СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ
ENERGY STORAGE SYSTEM AND METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к системам и способам накопления энергии. Варианты осуществления могут использоваться, например, для накопления энергии, выработанной во время «внепиковых» периодов (т.е. периодов времени, когда энергопотребление ниже, по сравнению с «пиковыми» периодами) и/или энергии, выработанной из возобновляемых источников, включая, но, не ограничиваясь, энергию ветра. В одном конкретном варианте осуществления система для накопления энергии выполнена с возможностью эксплуатации на суше. В другом конкретном варианте осуществления система для накопления энергии выполнена с возможностью эксплуатации в водной акватории, включая, но, не ограничиваясь, океан.
Уровень техники
Обеспечение достаточных объемов энергии для удовлетворения различных нужд общества с каждым годом становится все более актуальной задачей. Обычные источники энергии, такие как уголь, нефть и газ становятся все более дорогостоящими и истощаются. При этом побочные продукты сгорания загрязняют воздух и увеличивают концентрацию в атмосфере углекислого газа, что представляет серьезную угрозу для экологии.
На данный момент гидроаккумулирующие электростанции являются одной из технологий, позволяющих накапливать энергию в значительных объемах. Пример подобной технологии показан в системе 10 по фиг.1. Со ссылкой на фиг.1, в системе используются два больших водных резервуара 102 и 105, расположенные на разной высоте относительно друг друга. Вода 106 нагнетается насосом 101 из нижнего резервуара 102 в верхний резервуар 105 при наличии избыточной энергии, а избыточная энергия (с учетом любых возможных потерь из-за неэффективности) накапливается в системе 10. (Избыточная энергия подается из линии электропередачи 108 и питает электродвигатель 100 через подстанцию 107). Энергия, накапливаемая в системе 10, высвобождается следующим образом. Вода 106, вытекающая из верхнего резервуара 105 проходит через гидравлическую турбину 103 в нижний резервуар 102, вырабатывая механическую энергию. Механическая энергия преобразуется в электрическую энергию генератором 104 и передается в линию электропередачи 108 через подстанцию 107.
Крупные системы, такие как система 10, могут обладать пиковой мощностью свыше 100 мегаватт (MW) и способны накапливать тысячи мегаватт-часов (MW-H). Гидроаккумулирующие электростанции на протяжении нескольких десятилетий широко используются во всем мире для накопления энергии в промышленных масштабах. Однако, географические, геологические и экологические ограничения, связанные с устройством резервуаров для подобных систем, помимо высоких затрат на строительство, делают эту технологию малоперспективной для дальнейшего развития. Таким образом, подобная технология не способна предложить практический способ обеспечения широкой применяемости, энергоемкости, низкой себестоимости и экологичности, необходимых для обеспечения будущего развития экономики, в том числе, например, перевод структуры энергопотребления с углеводородного сырья на источники возобновляемой энергии.
Сущность изобретения
Варианты осуществления настоящего изобретения направлены на системы накопления энергии, способные выступать в качестве надежных, доступных источников энергии для общих нужд, а также краткосрочных источников для промышленных нужд. В конкретных вариантах осуществления системы могут впрягать источники возобновляемой энергии, включая, но, не ограничиваясь, солнечные панели и ветряные турбины. По вариантам осуществления настоящего изобретения, значительная часть энергии, вырабатываемой устройствами, использующими энергию солнца и/или ветра, может передаваться в крупные накопительные установки, которые затем могут высвобождать энергию через какое-то время по мере необходимости.
Применительно к технологиям, таким как гидроаккумулирующие электростанции, варианты осуществления настоящего изобретения направлены на расширение диапазона мест, пригодных для накопления энергии. Признаки вариантов осуществления изобретения включают в себя: большой энергетический потенциал (1000 мегаватт или более); большую энергоемкость (включая, но, не ограничиваясь, обеспечение номинального напряжения в течение 8 или более часов); сведение к минимуму вреда для экологии; а также близость к линиям электропередачи или крупным потребителям электроэнергии, таким как, включая, но, не ограничиваясь, города.
Порой для гидроаккумулирующих электростанций бывает трудно найти объект, отвечающий всем этим признакам. Варианты настоящего изобретения направлены на расширение диапазона объектов пригодных для установки, за счет использования территорий расположенных в большом количестве вблизи крупных городов в США и других странах.
По одному из вариантов осуществления, система для накопления энергии включает в себя, по меньшей мере, одно тело, соединительный элемент для подвешивания по меньшей мере, одного тела, перемещаемого под воздействием силы тяжести из первого поднятого положения во второе поднятое положение, а также электрогенератор, сопряженный, по меньшей мере, с одним телом через соединительный элемент таким образом, чтобы электрогенератор вырабатывал электричество при перемещении, по меньшей мере, одного тела под воздействием силы тяжести из первого поднятого положения во второе поднятое положение. Масса, по меньшей мере, одного тела составляет, по меньшей мере, примерно 100 тонн; (b) первое поднятое положение и второе поднятое положение определяют расстояние между ними, равное, по меньшей мере, примерно 200 метров; и/или (с) система дополнительно включает в себя управляющее устройство, способное использовать соединительный элемент для управляемого перемещения, по меньшей мере, одного тела против действия силы тяжести, из второго поднятого положения в первое поднятое положение с целью увеличения гравитационной потенциальной энергии, по меньшей мере, одного тела, а также для сохранения гравитационной потенциальной энергии, по меньшей мере, одного тела.
Согласно другому варианту осуществления, способ для накопления энергии включает в себя использование соединительного элемента для подвешивания, по меньшей мере, одного тела, перемещаемого под воздействием силы тяжести из первого поднятого положения во второе поднятое положение, а также сопряжение электрогенератора, по меньшей мере, с одним телом через соединительный элемент таким образом, чтобы электрогенератор вырабатывал электричество при перемещении, по меньшей мере, одного тела под воздействием силы тяжести из первого поднятого положения во второе поднятое положение. Масса, по меньшей мере, одного тела составляет, по меньшей мере, примерно 100 тонн; (b) первое поднятое положение и второе поднятое положение определяют расстояние между ними, составляющее, по меньшей мере, примерно 200 метров; и/или (с) способ дополнительно включает в себя управляющее устройство, способное использовать соединительный элемент для управляемого перемещения, по меньшей мере, одного тела против действия силы тяжести из второго поднятого положения в первое поднятое положение с целью увеличения гравитационной потенциальной энергии, по меньшей мере, одного тела, а также для сохранения гравитационной потенциальной энергии, по меньшей мере, одного тела.
Эти и другие аспекты станут очевидны из следующих чертежей и подробного описания типовых вариантов осуществления.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана общая схема системы накопления энергии с гидроаккумулирующей электростанцией.
На фиг.2 показана общая схема системы накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
На фиг.3 изображена система накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
На фиг.4 изображен соляной купол.
На фиг.5 изображена система накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
На фиг.6 изображена система накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
На фиг.7 изображена система накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
На фигурах 8А и 8В, соответственно показаны вид сверху и вид сбоку накопительных грузов по одному из вариантов осуществления.
На фиг.9 изображен накопительный стеллаж по одному из вариантов осуществления.
На фигурах 10А, 10В и 10С изображено функционирование ловителя по одному из вариантов осуществления.
На фигурах 11А, 11В и НС изображена фрикционная приводная подъемная система по одному из вариантов осуществления.
На фиг.12 изображена система накопления энергии по одному из вариантов осуществления, а на фиг.12А показ вид в разрезе плавучей платформы по одному из вариантов осуществления.
На фиг.13 изображена система накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
На фигурах 14А и 14В соответственно показаны вид сверху и вид сбоку накопительных грузов по одному из вариантов осуществления.
На фиг.15 изображен накопительный стеллаж по одному из вариантов осуществления.
На фигурах 16А, 16В и 16С изображено функционирование ловителя по одному из вариантов осуществления.
На фигурах 17А и 17В изображено функционирование системы накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
На фиг.18 изображена система накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
На фиг.19 изображена система накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
На фиг.20 изображена система накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
На фиг.21 изображена система накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
На фиг.22 изображена система накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
На фиг.23 показан способ накопления энергии по одному из вариантов осуществления.
Подробное описание изобретения
Следующее подробное описание является наилучшим на данный момент способом реализации вариантов осуществления настоящего изобретения. Настоящее описание следует рассматривать не как ограничивающее, а лишь поясняющее общие принципы вариантов осуществления изобретения. Объем изобретения наиболее точно определен в прилагаемой формуле изобретения.
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к системам и способам для накопления энергии, которые могут использоваться, например, для накопления энергии выработанной во время «внепиковых» периодов (т.е. периодов времени, когда спрос на электроэнергию значительно ниже, по сравнению с периодами «пиковой нагрузки») и/или энергии, полученной из возобновляемых источников, таких как энергия ветра и солнца. В конкретных вариантах осуществления способы и системы для накопления энергии выполнены с возможностью эксплуатации на суше. В других конкретных вариантах осуществления способы и системы для накопления энергии выполнены с возможностью эксплуатации в водной акватории, включая, но, не ограничиваясь, океан.
По одному из вариантов осуществления, считается, что потребление энергии в «пиковые» периоды примерно на 50% превышает спрос на электроэнергию во внепиковые периоды. В других вариантах осуществления, спрос на электроэнергию в «пиковые» периоды может рассчитываться из других соответствующих значений, включая, но, не ограничиваясь, примерно на 100 или 200% выше уровня спроса на электроэнергию во внепиковые периоды.
Один из аспектов изобретения предусматривает накопление внепиковой энергия и/или возобновляемой энергии для использования во время пиковых периодов. В этой связи, согласно вариантам осуществления изобретения, системы накопления энергии могут выступать в качестве надежных, доступных источников энергии для общих нужд, а также краткосрочных источников для промышленных нужд. Согласно конкретным вариантам осуществления настоящего изобретения, значительная часть энергии, вырабатываемой устройствами, использующими энергию солнца и ветра, передается в энергонакопительные системы, которые затем могут высвобождать энергию, например, по мере необходимости.
На фиг.2 показана общая схема системы 20 по вариантам осуществления настоящего изобретения. Типовые варианты осуществления системы 20 описаны здесь применительно к эксплуатации на суше и на море. Со ссылкой на фиг.2 показан накопительный груз 202, который подвешен на соединительном элементе 205 и предназначен для перемещения, в целом, по вертикальной траектории. В конкретных вариантах осуществления траектория проходит, по существу, вертикально (т.е. параллельно направлению силы тяжести). В других вариантах осуществления траектория может проходить под углом, при этом, например, вертикальный компонент траектории, направлен под углом вниз. В конкретных вариантах осуществления вертикальная часть траектории может быть соответствующей длины, например, включая, но, не ограничиваясь, длину примерно 1000 метров или более. В одном конкретном варианте осуществления вертикальная длина траектории составляет около 6000 метров. По одному из вариантов осуществления груз 202 изготовлен из материала с высокой плотностью, включая, но, не ограничиваясь, бетон, армированный бетон и/или сталь. По конкретным вариантам осуществления масса груза 202 составляет, по меньшей мере, примерно 100 тонн или, по меньшей мере, примерно 1000 тонн. Для снижения себестоимости материал с высокой плотностью может быть материалом с относительно низкой себестоимостью. По конкретным вариантам осуществления, соединительный элемент 205 может быть любым соответствующим устройством, включая, но, не ограничиваясь, кабель, провод, канат, ремень или цепь.
Управляющее устройство 201 сопряжено с соединительным элементом 205. Управляющее устройство 201 использует соединительный элементом 205 для перемещения груза 202 против направления силы тяжести, как это будет более подробно описано ниже. По одному из вариантов осуществления управляющим устройством 201 является подъемное устройство. Подъемное устройство 201 может быть сопряжено с двигателем 200, приводящим в движение подъемное устройство 201. В некоторых вариантах осуществления двигатель 200 сопряжен с (либо может функционировать как) генератор(ом). Двигатель и/или генератор 200 могут быть сопряжены с подстанцией 203.
Подстанция 203 предназначена для преобразования электроэнергии от «передающего» источника «распределенным» получателям. В частности, подстанция 203 может включать в себя трансформаторы, понижающие передаваемое напряжение (например, порядка десятков или сотен тысяч вольт) до распределяемого напряжения, которое, например, может быть менее 10000 вольт. В подстанции 203 может иметься шина, которая может разделять распределяемую электроэнергию по нескольким направлениям. В подстанции 203 также могут иметься прерыватели цепи и переключатели для того, чтобы, при необходимости, подстанцию 203 можно было отключить от передающих источников и/или распределенных получателей.
Подстанция сопряжена с устройством передачи электроэнергии, таким как, включая, но, не ограничиваясь, линия электропередачи 204. Линия электропередачи 204 может служить источником питания для системы 20. В других вариантах осуществления источниками питания могут быть одно или более устройств, использующих возобновляемую энергию, такие как, включая, но, не ограничиваясь, ветряная турбина или солнечная панель. Линия электропередачи 204 также может принимать электроэнергию, выделяемую системой 20, и передавать эту электроэнергию получателям.
Также на фиг.2, во время эксплуатации, напряжение подается из источника, например, линии электропередачи 204. В вариантах осуществления, где напряжение подается из промышленного источника, такого как линия электропередачи, напряжение преобразуется подстанцией 203 до уровня, используемого в двигателе 200. Двигатель 200 приводит в действие подъемное устройство 201, поднимающее накопительный груз 202 из первого поднятого положения (наиболее удаленного от подъемного устройства 201) во второе поднятое положение (наиболее приближенное к подъемному устройству 201). Как таковая, гравитационная потенциальная энергия накопительного груза 202 увеличивается, а увеличенная энергия накапливается в системе (например, за счет поддержания гравитационной потенциальной энергии накопительного груза 202).
Накопленная энергия высвобождается при опускании накопительного груза 202. При понижении накопительного груза барабан подъемного устройства 201 поворачивается, что эффективно заставляет двигатель/генератор 200 вырабатывать электроэнергию. Электрическая энергия подготавливается подстанцией 203 для передачи в линию электропередачи 204.
Как таковая, энергия, вырабатываемая во время внепиковых периодов (например, периодов времени, когда спрос на электроэнергию относительно мал) может накапливаться в системе 20 для последующего использования (например, в пиковые периоды, когда спрос на электроэнергию относительно высок). Например, подобная внепиковая энергия может использоваться для поднятия накопительного груза 202 во второе поднятое положение во время внепиковых периодов. Как таковая, внепиковая энергия (или значительная часть внепиковой энергии) накапливается в системе 20. Накопленная энергия может высвобождаться в периоды пиковых нагрузок за счет отпускания груза 202 таким образом, чтобы он опускался обратно в первое поднятое положение, тем самым, вырабатывая энергию для использования во время периодов пиковой нагрузки.
Система 20 выполнена с возможностью накапливать требуемое количество (или требуемые количества) энергии. Например, подобная система способна накапливать определенное количество энергии, если масса груза 202 и/или вертикальная длина траектории (т.е. траектории вдоль которой опускается и поднимается груз 202) подобраны соответствующим образом. Например, если груз изготовлен из бетона, то поскольку плотность бетона составляет примерно 2500 кг на кубический метр, подобный груз создает направленное вниз усилие примерно в 24 525 (N) ньютонов на кубический метр. Энергия (работа) высвобождаемая при опускании одного кубического метра бетона с высоты 1000 метров может быть рассчитана следующим образом:
W = Сила × расстояние = 24525 N × 1000 м = 24.525 мегаджоулей = ~6.8 киловатт/часов.
По одному из вариантов осуществления, груз 202 опускается (или поднимается), в целом, с постоянной скоростью, таким образом, чтобы энергия высвобождалась (или накапливалась) с соответствующей постоянной скоростью. По другим вариантам осуществления, груз 202 опускается (или поднимается) с двумя или более разными скоростями, например, с одной скоростью на протяжении первых 500 метров, и с другой скоростью на протяжении остатка траектории, таким образом, чтобы энергия высвобождалась (или накапливалась) с двумя разными скоростями. Например, на начальном участке траектории груз может опускаться с определенной скоростью, а затем, на втором участке траектории, вслед за первым участком, груз опускается со скоростью в два раза меньше скорости, используемой на начальном участке. Как таковая, энергия при прохождении второго участка выделяется со скоростью примерно в раза меньше скорости, с которой энергия выделяется на начальном участке. Это может соответствовать более высокому спросу на энергию во время прохождения начального участка по сравнению со спросом на энергию во время прохождения второго участка. По другим вариантам осуществления, опускание (или поднимание) груза 202 может ускоряться или замедляться таким образом, чтобы скорость, с которой энергия высвобождается (накапливается) также соответственно увеличивалась или замедлялась.
По одному из вариантов осуществления эффективность накопления (т.е. соотношение скорости выработки электроэнергии системой 20 к скорости накопления электроэнергии в системе 20) можно повысить за счет опускания груза 202 с относительно невысокой скоростью для сведения к минимуму (или, по меньшей мере, сокращения) потерь на сопротивление, возникающих при опускании груза 202.
На фиг.3 показан вид сбоку варианта осуществления системы 30, установленной на суше. Со ссылкой на фиг.3, силовая станция 305 опирается на земную поверхность 306. Силовая станция 305 может быть установлена непосредственно на земной поверхности 306. В других вариантах осуществления силовая станция 306 может быть установлена над земной поверхностью, например на платформе, таким образом, чтобы силовая станция располагалась над земной поверхностью. Силовая станция 305 может быть сопряжена с устройствами/системами, такими как подстанция 203 и линия электропередачи 204 по фиг.2.
Силовая станция включает в себя подъемное устройство 301. Подъемное устройство 301 сопряжено с подъемным кабелем 302, который может быть намотан на барабан подъемного устройства 301. Груз 303 подвешен на подъемном кабеле 302. В других вариантах осуществления вместо кабеля для подвешивания груза 303 могут использоваться ремень или цепь. Груз подвешивается таким образом, чтобы его можно было опускать или поднимать в шахте 304. Как это будет описано более подробно ниже, шахта 304 может быть оборудована в таком месте как, включая, но, не ограничиваясь, соляной купол. По одному из вариантов осуществления шахта 304 расположена, в целом, вертикально (т.е. параллельно направлению силы тяжести). По другим вариантам осуществления шахта может быть расположена под углом, при этом, вертикальный компонент траектории, направлен под углом вниз. По одному из дополнительных вариантов осуществления, глубина шахты 304 составляет примерно от 1000 до 6000 метров.
Аналогично системе по фиг.2, подъемное устройство 301 может быть сопряжено с двигателем/генератором для выработки электроэнергии, передаваемой в линию электропередачи (например, линию электропередачи 204 по фиг.2) через передающие линии. По одному из дополнительных вариантов осуществления, между подъемным устройством 301 и двигателем/генератором установлена коробка передач для увеличения числа оборотов двигателя/генератора. По еще одному дополнительному варианту осуществления, между двигателем/генератором и линией электропередачи установлена система энергопреобразования (например, подстанция 203 по фиг.2), предназначенная для преобразования электроэнергии, вырабатываемой генератором в соответствующую (приемлемую) форму для ее передачи в линию электропередачи и/или преобразования электроэнергии из линии электропередачи в соответствующую форму для приведения в движение двигателя.
Со ссылкой на фиг.3, накопление энергии в системе 30 происходит при приведении в действие подъемного устройства 301 (например, используя для питания двигателя/генератора электроэнергию из линии электропередачи) поднимающего накопительный груз 303, против силы тяжести, в первое поднятое положение. Энергия, накопленная в системе 30, высвобождается когда накопительный груз 303 опускается таким образом, чтобы он перемещался в направлении силы тяжести. Поскольку груз 303 остается сопряженным с подъемным устройством 301 через подъемный кабель 302, во время перемещения груза 303 вниз шахты 304 подъемное устройство 301 поворачивается. Перемещение груза 303 поворачивает подъемное устройство 301, тем самым, вырабатывая электроэнергию энергию, как это было описано ранее.
Как это было описано ранее со ссылкой на фиг.2, груз в системе может опускаться (или подниматься) с двумя или более разными скоростями. Со ссылкой на фиг.3, в одном из вариантов осуществления, скорость, с которой груз 303 поднимается подъемным устройством 301, регулируется электроникой. Например, по одному из вариантов осуществления, двигатель/генератор, приводящий в движение подъемное устройство 301, управляется цепью управления, сопряженной с двигателем/генератором для управления скоростью, с которой подъемный кабель 302 поднимается подъемным устройством 301. По другому варианту осуществления, подобная цепь управления может быть сопряжена с подъемным устройством 301 для управления подобной скоростью.
Также со ссылкой на фиг.3, в одном из вариантов осуществления, скорость, с которой груз 303 опускается подъемным устройством 301, регулируется за счет подбора рабочей частоты генератора (например, генератора 200 по фиг.2), сопряженного с подъемным устройством. При подборе рабочей частоты определенной величины соответственно задается скорость, с которой опускается груз 303. Как вариант, если подобный генератор синхронизирован с линией электропередачи (например, линией электропередачи 204 по фиг.2), то скорость, с которой опускается груз 303 может регулироваться путем выбора передаточного числа в коробке передач. Например, по одному из вариантов осуществления, коробка передач может быть установлена между подъемным устройством 301 и генератором (см. например, фиг.21). При выборе передаточного числа определенной величины в подобной коробке передач, соответственно устанавливается скорость, с которой опускается груз 303.
Также, со ссылкой на фиг.3, в одном из альтернативных вариантов осуществления, скорость, с которой груз 303 опускается подъемным устройством 301, регулируется механически. Например, по одному из вариантов осуществления для регулирования скорости, с которой подъемный кабель 302 вытягивается из подъемного устройства 301, используется демпфирующее устройство (обеспечивающее один или несколько уровней демпфирования). Подобное демпфирующее устройство может включать в себя, но не ограничиваться, регулирующий зажим, выполненный с возможностью увеличивать сопротивление вращению барабана в подъемном устройстве 301. По другому варианту осуществления, подъемное устройство 301 включает в себя устройство, задающее подобное сопротивление (такое как, включая, но, не ограничиваясь, винт, который может быть затянут или ослаблен). Демпфирующее устройство, описанное выше, может управляться вручную (например, из помещения, в которое имеется доступ для обслуживающего персонала) или при помощи электронного управляющего устройства, такого как исполнительный механизм.
Затраты на строительство системы 30 могут быть сокращены, например, за счет сокращения расходов на строительство, в целом, вертикальной шахты (например, шахты 304 по фиг.3). Расходы, связанные со строительством шахты могут зависеть от наличия подземного пласта, в котором легче производить бурение подобной шахты.
По одному из вариантов осуществления шахта строится в месте, где имеются достаточно большие залежи относительно мягкого материала, например мягкого минерала. По конкретному варианту осуществления, шахта строится в соляном куполе. Соляной купол - это залежи соли, которые, например, могут достигать десяти километров в ширину и шести (или более) километров в глубину. Они могут состоять, преимущественно, из кристаллизованного хлорида натрия (т.е. каменой соли), которая является очень мягким минералом.
На фиг.4 в поперечном сечении показан вид местности с соляным куполом 400. Соляной купол может располагаться вблизи от нескольких пластов подземных ископаемых. Пласты подземных ископаемых могут быть иным веществом, имеющим большую твердость, чем каменная соль.
По одному из вариантов осуществления примером подходящего соляного купола является тот, в котором карстовые пустоты обычно созданы методом добычи растворением. Подобные соляные купола обычно используются для хранения природного газа или продуктов нефтепереработки (например, карстовые пустоты 421, 422, 423, 424 по фиг.4).
На фиг.5 показана накопительная система по одному из вариантов осуществления. Силовая станция 305 установлена в (или вблизи) верхней части шахты 304, а накопительный груз 302 подвешен для перемещения по вертикали внутри шахты. Части шахты могут быть окружены вскрышкой 500 и покрывающей породой 501. Основная часть шахты может быть окружена соляным куполом 502. Подобная шахта может быть построена, например, с использованием буровой техники, а зерна породы подняты на поверхность вместе с буровым раствором. По одному из вариантов осуществления, по меньшей мере, часть шахты выложена усиливающим материалом, таким как, включая, но, не ограничиваясь, бетон, сталь или аналогичный материал, для снижения вероятности обрушения или сползания почвы.
В местах расположения некоторых соляных куполов имеется возможность сооружения глубоких шахт, а простота строительства шахт обеспечивает большой накопительный потенциал для каждой из шахт. Например, шахта шириной 10 метров и глубиной 6 километров обладает достаточным пространством для использования бетонного груза массой свыше 100000 тонн, тем самым, обеспечивая накопительную емкость порядка трех гигаватт/час.
По вариантам осуществления настоящего изобретения, за счет относительно большого поперечного диаметра отдельные соляные купола могут вмещать две и более систем (например, систем 30). На фиг.6 показан соляной купол 600, вмещающий несколько шахт 304, в каждой шахте имеется соответствующая силовая станция 305. (Соседние (или близлежащие) шахты и силовые станции удалены друг от друга на достаточное расстояние). Например, соляной купол с поперечным диаметром 2 километра имеет площадь поперечного сечения около 3 квадратных километров. Если площадь, занимаемая каждой силовой станцией 305 (обеспечивающая свободный доступ к силовой станции), составляет примерно 250 кв.м., то соляной купол может вместить в общей сложности 12000 пар силовых станций/шахт. Каждая из подобных пар обеспечивает 25 мегаватт электроэнергии в течение восьми часов или 200 мегаватт-часов, а совокупная емкость объекта может составлять 300 гигаватт в течение 8 часов или 2 400 гигаватт-часов.
По одному из вариантов осуществления, система выполнена с возможностью опускать или поднимать два или более грузов. Например, грузы опускаются или поднимаются подъемным устройством по отдельности (например, по одному). На фиг.7 в системе используется группа из накопительных грузов 704а, 704b, 704с, 704d, 704e, 704f и 704g. Отдельные грузы могут быть сопряжены с подъемным устройством 701 через подъемный кабель 703. По одному из вариантов осуществления грузы, в целом, имеют равную, относительно друг друга, массу, а их размеры и форма, в целом, также одинаковы. По другому варианту осуществления, грузы имеют разную, относительно друг друга, массу и/или разные размеры и форму. Как уже отмечалось ранее, массы грузов могут подбираться таким образом, чтобы определять количество вырабатываемой (или накапливаемой) энергии при опускании (или поднимании) грузов из (или в) более высокое положение.
В более высоком положении грузы 704b-704g опираются на стеллаж 702, расположенный в (или около) верхней части шахты 704. Пример стеллажа 702 будет более подробно рассмотрен ниже, со ссылкой на фиг.9. В нижнем положении грузы могут лежать друг на друге и/или на основании (например, основании 806 по фиг.8В), расположенном у (или около) дна шахты 704.
На фиг.8А показан вид сверху накопительного груза 804а по одному из вариантов осуществления. По одному из вариантов осуществления накопительный груз 804А в поперечном сечении имеет круглую форму. По другим вариантам осуществления накопительный груз в поперечном сечении имеет овальную, квадратную или прямоугольную форму. В грузе 804а может иметься принимающее устройство 805, взаимодействующее с подвесным кабелем (например, подвесным кабелем 703 по фиг.7) для облегчения подъема и опускания груза 804а внутри шахты. По одному из вариантов осуществления, груз изготовлен из бетона, армированного бетона или иного подходящего материала с высокой плотностью. По одному из вариантов осуществления, принимающее устройство 805 ловителя изготовлено из прочного материала, такого как, включая, но, не ограничиваясь, сталь.
На фиг.8В показан вид в разрезе стеллажа с накопительными грузами в опущенном положении по одному из вариантов осуществления. Груз 804 с лежит непосредственно на основании 806. Грузы 804b и 804а лежат, соответственно, на грузах 804с и 804b.
Как было описано ранее, в поднятом положении грузы могут опираться на стеллаж, расположенный в верхней части шахты. На фиг.9 показан вид накопительного стеллажа 900 в поперечном сечении по одному из вариантов осуществления. В накопительном стеллаже имеется каркас 901, размеры которого позволяют устанавливать его внутри шахты (например, шахты 704 по фиг.7). Каркас может включать в себя, например, цилиндрическую трубчатую конструкцию или иную подходящую конструкцию, образующую одну или более стенок по окружности шахты (например, шахты 704), по меньшей мере, вдоль части длины шахты.
По одному из вариантов осуществления, каркас 901 выполнен с возможностью образовывать одну или более стенок рядом с противоположными краями каждого груза. По одному из вариантов осуществления, каркас 901 включает в себя засовы 902 (например, засовы 902а и 902b) с выдвижными выступающими элементами, которые могут выдвигаться из и убираться в каркас 901. Засовы 902а и 902b выполнены с возможностью удерживать грузы по месту, так как это требуется. Засовы 902а показаны в выдвинутом положении для поддержки накопительных грузов 904а и 904b. По одному из вариантов осуществления, в выдвинутом положении засовы выполнены с возможностью выборочно входить в зацепление с одной или более торцевыми поверхностями, такими как, включая, но, не ограничиваясь, нижняя поверхность грузов. По другому варианту осуществления, засовы выполнены с возможностью выборочно входить в зацепление и заходить в одно или более углублений (таких как, включая, но, не ограничиваясь, пазы) в грузах. Засовы 902b показаны в убранном положении. Тем не менее, засовы 902b могут выдвигаться для приема следующего груза, поднятого в верхнее положение. По одному из вариантов осуществления, в убранном состоянии, засовы выполнены с возможностью убираться в положение, в котором засовы расцепляются с грузами; например, включая, но, не ограничиваясь, положение внутри углублений (включая, но, не ограничиваясь, пазы) в каркасе 901.
Как было описано ранее, засовы могут управляемо выдвигаться из и убираться в каркас. По одному из вариантов осуществления засовы оснащены исполнительными механизмами, которые управляют выборочным выдвижением и убиранием засовов. В дополнительном варианте осуществления исполнительные механизмы управляются вручную при помощи, например, рычагов или переключателей, которые могут управляться вручную из помещения, в которое имеется доступ для обслуживающего персонала.
По еще одному дополнительному варианту осуществления, исполнительные механизмы управляются электроникой. Исполнительные механизмы взаимодействуют с электронной цепью через, например, один или более проводных или беспроводных каналов связи. Примеры электропроводящих соединительных элементов включают в себя, но не ограничиваются, электрические провода или кабели. Управление исполнительными механизмами через электронную цепь может осуществлять при помощи аппаратных или программных средств. Например, датчики, регистрирующие нахождение груза в определенном положении могут включать исполнительные механизмы, выдвигающие засов(ы) из убранного положения (см. например, засов 902b по фиг.9) в выдвинутое положение (см. например засов 902а по фиг.9). Также, например, компьютерная программа, определяющая спрос на дополнительную электроэнергию в определенный момент времени может включать исполнительный механизм для убирания соответствующего засова(ов) из выдвинутого в убранное положение, таким образом, чтобы груз, заблокированный засовом, освобождался из стеллажа.
Другие управляющие стандартные программы для управления временем выдвижения или убирания (с целью выборочного удержания или освобождения грузов) могут использоваться вместе с соответствующими аппаратными и/или программными средствами и соответствующими средствами электронной обработки стандартных программ и передачи управляющих сигналов на исполнительные механизмы засовов. Действие подобных управляющих стандартных программ, по меньшей мере, частично может быть основано на определении наличия груза или определении спроса на дополнительную электроэнергию (например, если спрос превышает определенное пороговое значение) и/или иных факторах, включая, но, не ограничиваясь, заданные временные интервалы, дни, состояние окружающей среды или ручной ввод данных.
Несмотря на то, что в варианте осуществления по фиг.9 показано, что засовы расположены на одной или нескольких стенках каркаса 901, а углубления или улавливающие поверхности - в грузах 904а-b, в других вариантах осуществления убирающиеся/выступающие засовы могут быть располагаться в грузах, а принимающие устройства могут располагаться в каркасе или на стеллаже. В еще одних вариантах осуществления засовы могут быть вращающимися элементами, как это будет более подробно рассмотрено ниже на примере фиг.15.
По одному из вариантов осуществления, для накопления (или высвобождения) энергии подъемное устройство 701 поднимает (или опускает) накопительные грузы, по отдельности, для расположения грузов у верхней (или нижней) части шахты. Со ссылкой на фигуры 10А, 10В и 10С более подробно показан пример работы ловителя. Ловитель 1000 расположен на конце подвижного подъемного кабеля 1010. Ловитель состоит из центральной части 1000а и одного или более выступающих элементов 1000b, В ловителе также может быть внутренний канал, через который может проходить соединительное устройство, такое как, включая, но, не ограничиваясь, кабель или провод. В одном из вариантов осуществления, выступающие элементы 1000b шарнирно сопряжены с центральной частью 1000а. В дополнительных вариантах осуществления выступающие элементы поворачиваются из первого положения (открытого положения), при котором часть элемента выступает сбоку за ширину центральной части, и второго положения (закрытого положения), при котором элемент выровнен с (или в пределах) границ(ами) центральной части.
Ловитель 1000 управляется с возможностью перевода в закрытое положение или открытое положение. По одному из вариантов осуществления ловитель управляется с возможностью переключения между двумя этими положениями аналогично тому, как управляются засовы 902 по фиг.9, как это описано со ссылкой на фиг.9. Например, выступающие элементы 1000b могут быть оснащены исполнительными механизмами, которые управляются для выборочного поворота выступающих элементов. В дополнительном варианте осуществления исполнительные механизмы управляются вручную, при помощи, например, рычагов или переключателей, которые могут управляться вручную.
По дополнительным вариантам осуществления исполнительные механизмы управляются электроникой. Исполнительные механизмы взаимодействуют с электронной цепью, например, через один или более проводных или беспроводных каналов связи. Примеры электропроводящих соединительных элементов включают в себя, но не ограничиваются, электрические провода или кабели. Управление исполнительными механизмами через электронную цепь может осуществлять при помощи аппаратных или программных средств. Например, датчики, регистрирующие нахождение груза вокруг центральной части 1000а могут включать исполнительные механизмы, поворачивающие выступающие элементы из закрытого положения (см. например, фиг.10А) в открытое положение (см. например фиг.10В). Также, например, компьютерная программа, определяющая спрос на дополнительную электроэнергию в определенный момент времени и расположение груза вокруг центральной части 1000а, может включать исполнительный механизм для поворота выступающего элемента из закрытого положения в открытое положение, таким образом, чтобы зацепленный груз мог быть опущен. По одному из вариантов осуществления, управление выступающим элементом ловителя координируется с управлением засовами (например, засовами 902 по фиг.9), которые блокируют положение грузов, например, таким образом, чтобы ловитель находился в открытом положении, до тех пор, пока засовы, входящие в зацепление с определенным грузом, не уберутся, освободив груз.
Как было описано ранее со ссылкой на засовы 902 по фиг.9, другие управляющие стандартные программы для управления временем открытия или закрытия ловителя (с целью выборочного удержания или освобождения грузов) могут использоваться вместе с соответствующими аппаратными и/или программными средствами и соответствующими средствами электронной обработки стандартных программ и передачи управляющих сигналов на исполнительные механизмы ловителя.
Направляющий соединительный элемент 1020 проходит через канал в ловителе 1000 и, по меньшей мере, часть подъемного кабеля 1010. В вариантах осуществления изобретения направляющий соединительный элемент 1020 может включать в себя, но не ограничиваться, направляющий кабель, направляющий провод или направляющую трубку. Положение направляющего соединительного элемента 1020 может быть неподвижно закреплено, например, путем крепления одного конца направляющего соединительного элемента на неподвижном элементе (например, основании 1040 по фиг.10А). Для лучшего понимания, направляющий соединительный элемент 1020 будет именоваться направляющим кабелем.
На фиг.10 показано зацепление ловителя с грузом 1030, который предстоит поднять. На фиг.10А ловитель 1000 находится в закрытом положении, а груз 1030 лежит на основании 1040. Направляемый направляющим кабелем 1020, закрытый ловитель 1000 и подъемный кабель 1010 могут быть опущены ниже принимающего устройства 1031 для ловителя в накопительном грузе 1030. Поскольку ловитель 1000 находится в закрытом положении он может пройти через принимающее устройство 1031 в канал 1032 груза 1030.
На фиг.10В ловитель 1000 показан в открытом положении. В этом положении выступы 1001 отходят от корпуса ловителя 1000. Выступы 1001 выполнены с возможностью входить в зацепление с принимающим устройством 1031 для ловителя в грузе 1030. Поэтому, когда открытый ловитель 1000 и подъемный кабель 1010 поднимаются вдоль канала 1032, выступы 1001 входят в зацепление с принимающим устройством 1031 для ловителя, а груз 1030 может быть поднят подъемным кабелем 1010 (см., например, фиг.10С). Поднимаемые грузы направляются направляющим кабелем 1020. Направляющий кабель 1020 обеспечивает, чтобы грузы были соответствующим образом выровнены с основанием 1040 (во время опускания накопительных грузов), а также направляет поднимаемые грузы в накопительный стеллаж (например, стеллаж 900 по фиг.9). Например, направляющий кабель 1020 может позволять ловителю 1000 быстро входить в зацепление с накопительным грузом 1030 если требуется поднять накопительный груз 1030 и снова вернуть его на стеллаж (например, стеллаж 900 по фиг.9).
Как таковой, ловитель 1000 может использоваться для поднятия отдельных грузов из шахты. Аналогичным образом, ловитель может входить в зацепление с отдельными грузами (например, при помощи принимающего устройства 1001 для ловителя) таким образом, чтобы можно было опускать грузы по отдельности в шахту. Например, из верхнего положения закрытый ловитель опускается ниже принимающего устройства для ловителя в выбранном грузе и раскрывается для вхождения в зацепление с принимающим устройством для ловителя. После того как груз разблокирован на стеллаже (например, засовы, поддерживающие груз убираются в стеллаж), при опускании подъемного кабеля и ловителя груз опускается в шахту. После того как груз достигает дна шахты, ловитель 1000 переводится в закрытое положение для расцепления с грузом. После этого подъемный кабель 1010 и ловитель 1000 могут быть подняты для извлечения очередного груза.
Распределение массы одного груза на несколько грузов может уменьшить нагрузку, воздействующую на устройства, такие как подъемное устройство и подъемный кабель. Грузы, вес каждого из которых незначительно превышает 100 тонн, при опускании со скоростью 10 метров секунду могут вырабатывать 10 мегаватт электроэнергии. Использование более одной системы (например, системы, описанной со ссылкой на фиг.7) совместно (или каскадом) друг с другом может обеспечивать более равномерную выработку электроэнергии или более равномерный уровень накопления электроэнергии во временном плане.
По одному из вариантов осуществления, для поднятия или опускания грузов в системе с несколькими грузами используется фрикционная приводная подъемная система 110. На фиг.11А подъемный шкив 1101 функционально сопряжен с подъемными шкивами 1102 и 1103. Шкив 1108 также функционально сопряжен с подъемными шкивами 1102 и 1103. Подъемные шкивы 1102 и 1103 могут поднимать и опускать соответствующий набор грузов по направляющим 1104 и 1105. При поднятии грузов один или более шкивов могут быть функционально сопряжены с приводным устройством (таким как, включая, но, не ограничиваясь, двигатель), передающим приводное усилие для поднятия груза. Например, подъемный шкив 1101 может быть функционально сопряжен с подобным приводным устройством. На фиг.11В барабаны подъемных шкивов 1102 и 1103 вращаются против часовой стрелки для поднятия ловителей 1106 и 1107. По одному из вариантов осуществления в подъемной системе 110 используются ловители, например (включая, но, не ограничиваясь) ловители, аналогичные ловителю 1000, который был описан со ссылкой на фигуры 10А, 10В и 10С. Например, когда ловитель 1106 входит в зацепление с грузом для опускания груза из верхней части шахты в нижнюю часть шахты, барабан подъемного шкива 1103 вращается по часовой стрелке. Одновременно, барабан подъемного шкива 1102 вращается в направлении против часовой стрелки, тем самым поднимая ловитель 1107 в направлении верхней части шахты.
Использование двух ловителей 1106 и 1107 при помощи одной кабельной петли 1109 может позволить сделать систему 110 более эффективной. Например, если один ловитель (например, ловитель 1106) перемещает груз из верхней части шахты в нижнюю, другой ловитель (например, ловитель 1107) поднимается, без груза, из нижней части шахты в верхнюю. Первый ловитель ставит свой груз (например, на основание 1110), а второй ловитель входит в зацепление с грузом и транспортирует его на дно шахты и т.д. Хотя на фиг.11А показаны лишь четыре груза, других вариантах осуществления системы количество используемых грузов может быть меньше или больше четырех На фиг.11C показала шахта в поперечном сечении. Два груза 1111 и 1112 подготовлены для перемещения по соответствующим направляющим 1104 и 1105.
По некоторым вариантам осуществления, системы, аналогичные тем которые описаны выше (например, система 20 по фиг.2) выполнены е возможностью их использования в водной акватории, включая, но, не ограничиваясь, крупные акватории, например, океан, море, глубокие озера и проч.
На фиг.12 показан вид сбоку системы 120 морского базирования по одному из вариантов осуществления. Система включает в себя плавучую платформу 1210 По типовому варианту осуществления платформа 1210 состоит из одного или нескольких цилиндрических плавучих элементов (см. например, элементы 1211, показанные в поперечном сечении на фиг.12А). По дополнительному варианту осуществления цилиндрические элементы 1211, в целом, являются пустотелыми, водонепроницаемыми закрытыми контейнерами, заполненными материалом, плотность которого меньше плотности воды (например, воздухом) для повышения плавучести платформы 1210 По дополнительному варианту осуществления, цилиндрические элементы 1211 содержат материал (например, пену с низкой плотностью) для предотвращения того, чтобы в случае протечки элементы не заполнялись водой и не тонули. По другому дополнительному варианту осуществления, внутри цилиндрических элементов могут быть установлены внутренние усилительные конструкции (например, поперечины) для повышения прочности конструкции.
В других вариантах осуществления элементы 1211 могут иметь другую форму, такую как, включая, но, не ограничиваясь, полигональных ячеек или сфер.
По одному из вариантов осуществления стенки цилиндрических элементов изготовлены из стали или соответствующего прочного и/или долговечного материала Платформа, образованная из цилиндрических элементов, вроде тех, которые описаны со ссылкой на фигуры 12 и 12А, известна как spar платформа. По альтернативным вариантам осуществления плавучие платформы могут быть иной соответствующей конструкции
Также со ссылкой на фиг.12, на платформе 1210 установлена силовая станция 1200, например, у одного из краев платформы. Как было описано в предыдущих вариантах осуществления, силовая станция 1200 может включать в себя подъемное устройство 1201, двигатель/генератор, а также иное соответствующее оборудование Балласт 1220 находится, например, на противоположном краю платформы 1210 относительно того края. у которого расположена силовая станция. Как будут более подробно описано ниже, балласт 1220 предназначен для выравнивания системы 120 перед началом эксплуатации.
По другим вариантам осуществления, силовая установка 1200 (например, подъемное устройство 1201, двигатель/генератор и соответствующее оборудование) может располагаться на платформе (например, в отсеке внутри платформы) рядом с балластом 1220, таким образом, чтобы понизить центр тяжести системы 120. Это позволяет погрузить систему глубже под воду и сделать ее менее подверженной колебаниям в результате воздействия ветра и подводных течений. Например, по одному из вариантов осуществления силовая станция 1200 может располагаться непосредственно над балластом 1220. В одном из вариантов осуществления, при котором силовая станция 1200 расположена в отсеке внутри платформы 1210, в отсеке может быть создано избыточное давление и/или он может быть загерметизирован для предотвращения проникновения в отсек воды.
Со ссылкой на фиг.12А, в платформе 1210 имеется, в целом, вертикальный канал или проход 1212, расположенный в целом, в центре платформы. Канал может быть образован элементом, таким как, включая, но, не ограничиваясь, цилиндрический элемент, такой как трубка или шахта. Канал 1212 проходит через платформу 1210 для облегчения поднятия и опускания подъемного кабеля 1230, сопряженного с подъемным устройством 1201.
С одного конца подъемный кабель (провод, канат, ремень, цепь или т.п.) 1230 сопряжен с подъемным устройством 1201. С противоположного конца подъемный кабель 1230 сопряжен с накопительным грузом 1240. Как таковой, накопительный груз 1240 подвешен в воде подъемным кабелем 1230. По одному из вариантов осуществления, накопительный груз 1240 аналогичен накопительному грузу, описанному ранее по другим вариантам осуществления (например, накопительному грузу 303 по фиг.3). Например, накопительный груз 1240 может быть изготовлен из бетона, армированного бетона, стали или другого материала соответствующей плотности.
По одному из вариантов осуществления платформа 1210 заякорена на дне 1270 водной акватории для предотвращения дрейфования системы 120 под воздействием ветра или подводных течений. По одному из вариантов осуществления, платформа 1210 заякорена на дне 1270 при помощи швартовых 1250. По одному из вариантов осуществления, швартовые могут быть любыми соответствующими соединительными устройствами, такими как, включая, но, не ограничиваясь, кабели, канаты или цепи, закрепленные на дне кольями, якорями или т.п. Для передачи энергии, вырабатываемой системой 120, могут использоваться один или более передающих электрических кабелей 1260. По одному из вариантов осуществления передающие кабели 1260 идут от силовой станции 1200 на дно 1270, а также со дна на берег для подключения к линии электропередачи (например, линии электропередачи 204 по фиг.2).
Во время эксплуатации, система по фиг.12 функционирует аналогично системам, описанным выше по другим вариантах осуществления (например, системе 300 по фиг, 3). При поднятии накопительного груза 1240 при помощи подъемного устройства 1201 в системе 120 происходит накопление энергии в виде гравитационной потенциальной энергии. При опускании накопительного груза 1240 происходит высвобождение накопленной энергии и вырабатывается электроэнергия, которая может быть передана по передающему кабелю 1260.
По одному из вариантов осуществления, при опускании груза 1240 в воде с небольшой скоростью потери на сопротивление сводятся к минимуму (или, по меньшей мере, сокращаются). Например, бетонная сфера 10 метров в диаметре может иметь массу 1309 метрических тонн, и, соответственно, может высвободить 6.3 мегаватт/часа электроэнергии при опускании в воду на глубину 3000 метров. Если опускать этот груз со скоростью 1 метр в секунду, то энергия будет высвобождаться со скоростью свыше 7.5 мегаватт за данный период времени. Таким образом, при использовании подобной системы, предположительно потери на сопротивление могут составить менее 0.3% от общего объема высвобождаемой энергии. Груз, имеющий форму, которая обеспечивает лучшие гидродинамические показатели, чем сфера (например, капсулообразный груз со скругленными торцами, такой как груз, имеющий форму груза 1240) позволяет дополнительно уменьшить потери на сопротивление.
Как было описано ранее со ссылкой на фиг.2, груз в системе может опускаться (или подниматься) с двумя или более разными скоростями. Как это описано выше со ссылкой на фиг.3, в одном из вариантов осуществления со ссылкой на фиг.12, скорость, с которой груз 1240 поднимается подъемным устройством 1201, регулируется электроникой. Например, по одному из вариантов осуществления двигатель/генератор, приводящий в действие подъемное устройство 1201, управляется управляющей цепью, сопряженной с двигателем/генератором, для регулирования скорости, с которой подъемный кабель 1230 вытягивается подъемным устройством 1201. По другому варианту осуществления, подобная управляющая цепь может быть сопряжена с подъемным устройством 1201 для регулирования подобной скорости.
Также со ссылкой на фиг.12, в одном из вариантов осуществления скорость, с которой груз 1240 опускается подъемным устройством 1201, регулируется путем подбора рабочей частоты генератора (например, генератора 200 по фиг.2), сопряженного с подъемным устройством. Подбор рабочей частоты определенной величины соответственно определяет скорость, с которой опускается груз 1240. Как вариант, если подобный генератор синхронизирован с линией электропередачи (например, линией электропередачи 204 по фиг.2), передаточное число в коробке передач может выбираться для регулирования скорости, с которой опускается груз 1240. Например, по одному из вариантов осуществления коробка передач может быть сопряжена с подъемным устройством 1201 и генератором (см., например, фиг.21). Подбор передаточного числа определенной величины в подобной коробке передач определяет скорость, с которой опускается груз 1240.
Также, со ссылкой на фиг.12, в одном из альтернативных вариантов осуществления, скорость, с которой груз 1240 опускается подъемным устройством 1201, регулируется механически. Например, по одному из вариантов осуществления для регулирования скорости, с которой подъемный кабель 1230 вытягивается из подъемного устройства 1201, используется демпфирующее устройство (обеспечивающее один или несколько уровней демпфирования). Подобное демпфирующее устройство может включать в себя, но не ограничиваться, регулирующий зажим, выполненный с возможностью увеличивать сопротивление вращению барабана в подъемном устройстве 1201. По другому варианту осуществления, подъемное устройство 1201 включает в себя устройство, задающее подобное сопротивление (например, включая, но, не ограничиваясь, винт, который может быть затянут или ослаблен). Описанное выше демпфирующее устройство может управляться вручную (например, из помещения, в которое имеется доступ для обслуживающего персонала) или при помощи электронного управляющего устройства, такого как исполнительный механизм.
Аналогично системе по фиг.7, в системе морского базирования по одному из вариантов осуществления может использоваться два или более грузов. Со ссылкой на фиг.13, система 130 включает в себя грузы 1340а, 1340b, 1340с, 1340d, и 1340е. Аналогично системе по фиг.7, грузы с 1340а по 1340е могут подниматься и опускаться по отдельности. После поднятия, грузы могут опираться на стеллаж 1350, подвешенный к платформе 1310. По одному из вариантов осуществления, стеллаж 1350 аналогичен таким стеллажам как стеллаж 900, который был описан со ссылкой на фиг.9. Для высвобождения энергии, подъемное устройство 1301 опускает накопительные грузы по одному и укладывает их на основание 1380, установленное на дне водной акватории. Как будет более подробно описано на примере фиг.15, по одному из вариантов осуществления, грузы могут держаться в стеллаже 1350 при помощи засовов. Как это будет более подробно описано на примере фиг.16, по одному из вариантов осуществления, ловитель 1600 используется для зацепления каждого из грузов 1340а, 1340b, 1340с, 1340d, 1340e с целью поднятия и опускания грузов в воде.
По одному из вариантов осуществления, направляющий кабель 1370 (который может быть аналогичен, например, направляющему кабелю 1020 по фигурам 10А, 10В и 10С) может способствовать тому, чтобы накопительные грузы с 1340а по 1340e были соответствующим образом выровнены с остальной частью основания 1380 и позволяет ловителю 1600 быстро повторно зацеплять груз для возврата груза на стеллаж 1350. По одному из вариантов осуществления для обеспечения более равномерной выработки электроэнергии и/или более равномерного уровня накопления электроэнергии две или более системы, такие как система по фиг.13, используются совместно (или каскадом).
На фиг.14А показан вид сверху накопительного груза 1440 по одному из вариантов осуществления. По одному из вариантов осуществления, груз 1440 выполнен с возможностью улучшенной производительности под водой. Принимающее устройство 1441 для ловителя предназначено для зацепления ловителя (например, ловителя 1600 по фиг.13). Кроме этого, принимающее устройство 1441 для ловителя определяет (по меньшей мере, частично) канал 1444, через который могут проходить ловитель (например, ловитель 1600 по фиг.3), подъемный кабель и направляющий кабель (например, кабель 1370 по фиг.13). Груз 1440 может иметь такую форму, чтобы большая (или почти вся) его масса приходилась на его краевую часть. В одном из вариантов осуществления груз в поперечном сечении имеет круглую форму, а большая часть (или почти весь) его вес приходится на его кромку 1442. Как такой, груз лучше приспособлен для уменьшения силы торможения. В других вариантах осуществления краевая часть груза 1440 может иметь другую подходящую форму. По одному из вариантов осуществления, плотность материала, из которого изготовлена кромка 1442, может быть выше, чем плотность материала, из которого изготовлена внутренняя часть 1443 груза. По другому варианту осуществления внутренняя часть 1443 является открытой (пустотелой). Кромка 1442 (и потенциально другие части груза) могут быть изготовлены из армированного бетона или достаточно прочного материала, таким образом, чтобы груз мог лучше выдерживать давление воды, когда груз опускается на достаточно большую глубину ниже поверхности воды.
На фиг.14В показан вид в поперечном сечении грузов 1440b, 1440с, 1440d и 1440е. По одному из вариантов осуществления, грузы выполнены с возможностью лежать на основании 1480. По одному из вариантов осуществления, каждый груз выполнен с такой возможностью, чтобы центр его тяжести был ниже принимающего устройства 1441 для ловителя в целях повышения устойчивости груза при его опускании или поднимании в воде. По дополнительному варианту осуществления, грузу 1440 придают обтекаемую форму для того, чтобы сделать его внешнюю поверхность (включая, но, не ограничиваясь, поверхность, которая непосредственно соприкасается с водой при опускании или подъеме груза) гладкой, для сведения к минимуму (или уменьшению) силы торможения жидкости.
На фиг.15 показан вариант осуществления накопительного стеллажа. По одному из вариантов осуществления в стеллаже 150 имеется каркас 1560, который выполнен с возможностью образования одной или более стенок, прилегающих к противоположным торцам каждого груза. Каркас 1560 может включать в себя выдвигаемые (или вращающиеся) засовы 1562 (например, засовы 1562а и 902b), которые могут управляемо выдвигаться (или поворачиваться) из и убираться (или поворачиваться обратно) в каркас 1560.
В одном из вариантов осуществления засовы 1562 шарнирно сопряжены с каркасом. В дополнительном варианте осуществления шарниры поворачиваются из первого положения (выдвинутого положения), при котором часть засова выступает сбоку за ширину каркаса, во второе положение (убранное положение), при котором засов, в целом, выровнен с или в пределах границ каркаса.
Засовы управляемо помещаются в выдвинутое положение или убранное положение. По одному из вариантов осуществления управление засовами осуществляется аналогично тому, как это было описано для засовов 902 по фиг.9. Например, засовы 1562 могут быть оборудованы исполнительными механизмами для выборочного вращения засова. В дополнительном варианте осуществления исполнительные механизмы управляются вручную, например, при помощи рычагов или переключателя, который может управляться вручную, например, как это было описано по фиг.9. По другому дополнительному варианту осуществления, исполнительные механизмы управляются электроникой аналогично электронному управлению исполнительными механизмами засовов 902 по фиг.9.
Засовы 1562а и 1562b выполнены с возможностью удержания грузов на накопительном стеллаже 150. Засовы 1562а показаны в выдвинутом положении для поддержки накопительного груза 1540. По одному из вариантов осуществления, в выдвинутом положении засовы входят в зацепление с поверхностью (такой как, включая, но, не ограничиваясь, нижней поверхностью) груза. Засовы 1562b показаны в убранном положении. Однако, засовы 1562b могут выдвигаться для удержания следующего поднимаемого груза. Засовы 1562b показаны в убранном положении. Однако, засовы 1562b могут выдвигаться для удержания следующего поднимаемого груза.
По другому варианту осуществления, засовы 1562 выполнены с возможностью выдвигаться из и убираться в каркас 1560 аналогично засовам 902, которые были описаны со ссылкой на фиг.9.
Далее функционирование ловителя 1600 будет описано более подробно со ссылкой на фигуры 16А, 16В и 16С. В одном из вариантов осуществления ловитель 1600 аналогичен ловителю 1000, который был описан со ссылкой на фигуры 10А, 10В и 10С. Например, аналогично ловителю 1000, ловитель 1600 состоит из центральной части 1600а и одного или более выступающих элементов 1600b. Кроме этого, в ловителе 1600 также может быть внутренний канал, через который может проходить соединительное устройство, такое как, включая, но, не ограничиваясь, кабель или провод. Кроме этого, в одном из вариантов осуществления, выступающие элементы 1600b шарнирно сопряжены с центральной частью 1600а. В одном из дополнительных вариантов осуществления выступающие элементы поворачиваются из первого (открытого) положения, при котором часть элемента выступает сбоку за ширину центральной части, во второе (закрытое) положение, при котором элемент, в целом, выровнен с или в пределах границ центральной части.
По одному из вариантов осуществления, ловитель 1600 функционирует аналогично ловителю 1000, который был ранее описан со ссылкой на фигуры 10А, 10В и 10С. Ловитель 1600 может располагаться на конце подъемного кабеля 1661. Ловитель 1600 выполнен с возможностью нахождения в закрытом положении или открытом положении аналогично тому, как это было описано для ловителя 1000 по фигурам 10А, 10В и 10С. Кроме этого, в одном из вариантов осуществления управление положением ловителя 1600 и управление положением засовов (например, засовов 1562 по фиг.15) координируется аналогично тому, как это было описано для засовов 902 и ловителя 1000. Направляющий кабель 1670 проходит через канал ловителя 1600 и, по меньшей мере, часть подъемного кабеля 1661. Положение направляющего кабеля 1670 может быть неподвижно зафиксировано путем крепления одного из концов направляющего кабеля к основанию 1680.
На фиг.16А показано зацепление груза который предстоит опустить. Ловитель 1600 находится в открытом положении. В таком положении выступы 1600b отходят от корпуса ловителя 1600. Выступы 1600b выполнены с возможностью входить в зацепление с принимающим устройством 1641 для ловителя в грузе 1640. Как таковой, когда ловитель 1600 открыт, выступы 1600b входят в зацепление с принимающим устройством 1641 для ловителя, а груз 1640 может быть опущен подъемным кабелем 1661. Опускание груза 1640 направляется направляющим кабелем 1670. Направляющий кабель 1670 может обеспечивать, чтобы накопительный груз был соответствующим образом выровнен с основанием 1680, он также может позволять ловителю 1600 повторно быстрее зацеплять груз, когда требуется вернуть груз на стеллаж (например, на стеллаж 150 по фиг.15). На фиг.16В груз 1640 опущен и лежит на основании 1680.
На фиг.16С ловитель 1600 выполнен с возможностью отпускания груза 1640 таким образом, чтобы ловитель 1600 и подъемный кабель 1661 могли быть подняты для извлечения очередного груза. Ловитель 1600 находится в закрытом положении. Поскольку ловитель 1000 находится в закрытом положении он может расцепляться с принимающим устройством 1641 для ловителя в грузе 1640. Как таковой, ловитель 1600 и подъемный кабель 1661 могут быть подняты таким образом, чтобы груз 1640 продолжал лежать (например, на основании 1680).
Как таковой, ловитель 1600 может использоваться для опускания грузов по отдельности в воде. Следует понимать, что аналогичным образом ловитель может использоваться для поднятия грузов по отдельности в воде. Как было описано ранее на примере фиг.15, когда груз поднимается на накопительный стеллаж, он может опираться на стеллаж (например, при помощи засовов, показанных на фиг.15).
По одному из вариантов осуществления, система (например, система по фиг.13) может быть выполнена с возможностью питания от возобновляемой энергии, а также от других традиционных источников энергии, таких как углеводороды, для поднятия грузов когда в этом возникает необходимость.
Далее будет описан другой вариант осуществления изобретения со ссылкой на фигуры 17А и 17В. Система 230 по фигурам 17А и 17В включает в себя шахтную конструкцию 2320, которая, например, включает в себя, но, не ограничивается, в целом, цилиндрическую трубку, изготовленную из достаточно прочного материала, такого как, включая, но, не ограничиваясь, металл, пластик, композитный или аналогичный материал. В трубке имеется центральный канал, в котором находится груз 2310, перемещаемый между первым положением (показанным на фиг.17В) и вторым положением (показанным на фиг.17А). Система 230 также включает в себя насос 2340, трубопровод 2360 и двигатель/генератор 2350. По одному из вариантов осуществления, трубопровод включает в себя, но не ограничивается, трубчатую конструкцию, изготовленную из достаточно прочного материала, такого как, включая, но, не ограничиваясь, металл, пластик, композитный или аналогичный материал. Размеры груза 2310 позволяют ему перемещаться в канале шахтной конструкции 2320. В одном из вариантов осуществления груз изготовлен из достаточно прочного материала, такого как, включая, но, не ограничиваясь, бетон, сталь или аналогичный материал. Размер герметизирующих уплотнений 2320 позволяет, по меньшей мере, перекрывать зазор между грузом 2310 и внутренней окружностью шахтной структуры 2320, образуя между ними водонепроницаемое уплотнение. По одному из вариантов осуществления, герметизирующие уплотнения изготавливаются из долговечного, гибкого материала, такого как, включая, но, не ограничиваясь, пластик, резина или аналогичного материала.
Функционирование системы 2300 аналогично системе по фиг.2 в том плане, что система 2300 также накапливает гравитационную потенциальную энергию при помощи накопительного груза, который поднимается и опускается. В варианте осуществления но фиг.17А груз располагается в канале шахтной конструкции 2320, способствующей притоку и оттоку гидравлической жидкости. Для лучшего понимания, шахтная конструкция 2320 будет именоваться накопительной трубкой. По одному из вариантов осуществления гидравлической жидкостью является вода.
Также со ссылкой на фиг.17А, размеры груза 2310 позволяют подвижно располагать его внутри трубки 2320. По одному из вариантов осуществления, размеры груза 2310 позволяют плотно, но подвижно вставлять его внутрь трубки 2320. Как таковые, размеры груза могут быть максимально увеличены для увеличения объема гравитационной потенциальной энергии, которая может быть уловлена грузом, не оказывая существенного влияния на свободу перемещения груза внутри трубки 2320. По одному из дополнительных вариантов осуществления, в грузе 2310 может быть выполнено герметизирующее уплотнение 2330, предотвращающее выход гидравлической жидкости за уплотнение 2330. Как показано на фиг.17А, уплотнение 2330 расположено у нижнего торца 2310а груза 2310. В других вариантах осуществления уплотнение может быть расположено у верхнего торца 2310b груза 2310 или между нижним торцом 2310а и верхним торцом 2310b.
Также со ссылкой на фиг.17А, насос (или турбонасос) 2340 соединен трубопроводом 2360 с верхом и низом трубки 2320, а также соединен через приводной вал с электродвигателем/генератором 2350. Как показано на фиг.17А, насос 2340 расположен рядом с верхним торцом трубки 2320. В других вариантах осуществления, насос 2340 располагается рядом с нижним торцом трубки 2320 или между верхним и нижним торцами. Двигатель/генератор 2350 также соединен с внешним источником электроэнергии, таким как линия электропередачи 2380, например, через подстанцию 2370.
Во время работы, когда электроэнергия поступает на двигатель/генератор 2350 от внешнего источника 2380, двигатель/генератор 2350 приводят в действие насос 2340 для увеличения давления гидравлической жидкости в трубопроводе 2360 в направлении, обозначенном на фиг.17А стрелками. В результате давление жидкости под грузом 2310 увеличивается, заставляя груз 2310 подниматься в направлении верхней части шахты 2320. Как таковая, гравитационная потенциальная энергия, накапливается в системе 230 (см., например, конструкцию по фиг.17В). По одному из вариантов осуществления, когда груз 2310 достигает поднятого положения (такого как, включая, но, не ограничиваясь положения по фиг.17В), засовы, как это описано выше, клапана в трубке 2360 или трубке 2360, замок в турбонасосе или другое соответствующее устройство задействуются для поддержания давления гидравлической жидкости, удерживающей груз 2310. Например, аналогично засовам, описанным ранее, подобные устройства могут управляться вручную и/или электроникой.
По другим вариантам осуществления, вместо (или в сочетании с) жидкост(ью)и для выталкивания груза 2310 наверх шахты 2320 может использоваться воздух или газообразное вещество. По этим вариантам осуществления вместо (или в дополнение к) насос(у)а 2340 для увеличения давления воздуха, и тем самым поднятия груза 2310, может использоваться воздушный компрессор.
Далее, со ссылкой на фиг.17В, будет более подробно рассмотрено высвобождение энергии, накопленной в системе 230. В одном из вариантов осуществления, для уменьшения давления гидравлической жидкости, удерживающей груз 2310, используются вспомогательные устройства (например, засовы, клапана или замки). После того, как грузу 2310 позволяют опуститься вниз шахты 2320, масса груза выталкивает жидкость по трубке 2320, а также по трубопроводу 2360 в направлении, обозначенном стрелками внутри трубопровода по фиг.17В. Поток жидкости приводит в действие насос 2340 который заставляет генератор 2350 вырабатывать электроэнергию, передаваемую, например, в линию электропередачи 2380. В вариантах осуществления, где вместо жидкости используется газообразное вещество (такое как, включая, но, не ограничиваясь, воздух), падающий груз 2310 заставляет воздух под грузом 2310, а также в трубопроводе 2360, сжиматься. Сжатый воздух приводит в действие турбонасос 2340, который заставляет генератор 2350 вырабатывать электроэнергию.
По одному из вариантов осуществления, где в качестве сжимаемого материала используется жидкость, жидкость выбирается/подбирается таким образом, чтобы уменьшить эксплуатационные потери энергии, которые могут возникать в системе. Например, в одном из вариантов осуществления состав жидкости модифицируется путем добавления в жидкость полиэтилен оксида или аналогичного вещества (например, воды) для уменьшения завихрений, которые могут возникать при перемещении груза 2310 и уменьшения трения, вызываемого перемещением герметизирующего уплотнения 2330 вдоль трубки 2320. По другому варианту осуществления, может использоваться жидкость отличная от воды. Например, может использоваться нефть, поскольку она обладает меньшей плотностью, чем вода. Таким образом, использование нефти может увеличить отрицательную плавучесть и эффективную накопительную емкость, создаваемую грузом 2310 на кубический метр. Кроме этого, замена воды на нефть снижает трение, возникающее при перемещении герметизирующего уплотнения 2330 вдоль трубки 2320.
Как было описано ранее со ссылкой на фиг.2, груз в системе может опускаться (или подниматься) с двумя или более разными скоростями. Со ссылкой на фиг.17А, в одном из вариантов осуществления, скорость, с которой груз 2310 поднимается жидкостью, регулируется электроникой. Например, по одному из вариантов осуществления двигатель/генератор 2350, приводящий в действие турбонасос 2340, управляется управляющей цепью, сопряженной с двигателем/генератором для регулирования уровня создаваемого давления жидкости. По другому варианту осуществления, для регулирования подобного параметра подобная управляющая цепь может быть сопряжена с турбонасосом 2340.
Также со ссылкой на фиг.17А, в одном из вариантов осуществления скорость, с которой груз 2310 опускается вдоль трубки, регулируется за счет подбора рабочей частоты генератора 2350. Подбор рабочей частоты до определенного значения соответственно определяет скорость, с которой опускается груз 2310. Как вариант, если генератор 2350 синхронизирован с линией электропередачи 2380, передаточное число в коробке передач может подбираться для регулирования скорости, с которой опускается груз 2310. Например, по одному из вариантов осуществления коробка передач может быть сопряжена с турбонасосом 2340 и генератором 2350. Подбор передаточного числа подобной коробки передач до определенного значения соответственно определяет скорость, с которой опускается груз 2310.
Также, со ссылкой на фиг.17А, в одном из альтернативных вариантов осуществления, скорость, с которой груз 2310 опускается вдоль трубки 2320, регулируется при помощи или с использованием механического устройства. Например, по одному из вариантов осуществления для регулирования скорости, с которой жидкость выталкивается из трубки 2320 в трубку 2360, используется демпфирующее устройство (обеспечивающее, например, один или несколько уровней демпфирования). Подобное демпфирующее устройство может включать в себя, но не ограничиваться, клапан, регулирующий подобный приток в трубку 2360. По другому варианту осуществления, турбонасос включает в себя устройство, задающее скорость притока из трубки 2360 в турбонасос. Демпфирующее устройство, описанное выше, может управляться вручную (например, из помещения, в которое имеется доступ для обслуживающего персонала) или при помощи электронного управляющего устройства, включая, но, не ограничиваясь, исполнительный механизм клапана.
По другому варианту осуществления (аналогичному соответствующим вариантам осуществления по фигурам 7 и 13) используется несколько грузов. В отдельных случаях, насосы (или турбонасосы), такие как насос 2340 по фиг.17А могут заполняться водой лишь до определенного уровня или «крышки». Поскольку степень сжатия воды, создаваемая грузом (например, грузом 2310 по фиг.17А), определяется плотностью и высотой груза, достаточно крупный и плотный груз потенциально может создавать большее давление воды, чем то, на которое рассчитан насос. За счет использования нескольких грузов, каждый из которых создает такую степень сжатия воды, на которую рассчитан насос, увеличение давления воды в порядке возрастания можно удерживать на допустимом уровне.
В варианте осуществления, изображенном на фигурах 23А и 23В, показаны одна трубка 2320 и одна трубка 2360. В других вариантах осуществления, параллельная конструкция из двух или более трубок, аналогичных трубке 2320 (внутри каждой из которых имеется груз, аналогичный грузу 2310) может быть сопряжена с насосом-турбиной и трубкой 2360. В других вариантах осуществления, параллельная конструкция из двух или более трубок, аналогичных трубке 2360, может быть сопряжена с трубкой 2320 и турбонасосом 2340. Еще в одних вариантах осуществления параллельная конструкция из двух или более трубок, аналогичных трубке 2320 (внутри каждой из которых имеется груз, аналогичный грузу 2310), может быть сопряжена с турбонасосом 2340 и параллельной конструкцией из двух или более трубок, аналогичных трубке 2360. Функционирование вариантов осуществления, описанных в этом абзаце, может быть аналогично функционированию, описанному ранее со ссылкой на фигуры 17А и 17В.
На фиг.18 показана система, в которой используется несколько грузов. Система 240 включает в себя двигатель/генератор 2450, турбонасос 2440, трубку 2420, обратную трубку 2460 и герметизирующие уплотнения 2330. В одном из вариантов осуществления, одно или более из подобных устройств аналогичн(о)ы соответствующ(ему)им устройств(у)ам по фиг.23. Система 240 также включает в себя множество грузов 2410а, 2410b, 2410 с, 2410d и 2410е. Как это было раскрыто в настоящем описании для других грузов, грузы 2410а-е могут быть изготовлены из подходящего материала соответствующей плотности (например, стали, бетона или аналогичного материала). В одном из вариантов осуществления, каждый из грузов включает в себя клапан 2412. Каждый из грузов 2410а, 2410b, 2410с, 2410d и 2410е определяет внутренний канал 2411, через который может проходить жидкое вещество, такое как, включая, но, не ограничиваясь, вода. По одному из вариантов осуществления, грузы 2410а-2410е могут опираться на накопительный стеллаж (не показан), расположенный у верхней части трубки 2420 и аналогичный стеллажу 900, описанному со ссылкой на фиг.9. Кроме этого, подобный стеллаж может включать в себя засовы (например, засовы, аналогичные засовам 902, которые были описаны со ссылкой на фиг.9), выполненные с возможностью удерживать грузы по месту на стеллаже.
Совместно с засовами, аналогичными засовам 902 по фиг.9, клапана 2412 выполнены с возможностью удерживать грузы в нужном положении. Клапана 2412 грузов 2410a-2410d показаны в открытом положении. По одному из вариантов осуществления, в открытом положении клапана выполнены с возможностью убираться (или поворачиваться) для открытия внутреннего канала 2411 с одного конца (например, нижнего конца канала) таким образом, чтобы жидкость могла попасть в канал с этого конца. Как таковые, соответствующие грузы не предназначены для управления перемещением вдоль трубки 2420. Клапан 2412 груза 2410 с показан в закрытом положении. По одному из вариантов осуществления, в закрытом положении клапан выполнен с возможностью выдвигаться (или поворачиваться) для закрытия внутреннего канала 2411 с одного конца (например, нижнего конца канала) таким образом, чтобы жидкость не могла попасть в канал с этого конца. Аналогично управлению выступающими элементами ловителя 1000, как это описано со ссылкой на фиг.10, клапана 2412 могут управляемо переключаться в открытое или закрытое положение. По одному из вариантов осуществления клапана оснащены исполнительными механизмами, которые, в дополнительных вариантах осуществления, управляются вручную или управляются электроникой.
Как это описано выше, каждый груз может включать в себя рабочий клапан 2412 который (в открытом положении) позволяет жидкости проникать во внутренний объем 2411. Если клапан 2412 закрыт, то клапан 2412 препятствует проникновению воды во внутренний объем. Накопление энергии и последующее высвобождение накопленной энергии из системы по фиг.18 может осуществляться подобно тому, как это описано со ссылкой на фигуры 17А и 17В.
Со ссылкой на фиг.18, во время накопления энергии и во время высвобождения энергии, клапан 2412 в грузе (или грузах) которые нужно поднять (или опустить) в шахте 2420, переводится в закрытое положение (см., например клапан 2412 в грузе 2410е по фиг.18, который находится в закрытом положении). В результате груз 2410е перемещается вниз вдоль трубки 2420, тем самым, увеличивая в порядке возрастания давление жидкости, подаваемой в турбонасос 2440.
Так же, как во время накопления энергии, так и во время высвобождения энергии, клапан 2412 в грузе (или грузах), которые должны оставаться неподвижным, переводится в открытое положение (см., например клапан 2412 в грузе 2410а по фиг.18). В результате, положение груза 2410а в трубке 2420 остается, в целом, неизменным.
В описанных выше вариантах осуществления давление жидкости создается снизу тела (например, груза 2310 по фиг.17А), изготовленного из материала, плотность которого выше плотности жидкости, циркулирующей по трубке. Кроме этого, давление жидкости может создаваться над телом, например, телом, изготовленным из материала, плотность которого меньше плотности жидкости, циркулирующей по трубке. Подобное давление может быть создано в системе 250, которая далее будет рассмотрена со ссылкой на фиг.19. Система включает в себя двигатель/генератор 2550, турбонасос 2540, груз 2510, герметизирующие уплотнения 2530 и трубку 2520. В одном из вариантов осуществления, одно или более из подобных устройств аналогичны соответствующим устройствам в системе по фиг.23. Система также включает себя шахтную конструкцию 2560. Шахта 2560, например, включает в себя, но не ограничивается, в целом, цилиндрическую трубку, изготовленную из соответствующего достаточно прочного материала, такого как, включая, но, не ограничиваясь, металл, пластик, композитный материала или аналогичный материал. В шахте 2560 имеется центральный канал, в котором емкость 2570 перемещается между первым положением (показанным на фиг.19) и вторым положением около верхнего торца трубки 2560 (не показан). Емкость 2570 может иметь форму капсулы, цилиндра, сферы, прямоугольника или иную форму.
По одному из вариантов осуществления, емкость 2570, в целом, является полым, водонепроницаемым, закрытым контейнером, содержащим материал, плотность которого меньше плотности сжатой жидкости (например, воздуха). По одному из вариантов осуществления, емкость 2570 является емкостью, заполненной воздухом, а давление воздуха внутри емкости 2570 может быть подобрано таким образом, чтобы компенсировать внешнее давление жидкости для предотвращения разрушения емкости 2570. В емкости 2570 имеются герметизирующие уплотнения 2580. Аналогичные по функциональности уплотнениям 2330 по фиг.23, герметизирующие уплотнения 2580 по одному из вариантов осуществления имеют такой размер, чтобы, по меньшей мере, перекрывать зазор между емкостью 2570 и внутренней окружностью трубки 2560, образуя межу ними водонепроницаемое уплотнение.
Со ссылкой на фиг.19, для высвобождения накопленной энергии система облегчает перемещение груза 2510 вниз, который, аналогично грузу 2310 по фиг.17А, изготовлен из материала, более плотного, чем жидкость, находящаяся под грузом 2510. Сжимающее усилие, возникающее при перемещении груза 2510 вниз вдоль шахты 2520 может быть увеличено за счет сжимающего усилия, возникающего при перемещении плавучей емкости 2570 вверх вдоль шахты 2560. Емкость 2570 заполнена материалом, плотность которого меньше плотности жидкости, циркулирующей в шахтах 2520 и 2560.
В одном из альтернативных вариантов осуществления, для накопления и высвобождения накопленной энергии в системе вместо груза 2510 используется плавучая емкость 2570. Аналогично описанным ранее вариантам осуществления, емкость 2570 подобного альтернативного варианта осуществления заполнена материалом, плотность которого меньше плотности окружающей жидкости. Накопление энергии происходит когда турбина увеличивает плотность жидкости в направлении, противоположном направлению, обозначенному стрелками в шахте 2540 по фиг.17А. В результате, давление жидкости выше емкости 2530 увеличивается, выталкивая емкость 2530 в направлении нижней части шахты 2540. Таким образом, происходит накопление энергии в системе 250 (см., например, конструкцию по фиг.19).
Со ссылкой на фиг.20 показан другой вариант осуществления. Признаки данного варианта осуществления включают в себя интегрированную конструкцию, которая может быть выполнена относительно компактно. В данном варианте осуществления система 260 включает в себя двигатель/генератор 2650, турбонасос 2640, обратную трубку 2660, и герметизирующие уплотнения 2630. В одном из вариантов осуществления, одно или более из подобных устройств аналогичны соответствующим устройствам в системе по фиг.23. Система 260 также включает себя трубку 2620. Накопительная трубка 2620 включает в себя, но не ограничивается, в целом, цилиндрическую трубку, изготовленную из соответствующего достаточно прочного материала, такого как, включая, но, не ограничиваясь, металл, пластик, композитный материала или аналогичный материал. Цилиндрическая трубка накопительной трубки 2620 определяет внутренний канал, через который проходит, по меньшей мере, часть обратной трубки 2660. В одном из вариантов осуществления груз 2610 имеет размеры, позволяющие ему перемещаться внутри трубки 2620, и как таковой имеет форму, которая, в целом, соответствует внутреннему объему трубки 2620. По одному из вариантов осуществления, перемещающиеся герметизирующие уплотнения 2630 расположены в грузе таким образом, чтобы, по меньшей мере, перекрывать зазор между грузом 2610 и накопительной трубкой 2620. Уплотнения 2630 препятствуют выходу жидкости под давлением за пределы уплотнения.
В конструкции, изображенной на фиг.20, энергия высвобождается, когда груз 2610 перемещается вдоль трубки 2620 вниз. Масса груза 2610 выталкивает жидкость по трубке 2620, а также по трубке 2660 в направлении, обозначенном стрелками в трубке 2660 по фиг.20. Поток жидкости приводит в действие насос 2640, который заставляет двигатель/генератор 2650 вырабатывать электроэнергию, передаваемую, например, в линию электропередачи.
По дополнительному варианту осуществления, с одного конца накопительной трубки 2620 находится напорный бак 2670. В напорном баке может находиться сжатый воздух или иной соответствующий газ. Как таковой, напорный бак 2670 обеспечивает увеличение абсолютного давления на выходе из турбины, тем самым, предотвращая кавитацию и последующее повреждение компонентов турбины.
По одному из вариантов осуществления, энергия ветра может использоваться для приведения в действие систем, включая такие системы как система 260 по фиг.20. Со ссылкой на фиг.21 схематично показан вариант осуществления системы 270, использующей энергию ветра. По данному варианту осуществления ветряная турбина 2700 приводит в действие гидравлический насос 2770, нагнетающий гидравлическую жидкость (например, воду) по напорному шлангу 2780 в обратную трубку 2760. Давление воды заставляет груз 2710 перемещаться вверх вдоль накопительной трубки 2720. Использование гидравлического насоса 2770 может позволить избежать потерь эффективности, связанных с использованием электрического насоса (например, потерь эффективности, возникающих при преобразовании энергии ветра в электроэнергию (для эксплуатации электронасоса), а затем преобразования электроэнергии обратно в механическую энергию (в электрическом насосе)). Кроме этого, давление жидкости, передаваемое ветряной турбиной 2700 на турбонасос 2740 (по напорному шлангу 2780) может быть объединено с давлением жидкости, возникающим при перемещении накопительного груза 2710 вниз и передающимся на турбонасос (через обратную трубку 2760) для приведения в действие турбонасоса, тем самым, вращая двигатель/генератор 2750 и передавая электроэнергию, например, в линию электропередачи. Это позволяет исключить необходимость в непосредственном сопряжении генератора с пилоном ветряной турбины. Поскольку подобный генератор может быть тяжелым и/или дорогим, исключение необходимости в подобном генераторе снижает конструктивные требования и/или себестоимость системы.
По другому варианту осуществления, со ссылкой на фиг.22, система 280, аналогичная системе 260 по фиг.20, может быть выполнена с возможностью установки на море. По одному из вариантов осуществления, накопительная трубка 2820 может быть выполнена с возможностью укладки на дно водной акватории (например, океана). Оттяжки 2890 (которые, по одному из вариантов осуществления аналогичны швартовым 1250 по фиг.12) служат для крепления системы якорем ко дну и помогают поддерживать систему, в целом, в вертикальном положении. По дополнительному варианту осуществления, в верхней части (или рядом) системы имеется один или более плавучих отсеков 2892, помогающих поддерживать систему, в целом, в вертикальном положении. По одному из вариантов осуществления плавучие отсеки 2892 являются плавучими элементами, которые, в целом, полые и заполнены материалом, плотность которого меньше плотности воды. По одному из вариантов осуществления, плавучие отсеки 2892 изготавливаются из прочного, долговечного материала, такого как, включая, но, не ограничиваясь, металл, пластик, композитный материал или аналогичный материал. По одному из вариантов осуществления, со ссылкой на фиг.22, верхняя часть системы расположена над поверхностью океана, например, для образования платформы, на которую может быть установлена ветряная турбина. По другим вариантам осуществления система может быть полностью погружена в водную акваторию, для снижения подверженности системы воздействию ветра и подводных течений.
Далее, со ссылкой на фиг.23, будет описан способ накопления энергии по одному из вариантов осуществления. Как показано на этапе 291, накопительный груз поднимается против силы тяжести из первого поднятого положения во второе поднятое положение во время внепикового периода, когда спрос на электроэнергию относительно невысок по сравнению с пиковым периодом. Как таковая, гравитационная потенциальная энергия накопительного груза увеличивается. Как показано на этапе 292, гравитационная потенциальная энергия накопительного груза сохраняется для ее высвобождения во время пикового периода. По дополнительному варианту осуществления, как показано на этапе 293, гравитационная потенциальная энергия накопительного груза высвобождается во время пикового периода. Накопительный груз может быть опущен в направлении силы тяжести таким образом, чтобы произошло высвобождение гравитационной потенциальной энергии.
Варианты осуществления настоящего изобретения направлены на системы накопления энергии, способные выступать в качестве надежных, доступных источников энергии для общих нужд, а также краткосрочных источников электроэнергии. В конкретных вариантах осуществления системы могут впрягать энергию, получаемую из источников возобновляемой энергии, например, вырабатываемую с использованием солнечных панелей и ветряных турбин. По вариантам осуществления настоящего изобретения, значительная часть энергии, вырабатываемой устройствами, использующими энергию солнца и/или ветра, передается в крупные накопительные установки, которые затем могут высвобождать энергию через какое-то время (например, по мере необходимости).
Хотя некоторые варианты осуществления, описанные выше направлены на системы, в которых «внепиковая» энергия накапливается для последующего «пикового» использования, варианты осуществления изобретения также направлены на системы, предназначенные для корректировки частоты напряжения или корректировки выработки электроэнергии. В подобных системах разница между объемом выработанной электроэнергии и спросом на электроэнергию выравнивается для сокращения или сведения к минимуму подобной разницы. По подобным вариантам осуществления, траектория, по которой может перемещаться накопительный груз (например, груз, аналогичный накопительному грузу 202 по фиг.2) имеет достаточную вертикальную длину, такую как, включая, но, не ограничиваясь, длину примерно в 200 метров или более. В одном из конкретных вариантов осуществления, вертикальная длина траектории составляет примерно от 200 до 400 метров.
Представленное выше описание отдельных вариантов осуществления изобретения дано в иллюстративных и описательных целях. Оно не является исчерпывающим и не ограничивает изобретение именно в том виде, как оно было раскрыто. Очевидно, что в свете идей изобретения, изложенных выше, возможны многочисленные изменения и вариации. Поэтому, предполагается, что объем изобретения ограничен не данным подробным описанием, а прилагаемой к нему формулой изобретения.