НЕСУЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ ГРАВИТАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ
BEARING STRUCTURE OF THE GRAVITY ENERGY STORAGE SYSTEM

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область применения изобретения
[001] Настоящее изобретение относится к области несущих конструкций сооружений. В частности, настоящее изобретение описывает несущую конструкцию гравитационной системы накопления энергии.
Описание уровня техники
[002] Как правило, невозможно обеспечить непрерывность и равномерность работы энергетической системы без поддержания баланса между уровнями выработки и потребления электрической энергии. С ростом сложности существующих энергосистем и расширением использования возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ), таких как ветропарки и солнечные электростанции, задача согласования уровня генерации с уровнем потребления электроэнергии становится ещё труднее.
[003] Задача поддержания баланса между производством и потреблением электроэнергии может быть эффективно решена при помощи промышленных накопителей энергии. В частности, промышленные накопители энергии могут использоваться для суточного управления нагрузкой, частотного регулирования, регулирования напряжения, вращающегося и холодного резервов и для пуска электростанций из полностью обесточенного состояния.
[004] По данным DOE Global Energy Storage Database сегодня более 98 % установленной мощности накопителей в мире приходится на гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). В ГАЭС в процессе зарядки вода из нижнего резервуара закачивается насосом в верхний резервуар, в процессе разрядки вода под действием силы тяжести стекает в нижний резервуар, вращая турбину, которая вырабатывает электроэнергию.
[005] Для строительства экономически эффективной (конкурентной с точки зрения стоимости) ГАЭС необходима подходящая местность с рельефом, обеспечивающим необходимый перепад высот, нижняя и верхняя площадки должны быть приспособлены для затопления либо располагать водоёмами природного происхождения. От объёма водоёмов линейно зависит энергоёмкость ГАЭС, что в конечном счёте приводит к большой площади необходимого землеотвода. Эксплуатация ГАЭС также связана с рядом рисков, среди них основными являются масштабные разрушения в случае аварии и негативное влияние на экологию.
[006] Существует ряд систем, которые, как и ГАЭС, используют гравитационное поле (перепад высот) для накопления энергии. Такого рода гравитационные накопители энергии состоят из подъёмных рекуперативных устройств, поднимающих груз против силы тяжести, тем самым обеспечивая накопление энергии. Наиболее эффективными с точки зрения повышения КПД и минимизации землеотвода считаются накопители, запасающие энергию при строго вертикальном перемещении грузов.
[007] Например, в заявке WO 2013005056 A1 (опубликована 10.01.2013 г.), поданной Франкелем (Fraenkel) и др., описана система накопления энергии, содержащая массивный груз, подвешенный на тросе; подъемное устройство, соединенное с массивным (до нескольких тысяч тонн) грузом с помощью троса и выполненное с возможностью вертикального перемещения массивного груза; и устройство для выработки электрической энергии, соединенное с подъемным устройством. При этом, верхнее положение груза расположено вблизи «нулевой» отметки (уровня земли), а нижнее положение груза расположено ниже «нулевой» отметки (уровня земли) на глубине до 1000 метров. Иными словами, груз перемещается в вертикальной шахте (колодце). Усилия для удержания груза на определенной высоте передаются на стенки шахты, в которой перемещается груз. Таким образом, несущей конструкцией в данном случае является вертикальная шахта (колодец).
[008] Значительная масса груза предъявляет чрезвычайно высокие требования к прочностным характеристикам троса и подъемного устройства, а также к системам обеспечения безопасности. При этом система может быть экономически эффективна только при наличии вертикальной шахты (колодца) нужных габаритов, с подтвержденными прочностными характеристиками, что значительно ограничивает возможность выбора места размещения такой системы. Кроме того, в случае выхода из строя одного из элементов системы подъёма или возникновении необходимости планового технического обслуживания, систему придётся полностью выводить из эксплуатации.
[009] В патенте США №9903391 (опубликован 11.07.2013 г.), выданном Хейндлу (Heindl), раскрывается система для накопления потенциальной энергии, которая включает в себя гидравлический цилиндр, перемещаемый груз и уплотнительное кольцо по периметру перемещаемого груза. Гидравлический цилиндр образован полостью между окружающей скальной породой породами и вырезанной скальной породой. Полость герметизирована относительно окружающих пород уплотнительным кольцом. В данной системе нижнее положение груза размещено ниже «нулевой» отметки (уровня земли), а для удержания (фиксации) груза на определённой высоте используется вода под давлением. Таким образом, функции несущей конструкции выполняет вода, равномерно распределяющая давление груза на стенки полости, в которой перемещается груз.
[0010] Данная система имеет специфические требования к размещению, так как нуждается в сплошном гранитном основании объёмом более сотни тысяч кубических метров и наличии большого объема воды.
[0011] Системы, в которых верхнее положение грузов размещено выше «нулевой» отметки (уровня земли), менее требовательны к месту размещения, однако нуждаются в решении вопроса с ветрозащитой и других проблем, связанных с климатом. В частности, несущая конструкция таких систем должна выдерживать боковые изгибные нагрузки, создаваемые ветрами, а также обеспечивать защиту оборудования и материалов от экстремальных температур, атмосферных осадков и прямых солнечных лучей.
[0012] В патенте КНР № CN 206555081 U (опубликован 13.10.2017 г.) выданном Тан Гоцзюню (谭国俊) и др. раскрыта гравитационная система накопления энергии, включающая в себя силовой каркас с закрепленной на нём системой неподвижных блоков, к которым с помощью троса и системы подвижных блоков крепится массивный (десять тысяч тонн) груз, кроме того, трос связан с обратимой электромашиной, что позволяет накапливать энергию при подъеме груза и генерировать энергию при опускании груза. Большое количество подвижных и неподвижных блоков (полиспаст большой кратности) позволяет уменьшить силу натяжения троса и требования к мощности обратимой электромашины. Размеры груза 25 м X 20 м X 10 м. Усилия для удержания груза на определенной высоте передаются на силовой каркас (в данном случае эквивалентен несущей конструкции), который представляет собой трапециевидную конструкцию с горизонтальной верхней опорной рамой и наклонными опорами. Несущая конструкция обеспечивает перепад высот между нижним и верхним положением груза в 100 метров.
2
[0013] Значительная масса груза предъявляет чрезвычайно высокие требования к прочностным характеристикам несущего каркаса, а также к системам обеспечения безопасности. Кроме того, в случае выхода из строя одного из элементов системы подъёма или возникновении необходимости планового технического обслуживания, систему придётся полностью выводить из эксплуатации. Боковая площадь груза 200-250 мсоздаёт значительную парусность, требующую специальных мероприятий для защиты конструкции от изгибных нагрузок и перегрузок от качания груза.
[0014] Другое решение, раскрытое в патенте Великобритании № GB 2549743 A (опубликован 01.11.2017 г.), выданном Хербизону (Herbison), представляет собой модульную систему из нескольких энергетических ячеек, в каждой из которых множество грузов прикреплены к одному непрерывному тросу. Масса грузов проградуирована, энергия накапливается по мере их подъема, и энергия выделяется по мере их спуска. Подъем и спуск осуществляются с помощью электрической лебедки. Все грузы соединены одним тросом, но их можно поднимать и опускать по отдельности, последовательно фиксируя другие грузы в поднятом или опущенном положении. Система использует полиспаст большой кратности для снижения силы, необходимой для подъёма. Усилия для удержания груза на определенной высоте передаются на стальной силовой каркас высотой около 50 метров. Указано, что несущий каркас может быть размещен в различных заброшенных зданиях, подходящих габаритов или в заброшенных сухих карьерах.
[0015] Использование полиспаста большой кратности приводит к снижению КПД системы. Создание силового каркаса из стали предполагает значительные финансовые затраты. Ветрозащита и климатозащита описанной системы может быть реализована только при размещении системы внутри уже существующих объектов, что значительно снижает варианты размещения системы.
[0016] Существует решение предложенное Energy Vault (https://energyvault.ch/), в котором предлагается использовать для накопления энергии конструкцию, напоминающую башенный кран. В центре системы расположен башенный кран с шестью стрелами. В разряженном состоянии бетонные блоки (грузы) уложены вокруг крана под стрелами. При зарядке системы компьютерный алгоритм начинает поворачивать стрелу крана и перемещать грузовую тележку стрелы крана, а также опускать грузозахват на лебёдке так, чтобы грузозахват оказался прямо над определенным бетонным блоком. После того, как грузозахват сцепляется с блоком, блок поднимается из нижнего положения с помощью электродвигателя. Система считается «полностью заряженной», когда кран «построил» вокруг себя башню из бетонных блоков максимальной возможной высоты. Разрядка производится в обратном порядке, при этом электродвигатель, обеспечивающий вертикальное перемещение груза, работает в рекуперативном режиме. В описанной системе несущей конструкцией является не кран, а бетонные блоки (грузы).
[0017] Конструкция данной системы предъявляет высокие требования к прочности грузов на сжатие, что ведёт к удорожанию системы. Также в силу отсутствия ветрозащиты система требует специальных мероприятий для защиты от колебаний грузов – защита от колебаний необходима как для точного позиционирования грузов при установке один на другой, так и для защиты приводной системы от разрушительных перегрузок. Видится невозможной работа описанной системы в ситуации порывов ветра, а значит работа системы не может быть стабильной. Конструкция системы не содержит общей климатозащиты, что выдвигает требования на отдельную климатозащиту для каждого нуждающегося в ней узла, а значит приводит к удорожанию системы.
[0018] Соответственно, существует необходимость в несущей конструкции, созданной из экономически эффективных материалов с длительным сроком службы. Таким образом, целью настоящего изобретения является создание несущей конструкции для системы накопления гравитационной энергии с использованием вертикального перемещения грузов, обеспечивающей достаточную разницу высот и свободное вертикальное перемещение грузов для накопления энергии, которая может выдержать вес грузов, а также ветровые и климатические нагрузки.
[0019] Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить конструкцию, которая может быть построена на обычной равнинной местности и в которой используются недорогие материалы. Возведение несущей конструкции может быть автоматизированным, что снижает стоимость строительных работ и риск ошибок. Эти цели достигаются с помощью несущей конструкции гравитационной системы накопления энергии с вертикальным движением грузов, описанной ниже.
[0020] Описанная ниже конструкция может также быть использована для других приложений, где необходимо постоянно или временно удерживать в определенном положении груз (до миллионов тонн), равномерно распределяя нагрузку по конструкции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0021] Известные гравитационные системы накопления энергии, как правило, включают в себя устройства, предназначенные для перемещения грузов вверх против силы тяжести и возвращения их вниз в начальную позицию. Системы, которые запасают энергию с помощью строго вертикального перемещения грузов, как известно, наиболее эффективны с точки зрения КПД и минимизации занимаемой площади.
[0022] Необходимым условием функционирования гравитационных систем накопления энергии, запасающих энергию с помощью вертикального перемещения грузов является размещение (например, фиксация) грузов, по меньшей мере, в двух положениях – в нижнем положении с минимумом потенциальной энергии и в верхнем положении с максимумом потенциальной энергии. Другими словами, функционирование гравитационных систем накопления энергии предполагает наличие естественной или искусственно созданной разницы высот «h». Одно из решений состоит в создании разницы высот «h» с использованием (возведением) несущей конструкции соответствующей высоты, причём такая конструкция должна позволять вертикальное перемещение грузов.
[0023] Энергетическая ёмкость (E) гравитационных систем накопления энергии определяется произведением суммы масс (M) всех грузов на разницу высот (h) между верхним и нижним положением грузов в соответствии со следующей формулой:
E = M * g * h, где g – ускорение свободного падения.
[0024] Гравитационная система накопления энергии, имеющая заданную высоту для достижения определённой энергетической ёмкости (E), предпочтительно должна быть расположена в непосредственной близости от того участка электросети, где эта энергетическая ёмкость (E) наиболее важна для поддержания баланса между генерируемой и потребляемой электроэнергией. Однако естественный ландшафт не часто располагает необходимой разницей высот, достаточной для создания гравитационной системы накопления энергии необходимой энергетической ёмкости. Решение этих проблем предложено в вариантах настоящего изобретения, а именно предложено создание несущей конструкции гравитационной системы накопления энергии, использующей вертикальное перемещение грузов и сконструированной над поверхностью земли без разновысотного ландшафта, обеспечивающей надлежащую высоту для достижения конкретной энергетической ёмкости (E).
[0025] Несущая конструкция гравитационной системы накопления энергии, которая использует вертикальное перемещение грузов, должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать нагрузку от грузов, то есть иметь высокую прочность на вертикальное сжатие. Конфигурация несущей конструкции должна также создавать достаточную разницу высот (h) для обеспечения требуемой энергетической ёмкости (E) накопителя энергии, например, до сотен метров для накопителей энергии промышленного масштаба.
[0026] Известны решения, используемые, например, в связи высотными зданиями (небоскрёбами). Однако, в отличие от обычного высотного здания, несущая конструкция промышленной гравитационной системы накопления энергии должна выдерживать не только собственный вес, но и дополнительный вес грузов. Несущая конструкция промышленной гравитационной системы накопления энергии должна также позволять беспрепятственное вертикальное перемещение грузов. Другими словами, в отличие от высотных зданий, которые всегда включают в себя горизонтальные структуры (например, потолки и полы), несущая конструкция промышленной гравитационной системы накопления энергии не может включать в себя горизонтальные барьеры, препятствующие вертикальному перемещению грузов.
[0027] Другие известные способы создания разницы высот (h) заключаются в размещении нижнего положения грузов ниже «нулевой» отметки (уровня земли), а верхнего положения грузов вблизи «нулевой» отметки (уровня земли). Другими словами, для создания разницы высот используются стволы шахт. Известные системы с нижним положением грузов, расположенным ниже «нулевой» отметки, испытывают меньшую тепловую и ветровую нагрузки. Однако, такие системы сложнее обслуживать, они требуют дополнительных конструктивных решений для предотвращения ущерба, который может быть вызван затоплением, например, грунтовыми водами. Кроме того, для экономии затрат на строительство предпочтительно размещать такие системы в уже существующих вертикальных шахтах, что значительно ограничивает выбор мест их размещения и тем самым ограничивает удобство использования системы накопления в соответствующей электросети.
[0028] Известные несущие конструкции гравитационных систем накопления энергии, использующих вертикальное перемещение грузов зачастую требуют специальных грунтов для своего создания, другие несущие конструкции требуют наличия большого объема воды, другие требуют наличия готовых шахт. Другие известные системы не решают проблемы боковой ветровой нагрузки и/или другие задачи, связанные с неблагоприятным климатическим воздействием, или изготавливаются из дорогих материалов, что делает систему накопления энергии экономически невыгодной, или не обеспечивают стабильную работоспособность в нужном диапазоне климатических условий. Соответственно, существует потребность в несущей конструкции, созданной из экономически эффективных материалов и имеющей длительный срок службы.
[0029] Таким образом, предметом настоящего изобретения является несущая конструкция гравитационной системы накопления энергии, использующей вертикальное перемещение грузов, формирующая достаточную разницу высот (h) и обеспечивающая беспрепятственное перемещение грузов для накопления энергии. Такая конструкция должна выдерживать вес грузов и в то же время выдерживать ветровые и другие климатические нагрузки.
[0030] Другая цель настоящего изобретения в том, чтобы предложить несущую конструкцию, которая может быть сооружена на обычной равнинной местности. Возведение такой структуры может включать в себя автоматизируемые техпроцессы, снижающие стоимость возведения и потенциальный риск ошибок.
[0031] С учётом вышеизложенных и других типовых проблем, недочётов и недостатков традиционных способов и устройств, техническим результатом настоящего изобретения является создание несущей конструкции гравитационной системы накопления энергии, включающей в себя силовой каркас, выдерживающий вертикальную нагрузку от грузов. Силовой каркас включает в себя верхнюю раму, множество модулей, при этом каждый модуль из множества модулей имеет множество колонн и связей. По меньшей мере одна из связей жестко связана с по меньшей мере одной из колонн. Несущая конструкция также включает в себя внешнее ограждение, которое может располагаться на небольшом расстоянии от силового каркаса.
[0032] В другом варианте настоящего изобретения несущая конструкция включает в себя силовой каркас, имеющий множество силовых модулей, при этом силовой каркас обеспечивает свободное вертикальное перемещение объектов. Несущая конструкция дополнительно включает в себя внешнее ограждение, расположенное на небольшом расстоянии от силового каркаса и крышу.
[0033] В ещё одном варианте настоящего изобретения несущая конструкция гравитационной системы накопления энергии включает в себя силовой каркас, выдерживающий вертикальную нагрузку грузов. Силовой каркас выполнен с возможностью свободного перемещения грузов. Несущая конструкция также включает в себя внешнее ограждение, выдерживающее горизонтальную ветровую нагрузку.
[0034] Другие свойства и преимущества изобретения раскрываются в подробном описании изобретения, приведенном ниже, в котором предпочтительные варианты реализации данного изобретения изложены подробно и сопровождаются соответствующими рисунками.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0035] Объект притязаний по настоящей заявке описан по пунктам и чётко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:
[0036]  ФИГ. 1 изображает несущую конструкцию гравитационной системы накопления энергии в соответствии с вариантами настоящего изобретения;
[0037]  ФИГ. 2 изображает силовой каркас в соответствии с вариантами настоящего изобретения;
[0038]  ФИГ. 3 изображает силовой каркас с верхней рамой в соответствии с вариантами настоящего изобретения;
[0039]  ФИГ. 4 изображает колонну силового каркаса в соответствии с вариантами настоящего изобретения;
[0040]  ФИГ. 5 изображает вид сверху на несущую конструкцию в соответствии с вариантами настоящего изобретения;
[0041]  ФИГ. 6 изображает внешнее ограждение несущей конструкции в соответствии с вариантами настоящего изобретения;
[0042]  ФИГ. 7 изображает верхнюю часть несущей конструкции с крышей, опирающейся на внешнее ограждение, в соответствии с вариантами настоящего изобретения; и
[0043]  ФИГ. 8 изображает верхнюю часть несущей конструкции с крышей, опирающейся на верхнюю раму, в соответствии с вариантами настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0044] Аспекты изобретения раскрыты в нижеследующем описании и связанных с ним чертежах, показывающих конкретные варианты осуществления изобретения. Могут быть реализованы также иные варианты осуществления настоящего изобретения, не выходящие за рамки сущности настоящего изобретения. Кроме того, хорошо известные элементы изобретения не будут описаны в деталях или будут опущены, чтобы другие детали изобретения могли быть описаны с достаточной ясностью.
[0045]  Слово «типовой» использовано в настоящем описании в значении «приведенный в качестве примера, образца или иллюстрации». Любой вариант осуществления данного изобретения, обозначенный в настоящем описании как «типовой» не обязательно является предпочтительным или имеющим преимущества по отношению к другим вариантам осуществления настоящего изобретения. Аналогично, термины «вариант осуществления изобретения» и «исполнение изобретения» не предполагает, что все варианты или исполнения осуществления данного изобретения содержат обсуждаемый признак, преимущество или режим работы.
[0046] Терминология, используемая в настоящем описании, предназначена только для описания конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения и не ограничивает объём изобретения. Использование терминов в единственном числе предполагает, что они относятся как к единственному, так и к множественному числу, если иное не указано явно или четко не обозначено контекстом. Кроме того, следует понимать, что использованные в настоящем описании термины «содержит», «содержащий», «имеет», «имеющий», «состоит», «состоящий», «включать в себя» и/или «включающий в себя», указывают наличие заявленных признаков, целых систем, этапов, операций, элементов и/или компонентов , но не исключают наличия или добавления одного или нескольких других признаков, целых систем, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп.
[0047] Цели, описанные в настоящем изобретении, могут быть достигнуты с помощью несущей конструкции 100, включающей в себя силовой каркас 200, внешнее ограждение 310, расположенное на небольшом расстоянии от силового каркаса 200, и крышу 320. Силовой каркас может включать в себя верхнюю раму 240 и множество модулей 260.
[0048] В соответствии с вариантами настоящего изобретения несущая конструкция 100 предназначена для гравитационной системы накопления энергии (не показана). Как правило, гравитационные системы накопления энергии включают в себя множество грузов, выполненных с возможностью вертикального перемещения. Гравитационная система накопления энергии заряжается при перемещении грузов из нижнего положения в верхнее положение, и система разряжается при перемещении грузов из верхнего положения в нижнее положение. Более конкретно, гравитационная система накопления энергии может включать в себя каретку для вертикального перемещения грузов и надёжно фиксации грузов в верхнем или нижнем положениях. Может быть предусмотрена тележка для горизонтального перемещения каретки вдоль верхней рамы. Канат с двумя натяжителями может быть функционально связан с кареткой и тележкой. Главный привод может быть соединён с канатом и выполнен с возможностью перемещения каретки. Кроме того, грузы могут надёжно фиксироваться в верхнем или нижнем положениях для накопления энергии.
[0049] Фиг. 1 показывает несущую конструкцию 100, предназначенную для гравитационной системы накопления энергии (не показана), включающую в себя силовой каркас 200, внешнее ограждение 310, расположенное на небольшом расстоянии от силового каркаса 200 и крышу 320 (которая, в соответствии с исполнением настоящего изобретения, может быть выполнена с возможностью расположения над силовым каркасом 200, как показано на Фиг. 1). Несущая конструкция 100 может включать в себя основание 400. Основание 400 может быть выполнено из железобетона. Кроме того, основание 400 может включать в себя дополнительные усиленные участки, соответствующие каждой колонне 210, расположенной на основании 400. Верхняя рама 240 может быть расположена наверху силового каркаса 200. В тех случаях, когда несущая конструкция 100 предназначена для гравитационной системы накопления энергии, верхняя рама может иметь пазы или направляющие (не показаны) для облегчения горизонтального перемещения тележки.
[0050] Как показано на Фиг. 2 силовой каркас 200 состоит из множества колонн 210, расположенных вертикально и перпендикулярно основанию 400 (показано на Фиг. 1). Множество горизонтальных связей 220 соединены с колоннами 210 (также показаны на Фиг. 3). Кроме того, силовой каркас может включать в себя множество наклонных связей 230, каждая наклонная связь имеет первый конец 231 и второй конец 233. Первый конец 231 наклонной связи 230 соединяется с одной из колонн 210, в то время как второй конец 233 соединяется с одной из горизонтальных связей 220.
[0051] Фиг. 3 показывает верхнюю раму 240, расположенную сверху колонн 210 и прикреплённую к верхнему уровню колонн 210 с помощью, например, сварки; либо верхняя рама 240 закреплена на колоннах 210 верхнего ряда под действием силы собственного веса, направленной вниз. Верхняя рама может быть выполнена в виде жёсткой стальной конструкции для равномерного распределения веса грузов на силовой каркас 200. Как показано на Фиг. 3, горизонтальные связи 220 могут быть соединены с колоннами 210 любым известным способом, например, сваркой, болтовым соединением, холодной клёпкой и тому подобное. Аналогично, наклонные связи 230 могут соединяться с колоннами 210 и горизонтальными связями 220 с помощью любого известного способа, такого как сварка, болтовое соединение, холодная клепка и тому подобное.
[0052] В определенном исполнении настоящего изобретения, соединения между колоннами 210, горизонтальными связями 220 и наклонными связями 230 могут быть выполнены с помощью размещения на колонне стыковочных узлов 217, выступающих из колонны, как показано на Фиг. 3. Каждая горизонтальная связь может также включать в себя центральный стыковочный узел 227. Каждый конец 225 горизонтальной связи 220 и каждый из концов 231 и 233 наклонной связи 230 может включает в себя наконечник, предназначенный для жёсткого крепления к стыковочному узлу 217 и/или центральному стыковочному узлу 227 при помощи, например, сварки, болтового соединения, холодной клёпки и тому подобное. В некоторых исполнениях настоящего изобретения горизонтальная связь 220 и наклонная связь 230 могут быть выполнены из стальных труб прямоугольного или круглого сечения. Горизонтальные связи 220 и наклонные связи 230 могут также включать в себя бетон или железобетон.
[0053] В определенном исполнении заявленного изобретения наклонные связи 230 могут образовывать V-образные структуры между колоннами 210 и горизонтальными связями 220, как показано на Фиг. 1. Кроме того, наклонные связи могут образовывать X-образные и Λ-образные структуры. Наклонные связи могут быть выполнены той же длины, что горизонтальные связи. Это уменьшает стоимость изготовления несущей конструкции 100 и, в случае автоматизированного монтажа несущей конструкции 100, позволяет использовать для крепления наклонных и горизонтальных связей одно и то же оборудование.
[0054] На Фиг. 4 показана колонна 210, включающая в себя силовой стержень 212, сделанный из, например, бетона или железобетона, верхний соединительный узел 213 для соединения с вышестоящей колонной 210 и нижний соединительный узел 214 для соединения с нижестоящей колонной 210. Колонна 210 может также иметь стальную трубу (не показана), окружающую силовой стержень 212. Силовой стержень 212 может быть квадратным, восьмиугольным, круглым или любой другой подходящей формы в поперечном сечении. Верхняя и нижняя части силового стержня 212 могут быть усилены подходящими средствами, например, с помощью дополнительной стальной арматуры для обеспечения большей прочности в месте соединения колонн.
[0055] В одном из исполнений настоящего изобретения один из соединительных узлов колонны 210 может быть выполнен как стальной стержень, в то время другой соединительный узел колонны 210 может быть выполнен как отверстие, таким образом, чтобы, когда одна из колонн 210 расположена сверху другой колонны 210, стальной стержень размещался в отверстии для обеспечения надежного соединения колонн 210. В этом случае надёжное соединение обеспечивается направленным вниз весом верхней части силового каркаса 200, а стержень и отверстие центрируют соединяемые колонны. В других исполнениях верхний соединительный узел 213 и нижний соединительный узел 214 могут иметь любую другую подходящую форму для обеспечения надежного соединения колонн любым известным способом, например, сваркой, болтовым соединением, холодной клёпкой и тому подобное.
[0056] На Фиг. 5 показан вид сверху на несущую конструкцию 100, которая включает в себя силовой каркас 200 с квадратными колоннами 210 и внешнее ограждение 310. Также показано множество горизонтальных связей 220. Внешнее ограждение 310 расположено на небольшом расстоянии от силового каркаса 200 для обеспечения защиты от ветра и других климатических нагрузок. Внешнее ограждение 310 позволяет силовому каркасу 200 выполнять свои функции без снижения производительности из-за силы бокового ветра. В частности, внешнее ограждение 310 обеспечивает защиту силового каркаса 200 от боковой ветровой нагрузки силой F (показана на Фиг. 6), тем самым позволяя значительно уменьшить стоимость производства силового каркаса 200. Кроме того, в тех случаях, когда несущая конструкция 100 предназначена для гравитационной системы накопления энергии, внешнее ограждение 310 также предназначено для защиты оборудования гравитационной системы накопления энергии от неблагоприятных климатических нагрузок.
1
2
[0057] На Фиг. 6 показано внешнее ограждение 310 в частных случаях исполнения настоящего изобретения. Ограждение 310 может представлять собой гибкий лист 315, длина которого примерно равна расстоянию от вершины силового каркаса 200 до якорного устройства в сборе приваренного или прикрепленного другим способом к основанию 400. Крепление должно быть достаточно прочным, чтобы выдерживать силу F, направленную как показано на Фиг. 6., прямо пропорциональную силе ветра F. При такой длине гибкого листа изгибающий момент, прилагаемый к силовому каркасу 200 гибким листом, является наибольшим и определяется силой натяжения верхней секции гибкого листа, прикрепленного к силовому каркасу 200, умноженной на высоту силового каркаса 200 и на синус угла между вертикалью и касательной к гибкому листу 315 в верхней точке силового каркаса 200. Таким образом, изгибающий момент тянет силовой каркас 200 навстречу потоку ветра. Сжимающая нагрузка, прилагаемая к силовому каркасу 200 гибким листом 315, определяется той же силой растяжения верхней секции гибкого листа 315, прикрепленного к силовому каркасу 200, умноженной на косинус того же угла между вертикалью и касательной к гибкому листу 315 в верхней точке силового каркаса 200. С увеличением длины гибкого листа 315 угол между силовым каркасом 200 и касательной к гибкому листу 315 в верхней части силового каркаса 200 уменьшается, соответственно уменьшаются значения синуса угла и изгибающего момента. При определенной длине гибкого листа 315, касательная к гибкому листу 315 в верхней точке силового каркаса 200 становится вертикальной и изгибающий момент, приложенный к силовому каркасу 200 становится равным нулю. Таким образом, к силовому каркасу 200 прикладывается только сжимающая нагрузка F. С дальнейшим удлинением гибкого листа 315 изгибающий момент меняет знак. Внешнее ограждение 310 может состоять из множества гибких листов.
[0058] В другом исполнении настоящего изобретения внешнее ограждение 310 представляет собой жёсткую конструкцию, окружающую силовой каркас 200. В этом исполнении внешнее ограждение 310 не соединяется с силовым каркасом и располагается на некотором расстоянии от него (как показано, например, на Фиг. 1 и Фиг. 5). Жёсткое внешнее ограждение 310 может иметь внутреннюю структуру (не показана), например, дополнительную арматуру или полости для теплоизоляции. Жесткое внешнее ограждение 310 может иметь форму цилиндра, гиперболоида, другого осесимметричного тела или другую пригодную форму. Цилиндрическая форма обеспечивает простоту проектирования, возведения и является достаточно эффективной, чтобы противостоять ветровым нагрузкам. Внешнее ограждение может быть выполнено из блоков или в виде монолитной конструкции.
[0059] На Фиг. 7 показана верхняя часть несущей конструкции 100, включая крышу 320, расположенную на верхней части внешнего ограждения 310. В исполнениях настоящего изобретения, показанных на Фиг. 7, когда внешнее ограждение 310 является жестким, как описано выше, крыша 320 может опираться на внешнее ограждение 310. Другими словами, крыша, например, приваренная к верхней части внешнего ограждения 310 расположена на небольшом расстоянии от силового каркаса 200 (как показано на Фиг. 7).
[0060] В другом исполнении, показанном на Фиг. 8, крыша 320 расположена на верхней части верхней рамы 240 и опирается на силовой каркас 200. Оставшийся в этом случае зазор между внешним ограждением 310 и силовым каркасом 200 может быть закрыт с помощью мембраны (не показана) из ПВХ или другого подходящего материала. В этом случае внешнее ограждение 310 может являться гибким листом 315 (как показано на Фиг. 6). Крыша 320 может быть изготовлена из любого подходящего материала, такого как бетон, железобетон, сталь и тому подобное. Крыша 320 может иметь различные формы, например, полусферическую (купол) или быть плоской. Крыша 320 может также включать в себя различные отверстия для нужд, например, водослива, терморегуляции, выравнивания давления и других нужд.
[0061] Кроме сказанного выше, настоящее изобретение может также применяться в других областях, где необходимо создавать разницу высот и выдерживать различные нагрузки, например, как водонапорная башня или тому подобные применения.
[0062] Из описания изобретения очевидно, что тех же технических результатов можно достичь множеством различных вариантов. Такие варианты не должны рассматриваться как отклонение от сущности и объема изобретения, и все модификации настоящего изобретения, которые очевидны для специалиста в соответствующей области, включаются в объем изобретения, зафиксированный формулой изобретения.