyszel 115 zamontowany jest więc pod kątem prostym do ramienia reakcyjnego tworzonego przez zawieszony pod osią 130 generator 150. Pozwala to na uproszczenie i obniżenie kosztów wykonania konstrukcji przy jednoczesnym zwiększeniu jej sprawności. Ramię dyszla kotwicznego 115 ma długość, mierzoną od osi obrotu 130 do uchwytu 116, większą od promienia R walców roboczych 110, 120 i zakończone jest uchwytem 116 do mocowania lin lub łańcuchów 112 kotwiczących siłownię do brzegów kanału wodnego.

Zamocowanie generatora 150 wraz z przekładnią poniżej osi 113 i pod kątem prostym do ramienia kotwiczącego 115 powoduje, że jego ciężar pełni rolę ramienia reakcyjnego skutecznie kompensując siłę oporu wynikającą z przenoszenia momentu obrotowego osi 113 na generator 150 bez dodatkowych konstrukcji mocujących. Całość może dość swobodnie poddawać się ewentualnym ruchom lub zmianom na powierzchni wody, co jest szczególnie istotne na burzliwych rzekach górskich. Konstrukcja taka umożliwia także dopasowanie się do aktualnego poziomu wody. Dodatkową zaletą umieszczenia generatora jako ramienia reakcyjnego pośrodku pomiędzy dwoma walcami roboczymi jest stosunkowo łatwy montaż i dostęp serwisowy do generatora i przekładni w porównaniu do walca pływającego wraz z generatorem.

Ponadto, siłownia może zawierać tylny dyszel kotwiczny 125, skierowany przeciwnie do przedniego dyszla 115, przystosowany do przyłączenia do niego, bezpośrednio lub za pomocą liny lub łańcucha, przedniego dyszla 115 kolejnej siłowni tego samego typu, jak przedstawiono na Fig. 10. Siłownie mogą być więc połączone w szereg i stanowić swobodnie unoszącą się na wodzie konstrukcję, której kształt dostosowuje się optymalnie do nurtu wody.

Claims

1. Pływająca siłownia wodna, zawierająca:

- współosiowe walce (110, 120) z rozmieszczonymi obwodowo łopatkami (140) przystosowane do częściowego zanurzenia w wodzie tak aby nurt wody napierającej na zanurzoną część walców (110, 120) powodował obrót walców wokół wspólnej poziomej osi obrotu (130), do której przyłączony jest generator prądowy (150), znamienna tym, że

- walce (110, 120) mają sumaryczną wyporność konstrukcyjną, dla zanurzenia od 10% do 40% objętości walców (110, 120), równą całkowitej masie siłowni,

- przy czym generator prądowy (150) jest połączony z osią obrotu (130) poprzez przekładnię multiplikującą, a środek ciężkości generatora prądowego (150) znajduje się poniżej osi obrotu (130), do której przymocowany jest dyszel kotwiczący (115) zakończony uchwytem (116) do mocowania lin lub łańcuchów kotwiczących (102),

- natomiast walce (110, 120) składają się z części lewej (111, 121) i prawej (121, 122), przy czym rozmieszczenie łopatek (141) jednej (111, 112) z części jest przesunięte kątowo względem rozmieszczenia łopatek (142) drugiej (121, 122) z części o kąt równy połowie odległości kątowej pomiędzy łopatkami (142) drugiej (121, 122) z części, a łopatki (141) jednej (111, 112) z części mają kształt kierujący napierającą na nie wodę w kierunku drugiej (121, 122) z części.

2. Pływająca siłownia wodna według zastrz. 1, znamienna tym, że walce (110, 120) są złożone z segmentów (160) o kształcie wycinka walca, zawierających ramę nośną (161) przystosowaną do montażu na osi obrotu (130) i zamocowany na niej ponton (162) w kształcie wycinka toroidu z zamontowaną na jego zewnętrznej powierzchni co najmniej jedną łopatką (140).

3. Pływająca siłownia wodna według zastrz. 2, znamienna tym, że ponton (162) wykonany jest z polietylenu.

4. Pływająca siłownia wodna według zastrz. 1, znamienna tym, że łopatki (140) mają kształt asymetrycznej łukowatej płetwy, której wierzchołek jest odsunięty od środka obwodu walca (110, 120).

PL 220 217 B1

5. Pływająca siłownia wodna według zastrz. 4, znamienna tym, że kąt natarcia łopatki wobec przepływającej wody zmienia się wraz z szerokością łopatki od kąta 20 stopni do kąta 75 stopni.

6. Pływająca siłownia wodna według zastrz. 1, znamienna tym, że część lewa (111, 121) jest przesuwna wzdłuż osi obrotu (130) względem części prawej (112, 122) danego walca (110, 120).

7. Pływająca siłownia wodna według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera tylny dyszel kotwiczny (125) skierowany przeciwnie do przedniego dyszla (115).

8. Zestaw pływających siłowni wodnych według zastrz. 7, znamienny tym, że przednie dyszle (115) kolejnych siłowni są przyłączone do tylnich dyszlów (125) poprzedzających ich siłowni.