CZ297902B6 - Pohyblivá, pretékaná a podtékaná vodní elektrárna - Google Patents

Abstract

Resení se týká pohyblivé, pretékané a podtékané vodní elektrárny k vestavbe do nebo vedle vodních del s proudící vodou, která je výskove prestavitelná a sestává z vtokové nálevky (1.3), turbíny (1.5), generátoru (1.6) poháneného touto turbínou (1.5)a sací trubky (1.7) turbíny (1.5), které dohromady tvorí funkceschopnou jednotku. Generátor (1.6), vtoková nálevka (1.3), turbína (1.5) a sací trubka(1.7) turbíny (1.5) jsou usporádány ve spolecném pouzdru (1), a pouzdro (1) je upraveno k vestavbe do koryta (2). Mezi pouzdrem (1) a korytem (2) je usporádán tesnicí systém (1.8) a pouzdro (1) je uvnitr koryta (2) usporádáno nejen s prestavitelnou výskou, ale také s prestavitelným úhlem sklonu.

Description

Pohyblivá, přetékaná a podtékaná vodní elektrárna

Oblast techniky

Vynález se týká pohyblivé, přetékané a podtékané vodní elektrárny k vestavbě do nebo vedle vodních děl s proudící vodou, která je výškově přestavitelná a sestává z vtokové nálevky, turbíny, generátoru poháněného touto turbínou a sací trubky turbíny, které dohromady tvoří funkceschopnou jednotku, přičemž generátor, vtoková nálevka, turbína a sací trubka turbíny jsou uspořádány ve společném pouzdru a toto pouzdro je upraveno k vestavbě do koryta. Vynález se tedy týká vodních elektráren na proudící vodu, které mají být k lepšímu využití kinetické energie proudící vody přetékány a podtékány.

Dosavadní stav techniky

V zájmu nenákladného zřizování a hospodárného provozu vodních elektráren využívajících proudící vodu na nepatrných spádech je většinou třeba zohlednit následující zásadní faktory:

- Žádné zmenšení průtočného průřezu popřípadě zvýšení návodních poloh vodní hladiny při vysoké vodě.

- Silné omezení získávání energie při průtocích vodních toků vyšších než je jmenovitá hltnost turbíny vodní elektrárny, vyplývající ze ztráty spádu v důsledku zpětného vzdutí a z dodatečného poklesu účinnosti turbíny, není-li provozována v blízkosti konstrukčního spádu.

- V porovnání s vodními elektrárnami s vyšším spádem a stejným výkonem vysoký podíl splavenin a/nebo nánosů v poměru k možnému zisku energie, zejména při průtocích vodních toků nad množstvím vody využitelným vodní elektrárnou.

- Možnost sestupu ryb, například migrace úhořů, zejména v proudící vodě.

- Pokud možno malá potřebná plocha ve vodním toku a především v oblasti břehu.

- Pokud možno krátké doby výstavby vodní a hloubkové stavby, aby bylo zachováno co možná nejmenší stavební riziko během stavební fáze, která může být narušena vysokou vodou.

-Nízké hlukové emise.

K výrobě energie při nízkých spádech stupňů s výškou spádu přibližně 1 až 10 m jsou vodní elektrárny, přednostně s axiálně průtočnými vodními turbínami, namontovány dovnitř pevného stavebního tělesa, často přetékaného, vedle nebo do tělesa uzávěry.

Jsou známá také provedení jako například elektrárny s opěrnými prahy, které jsou přetékané a zavedením přetékající vody přímo přes sací trubku doplňkově pomocí proudového účinku docilují čistého spádového zisku. Společně je všem uvedeným provedením vodních elektráren to, že musejí být opatřeny přídavnými odlehčovacími zařízeními buď k převedení velké vody, a/nebo k odvádění splavenin.

Podobně známé jsou v jezových panelech vestavěné malé turbínové generátorové jednotky, které jsou při vysoké vodě k uvolnění potřebného průtočného průřezu úplně vytaženy nahoru. Zásluhou toho nejsou zapotřebí přídavné stavební objekty pro převádění velké vody a/nebo odvádění splavenin, ale při vysoké vodě již nelze získávat energii.

-1 CZ 297902 B6

V popisu patentu US 4 868 408 je popsána plně obtékaná vodní elektrárna, která je zavěšena na volně pohyblivém upevňovacím zařízení, lze měnit její polohu a výšku a může být použita v proudící vodě nebo v mořských proudech. Tento systém může využívat kinetickou energii, avšak kvůli chybějícímu nucenému průtoku ka za obtékanou vodní elektrárnou není vhodný k využívání potenciální energie, například při vzdutí.

Vynález podle zapsaného užitného vzoru DE 296 17 318 U1 se analogicky k pohyblivé, přetékané a podtékané vodní elektrárně používá na nízkých spádech. V této souvislosti popsaná pohyblivá sací trubka slouží k jednoduchému přizpůsobení vodní elektrárny na daný vzdouvací stupeň. Zásluhou plovoucí konstrukce může být tato vodní elektrárna jednoduše připlavena na místo potenciální instalace. Při této koncepci zařízení však není ani zajištěna průchodnost pro splaveniny, ani tato konstrukce neplní funkci odlehčovacího orgánu při vysoké vodě.

V dokumentu DE 644556 je znázorněna pohyblivost kompaktní jednotky turbína-generátor. Tato pohyblivost však slouží výlučně ke zjednodušení manipulace s díly zařízení v případě revize. Ostatní koncepce zařízení se neliší od známého stavu techniky.

Všechna shora uvedená provedení mají společný problém, že nejsou k získávání energie schopna efektivně využívat potenciální energii a zároveň kinetickou energii, stoupající s rostoucím průtokem vodního toku.

Navíc ještě není bez doplňujících převáděcích zařízení možné zvýšit odtok vysoké vody při současném odvádění naplavenin.

Úkolem vynálezu je odstranění uvedených nedostatků dosavadního stavu techniky a nalezení konstrukce pohyblivé, přetékané a podtékané vodní elektrárny, kterou by mohla být optimálně využívána jak potenciální tak i kinetická energie při průtoku proudící vody větším než je hltnost turbíny.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol řeší a nedostatky známého stavu techniky do značné míry odstraňuje pohyblivá, přetékaná a podtékaná vodní elektrárna k vestavbě do nebo vedle vodních děl s proudící vodou, která je výškově přestavitelná a sestává z vtokové nálevky, turbíny, generátoru poháněného touto turbínou a sací trubky turbíny, které dohromady tvoří funkceschopnou jednotku, přičemž generátor, vtoková nálevka, turbína a sací trubka turbíny jsou uspořádány ve společném pouzdru a toto pouzdro je upraveno k vestavbě do koryta, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že mezi pouzdrem a korytem je uspořádán těsnicí systém a pouzdro je uvnitř koryta uspořádáno nejen s přestavitelnou výškou, ale také s přestavitelným úhlem sklonu.

Popsané řešení umožňuje, aby mohla být optimálně využívána jak potenciální, tak i kinetická energie při průtoku tekoucí vody větším než je hltnost turbíny.

Zásluhou umístění turbíny a generátoru v pohyblivém pouzdru podle vynálezu, může toto pouzdro při vestavbě do koryta současně sloužit i jako jezový uzávěr. Po nazvednutí tělesa elektrárny může být uvolněna průtočná plocha, která slouží k převedení velkých vod a/nebo k odvodu nánosů a splavenin.

Z řešení pohyblivé, přetékané a podtékané vodní elektrárny podle vynálezu vyplývají následující výhody;

- Vysoký zisk energie na základě vertikálního náporového proudění a zužitkovatelných účinků hydrostatického tlaku a důsledného využití proudového účinku na konci sací trubky při průtoku vodního toku větším než hltnost turbíny.

-2CZ 297902 B6

- Zlepšení odtokové situace při vysoké vodě, což vyhovuje možnému jezovému navýšení k dalšímu zvýšení získávání energie.

- Bezproblémový odvod nánosů při vysoké vodě zásluhou uvolňovaného otvoru pod tělesem elektrárny.

- Naplaveniny a nánosy mohou být navíc při vysoké vodě odváděny jak nad, tak i pod tělesem elektrárny.

- Nejsou zapotřebí žádná další stavební nebo technická zařízení k odvodu naplavenin.

- Jednoduché vodní stavební práce, což s sebou přináší zkrácení stavebních fází a úsporu investic.

- Při důsledné realizaci na bázi modulového systému dochází ke značnému snížení nákladů.

- Podstatně menší potřeba místa ve vodě a v oblasti břehu.

- Bez problémů s hlukovými emisemi, což vyplývá z plně zaplavené konstrukce.

Pouzdro může být opatřeno zvedacími zařízeními pro přestavování výšky nebo úhlu sklonu tohoto pouzdra, což umožňuje vhodné nastavení výšky a sklonu pouzdra. Nabízejí se běžná zvedací zařízení, například standardní hydraulické systémy nebo vřetenové pohony.

Pouzdro je opatřeno přestavitelným pohonem pro přestavování výšky nebo úhlu sklonu tohoto pouzdra. Zejména u větších jednotek může být takto výhodné, jestliže se výška a sklon pouzdra nastavuje změnou vztlaku, například tvarem pouzdra nebo zaplavením a odvodněním plovoucích těles v pouzdru.

Úhel sklonu pouzdra je s výhodou měnitelný kolem osy otáčení, čímž se docílí značných výhod při podchycování sil a současném vedení pouzdra elektrárny.

Osa otáčení je s výhodou provedena jako plný nebo dutý hřídel a ložisko osy otáčení je uspořádáno na pouzdru nebo v bočních stěnách koryta. Z velikosti vodní elektrárny vyplývají popsané různé koncepty tvarování, uspořádání a uložení osy otáčení.

Hřídelem osy otáčení s výhodou procházejí silnoproudá, řídicí a hydraulická vedení do pouzdra a/nebo vedení k zavzdušňování a odvzdušňování. Takto je umožněn průchod veškerých silnoproudých, řídících a napájecích vedení skrze osu otáčení, provedenou jako dutý hřídel, čímž odpadají doplňkové těsnicí systémy a ochranná zařízení. Navíc je skrze osu otáčení možné i větrání a odvzdušňování pouzdra elektrárny.

Na pouzdru je s výhodou uspořádáno česlo pro zadržování naplavenin, které plošně končí alespoň v horní části, například obloukové česlo, které je zezadu čištěno hráběmi, podobnými protiproudovému zařízení k čištění česla. Naplaveniny a ryby mohou být do dolního toku odváděny přes těleso elektrárny. Plošně se svažující, hladká horní strana tělesa elektrárny umožňuje sestup ryb.

Hřídel osy otáčení tvoří s výhodou ponorný konec. Umístěním osy otáčení v přední, horní části pouzdra může být toto výhodně využito k vytvoření ponorného konce.

-3 CZ 297902 B6

Přehled obrázků na výkresech

Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladu jeho provedení, který je popsán na základě připojených výkresů, které znázorňují:

na obr. 1 - podélný řez vodní elektrárnou ve spuštěné poloze, na obr. 2 - podélný řez vodní elektrárnou v nazdvižené poloze, na obr. 3 - půdorysný pohled na vodní elektrárnu, a na obr. 4 - příčný řez vodní elektrárnou v rovině kolmé k ose otáčení.

Příklady provedení vynálezu

Strojní technické vybavení, sestávající z axiálně průtočné turbíny 1.5 včetně vtokové nálevky 1.3, sací trubky 1,7 a generátoru 1,6, poháněného buď přímo, nebo převodem, je zabudováno do pouzdra 1, což odpovídá tradiční elektrárně.

Na předním, návodním konci tělesa elektrárny je k zadržování naplavenin umístěno česlo 1.1 ohnuté o cca 180°. Toto do oblouku zahnuté česlo 1.1 se nejúčelněji čistí protiproudovým zařízením k čištění česla 1,1 v ponorném provedení, například čisticími hráběmi 1.2.

Celé pouzdro 1 lze naklápět kolem osy 3 otáčení, uspořádané v přední, horní části pouzdra 1. Provedení osy 3 otáčení jako dutého hřídele má tu výhodu, že může být současně využíván jako průchodka energetických, řídících a napájecích vedení k externímu velínu a rovněž i k ventilaci a odvzdušnění strojního prostoru. Je-li tento dutý hřídel osy 3 otáčení proveden jako pevný konstrukční prvek pouzdra 1, tak ho lze také používat k ustálení ponorného konce, k zajištění potřebné vtokové překlenovací výšky.

Kolem osy 3 otáčení výkyvné pouzdro 1 se vsazuje do koryta 2, vestavěného do nebo vedle jezového tělesa. Koryto 2 je z konstrukčně technických důvodů podobné plavební komoře a je provedeno s vertikálními, paralelními bočními stěnami. Boční stěny koryta 2 by se měly k zesílení efektů hydrostatického tlaku v návodní vtokové oblasti OW - horní voda - hydraulicky příznivě rozšiřovat. I odtokovou oblast v dolní vodě - UW - by bylo vhodné po hydraulické stránce uspořádat tak, aby bylo usnadněno získávání energie proudovým účinkem. Pouzdro 1 bude vůči bočním stěnám koryta 2 a na spodní hraně pouzdra 1 opatřeno těsnicím systémem 1.8.

Ložiska 4 hřídele osy 3 otáčení jsou uspořádána na obou bočních stěnách koryta 2. Při provedení s dutým hřídelem mohou být vedle bočních stěn, v oblasti průchodky pro hřídel, uspořádány vodotěsné šachty 2.1, ze kterých mohou být až k velínu vedeny podpovrchové trubky nebo kanály.

Pouzdro 1 se otáčí pomocí vhodných zvedacích zařízení 5, jako jsou například hydraulické válce nebo vřetenové pohony, které jsou po obou stranách umístěny na nebo v pouzdru 1 za osou 3 otáčení, ve směru k dolní vodě UW.

Ke kontrole komponent nacházejících se pod vodou jsou, jak ze strany horní vody OW, tak i ze strany dolní vody UW, k dispozici hradidlové uzávěry nebo pohyblivé uzavírací orgány 6, uspořádané na boku koryta 2 nebo na dně.

Funkce pohyblivé, přetékané a podtékané vodní elektrárny podle vynálezu je následující:

-4CZ 297902 B6

V dolů spuštěné poloze, to znamená když dolní zadní hrana pohyblivého pouzdra 1 elektrárny dosedá na dno koryta 2, protéká pouzdrem 1 veškeré množství vody až množství vody využitelného turbínou 1.5.

Při zastavení turbíny 1,5 pouzdro 1 zaplaveno vodou, odtéká voda přes pouzdro 1 elektrárny směrem ke konci sací trubky 1,7. Kinetická energie z množství vody odtékající rychlostí vl, při příslušném tvaru pouzdra 1, vytváří známý proudový efekt, který může být využit ke zvýšení spádu.

Při dále stoupajícím průtoku vody a vzestupu hladiny horní vody OW se pouzdro J_ otáčí kolem hřídele osy 3 otáčení, čímž se uvolní propust mezi pouzdrem 1 a korytem 2.

Na základě tlakových rozdílů před a za tělesem elektrárny nastaví se pod pouzdrem 1 vyšší rychlost proudění v2 než je výstupní rychlost v3 ze sací trubky 1.7, čímž se docílí přídavného proudového účinku k virtuální zvýšení spádu.

Vtokovou rychlostí v4, zvýšenou při velkém průtoku u vtoku elektrárny, se při příslušném uspořádání koryta 2 ve vtokové oblasti zvyšuje hydrostatický tlak, čímž dojde k dalšímu zvýšení výroby energie.

Technickými opatřeními může být za účelem udržování konstantního stavu maximální horní vody a/nebo k optimalizaci proudových účinků k získávání energie řízen rozměr otvoru uvolňujícího se pod elektrárnou.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Pohyblivá, přetékaná a podtékaná vodní elektrárna k vestavbě do nebo vedle vodních děl s proudící vodou, která je výškově přestavitelná a sestává z vtokové nálevky (1.3), turbíny (1.5), generátoru (1.6) poháněného touto turbínou (1.5) a sací trubky (1.7) turbíny (1.5), které dohromady tvoří funkceschopnou jednotku, přičemž:

   a) generátor (1.6), vtoková nálevka (1.3), turbína (1.5) a sací trubka (1.7) turbíny (1.5) jsou uspořádány ve společném pouzdru (1),

   b) pouzdro (1) je upraveno k vestavbě do koryta (2), vyznačující se tím, že:

   c) že mezi pouzdrem (1) a korytem (2) je uspořádán těsnicí systém (1.8),

   d) že pouzdro (1) je uvnitř koryta (2) uspořádáno nejen s přestavitelnou výškou, ale také s přestavitelným úhlem sklonu.
2. 2. Pohyblivá, přetékaná a podtékaná vodní elektrárna podle nároku 1, vyznačující se tím,že pouzdro (1) je opatřeno zvedacími zařízeními (5) pro přestavování výšky nebo úhlu sklonu tohoto pouzdra (1).
3. 3. Pohyblivá, přetékaná a podtékaná vodní elektrárna podle nároku 1, vyznačující se tím, že pouzdro (1) je opatřeno přestavitelným pohonem pro přestavování výšky nebo úhlu sklonu tohoto pouzdra (1).
4. 4. Pohyblivá, přetékaná a podtékaná vodní elektrárna podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se t í m , že úhel sklonu pouzdra (1) je měnitelný kolem osy (3) otáčení.

   -5CZ 297902 B6
5. 5. Pohyblivá, přetékaná a podtékaná vodní elektrárna podle nároku 4, vyznačující se t í m , že osa (3) otáčení je provedena jako plný nebo dutý hřídel.
6. 6. Pohyblivá, přetékaná a podtékaná vodní elektrárna podle nároku 5, vyznačující se t í m , že osa (3) otáčení je uložena v ložisku (4), které je uspořádáno na pouzdru (1) nebo v bočních stěnách koryta (2).
7. 7. Pohyblivá, přetékaná a podtékaná vodní elektrárna podle nároku 6, vyznačující se t í m , že hřídelem osy (3) otáčení procházejí silnoproudá, řídicí a hydraulická vedení do pouzdra (1) a/nebo vedení k zavzdušňování a odvzdušňování.
8. 8. Pohyblivá, přetékaná a podtékaná vodní elektrárna podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že na pouzdru (1) je uspořádáno česlo (1.1) pro zadržování naplavením
9. 9. Pohyblivá, přetékaná a podtékaná vodní elektrárna podle nároku 8, vyznačující se t í m , že česlo (1.1) je opatřeno čisticími hráběmi (1.2), které prostupují česlicemi.
10. 10. Pohyblivá, přetékaná a podtékaná vodní elektrárna podle nároku 5, vyznačující se t í m , že hřídel osy (3) otáčení tvoří ponorný konec.