PL 223636 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 223636 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 404096 (51) Int.Cl. F03B 1/00 (2006.01) F03B 3/00 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 27.05.2013 (54) Urządzenie do wytwarzania prądu elektrycznego z energii wodnej (43) Zgłoszenie ogłoszono: 08.12.2014 BUP 25/14 (73) Uprawniony z patentu: KUPISZ JAROSŁAW, Koluszki, PL KUPISZ JĘDRZEJ, Brzeziny, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.10.2016 WUP 10/16 (72) Twórca(y) wynalazku: JAROSŁAW KUPISZ, Koluszki, PL JĘDRZEJ KUPISZ, Brzeziny, PL
2 PL 223 636 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wytwarzania prądu elektrycznego z energii wodnej, zwłaszcza dla niskich spadków wody, jazów lub stopni piętrzących. Znana jest z polskiego zgłoszenia wynalazku P.355184 turbina wodna, stosowana zwłaszcza na rzekach o niewielkim spiętrzeniu wody, wyposażona w napędowe koło z łopatkami. Koło napędowe ma postać zamkniętego cylindra, nie tonącego przy zanurzaniu w wodzie, zaopatrzonego w wał, przenoszący moc użytkową i sytuujący ruch cylindra w płaszczyźnie pionowej, oraz w umieszczone na powierzchni cylindra uchylne łopatki, połączone z cylindrem wzdłuż jego osi obrotu, a nadto zaopatrzonego u końców w kołnierze wyposażone w oporowe elementy dla łopatek, przy czym łopatki są połączone z kołem korzystnie poprzez elastyczne łączniki. Znana jest z polskiego zgłoszenia wynalazku P.384346 siłownia wodna, która jest wyposażona w podsiębierne koło wodne, którego wal jest osadzony w łożyskach wsporników, trwale złączonych z pływakami, zamocowanymi do jednego lub obu brzegów rzeki. Dna pływaków są sobą złączone płytą na całej ich długości, ponadto, na wlocie do siłowni, skrzynkowe pływaki tworzą konfuzor, zaś na wylocie końce zewnętrznych ścian pływaków są ku sobie zbieżne. Znana jest z polskiego zgłoszenia wynalazku P.370845 turbina która charakteryzuje się tym, że ma na czopach koła wodnego osadzone trwałe koła przekładni, współpracujące z kołami osadzonymi sztywno na wale pośrednim, przy czym moment obrotowy jest odbierany z czopa lub wału pośredniego. Liczba zębów kół jest tak dobrana, iż wał pośredni ma prędkość obrotową równą prędkości wymaganej do napędu współpracującego z turbiną generatora elektrycznego. Znana jest z polskiego zgłoszenia wynalazku P.392030 elektrownia wodna mająca co najmniej jeden zespół koła wodnego z prądnicą i kołem wodnym podsiębiernym, zamocowanym pomiędzy dwoma elementami przesuwnymi ze wspornikami oporowymi, oraz, opcjonalnie, co najmniej jeden zespół kraty zbierającej zanieczyszczenia, z kratą zbierającą, zamocowaną pomiędzy dwoma elementami przesuwnymi ze wspornikami oporowymi, umiejscowiony przed zespołem koła wodnego, przy czym element przesuwny wyposażony jest w mechanizm regulacji położenia, w którym silnik przez przekładnię połączony jest ze ślimakami i ślimacznicami nakręconymi na dwóch, równoległych względem siebie śrubach, zamocowanych w korpusie, ponadto nad każdym zespołem jest belka montażowo-remontowa, oprócz tego elektrownia posiada wyłączniki krańcowe i gniazda z blokadami o luzownikach elektromagnetycznych i charakteryzuje się tym, że śruba zamocowana jest jednym końcem w korpusie a drugi koniec ma przed gwintem kształt bryły i zwężające się zakończenie, nadto posiada korzystne odległości kątowe pomiędzy początkami zwojów gwintów śrub a początkami zwojów gwintów wewnętrznych ślimacznic, przy wykręconych z gwintów śrub gwintach ślimacznic w każdym komplecie, zatrzymanego przez górny wyłącznik krańcowy mechanizmu regulacji położenia. Opis Urządzenie do wytwarzania prądu elektrycznego z energii wodnej, zwłaszcza dla niskich spadków wody, jazów lub stopni piętrzących, według wynalazku, składa się z koryta umieszczonego w jazie z zasuwami w furcie, przy czym w korycie umocowany jest układ ramion wychylnych z co najmniej jedną turbiną wodną wirnikową, korzystnie z hamulcem, połączona z generatorem. Urządzenie charakteryzuje się tym, że w jazie ma regulowaną zasuwę górną i regulowaną zasuwę dolną, przy czym koryto zamocowane do jazu wyposażone jest w stalowe belki mocowane do dna koryta, na których posadowione są betonowe bloki stabilizujące. Korzystnie jest, kiedy turbinę wodną wirnikową stanowi koło wodne, umieszczone poprzecznie do kierunku przepływu wody, na układzie ramion wychylnych umożliwiających podnoszenie i odsuwanie koła wodnego, wraz z układem przeniesienia obrotów przekładni i generatorem, do góry i do tyłu. Korzystnie też jest, kiedy koryto stanowi konstrukcję betonową. Korzystnie również jest, kiedy koryto stanowi konstrukcję stalową. Korzystnie także jest, kiedy koło wodne jest kołem śródsiębiernym. Jest korzystnie, kiedy koło wodne jest kołem podsiębiernym. Jest też korzystnie, kiedy koło wodne po obu stronach ma wyprowadzone końcówki wałka, na których zamontowane są koła zębate, które za pomocą łańcuchów napędowych po obu stronach koła wodnego połączone są z mniejszymi kołami zębatymi drugiego wałka, połączonego drugim łańcuchem z wałem zdawczym przekładni połączonej z generatorem. Jest również korzystnie, kiedy średnica koła jest trzykrotnie mniejsza od średnicy koła wodnego.
PL 223 636 B1 3 Jest także korzystnie, kiedy układ chłodzenia generatora i przekładni połączony jest z układem ogrzewania koła wodnego. Korzystnie także zasuwa górna w furcie jazu znajduje się około 50 cm pod powierzchnią wody a zasuwa dolna w furcie jazu znajduje się około 20 cm od dna. Wynalazek jest zatem urządzeniem do wytwarzania prądu elektrycznego z energii wodnej, zwłaszcza dla niskich spadków wody, jazów lub stopni piętrzących składającym się z koryta z zabudowanym w nim wirnikiem koła wodnego. Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji pokazano na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie w przekroju podłużnym w widoku z boku, fig. 2 urządzenie w przekroju według linii A-A z fig. 1 a fig. 3 urządzenie w przekroju według linii B-B z fig. 1. Jak pokazano na fig. 1 urządzenie do wytwarzania prądu elektrycznego z energii wodnej, zwłaszcza dla niskich spadków wody, jazów lub stopni piętrzących, zawiera koryto 23 umieszczone w jazie 100 stopnia wodnego na cieku wodnym. W korycie 23, wykonanym z betonu, ale może być ono również stalowe, osadzone są uchylne ramiona ramy 6. Koryto 23 połączone jest z jazem 100 za pomocą mocowania 16 koryta 23 do jazu 100. Koryto 23 wyposażone jest w ześlizg 10, którym spływa woda w trakcie przepływu przez urządzenie. Koryto 23 zamocowane do jazu 100 wyposażone jest w stalowe belki 20 mocowane do dna koryta 23, na których posadowione są betonowe bloki stabilizujące 19. W uchylnych ramionach ramy 6 umieszczone jest koło wodne 7, osadzone w łożyskach 9 piasty. Koło wodne 7 zaopatrzone jest w łopaty połączone z piastą za pomocą szprych 21. Na piaście, po zewnętrznej stronie łożysk 9, osadzone są koła zębate 8 napędzające, za pośrednictwem łańcucha napędowego 15, zębatki 13 na drugim wałku połączonym z przekładnią generatora 12. Generator 12 jest umieszczony w osłonie 22, w której znajduje się również elektronika sterująca pracą urządzenia do wytwarzania prądu elektrycznego. Wyposażenie koryta w stalowe belki 20 i osadzone na nich betonowe bloki stabilizujące 19 ma zasadnicze znaczenie dla prawidłowego umieszczenia i ustabilizowania urządzenia do wytwarzania prądu z korytem 23 oraz osadzonym na nimi kołem wodnym 7 z pozostałymi elementami w cieku wodnym. Jaz 100 wyposażony jest w dwie zasuwy: zasuwę górną 1 oraz zasuwę dolną 2, umieszczone jedna nad drugą. Zadaniem tych zasuw jest zasilanie wodą koła wodnego 7 w zależności od stanu wody. Po otwarciu zasuwy górnej 1 woda jest kierowana na łopaty koła wodnego 7 śródsiębiernie, poprzez kanał kierownic 5, napełniając łopaty koła wodnego 7 zasadniczo w płaszczyźnie poziomej przechodzącej przez oś poziomą koła wodnego 7. Oczywiście jest to możliwe przy odpowiednio wysokim stanie wody. Jeśli poziom wody jest niski i nie pozwala na dostarczanie wody na wysokości osi poziomej koła wodnego 7 otwiera się zasuwę dolną 2 i wówczas woda dostarczana jest kanałem wody podsiębiernej 4 na łopaty koła wodnego 7 zasadniczo w okolicy najniższego jego położenia. Oczywiście jest możliwe, przy odpowiednio wysokim stanie wody, otwarcie obu zasuw: zasuwy górnej 1 i zasuwy dolnej 2 i dostarczanie wody na łopaty koła wodnego 7 zarówno śródsiębiernie jak i podsiębiernie, co pozwala na uzyskanie większej mocy urządzenia. Koryto 23, betonowe lub stalowe, ma wyprofilowane dno. Na korycie 23 zamocowany jest układ ramion wychylnych 6 z kołem wodnym 7, układem przeniesienia napędu, przekładnią planetarną i generatorem 12. Korzystnie, również z hamulcem. Ramiona wychylne 6 zamocowane na ścianach koryta 23 obrotowo i przesuwnie w poziomie na zawiasach ramy 14. Po przeciwnej stronie koła wodnego 7 ramiona wychylne 6 połączone są, poprzez siłowniki 17, z brzegami koryta 23. Siłowniki 17 są siłownikami hydraulicznymi i służą do podnoszenia do góry i przesuwania w poziomie ramion wychylnych 6, wraz zamocowanym do nich kołem wodnym 7 i innymi elementami urządzenia. Korzystnie średnica koła zębatego 8 jest trzykrotnie mniejsza od średnicy koła wodnego 7. Wynalazek pozwala na budowę urządzenia w zakładzie produkcyjnym i posadowienie kompletnego urządzenia w korycie rzeki tuż za jazem 100 bądź stopniem piętrzącym. Po zespoleniu z odpowiednią furtą jazu 100 i podłączeniu do linii odbiorczej, puszcza się wodę i uruchamia generator 12. Wynalazek powoduje minimalną ingerencję w środowisko naturalne rzeki i otoczenia. Koło wodne 7 wolnoobrotowe nie niszczy narybku, większe ryby zabezpieczone są przed wpłynięciem kratą 3. Jest to jednocześnie urządzenie retencyjne. Komputer urządzenia informowany jest poprzez zestaw czujników, umiejscowionych po stronie wysokiej wody na furcie jazu 100, o poziomie wody. Otwierając szerzej zasuwę górną 1 albo zasuwę
4 PL 223 636 B1 dolną 2 albo obie w jazie 100 i podnosząc koło wodne 7, w sposób kontrolowany możliwe jest wypuszczenie nadmiaru wody i utrzymywanie jej poziomu zgodnie z pozwoleniem wodno-prawnym. Jest to bardzo istotna sprawa podczas roztopów, lub dużych opadów deszczu. Możliwe jest i celowe również łączenie zasilania śródsiębiernego z podsiębiernym w celu osiągnięcia maksymalnego efektu. Zasilanie śródsiębierne dzięki odpowiednio wyprofilowanym kierownicom w kanale kierownic 5, woda pod odpowiednim kątem wlewana jest do łopaty koła wodnego 7. Łopaty koła wodnego 7 podzielone mogą być na trzy bądź cztery części. Taka konstrukcja umożliwia sukcesywne napełnianie koła przez strumienie wody, w miarę trwania ruchu obrotowego z jednoczesnym wypychaniem powietrza, bez gwałtownych turbulencji osłabiających sprawność turbiny jako całości. Przeniesienie momentu obrotowego odbywa się za pomocą kół zębatych 8 i łańcuchów napędowych 15 umieszczonych po obu stronach koła wodnego 7. Dzięki temu, że średnica koła zębatego 8 jest trzykrotnie mniejsza od średnicy koła wodnego 7, wzrasta również moment obrotowy. Chłodzenie generatora 12 i przekładni jest jednocześnie ogrzewaniem koła wodnego 7 w zimie, dzięki temu urządzenie pracuje w sposób optymalny również zimą przy dużych mrozach. Usytuowanie zasuwy górnej 1 i zasuwy dolnej 2 umożliwia maksymalne wykorzystanie energii wody, oraz szybką i pewną interwencję w trakcie gwałtownych zjawisk atmosferycznych, przy jednoczesnym zrzucie wody i wykorzystaniu jej nadmiaru do wytwarzania energii elektrycznej. Jednocześnie koryto rzeki nie ulega zamuleniu, a dobrze napowietrzona woda podlega samoczynnemu oczyszczaniu. Łopaty koła wodnego 7 poruszają się w odległości około 0,5 cm od ześlizgu 10, tak więc woda popłynie dalej tylko wtedy, kiedy obróci koło wodne 7. Specjalnie zaprojektowany hamulec, sterowany przez komputer, utrzyma odpowiednie obroty koła wodnego 7 i dzięki temu, przy dużych przepływach, możliwe będzie zamontowanie w jednym piętrzeniu więcej niż jednego urządzenia. Woda, opuszczając łopaty koła wodnego 7 również w sposób kontrolowany i systematyczny, dołoży kilka procent do sprawności zestawu, jako całości. Tak zaprojektowane i zbudowane z blachy kwasowej łopaty koła wodnego 7 i ześlizg 10 umożliwią uzyskanie dużej sprawności urządzenia. Pomimo unoszenia koła wodnego 7 i odsuwania całego zespołu, w trakcie przechodzenia fali powodziowej, urządzenie dalej produkuje energię elektryczną nie blokując koryta rzeki i dzięki maksymalnemu wychyleniu zabezpiecza generator 12 i elektronikę sterującą przed zalaniem wodą. Szerokość koła wodnego 7, w tym przykładzie realizacji, to 200 cm, średnica od 200 cm do 400 cm. Moc zestawu od 40 kw do 210 kw, w zależności od wysokości spiętrzenia i przepływu wody, oraz pojemności wodnej łopat koła wodnego 7. Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do wytwarzania prądu elektrycznego z energii wodnej, zwłaszcza dla niskich spadków wody, jazów lub stopni piętrzących, składające się z koryta umieszczonego w jazie z zasuwami w furcie, przy czym w korycie umocowany jest układ ramion wychylnych z co najmniej jedną turbiną wodną, korzystnie z hamulcem, połączoną z generatorem, znamienne tym, że w jazie (100) ma regulowaną zasuwę górną (1) i regulowaną zasuwę dolną (2), przy czym koryto (23) zamocowane do jazu (100) wyposażone jest w stalowe belki (20) mocowane do dna koryta (23), na których posadowione są betonowe bloki stabilizujące (19). 2. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że turbinę wodną wirnikową stanowi koło wodne (7), umieszczone poprzecznie do kierunku przepływu wody, na układzie ramion wychylnych (6) umożliwiających podnoszenie i odsuwanie koła wodnego (7), wraz z układem przeniesienia obrotów przekładni i generatorem (12), do góry i do tyłu. 3. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że koryto (23) stanowi konstrukcję betonową. 4. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że koryto (23) stanowi konstrukcję stalową. 5. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że koło wodne (7) jest kołem śródsiębiernym. 6. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że koło wodne (7) jest kołem podsiębiernym. 7. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że koło wodne (7) po obu stronach ma wyprowadzone końcówki wałka, na których zamontowane są koła zębate (8), które za pomocą łańcuchów napędowych (15) po obu stronach koła wodnego (7) połączone są z mniejszymi kołami zęb a-
PL 223 636 B1 5 tymi (13) drugiego wałka, połączonego drugim łańcuchem z wałem zdawczym przekładni połączonej z generatorem (12). 8. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że średnica koła (8) jest trzykrotnie mniejsza od średnicy koła wodnego (7). 9. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że układ chłodzenia generatora (12) i przekładni połączony jest z układem ogrzewania koła wodnego (7). 10. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że zasuwa górna (1) w furcie jazu (100) znajduje się około 50 cm pod powierzchnią wody a zasuwa dolna (2) w furcie jazu (100) znajduje się około 20 cm od dna. Rysunki
6 PL 223 636 B1
PL 223 636 B1 7
8 PL 223 636 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)