SI24179A

SI24179A - Premična modularna hidroelektrarna

Info

Publication number: SI24179A
Application number: SI201200291A
Authority: SI
Inventors: Andrej Toš
Original assignee: Artos Energija, Družba Za Energetiko D.O.O.
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-03-31
Also published as: EP2917416A1; SI2917416T1; RS56158B1; HRP20170766T1; WO2014051526A1; EP2917416B1

Abstract

Predmet izuma je premična modularna hidroelektrarna, ki omogoča direktno izkoriščanje naravnega vodnega toka, zato je za njeno vgradnjo v okolje potreben le minimalen poseg v okolje. Sestavljena je iz vsaj enega strojnega modularnega dela, ki je modularno sestavljiv in vključuje vsaj en modul strojnice, vsaj en turbinski modul, rešetke in grablje z vodili. Opcijsko lahko vključuje premična modularna hidroelektrarna vsaj en betonski modularni del, v katerega se vstavi strojni modularni del PMHE. Kadar vsebuje PMHE betonski modularni del, lahko PMHE opcijsko vključuje tudi dvižna modula na vsaki strani (na strani turbinskega modula in na strani modula strojnice), s pomočjo katerih se lahko strojni modularni del PMHE dvigne iz vodnega toka. Uporablja se za izkoriščanje nizkih padcev vode 10-1 m.

Description

Premična modularna hidroelektrarna

Predmet izuma

Predmet izuma je premična modularna hidroelektrarna v nadaljevanju PMHE, ki sodi v področje energetike in se uporablja za proizvodnjo električne energije.

Znano stanje

Vse male hidroelektrarne so zgrajene na nedirektni način, kar pomeni, da se spremeni vodni tok potoka oz. reke ter se del vode spelje na turbino bodisi po kanalu ali po cevi. Turbina z ohišjem je postavljena v strojnici, ta pa je ponavadi zidana, le v redkih primerih je to montažni kontejner postavljen na betonsko ploščo. Od tu je voda speljana preko sesalne cevi v odvodni kanal nazaj v potok oz. reko.

Vsaka mala hidroelektrarna ima pred vstopom vode v kanal ali cev rešetko, ki zadrži plavajoča telesa. Za rešetko pa sledi peskolov, ki izloči pesek, da le ta ne bi obrusil turbine.

Male hidroelektrarne so grajene z različnimi vodnimi turbinami. Izbira vodne turbine je odvisna od padcev in pretokov.

Za velike padce 1500-100m in male pretoke 0,05-lm³/s se uporablja Peltonove turbine.

Za srednje padce 200-10m in srednje pretoke 0,5-5m³ se uporablja Francisove turbine.

Za nizke padce 15-1,5m in velike pretoke l-40m³/s se uporablja Kaplanove turbine.

V malih hidroelektrarnah se vgrajuje tudi Bankijeve turbine, na kateri je zasnovan naš izum. Za te turbine je značilno zelo široko območje uporabe in sicer za padce 200-l,5m in pretoke 0,05-15m³/s.

Pri dosedanjih izvedbah se pri Bankijevih turbinah dotok vode regulira z nožastim ali jezičnim zasunom.

V zadnjem času so se začele vgrajevati lamelne turbine, ki se uporabljajo za nizke padce 10-lm in pretoke 0,5-20m³/s. Pri slednjih se uporablja sistem dviga lamelne turbine iz vode.

Vsem malim hidro elektrarnam je skupno, da so zgrajene na način, ki zahteva večje posege v okolje, zaradi nedirektne uporabe naravnega vodnega toka.

• ·

Hidroelektrarne se dimenzionira glede na pretok in padec vode, kar pomeni, da je vsaka hidroelektrarna unikat, kar narekuje visoke investicijske stroške in posledično višjo ceno električne energije.

Tehnični problem, ki ni zadovoljivo rešen, je torej neekonomično izkoriščanje energije pri zelo nizkih padcih, nekje pod 3m ter velik poseg v okolje.

Tehnični problem, ki ga rešuje izum, je drugačen pristop k zasnovi male hidroelektrarne, in sicer se pri zasnovi premične modularne hidroelektrarne po izumu direktno izkorišča naravni vodni tok. To je možno zato, ker je mala hidroelektrarna postavljena direktno v vodni tok (potok oz. reko) in zato ni potrebno spreminjati vodnega toka.

Drugačna je tudi konstrukcijska zasnova male hidroelektrarne po izumu, in to je modurarni način sestavljanja, kar pomeni, da glede na širino vodnega toka, v katerega postavimo premično modularno hidroelektrarno po izumu, samo dodajamo posamezne module betonskega modularnega dela in module strojnega modularnega dela. Moduli strojnega dela hkrati že predstavljajo jez, ki ga lahko dvignemo kot zapornico. Zaradi navedenega zahteva gradnja premične modularne hidroelektrarne po izumu bistveno manjši poseg v okolje kot pri dosedaj znanih malih hidroelektrarnah.

Po dokumentu US 4053787 se hidroelektrarna sestavlja tako, da se posamezne module, vstavlja zaporedno v betonski blok enega za drugim. Tako dobimo ločeno verigo posameznih modulov.

Vsak modul predstavlja posamezno hidroelektrarno, ker ima vgrajeno turbino in generator. Generatorje vgrajen v višini nad gladino vode.

Glavna razlika med našim in prej omenjenim izumom je, da v našem primeru modularno sestavljamo turbinske module, kar pomeni, da ne rabimo za vsak turbinski modul svoj generator ampak samo enega. Generator se nahaja v modulu strojnice in je pod gladino vode.

Razlika je tudi ta, da se v našem primeru uporablja betonski modularni del in ne fiksen betonski blok.

Po dokumentu RU 2148184 Cl je hidroelektrarna zgrajena tako, da je med steni v kanjonu vpeta nosilna konstrikcija z okvirji v kateri so vodna kolesa. Ta konstrukcija z vodnimi kolesi predstavlja en modul. Te lahko postavljamo enega za drugim v smeri vodnega toka.

Tu se izkorišča kinetična energija vode se pravi hitrost vode, zato je primerna na mestih, kjer se vodni tok zoža in zato hitrost poveča.

• ·

Glavna razlika med našim izumom in prej omenjenim izumom je, da se v našem primeru modularno sestavi strojni modularni del, medtem ko le-ta v navedenem dokumentu predstavlja en modul. V našem primeru se izkorišča potencialna energija vode, to je višinska razlika med spodnjo in zgornjo gladino vode.

Po izumu je predstavljen tehnični problem rešen s premično modularno hidroelektarno po neodvisnih patentnih zahtevkih.

Opis izuma

Strojni modularni del, ki je modularno sestavljiv, vključuje vsaj en modul strojnice, vsaj en turbinski modul, rešetke in grablje z vodili. Opcijsko lahko vključuje premična modularna hidroelektrarna vsaj en betonski modularni del, v katerega se vstavi strojni modularni del PMHE. Kadar vsebuje PMHE betonski modularni del, lahko PMHE opcijsko vključuje na vsaki strani (na strani turbinskega modula in na strani modula strojnice) tudi dvižna modula, ki sta z razstavljivo zvezo povezana na eni strani s turbinskim modulom na drugi pa z modulom strojnice. Posamezni turbinski moduli strojnega modularnega dela se med seboj sestavijo z razstavljivo zvezo (vijaki, hitre spojke...) preko povezovalnega modula.

Lahko pa struga vodnega toka dopušča postavitev PMHE brez betonskega modularnega dela.

Betonski modularni del je najbolj smotrno (ekonomično) narediti iz armiranega betona, lahko pa tudi iz kakšnega drugega materiala. Seveda pri pogoju, da material prenese vse obremenitve, ki nastopijo pri obratovanju.

Število in način kombiniranja posameznih modulov je odvisno od širine vodnega toka, njegovega pretoka in od nosilnosti sestavljenih modulov na katere pritiska voda. Kadar gre za manjše širine vodnega toka, PMHE obsega betonski modularni del v katerega se vstavi več modulov strojnega modularnega dela, ki so med seboj kombinirani na poljubne načine, pri čemer je najprimernejša oz. najbolj ekonomična kombinacija večih turbinskih modulov.

Pri kombinaciji večih turbinskih modulov je v modulu strojnice opcijsko lahko zaporedno vgrajenih več modularno povezanih generatorjev ali pa samo eden večji.

Kadar gre za večje širine vodnega toka, in s tem za večje pretoke vode in posledično večjih pritiskov, je priporočljiva vgradnja večih sestavov betonskih modularnih delov in strojnih modularnih delov v

vodni tok, pri čemer posamezni sestav vključuje vsaj en betonski modularni del z vsaj enim strojnim modularnim delom.

Opcijsko se lahko k betonskemu modularnemu delu prigradi še ribjo stezo.

Vgradnja PMHE po izumu zahteva bistveno manjše posege v okolje. Dno struge vodotoka (reke oz. potoka), v katerega se vgradi PMHE po izumu se izravna in izkoplje kanala v katera se vsede sestavljen betonski modularni del. Nato se utrdi vsedena mesta z izkopanim materialom. Še manjši poseg v okolje predstavlja postavitev PMHE pod mostovi, kjer steber mostu predstavlja stranico betonskega modularnega dela.

Vsak modul strojnega modularnega dela zase je zvarjenec, ki je zvarjen iz več pozicij. Moduli so zasnovani z ojačitvenimi rebri, ki povečujejo nosilnost modula.

Opcijsko se lahko strojni modularni del nadviša z višinskim modulom, če to dopušča oblika struge. Z višinskim modulom se zviša gladina vode na vstopni strani PMHE ter s tem pridobi večjo moč na turbini hkrati pa večjo proizvodnjo električne energije.

Izum bo opisan s pomočjo izvedbenih primerov in slik, ki prikazujejo:

Slika 1: shematično ponazorjen betonski modularni del

Slika 2: shematično ponazorjen prvi primer izvedbe PMHE z enim turbinskim modulom v spuščenem položaju

Slika 3: shematično ponazorjen prvi primer izvedbe PMHE z enim turbinskim modulom v dvignjenem položaju

Slika 4: shematično ponazorjen drugi primer izvedbe PMHE z dvema turbinskima moduloma v spuščenem položaju

Slika 5: shematično ponazorjen tretji primer izvedbe PMHE s štirimi turbinskimi moduli in dvema moduloma strojnice

Slika 6: shematično ponazorjen četrti primer izvedbe PMHE z dvema sestavoma betonskega modularnega dela in strojnega modularnega dela v kombiniranem položaju (en sestav v spuščenem položaju in drug sestav v dvignjenem položaju)

Slika 7: shematično ponazorjen dvižni modul

Slika 8: prikaz regulacijske lopute v prečnem prerezu

Slika 9: prikaz regulacijske lopute v vzdolžnem prerezu

V prvem izvedbenem primeru, ki je prikazan na sliki 2 in 3, je PMHE sestavljena iz enega betonskega modularnega dela (1) in enega strojnega modularnega dela (2). Na sliki 2 je PMHE v spuščenem položaju, kar pomeni, da je strojni modularni del v vodnem toku, na sliki 3 pa je v dvignjenem položaju, kar pomeni, da je strojni modularni del dvignjen iz vodnega toka.

Strojni modularni del (2) sestavlja modul strojnice (2.1), turbinski modul(2.2), na vsaki strani dvižni modul(2.3), rešetka (2.4) in grablje z vodili (2.5).

Betonski modularni del (1), v katerega se vstavijo posamezni moduli strojnega modularnega dela (2), je sestavljen iz modularnega podna (1.1), ta je iz dveh delov (1.1.1 in 1.1.2) zaradi lažjega transporta in enostavnejše umestitve v vodotok. Na modularni poden (1.1) se pritrdi na vsako stran modularni stranici (1.2), ki sta sestavljeni iz uvodne stranice (1.2.2), glavne stranice (1.2.1) z zobom in prečne stranice (1.2.3), kot je prikazano na sliki 1. Stranice so na poden in med seboj povezane z razstavljivo zvezo.

Dno struge vodotoka (reke oz. potoka), v katerega se vgradi mala hidroelektrarna po izumu se izravna in izkoplje kanala, v katera se vsede sestavljen betonski modularni del (1). Nato se utrdi vsedena mesta z izkopanim materialom. Prostor med eno in drugo uvodno stranico (1.2.2) in prečno stranico (1.2.3) se ravno tako zasuje z izkopanim materialom in poravna do vrha modularne stranice (1.2). To dodatno stabilizara betonski modularni del (1) ter se tem prepreči kakršne koli zdrse PMHE po strugi navzdol.

V tako pripravljen betonski modularni del (1) se vstavi strojni modularni del (2). Ta zaradi pritiska vode pritiska na zob glavne stranice (1.2.1), ki zadržuje strojni modularni del (2) na svojem mestu.

• · · ·

Zob v tem primeru služi kot opora (preprečuje, da bi se strojni modularni del (2) zaradi pritiska vode premaknil), v primeru dviga strojnega modularnega dela (2) pa služi zob tudi kot vodilo.

Dvižni modul (2.3), ki je predstavljen na sliki 7, je sestavljen iz pogona (2.3.1), trapeznega vretena (2.3.2) , matice (2.3.3) in stebra (2.3.4). Steber je pritrjen z razstavljivo zvezo na glavno stranico (1.2.1) . Na vrhu stebra (2.3.4) je pritrjen pogon (2.3.1) z ustreznim prestavnim razmerjem in je na primer elektromotor z reduktorjem, elektromotor z jermenskim pogonom, z verižnim pogonom,.... Pomembno je, da je položaj trapeznega vretena (2.3.2) in matice (2.3.3) zamaknjen v smeri vodnega toka iz težišča strojnega modularnega dela (2). Na ta način ne pride do nezaželenih nihanj pri dvigovanju ali spuščanju strojnega modularnega dela (2) iz oziroma v vodo.

Voda vstopa v turbinski modul (2.2), v vstopni del turbinskega ohišja (2.2.1) in nato skozi šobo pada na lopatice Bankijeve turbine (2.2.2), kar povzroča njeno vrtenje. Na gred turbine je pritrjen nasadni multiplikator z generatorjem (2.2.8). Multiplikator mora imeti ustrezno prestavno razmerje, zato da se generator vrti s pravilno vrtilno hitrostjo. Namesto multiplikatorja se lahko izvede prestavno razmerje tudi z jermenskim pogonom, verižnim pogonom,....

Dotok vode na turbino se regulira z regulacijsko loputo (2.2.3) polkrožne oblike, ki drsi po polkrožnih vodilih (2.2.5). Za premikanje regulacijske lopute skrbi pogon (2.2.6), ki je elektromotor z reduktorjem, ta pa poganja gred z zobnikom (2.2.4), ki ubira z galovo verigo (2.2.7), katera je vgrajena v regulacijsko loputo (2.2.3) (Sliki 8 in 9).

V modulu strojnice (2.1) je vgrajen pomožni vir električne energije, ki je potreben za zagon in ustavitev PMHE. Z njegovo pomočjo se pri zagonu odpre regulacijska loputa (2.2.3). Ko Bankijeva turbina (2.2.2) doseže nazivne vrtljaje, se pomožni vir električne energije avtomatsko izključi. Ravno tako se pri ustavitvi PMHE s pomočjo pomožnega vira električne energije zapre regulacijska loputa (2.2.3) . Ko se Bankijeva turbina (2.2.2) povsem ustavi, se vključita elektromotorja z reduktorjem (2.3.1) , ki preko trapeznega vretena (2.3.2) in matice(2.3.3), vgrajene v dvižni modul (2.3), dvigneta strojni modularni del (2) PMHE (Sliki 7 in 9). To storimo v primeru hudournika, da nam ne poškoduje strojni modularni del (2), ni pa nujno.

Na vstopni strani vode je čez vse module strojnega modularnega dela (2) pritrjena rešetka (2.4), ki je zgoraj pregibna v členku.

V primeru, da pretok vode naraste, se preostanek vode, ki ne uspe steči skozi Bankijevo turbino (2.2.2) , samo prelije čez ohišje turbinskega modula (2.2.1).

Plavajoča telesa, ki se naberejo pred rešetko (2.4), očistimo tako, da pripremo regulacijsko loputo (2.2.3). Voda pred PMHE naraste in se začne prelivati čez module strojnega modularnega dela, zato voda odnese plavajoča telesa s seboj. Ostala telesa, ki ostanejo ujeta v rešetki (2.4), oz. se ne odstranijo na zgoraj omenjeni način, odstranimo tako, da dvignemo strojni modularni del (2) PMHE. Pri dvigu strojnega modularnega dela (2) se grablje z vodili (2.5) ne dvignejo iz vodnega toka in so pritrjene na modularni poden (1.1) z razstavljivo zvezo. Medtem, ko dvigujemo strojni modularni del (2), grablje (2.5.1) odstranjujejo ujeta telesa. Rešetka (2.4) s kolesi vozi po polkrožnih vodilih (2.5.2,) katerih namen je vzdrževanje optimalne oddaljenosti med grabljami (2.5.1) in rešetko (2.4) (Sliki 7 in 8).

Opcijsko se lahko strojni modularni del (2) nadviša z višinskim modulom, če to dopušča oblika struge. Višinski modul se z razstavljivo zvezo pritrdi na strojni modularni del. Z višinskim modulom se zviša gladina vode na vstopni strani PMHE ter s tem pridobi večjo moč na turbini hkrati pa večjo proizvodnjo električne energije.

V drugem izvedbenem primeru, ki je prikazan na sliki 4, je PMHE sestavljena iz enega betonskega modularnega dela (1) in enega strojnega modularnega dela (2), ki obsega modul strojnice (2.1) dva turbinska modula (2.2), povezovalni modul (2.6), na vsaki strani dvižni modul (2.3), rešetko (2.4) in grablje z vodili (2.5). V primeru, ko se med seboj poveže več turbinskih modulov (2.2), so gredi Bankijeve turbine med seboj povezane z gredno vezjo (elastična sklopka, homokinetični zglob, kardan...). V vsakem turbinskem modulu se regulacijska loputa (2.2.3) regulira s svojim pogonom (2.2.6).

V tretjem izvedbenem primeru, ki je prikazan na sliki 5, je PMHE sestavljena iz enega betonskega modularnega dela (1) in enega strojnega modularnega dela (2), ki obsega dva modula strojnice (2.1), štiri turbinske module (2.2), povezovalne module (2.6), na vsaki strani dvižni modul (2.3), rešetko (2.4) in grablje z vodili (2.5).

Gredi Bankijeve turbine so med seboj povezane z gredno vezjo. V vsakem turbinskem modulu se regulacijska loputa (2.2.3) regulira s svojim pogonom (2.2.6).

V četrtem izvedbenem primeru, ki je prikazan na sliki 6, je PMHE sestavljena iz dveh sestavov, od katerih vsak sestav vključuje en betonski modularni del (1) z vloženim strojnim modularnim delom (2). Strojni modularni del je sestavljen iz modula strojnice (2.1), treh turbinskih modulov (2.2),

povezovalnih modulov (2.6), na vsaki strani z dvižnim modulom (2.3), rešetk (2.4) in grabelj z vodili (2.5). V primeru, ko je PMHE sestavljena iz več sestavov, so lahko strojni modularni deli (2) posameznih sestavov ali v dvignjenem ali v spuščenem položaju.

Število sestavov ter število in način kombiniranja modulov strojnega modularnega dela (2) je lahko tudi drugačno od prikazanih izvedbenih primerov, ravno tako je lahko PMHE postavljena v vodni tok brez dvižnih modulov in je zato ni mogoče dvigovati. Je pa še vedno mobilna, ker jo lahko z avtodvigalom prestavimo na drugo mesto. Kot je bilo že omenjeno, smo omejeni na širino reke in njen pretok ter z nosilnostjo sestavljenih modulov na katere pritiska voda.

PMHE je v celoti sestavljena modularno in to tako, da tak način gradnje predstavlja direktno izkoriščanje naravnega vodnega toka za proizvodnjo električne energije in predstavlja le manjši poseg v prostor, hkrati pa je omogočeno smotrno izkoriščanje vodnega potenciala za pridobivanje električne energije.

Claims

1. Premična modularna hidroelektrarna, označena s tem, da obsega vsaj en strojni modularni del (2), ki je modularno sestavljiv in vključuje vsaj en modul strojnice (2.1), vsaj en turbinski modul (2.2), rešetke (2.4) in grablje z vodili (2.5), in opcijsko vsaj en betonski modularni del (1), v katerega se vstavi strojni modularni del (2) PMHE.

2. Premična modularna hidroelektrarna po zahtevku 1, označena s tem, da je betonski modularni del (1) sestavljen iz modularnega podna (1.1), ki je iz dveh delov (1.1.1,1.1.2) in na vsakem koncu iz modularnih stranic (1.2), ki sta sestavljeni iz uvodne stranice (1.2.2), glavne stranice (1.2.1) z zobom in prečne stranice (1.2.3).

3. Premična modularna hidroelektrarna po predhodnih zahtevkih, označena s tem, da zob glavne stranice (1.2.1) predstavlja oporo strojnemu modularnemu delu (2).

4. Premična modularna hidroelektrarna po predhodnih zahtevkih, označena s tem, da so turbinski moduli (2.2) strojnega modularnega dela (2) med seboj povezani z razstavljivo zvezo preko vmesnega modula (2.6).

5. Premična modularna hidroelektrarna po predhodnih zahtevkih, označena s tem, da se module strojnega modularnega dela (2) med seboj kombinira na poljubne načine.

6. Premična modularna hidroelektrarna po predhodnih zahtevkih, označena s tem, da se dotok vode na turbino (2.2.2.) regulira z regulacijsko loputo (2.2.3) polkrožne oblike, ki drsi po polkrožnih vodilih (2.2.5), pri čemer za premikanje regulacijske lopute skrbi pogon (2.2.6), ki je elektromotor z reduktorjem, ta pa poganja gred z zobnikom (2.2.4), ki ubira z galovo verigo (2.2.7)₇ katera je vgrajena v regulacijsko loputo (2.2.3).

7. Premična modularna hidroelektrarna po predhodnih zahtevkih,označena s tem, da so v primeru, ko se med seboj poveže več turbinskih modulov (2.2), gredi turbine med seboj povezane z gredno vezjo in se v vsakem turbinskem modulu (2.2) regulacijska loputa (2.2.3) regulira s svojim pogonom (2.2.6).

8. Premična modularna hidroelektrarna po predhodnih zahtevkih, označena s tem, da kadar obsega PMHE tudi betonski modularni del (1), PMHE lahko opcijsko vključuje na vsaki strani dvižna modula (2.3).

9. Premična modularna hidroelektrarna po predhodnih zahtevkih, označena s tem, da sta dvižna modula (2.3) z razstavljivo zvezo povezana na eni strani s turbinskim modulom (2.2) na drugi pa z modulom strojnice (2.1).

10. Premična modularna hidroelektrarna po predhodnih zahtevkih, označena s tem, da dvižni modul (2.3) sestavlja trapezna matica (2.3.3) skozi katero gre trapezno vreteno (2.3.2), ki je povezano s pogonom (23.1) in je položaj trapeznega vretena (23.2) in matice (233) zamaknjen v smeri vodnega toka iz težišča strojnega modularnega dela (2).

11. Premična modularna hidroelektrarna po predhodnih zahtevkih, označena s tem, da se moduli strojnega modularnega dela (2) z dvižnima moduloma (23) dvignejo iz vodnega toka.

12. Premična modularna hidroelektrarna po predhodnih zahtevkih, označena s tem, da obsega več sestavov betonskih modularnih delov (1) in strojnih modularnih delov (2), pri čemer posamezni sestav vključuje betonski modularni del (1) z vsaj enim strojnim modularnim delom (2).

13. Premična modularna hidroelektrarna po predhodnih zahtevkih, označena s tem, da se sestavljeni moduli postavijo direktno v vodni tok (potok ali reko) in pri tem ni potrebno spreminjati vodnega toka z uporabo kanalov ali cevi za omogočanje dotoka vode na turbine.

14. Premična modularna hidroelektrarna po predhodnih zahtevkih, označena s tem, da se uporablja za izkoriščanje nizkih padcev vode 10-1 m, da omogoča uporabo celotnega pretoka vodnega toka in njena vgradnja ne zahteva večjih posegov v okolje.