RO127219B1 - Turbină hidroelectrică desfăşurată liniar pe firul apelor curgătoare - Google Patents

Description

Invenția se referă la o turbină hidroelectrică desfășurată liniar pe firul apelor curgătoare pe care este dispusă să plutească, ce convertește energia cinetică de deplasare a apelor curgătoare în energie electrică, fiind ancorată de maluri.

Sunt cunoscute turbinele hidraulice concentrate structural pe dimensiuni circulare, bazate pe căderi mari de apă, și pe asigurarea unor jeturi de apă de mare viteză, utilizând ajutaje, aducându-se direct la turațiile nominale axele generatoarelor electrice, având dezavantajul de a se alimenta exclusiv din lacuri de acumulare amenajate pe suprafețe mari, și situate la diferențe mari de nivel. Sunt cunoscute roțile de apă cu ax orizontal și diametru pe verticală relativ mare, având dezavantajul de a reprezenta construcții mari pentru putere mică, și de a necesita lucrări complexe de amenajare și aducere a apei curgătoare la roata integrată în infrastructuri complexe de fixare de teren, existând puține locuri unde se pot aplica.

Cursurile de apă, pe albia lor naturală, dispun de o energie cinetică locală foarte mică pe unitatea de lungime, motiv pentru care s-a generalizat calea intermediară mare consumatoare de suprafețe geografice, a conversiei energiei cinetice a unor ape curgătoare de pe întreaga lor lungime, în energia potențială concentrată a unor lacuri de acumulare situate relativ sus, și reconversia în energie cinetică a apei care cade din lacul de acumulare în mod dirijat și concentrat, prin interiorul unor turbine hidraulice cărora le rotesc axul, producând energie mecanică ce se convertește electric.

Locurile unde se pot amenaja lacuri de acumulare sunt rare, iar lacurile de acumulare nu se pot construi oriunde, ci numai acolo unde se întrunesc simultan multe condiții: debit și/sau cădere mare de apă, relief stabil, teren disponibil spre a fi ocupat definitiv de ape. Raritatea locurilor care întrunesc simultan altfel de condiții definesc drept tehnic amenajabile numai un număr redus de cursuri de apă, cele mai multe se consideră tehnic neamenajabile, rezultând neutilizarea majorității apelor curgătoare care astfel trec nefolosite pe lângă localități și case. Astfel de amenajări de lacuri de acumulare fiind lucrări extinse geografic la scară foarte mare, modifică forțat și ireversibil mediul natural, cu urmări asupra climei, florei și faunei înconjurătoare, și necesită investiții financiare mari, inaccesibile beneficiarilor individuali, oricât de apropiați arfi ei de apa curgătoare.

Din brevetul RO 93087 se cunoaște o microhidrocentrală plutitoare, destinată transformării energiei cinetice a apelor curgătoare, prevăzută cu niște palete curbe rabatabile, montate pe niște cabluri de oțel, prin intermediul unor piese cu articulație, sertizate, care rulează fără alunecare în circuit închis, în amonte, peste niște roți montate pe un ax cuplat cu un amplificator de turație ce acționează un generator electric. Axul este prevăzut la capete cu niște lagăre deplasabile pe verticală în niște ghidaje solidare cu niște flotoare, prevăzute cu mijloace de ancorare, iar în aval, peste alte roți montate pe alt ax, prevăzut, de asemenea, la capete cu niște lagăre, și acestea deplasabile pe verticală în niște ghidaje legate de alte flotoare, prin niște articulații, și de niște panouri imerse de întindere a cablurilor, supuse presiunii dinamice a apei.

Din brevetul US 2161215 se cunoaște o turbină plutitoare, acționată de forța apei curgătoare pe care o livrează sub formă de moment mecanic, pentru diverse acționări. Turbina include două flotoare distanțate cu niște bârne din lemn, și prevăzute cu suprafețe de ghidare a firului de apă, spre niște pale curbate și rabatabile, montate pe câte un lanț Gali, ce transmite mișcarea la niște roți cu dinți, montate pe doi arbori lăgăruiți pe cele două plutitoare. Unul dintre arbori prezintă o priză de putere.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în eliminarea blocajelor din transmisia mecanică, la viteze mici de deplasare a cursului apei.

Invenția rezolvă problema tehnică prin aceea că este alcătuită dintr-o structură metalică montată pe două plutitoare ce îi asigură flotabilitatea și o scufundare optimă în apă a unor pale active, montate pe o centură flexibilă, un multiplicator de turație, compus din niște roți dințate, în angrenare cu niște curele zimțate de transmisie, și un generator care produce

RO 127219 Β1 energie electrică, unde centura flexibilă este constituită din niște zale mobile legate succesiv 1 și alternativ între ele, incluzând câte o pală activă, antrenată liniar de cursul apei, și alte zale pasive, având rol de distanțiere aflate în angrenare cu două roți stelate, peste care se întinde 3 centura flexibilă, continuă a zalelor înlănțuite, ce se rotesc sub acțiunea angrenării unor buloane care constituie atât axe de susținere și de rabatare a palelor active, cât și elemente 5 de îmbinare a zalelor.

Turbina hidroelectrică, conform invenției, prezintă avantaje prin aceea că preia în 7 mod direct, local și de oriunde, o parte din energia cinetică a unei ape curgătoare, chiar neamenajată, pe care se dispune. Neimpunând existența unui lac de acumulare, nu implică 9 nici modificarea mediului natural înconjurător. Nu obturează cursul apei, astfel că nu împarte habitatul faunistic în sectoare artificial modificate. Utilizând viteze mici de deplasare și de 11 rotație ale părților scufundate în apă, nu se afectează nici măcar fauna acvatică ajunsă în contact fizic cu părțile mobile din structura constructivă funcțională. Fiind o construcție modu- 13 Iară, se poate utiliza atât izolat, cât și în structuri medii sau mari, realizând lanțuri hidroelectrice interconectate electric și mecanic, dispusă plutind pe albii de pâraie, râuri sau fluvii; ca 15 beneficiari pot fi atât locuințele individuale, cât și comunitățile locale sau rețelele electrice publice. Realizabile și rentabile la orice scară constructivă, turbinele hidroelectrice, conform 17 invenției, permit, prin aplicarea generalizată, utilizarea energiei cvasitotalității cursurilor de apă existente, pe toată lungimea lor, inclusiv cele considerate tehnic neamenajabile pentru 19 hidrocentrale, și în mod curent neutilizate. Fiind construcții plutitoare, se adaptează automat modificărilor de debit și de nivel ale apelor pe care se dispun, și nu necesită structuri 21 complexe și investiții mari pentru implementare la locul de amplasare pe cursul apei, fiind suficientă ancorarea de maluri, făcând tehnic amenajabilă și utilizabilă energetic orice apă 23 care curge.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1 ...7, ce 25 reprezintă:

- fig. 1, o vedere laterală a interiorului turbinei hidroelectrice desfășurate liniar; 27

- fig. 2, o imagine spațială a interiorului turbinei;

- fig. 3, o vedere a unor elemente componente din compunerea lanțului de zale; 29

- fig. 4, o imagine spațială cu diferite poziții posibile ale palelor rabatabile;

- fig. 5, o vedere din aval a turbinei desfășurate liniar, instalată pe apă; 31

- fig. 6, o vedere de sus a turbinei desfășurate liniar, ancorată pe cursul apei;

- fig. 7, o vedere a unui lanț de turbine liniare identice, instalat pe un râu. 33

Turbina hidroelectrică, conform invenției, se compune dintr-o centură flexibilă 1, conform fig. 1 și 2, care unește, ca o centură flexibilă închisă, configurată ca șenilă, două feluri 35 de zale ce alternează ca așezare și îndeplinesc roluri diferite. Zalele active 2, conform fig. 3, au continuitate dintr-o parte în alta a lățimii șenilei, și sunt distanțate între ele de zalele 37 pasive 3, care nu au continuitate dintr-o parte în alta a lățimii șenilei, fiind dispuse câte două zale pasive 3 la fiecare extremitate a unei zale active 2. De fiecare parte a lățimii centurii 39 flexibile 1 se dispun, la distanță, câte două roți stelate 4, conform fig. 1 și 2, peste care este întinsă centura flexibilă 1, continuă de zale, butoanele 5 constituind axe pentru unirea între 41 ele a zalelor active 2 și pasive 3, și antrenând în rotație, cu capetele tor, cele patru roți stelate dispuse în paralel, câte două la un capăt și două la capătul celălalt, câte două pe 43 aceeași axă, completând forma de șenilă. Pe una dintre axele comune ale celor două perechi de roți stelate aflate la capetele șenilei se dispune o roată dințată ce antrenează, prin 45 curea zimțată, un ansamblu multiplicator de turație 6, care aduce turația generatorului electric 7 la valori nominale, atunci când palele 8, montate pe zalele active 2, sunt antrenate în 47 mișcare de către apa curgătoare.

RO 127219 Β1

Palele 8, ajunse în partea inferioară a șenilei, fiind scufundate în apă, sunt antrenate de cursul apei în sensul curgerii acesteia, și realizează o mișcare mecanică de deplasare liniară. Ajungând la capătul șenilei, lanțul de zale constând din zalele 2 și distanțierele 3 se înfășoară peste roata stelată din aval, și o antrenează, prin intermediul capetelor butoanelor 5, într-o mișcare de rotație. Palele 8 se rabatează în jurul axului constituit din butonul aparținător, astfel că, în momentul când zala cu butonul corespunzător începe să urce, înfășurându-se peste roata stelată 4, din aval, conform fig. 4, pala proprie se rabatează, menținându-și poziția aproape verticală, fiind târâtă peste o jumătate din circumferința roții stelate, de către axul propriu, care este chiar butonul pe care este montată. Ajungând în partea superioară, deasupra benzii șenilei, paralele cu apa și distanțate de apă cât înălțimea șenilei, butoanele trag după ele palele 8, care se deplasează spre amonte, fiind culcate în poziție orizontală peste butoanele rămase în urmă, spre aval. Această rabatare a palelor 8 și deplasarea tor în poziție culcată la orizontală, pe timpul cât se află deasupra a șenilei, sunt necesare și utile pentru a micșora înălțimea structurii de deasupra apei, ca să opună o rezistență mai mică vântului local, și pentru a coborî centrul de greutate al întregii construcții.

Revenirea fiecărei pale 8 în poziția perpendiculară pe suprafața apei se face sub acțiunea gravitației, în momentul în care pala coboară cu axul ei sub nivelul mijlocului roții stelate din amonte pe care se sprijină, centrul ei de greutate, coborând, dezechilibrează pala care se rabatează în poziția atârnată spre fundul apei. Roțile stelate 4 sunt antrenate în mișcarea tor de rotație de către butoanele 5, care, în deplasarea tor liniară, ajung cu extremitățile în crestăturile prevăzute la circumferința fiecărei roți stelate, și îi asigură forțe tangențiale. Pe una dintre axele roților stelate 4, conform fig. 2, se dispune o roată dințată 6, de diametru relativ mare, peste care este întinsă o curea zimțată ce antrenează o roată de diametru mai mic, dispusă pe un ax intermediar, realizând un multiplicator de turație. Multiplicatorul de turație cu rapoarte de peste 50:1 va avea mai multe axe intermediare, roți mari și mici calculate și realizate pentru a aduce generatorul electric 7 la o turație relativ mare, de peste 1000 ture/min, având în vedere că viteza apelor curgătoare este relativ mică, rareori depășind 1 m/s.

Multiplicatorul de turație 6 și generatorul electric 7 se dispun în spațiul disponibil dintre cele două roți stelate, și între cele două laturi liniare și paralele ale șenilei, pe niște suporturi 9, conform fig. 2, prinse la capete pe cele două plutitoare laterale. Dacă se dispune de un generator electric special, cu număr foarte mare de perechi de poli, ca, de exemplu, peste 50 de perechi de poli, multiplicatorul de turație se poate exclude în totalitate, ceea ce ridică randamentul conversiei energiei cinetice în energie electrică.

Palele 8, care ocupă poziție verticală, sub acțiunea gravitației, atunci când se află pe latura liniară cea mai de jos a șenilei, atârnând spre fundul apei, ca poziția cea mai activă a tor, sunt împinse spre aval de către masa apei care curge. Cursa de rabatare a palelor 8, în jurul axului tor, se oprește prin limitatorul constituit de zalele 2, conform fig. 3, care au o bandă liniară transversală de legătură 10, cu puțin mai scurtă decât butonul 5 și paralelă cu acesta. Atunci când talpa 11, realizată prin îndoire la unghi drept din aceeași bucată continuă de material din care face parte și pala 8, atinge latura liniară transversală de legătură 10, apropiindu-se de ea de jos în sus, pala își oprește rabatarea și rămâne rigidizată în poziția îndreptată vertical în jos, spre fundul apei.

Pentru a ocupa poziția optimă față de nivelul apei, poziție caracterizată prin nivelul de scufundare a palelor 8, astfel încât să rămână afară din apă o treime din înălțimea palei, nivel de scufundare la care energia cinetică preluată de pală de la cursul apei este maximă, s-au prevăzut plutitoarele 12, conform fig. 5, situate lateral, de o parte și de alta a șenilei.

RO 127219 Β1

Plutitoarele au o formă hidrodinamică ascuțită, pentru a opune o rezistență minimă curgerii 1 apei. Pe partea superioară a plutitoarelor se află platforme orizontale pe care se prind suporturi prevăzute cu rulmenți pentru axele roților stelate și ale multiplicatorului de turație. 3 Buloanele 5 sunt realizate ca niște tije metalice cu lungimea mai mare decât lățimea șenilei.

Conform fig. 3, pe la capetele butoanelor 5, sunt introduse zalele active 2 și zalele 5 distanțiere 3, care au prevăzute găuri cu rol de lagăre, iar pe porțiunea butoanelor dintre orificiile zalelor sunt prinse palele 8, care au prevăzute lagărele 13 pentru sprijin, și care per- 7 mit rabatarea palei utilizând butonul ca ax. Pentru stabilitatea poziției structurii fizice a turbinei pe cursul apei, s-au prevăzut urechile 14, conform fig. 5, de prindere a carabinierelor 9 cablurilor sau lanțurilor de ancorare, care se prind cu celălalt capăt de niște stâlpi fixați solidar de maluri. în scopul protejării de intemperii, și pentru ca structura rămasă deasupra 11 apei să opună o rezistență minimă la vânt, toată partea de deasupra plutitoarelor este apărată de o carcasă 15, conform fig. 5 și 6, cu forme rotunjite. Mai multe șenile hidroelec- 13 trice se pot instala pe cursul apei, una după alta, conform fig. 7, cu legături mecanice prin cordoane sau lanțuri, și electrice, prin cabluri, legături de ancorare care au unghiuri apropiate 15 de 45° sau 315° față de cursul apei.

Turbina hidroelectrică, conform invenției, se poate aplica industrial, prin fabricarea 17 în mai multe trepte de putere, de la beneficiari izolați, la colectivități umane, ca beneficiari, și adaptabile dimensiunilor și vitezei cursurilor de apă: mici, medii, sau mari, lente sau rapide. 19 în varianta realizată și livrată în structură modulară, pentru beneficiarii izolați și independenți, montarea și instalarea se pot realiza chiar și de către beneficiar, după instrucțiuni scrise și 21 desene. Pentru comunitățile locale, ca posibili beneficiari, și pentru cursurile mari de apă, turbinele liniare conform invenției se pot realiza la dimensiuni și puteri mult mărite, 23 instalându-se ca sisteme complexe, cu mai multe șenile hidroelectrice plutitoare, mari, ancorate și legate în serie, mecanic și electric, exploatate în ansamblu, ca lanțuri de centrale 25 hidroelectrice locale, fără lacuri de acumulare, chiar și în localități.

Claims (3)

1. Turbină hidroelectrică desfășurată liniar pe firul apelor curgătoare, alcătuită dintr-o structură metalică montată pe două plutitoare (12) ce îi asigură flotabilitatea și o scufundare optimă în apă a unor pale active (8), montate pe o centură flexibilă (1), un multiplicator de turație (6), compus din niște roți dințate în angrenare cu niște curele zimțate de transmisie, și un generator (7) care produce energie electrică, caracterizată prin aceea că centura flexibilă (1) este constituită din niște zale mobile (2), legate succesiv și alternativ între ele, incluzând câte o pală activă (8), antrenată liniar de cursul apei, și alte zale pasive (3), având rol de distanțiere aflate în angrenare cu două roți stelate (4), peste care se întinde centura flexibilă (1), continuă a zalelor (2 și 3) înlănțuite, care se rotesc sub acțiunea angrenării unor buloane (5) care constituie atât axe de susținere și de rabatare a palelor active (8), cât și elemente de îmbinare ale zalelor (3).

2. Turbină hidroelectrică, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că oricare pală activă (8) este montată astfel încât se poate rabata în jurul bulonului (5) în poziție perpendiculară pe firul apei, având cupa deschisă spre amonte, pentru a fi împinsă spre aval prin curgerea apei, iar după terminarea cursei utile, pala activă (8) se poate rabata culcat pe centura flexibilă (1), pe perioada cât se deplasează în mod pasiv deasupra apei.

3. Turbină hidroelectrică, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că palele active (8) sunt curbe, cu formă hidrodinamică de paraboloid cilindric.