PL 226679 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 226679 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 417746 (51) Int.Cl. F03B 17/06 (2006.01) E02B 9/08 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 28.06.2016 (54) Pływająca elektrownia wodna (43) Zgłoszenie ogłoszono: 16.01.2017 BUP 02/17 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.08.2017 WUP 08/17 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA OPOLSKA, Opole, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ANDRZEJ BIENIEK, Ochodze, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Wiesława Surmiak
2 PL 226 679 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest pływająca elektrownia wodna wytwarzająca energię elektryczną. Znana z opisu patentowego nr CN 203 441 670 U Floating hydro turbine power, jest pływająca turbina wodna połączona z generatorem prądu wytwarzającym energię elektryczną wykorzystując energię płynącej wody bez konieczności jej spiętrzenia. Koło wodne z niewyprofilowanymi łopatami osadzone bezpośrednio na wale połączonym poprzez przekładnię cięgnową z generatorem prądu i umieszczonym na dwóch podporach zamocowanych do elementów pływających, którymi są dwa pływaki połączone ze sobą łącznikiem. Układ do wytwarzania energii elektrycznej jest unoszony nad powierzchnią przepływającej wody, niezależnie od zmieniającego się jej poziomu w korycie rzeki lub strumienia. Pomiędzy pływakami powstaje wolna przestrzeń pozwalająca na przepływ strugi wody, której energia porusza zanurzone w wodzie łopaty, a te wymuszają obrót wału przenoszony przez przekładnię cięgnową do generatora prądu, który zamienia energię mechaniczną na energię elektryczną. Znana z opisu patentowego nr CH 705 812 A2 Schwimmendes Wasserkraftwerk, pływająca elektrownia wodna wyposażona jest w koło wodne z ośmioma prostymi łopatami o nie wyprofilowanych kształtach, które jest zamocowane na dwóch elementach pływających. Elementy te mają tak wyprofilowany kształt przedniej części jednostronnie zukosowany, aby spowodować skanalizowanie strugi wody równocześnie zwiększając jej prędkość przepływu. Elementy pływające powodują jednakowe zanurzenie łopat koła wodnego niezależnie od aktualnego poziomu wody. Koło wodne zanurzone w skanalizowanej strudze wody zamienia jej energię na energię mechaniczną w ruchu obrotowym koła wodnego, która następnie za pomocą przekładni jest przekazywana jest do generatora prądu. Korzystnie jest, gdy przełożenie przekładni i = 22,5, co pozwala, przy prędkości obrotowej koła wodnego wynoszącej około 80 obr/min na uzyskanie prędkości obrotowej generatora prądu rzędu 1400 1800 obr/min. Pływająca elektrownia umocowana jest do brzegów rzeki za pomocą dwóch stalowych lin. Znana z opisu patentowego nr DE 102 010 008 103 Flusswasser Strömungskraftwerk jest modułowa pływająca elektrownia wodna. Jest ona wyposażona w pływaki, które połączone są ze sobą w zespoły tworząc zespół pływających elektrowni wodnych, których sumaryczna moc może dochodzić do 1000 kw. Na każdym z pływaków umieszczony jest łożyskowany wał koła wodnego z układem przeniesienia napędu i generatora prądu. Konstrukcja zamocowania łożyskowania do elementu pływającego umożliwia zmianę odległości osi mocowanego wału od elementu pływającego, która może się odbywać manualnie bądź za pomocą silnika elektrycznego z wykorzystaniem mechanizmu śrubowego. Zmiana położenia osi wału względem elementu pływającego decyduje o zanurzeniu koła wodnego, bądź innej konstrukcji turbiny wodnej, jest ona jednak przewidziana jako zmiana konfiguracyjna dokonywana podczas uruchamiania zespołu pływających elektrowni i dostosowania współpracy poszczególnych modułów pomiędzy sobą z uwzględnieniem występujących warunków hydrologicznych. Znany z opisu patentowego nr US 4 843 249 Hydroelectric system, jest system generowania energii elektrycznej z wykorzystaniem energii fal morskich, składający się z wielu turbin wodnych, których pionowe pozycje osie ustawiane są automatycznie do aktualnych stanów przypływów i odpływów występujących na morzu. System wyposażony jest w czujnik położenia poziomu wody względem koła wodnego połączony z układem sterującym i silnikiem elektrycznym służącym do zmiany położenia turbiny wodnej. Turbina jest zamocowana na ruchomych obsadach do zmiany położenia jej osi względem stałych wsporników. Równocześnie zachodzi zmiana położenia osi turbiny względem poziomu wody uzależnionego od aktualnej sytuacji związanej z przypływami i odpływami. Sygnał z czujnika poziomu wody jest wykorzystywany do załączania silnika elektrycznego, który w zależności od kierunku obrotów może, dzięki zastosowanemu mechanizmowi obniżać, bądź podnosić koło wodne. W znanych pływających elektrowniach wodnych, każdy z pływaków stanowi jedną komorę o określonej stałej wyporności. Warunki pracy znanych pływających elektrowni wodnych przyjmuje się jako stałe i do nich dopasowuje się stopień zanurzenia na etapie zwodowania, co może okazać się niewystarczające w przypadku zmiany prędkości przepływu wody. W znanych elektrowniach wodnych wykorzystujących przypływy i odpływy, na stałe zamocowanych do dna lub brzegów zbiornika wodnego, stosowane są układy sterujące pozwalające na dostosowanie stopnia zanurzenia łopat koła w wodzie w zależności od zmieniających się warunków pracy elektrowni. Istota pływającej elektrowni wodnej według wynalazku polega na tym, że pływaki: pierwszy i drugi są dwukomorowe, dolna komora pływaka: pierwszego i drugiego zaopatrzona jest w zawory
PL 226 679 B1 3 regulacyjne: dolny do napełniania i upustu wody oraz górny do napełniania i upustu powietrza. Posiada sprężarkę powietrza z silnikiem elektrycznym. Zawór regulacyjny dolny jest umieszczony w dolnej części komory dolnej, a zawór regulacyjny górny jest zaworem dwudrożnym i umieszczonym w górnej jej części. Korzystnie jest, gdy wyposażona jest w zbiornik sprężonego powietrza. Korzystnie jest, gdy obrys komory górnej każdego z pływaków: pierwszego i drugiego jest wysunięty poza obrys komory dolnej. Korzystnie jest, gdy dolna komora jednego z pływaków: pierwszego lub drugiego zaopatrzona jest w zawory regulacyjne: dolny do napełniania i upustu wody i górny do napełniania i upustu powietrza. Korzystnie jest, gdy komory dolne pływaków: pierwszego i drugiego połączone są ze sobą w ich części dolnej i w części górnej za pomocą przepływowych łączników rurowych. Korzystnie jest, gdy koło wodne osadzone jest dwustronnie na łożyskach umieszczonych na wspornikach umocowanych na pływakach: pierwszym i drugim za pomocą śrub mocujących obsady łożysk w rowkach regulacyjnych wsporników. Korzystnie jest również, gdy zawory regulacyjne: dolny do napełniania i upustu wody i górny do napełniania i upustu powietrza są elektrozaworami. Pływająca elektrownia wodna według wynalazku umożliwia regulowanie wyporności pływaków, a tym samym regulowanie zanurzenia łopat koła wodnego elektrowni w zależności od potrzeby uzyskania zadanych parametrów jej pracy. Komora górna każdego z pływaków jest elementem wyporowym, a w sytuacji całkowitego wypełnienia komory dolnej wodą stanowi zabezpieczenie przed zatonięciem pływającej elektrowni wodnej według wynalazku, przy czym obrys komory górnej wystający poza obrys komory dolnej zwiększa znacznie wyporność pływającej elektrowni według wynalazku. Zaopatrzenie dolnej komory tylko jednego z pływaków w zawory regulacyjne znacznie upraszcza konstrukcję i proces sterowania pływającą elektrownią. Połączenie pływaków umożliwia nie tylko swobodny przepływ pomiędzy komorami dolnymi obu pływaków, zarówno wody, jak i powietrza, ale i zapewnia stabilność poprzeczną elektrowni. Osadzenie dwustronnie koła wodnego na łożyskach zamocowanych do wsporników przytwierdzonych do pływaków za pomocą śrub mocujących obsady łożysk w rowkach regulacyjnych wsporników, umożliwia wstępną regulację położenia osi koła wodnego względem powierzchni wody. Zastosowanie zbiornika sprężonego powietrza pozwala na uzyskanie korzystnej dynamiki zmian parametrów pracy elektrowni, a tym samym wytwarzania zadanej ilości energii elektrycznej i nadto unieruchomienia elektrowni w razie potrzeby. Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, którego fig. 1 przedstawia pływającą elektrownię wodną w widoku z boku, fig. 2 przedstawia pływającą elektrownię wodną w widoku z góry, a fig. 3 przedstawia schemat blokowy pływającej elektrowni wodnej. Pływająca elektrownia wodna według wynalazku posiada koło wodne Kw z łopatami na obwodzie i z wałem połączonym poprzez przekładnię cięgnową z generatorem prądu Gp i jest usytuowana na jednej parze dwukomorowych pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2. Koło wodne Kw osadzone jest dwustronnie na łożyskach umieszczonych na wspornikach umocowanych na pływakach: pierwszym P1 i drugim P2 za pomocą śrub mocujących obsady łożysk w rowkach regulacyjnych wsporników. Pływaki: pierwszy P1 i drugi P2 są dwukomorowe, przy czym komory: dolna Kd i górna Kg są oddzielne, zaś komora dolna Kd jest komorą szczelną. Dolna komora Kd tylko jednego z pływaków: pierwszego P1 lub drugiego P2 zaopatrzona jest w zawory regulacyjne: dolny Zd do napełniania i upustu wody i górny Zg do napełniania i upustu powietrza. Zawór regulacyjny dolny Zd jest umieszczony w dolnej części komory dolnej, a zawór regulacyjny górny Zg jest zaworem dwudrożnym i umieszczonym w górnej jej części. Zawory regulacyjne: górny Zg i dolny Zd są elektrozaworami. Gdy dolne komory Kd pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2 zaopatrzone są w zawory regulacyjne: dolny Zd do napełniania i upustu wody i górny Zg do napełniania i upustu powietrza, to wówczas nie ma potrzeby, aby komory dolne Kd pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2 były połączone ze sobą w ich części dolnej i w części górnej za pomocą przepływowych łączników rurowych. Obrys komory górnej każdego z pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2 jest wysunięty poza obrys zewnętrzny komory dolnej. Komory dolne Kd pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2 połączone są ze sobą w ich części dolnej i w części górnej za pomocą przepływowych łączników rurowych. Pływająca elektrownia wodna według wynalazku wyposażona jest w sprężarkę powietrza Sp z silnikiem elektrycznym i w zbiornik sprężonego powietrza Zp oraz w sterownik St. Zbiornik Zb połączony jest za pomocą wysokociśnieniowych węży z zaworem regulacyjnym górnym Kg i ze sprężarką powietrza Sp. Zawory regulacyjne: górny Zg i dolny Zd oraz generator prądu Gp i sprężarka Sp połączone są ze sterownikiem St za po-
4 PL 226 679 B1 mocą przewodów elektrycznych. Sterownik St połączony jest z dolną komorą pływaka pierwszego P1 poprzez zawór dolny Zd i zawór górny Zg oraz ze sprężarką Sp i z generatorem Gp. Po zwodowaniu pływającej elektrowni wodnej według wynalazku i zamontowaniu wszystkich elementów składowych regulowane jest wstępne ustawienie odległości osi koła wodnego Kw od powierzchni wody za pomocą śrub mocujących obsady łożysk w rowkach regulacyjnych wsporników umieszczonych na pływakach. Przed rozpoczęciem pracy pływającej elektrowni wodnej według wynalazku zalecane jest napełnienie zbiornika powietrzem Zp pod dużym ciśnieniem dochodzącym do około 8 12 bar. Zmiana zanurzenia łopat koła wodnego Kw następuje wskutek regulacji stopnia napełnienia komory dolnej pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2 za pomocą zaworów regulacyjnych: górnego Zg i dolnego Zd sterowanych przez sterownik St monitorujący i przetwarzający wartości: prędkości obrotowej koła wodnego Kw oraz napięcia i wartości prądu generatora prądu Gp. Zmniejszenie zanurzenia pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2, a tym samym zmniejszenie zanurzenia łopat koła wodnego Kw odpowiada spadkowi prędkości obrotowej koła wodnego Kw i spadkowi ilości wytwarzanej energii elektrycznej podczas otwarcia zaworu regulacyjnego górnego Zg powodującego otwarcie połączenia pomiędzy zbiornikiem powietrza Zp i komorami dolnymi Kd obu pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2 oraz napełnienie ich powietrzem ze zbiornika Zb. Podczas napełniania pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2 powietrzem, wartość ciśnienia wewnątrz szczelnych komór dolnych Kd każdego z pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2 wzrasta. Równocześnie, po przekroczeniu wartości ciśnienia progowego wewnątrz komory dolnej Kd otwierany jest zawór regulacyjny dolny Zd powodując upust wody. Po uzyskaniu zadanej prędkości obrotowej koła wodnego Kw będącej rezultatem zmiany zanurzenia łopat koła wodnego Kw, zarówno zawór regulacyjny górny Zg, jak i dolny Zd jest zamykany. Zwiększenie zanurzenia pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2, a tym samym zwiększenie zanurzenia łopat koła wodnego Kw odpowiada wzrostowi prędkości obrotowej koła wodnego Kw i ilości wytwarzanej energii elektrycznej. Wówczas następuje równoczesne otwarcie zaworu regulacyjnego: dolnego Zd i górnego Zg, przy czym zawór regulacyjny górny Zg będąc zaworem dwudrożnym otwiera połączenie z otoczeniem, a tym samym upust powietrza z komory dolnej Kd i dopływ wody do komory dolnej Kd przez zawór regulacyjny dolny Zd i zwiększanie w ten sposób wypełnienia wodą pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2. W rezultacie zwiększa zanurzanie się pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2, a tym samym łopat koła wodnego Kw, aż do osiągnięcia zadanych warunków pracy pływającej elektrowni wodnej według wynalazku i ilość energii elektrycznej produkowanej przez generator prądu Gp. Wówczas następuje zamkniecie zaworów regulacyjnych: górnego Zg i dolnego Zd. W przypadku awarii elementów mających wpływ na zmianę zanurzenia elektrowni, bądź utraty szczelności komory dolnej Kd, proces zmiany zanurzenia pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2 trwa, aż do wypełnienia wodą całej komory dolnej Kd. W przypadku spadku ciśnienia powietrza w zbiorniku Zb powietrza poniżej zadanej wartości progowej włączany jest silnik elektryczny napędzający sprężarkę powietrza Sp i uzupełniany jest zbiornik powietrza Zb, aż do osiągnięcia ciśnienia znamionowego. Energia elektryczna potrzebna do zasilania silnika elektrycznego połączonego ze sprężarką powietrza Sp może pochodzić bezpośrednio z układu elektrycznego, z którym połączony jest generator prądu Gp pływającej elektrowni wodnej według wynalazku. Zawory regulacyjne: górny Zg i dolny Zd, będące elektrozaworami, zasilane mogą być z niewielkiego akumulatora, bądź bezpośrednio z generatora prądu Gp. W razie potrzeby unieruchomienie elektrowni następuje w wyniku całkowitego usunięcia wody z komór dolnych Kd pływaków: pierwszego P1 i drugiego P2, a następnie zamknięcia obu zaworów regulacyjnych: górnego Zg i dolnego Zd. Pływająca elektrownia wodna według wynalazku może być jednym z elementów modułowej pływającej elektrowni wodnej. Zastrzeżenia patentowe 1. Pływająca elektrownia wodna, która posiada koło wodne z łopatami na obwodzie i z wałem połączonym poprzez przekładnię cięgnową z generatorem prądu, jest usytuowana na co najmniej jednej parze pływaków połączonych ze sobą oraz zaopatrzona w sterownik, znamienna tym, że pływaki: pierwszy (P1) i drugi (P2) są dwukomorowe, zaś dolna komora (Kd) pływaka: pierwszego (P1) i drugiego (P2) zaopatrzona jest w zawory regulacyjne: dolny (Zd) do napełniania i upustu wody oraz górny (Zg) do napełniania i upustu powietrza, przy czym posiada sprężarkę powietrza (Sp) z silnikiem elektrycznym, zawór regulacyjny
PL 226 679 B1 5 dolny (Zd) jest umieszczony w dolnej części komory dolnej (Kd), a zawór regulacyjny górny (Zg) jest zaworem dwudrożnym i umieszczony jest w górnej jej części. 2. Pływająca elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że wyposażona jest w zbiornik sprężonego powietrza (Zp). 3. Pływająca elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że obrys komory górnej (Kg) każdego z pływaków: pierwszego (P1) i drugiego (P2) jest wysunięty poza obrys komory dolnej (Kd). 4. Pływająca elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że dolna komora jednego z pływaków: pierwszego (P1) i drugiego (P2) zaopatrzona jest w zawory regulacyjne: dolny (Zd) do napełniania i upustu wody i górny (Zg) do napełniania i upustu powietrza. 5. Pływająca elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że komory dolne (Kd) pływaków: pierwszego (P1) i drugiego (P2) połączone są ze sobą w ich części dolnej i w części górnej za pomocą przepływowych łączników rurowych. 6. Pływająca elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że koło wodne (Kw) osadzone jest dwustronnie na łożyskach umieszczonych na wspornikach umocowanych na pływakach: pierwszym (P1) i drugim (P2) za pomocą śrub mocujących obsady łożysk w rowkach regulacyjnych wsporników. 7. Pływająca elektrownia według zastrz. 1, znamienna tym, że zawory regulacyjne: dolny (Zd) do napełniania i upustu wody i górny (Zg) do napełniania i upustu powietrza są elektrozaworami.
6 PL 226 679 B1 Rysunki
PL 226 679 B1 7
8 PL 226 679 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)