Гидроаккумулирующая система
HYDROSTORAGE SYSTEM

Изобретение относится к гидравлическим системам и системам производства электроэнергии. В частности рассматривается система преобразования движений различной природы в давление воды с последующим сбором, нормализацией, аккумулированием, распределением, хранением и утилизацией этого давления в целях произведения требуемой работы, в частности выработки электроэнергии.
Для произведения полезной работы в промышленных масштабах необходимо оперировать величинами того же порядка, который использует потребитель полезной работы. Современная промышленность опирается на национальные и транснациональные энергосети, имеющие в своей работе утренний и вечерний пик в населенных районах и дневную или круглосуточную нагрузку от промышленных потребителей. Современное технологическое оборудование рассчитывается на соответствующие источники рабочей мощности, измеряемые в порядках десятков и сотен киловатт и выше.
Потоковые генераторы (ветро- и гидрогенераторы различных конструкций) могут иметь широкий диапазон характеристик, включая размеры, но с ростом их размера повышается их инерция, что делает большинство подобных конструкций работоспособными только при относительно сильном потоке жидкости или воздуха, способном превысить их собственную инерцию. Указанная особенность уменьшает соотношение времени, в которое генератор производит энергию, к общему времени его работы.
Типовая океанская волна имеет размах по высоте порядка единиц метров и меньше и период колебаний порядка единиц секунд. Основная часть энергии волны - вертикальные колебания поверхности. Генераторы, использующие колебания поверхности воды, в принципе не могут быть с пользой оснащены рабочим телом (поплавком) размерами более, чем половина периода волны, так как при этом они начнут демпфировать (огибать) саму волну, теряя эффективность ее использования.
По описанным выше причинам наиболее перспективными для производственных целей рабочими механизмами являются достаточно легкие механизмы, позволяющие максимально воспринимать энергетическое воздействие как можно меньших природных возмущений. При этом такие механизмы будут иметь малую полезную отдачу от одного механизма, что заставляет увеличивать их количество в штуках, образуя системы отбора энергии природных явлений. Кроме того, различные природные явления могут происходить в одном географическом месте в разные, в том числе пересекающиеся промежутки времени, что делает обоснованным делать системы сбора произведенной энергии в должной мере универсальными.
В настоящий момент все известные способы генерирования электроэнергии с использованием энергии постоянных или периодических движений природных масс в районе морей и океанов делятся на два больших класса:
- системы непосредственного генерирования электроэнергии на самой системе в месте установки
- системы, основанные на перекачке объемов воды из океана в водохранилище.
Системы первого типа имеют два конструктивных недостатка:
- наличие электрооборудования непосредственно рядом с рабочим органом в области океана, что с учетом электропроводности морской воды заставляет оснащать их разнообразными защитами, что приводит к сложности подобных систем и удорожает как их строительство, так и обслуживание;
- нестабильность генерирования электроэнергии приводит к необходимости систем сбора и распределения электроэнергии, что также усложняет строительство распределенных систем подобного типа.
Системы второго типа оперируют инсталляциями одного рабочего механизма, что заставляет использовать системы труб и/или шлангов для доставки качаемой жидкости к месту ее утилизации. Закон Бернулли вносит существенные непроизводительные расходы энергии в трубах/шлангах, что сильно снижает эффективность подобных систем.
Так, из US 2005034452, Е02В 9/00, F03B 13/08, F03B 3/10, опубл. 28.02.2006 известна гидроаккумулирующая система, которая использует гравитационные силы движения вниз большого количества воды для преобразования в электрическую энергию. В предпочтительном способе реализации, система использует искусственное озеро. Хотя на больших высотах эффективность и может быть выше, достаточно чтобы озеро было на высоте от двадцати до тридцати футов. Озеро, которое может превышать сто акров в размере, может быть расположено выше и прилегать к естественным водоемам, например, располагаться на береговой линии океана. Песчаная почва облегчает строительство системы. Подземный генератор используется для преобразования энергии и перекачки воды обратно в верхний резервуар во время низкого спроса на энергию, и позволяет значительно снизить уровень шума. Система может быть использована для обеспечения значительных уровней мощности в периоды пикового спроса на энергию, когда другие источники питания являются более дорогими и сами требуют энергии для работы. Компоненты системы эстетически вписываются в ландшафт, что позволяет использовать систему в жилом районе.
Описанная в US 4132901, Е02В 9/00, Е02В 9/08, F03B 13/14, опубл. 02.01.1979 система относится к электрогенерирующей системе, пригодной для местности, расположенной на возвышенности, где отсутствует достаточное водоснабжение для гидроэлектрогенерации. Дефицит воды покрывается за счет резервуара, размещаемого на возвышенности, и системы насосов для накачки воды в резервуар. В качестве насосов используются устройства, работающие по принципу волновых двигателей для перекачивания воды с уровня моря.
В источнике JPH 11247164, C02F 1/44, Е02В 9/00, опубл. 14.09.1999 раскрыта подземная система гидроаккумулирующей электростанции для опреснения и использования соленой воды. Система содержит вертикальную шахту, проходящую вертикально вниз от уровня моря, и вторую, отходящую от верхнего резервуара, в середине устанавливается труба с мембраной обратного осмоса. Пресная вода производится из морской воды и хранится в подземном резервуаре. Далее вода накачивается в течение непикового времени и хранится в верхнем резервуаре. Во время пикового потребления происходит генерация энергии за счет сброса воды обратно в подземный резервуар.
Так, в заявке RU 2011122189, F03D 3/00, опубл. 10.12.2012 описана гидроаккумулирующая ветроэлектростанция, содержащая верховой водоем, водоприемник, турбинный водовод, по меньшей мере одну необратимую гидрогенераторную пару, состоящую из гидротурбины, электрогенератора и соединительной муфты, и отсасывающую трубу для отвода отработавшей воды в низовой накопительный водоем для ее перекачки в верховой водоем и повторного пропуска через гидротурбину. На берегу низового накопительного водоема или на помосте над поверхностью воды на оптимальном расстоянии от плотины верхового водоема, исключающем помехи ветровому потоку, установлен по меньшей мере один гидронасос с ветродвигателем для утилизации энергии ветра в потенциальную энергию столба воды путем ее перекачки из низового накопительного водоема в верховой для повторного пропуска через турбинно-генераторную пару.
В WO 2010060504, F03B 13/06, опубл. 03.06.21010 описаны система и способ аккумулирования энергии. Система включает, по меньшей мере, один резервуар для хранения морской воды, располагаемый над уровнем моря в непосредственной близости от морского берега. По меньшей мере, одна турбина находится в непосредственной близости от уровня моря и расположена существенно ниже уровня одного из указанных резервуаров. Указанная турбина соединена с генератором мощности. По меньшей мере, один канал, соединяет указанный резервуар и турбину, в котором нисходящий поток морской воды из резервуара приводит во вращение турбину для генерации энергии. Изобретение также описывает методы предотвращения коррозии и накопления морских организмов в системе. Система может быть полностью или частично работать от энергии прерывистых возобновляемых источников, таких как ветер.
В RU 2353797, F03B 13/18, опубл. 27.04.2009 описана система из поплавковых насосов (поле насосов), которая включает в себя поплавковые насосные блоки, скомпонованные так, чтобы подавать текучее вещество в резервуар под действием волн в океане. Резервуар расположен на вершине скалы и принимает воду, перекачиваемую из поплавковых насосных блоков, через выпускные линии. Вода может накапливаться в резервуаре и вытекать через выпускные линии подачи на турбину(турбины), расположенную в машинном зале. Вода может сбрасываться снова в океан через линии сброса. В другом варианте осуществления резервуар может быть расположен над уровнем водного пространства, т.е. на судне или нефтяной платформе. Путем минимизации количества энергии, отбираемой из каждой волны, каждый поплавковый насосный блок, расположенный в поле насосов, получает по существу одинаковое количество энергии.
Данное решение принято в качестве прототипа.
Независимо от природы используемых природных явлений все они не являются точно прогнозируемыми и, как правило, не совпадают во времени с пиками потребности энергосетей в энергии, произведенной из них. Нынешний уровень прогресса делает запасание электроэнергии дорогим как в финансовом смысле, так и в физическом: механические аккумуляторы типа маховиков тратят часть энергии на трение, химические элементы требуют безвозвратных потерь на добычу и производство их элементов, аккумуляторы имеют ненулевые токи саморазряда. Наиболее эффективным способом запасти энергию впрок надолго является использование физических законов: изменение и хранение рабочего тела под давлением (пневматические аккумуляторы давления, используемые на транспорте), использование силы всемирного тяготения (гидроаккумулирующие электростанции - ГАЭС).
ГАЭС в классическом исполнении имеет водохранилище, в котором накапливает воду для своей работы во время, когда электроэнергия наименее востребована, и производит электроэнергию тогда, когда она нужна энергосетям. Минусом классических ГАЭС является то, что они потребляют электроэнергию из энергосетей для пополнения запаса воды в водохранилище.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационной надежности за счет введения буферной емкости и повышении энергетической эффективности за счет размещения буферной емкости на участке между природным водоемом и водохранилищем.
Указанный технический результат достигается тем, что гидроаккумулирующая система, включающая в себя рабочие механизмы, преобразующие движения различной природы в работу индивидуальных насосов высокого давления, закачивающих по водоводам воду из природного водоема в водохранилище, размещенное на уровне выше уровня расположения природного водоема, а так же устройство преобразования давления потока воды, поступающей по водоводу из водохранилища, в энергию потребления для производства полезной работы, снабжена емкостями, размещенными на дне водоема и сообщенными с индивидуальными насосами высокого давления, которые выполнены с возможностью закачивания воды под высоким давлением в эти емкости и которые оснащены аккумуляторами давления для нормализации давления в них, и буферной емкостью в нижней части водовода, размещенной ниже водохранилища и выше уровня расположения природного водоема и оснащенной аккумуляторами давления для защиты водовода и рабочих механизмов отбора давления от гидроудара.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 показана общая компоновка собирающих емкостей, водоводов, водохранилища и буферной емкости, в разрезе перпендикулярно береговой линии;
фиг. 2 - размещение частей системы на поверхности берега и дна водоема, вид в плане.
Согласно настоящему изобретению рассматривается система емкостей и трубопроводов, предназначенных для сбора, нормализации, аккумулирования, распределения, хранения и утилизации жидкости различных давлений, изменяющихся в разных частях системы с целью сбора энергии движений различной природы и последующего производства различной полезной работы в нужное время и в нужных объемах, в том числе для производства электроэнергии (фиг. 1 и 2).
В общем случае в виде блок-схемы гидроаккумулирующая система включает в себя рабочие механизмы 1, преобразующие движения различной природы в работу индивидуальных насосов высокого давления 2, закачивающих по водоводам воду из природного водоема 3 в водохранилище 4, размещенное на уровне выше уровня расположения природного водоема, а также устройство преобразования 5 давления потока воды, поступающей по водоводу 6 из водохранилища, в энергию потребления для производства полезной работы. Система снабжена емкостями 7, размещенными на дне водоема 3 и сообщенными с индивидуальными насосами высокого давления 2, которые выполнены с возможностью закачивания воды под высоким давлением в эти емкости и которые оснащены аккумуляторами давления для нормализации давления в них, и буферной емкостью 8 в водоводе, размещенной ниже водохранилища и выше уровня расположения природного водоема и оснащенной аккумуляторами давления для защиты водовода и рабочих механизмов отбора давления от гидроудара.
Расположение точки отбора рабочего давления в точке равновесия давлений двух систем позволяет производить необходимое количество полезной работы независимо от текущего направления динамического балансирования давлений между двумя системами, - водохранилища и собирающей системы. Независимость работоспособности системы от нестабильности природной активности во времени задается при проектировании и строительстве системы и теоретически позволяет обеспечить заданные параметры производства полезной работы на любой заранее заданный срок. Данное свойство позволяет использовать систему в качестве источника работы для производства электроэнергии как в целях постоянной генерации, так и в целях маневра мощностью в национальных и транснациональных энергосетях, - одновременно в обеих целях без снижения эффективности ни в одной из них.
Указанная система, предназначенная для сбора, нормализации, аккумулирования, распределения, хранения и утилизации жидкости различных давлений, изменяющихся в разных частях системы с целью сбора энергии движений различной природы и последующего производства различной полезной работы в нужное время и в нужных объемах, в том числе для производства электроэнергии, состоит из:
- множества емкостей 7 на дне водоема, пригодных для установки на них рабочих механизмов 1, преобразующих движения различной природы в работу индивидуальных насосов высокого давления 2, закачивающих воду под высоким давлением в эту систему емкостей, и оснащенных аккумуляторами давления для нормализации давления в них;
- водохранилища 4, рассчитываемого и строящегося для хранения объема воды, определяемого исходя из необходимого времени работы всей системы. Объем водохранилища определяется как модуль интегрального потребления на расчетном периоде с необходимым запасом. При этом объем и место строительства такого водохранилища не зависит от притока и наличия рек, необходимых для обычных ГЭС;
- водовода 6 между системой емкостей на дне водоема и водохранилищем, рассчитываемого и строящегося исходя из объема производства сжатой воды и ее максимального давления на выходе из системы емкостей на дне водоема. Давление воды из водохранилища при этом примерно равно указанному давлению из системы емкостей на дне водоема, что позволяет провести максимально эффективный расчет конструкции водовода;
- буферной емкости 8 в нижней части водовода (на участке между береговой линией 9 и водохранилищем 4), оснащенной аккумуляторами давления, обеспечивающей защиту водовода и рабочих механизмов отбора давления от гидроудара, что позволяет обеспечить высокую скорость изменения отбора давления из системы, что, в свою очередь, увеличивает полезность всей предложенной конструкции для производства электроэнергии для национальных и транснациональных энергосистем. Буферная емкость, стабилизирующая давление в системе, также позволяет отбирать давление в целях производства другой полезной работы с прямым использованием 10 воды под давлением без промежуточного преобразования в электричество, что повышает общий КПД производства таких работ (например, прямая подача давления на насос или насосы или гидротурбину, каналы прямого выхода воды из буферной емкости могут отсекаться заслонками 11).
Наличие воды в практически бесконечных объемах вокруг системы позволяет захватывать ее рабочими механизмами, сжимать до рабочего давления и передавать в ту часть системы, которая предназначена для ее сбора с рабочих механизмов. Сами рабочие механизмы при этом могут использовать для своей работы движения любых природных масс, это могут быть как различные движения самой воды, - течения, колебания приливов и отливов, волнение поверхности, - так и движения воздуха (ветер) или иные природные явления, которые рабочий механизм может преобразовать в работу своего насоса. В частном случае рабочий механизм может быть представлен насосом с электроприводом, если требуется утилизировать электроэнергию от нестабильного источника, - например, солнечных батарей.
Особым образом сконструированная система емкостей на дне водоема собирает различные порции воды под различным давлением, но не ниже внутреннего давления емкости, демпфируя скачки давления аккумуляторами давления, что сглаживает скачки давления до среднего по емкости достаточно быстро, чтобы они не мешали работе рабочих механизмов. Впоследствии давление между емкостями выравнивается согласно закону сообщающихся сосудов. Такая конструкция позволяет предлагаемой системе не нуждаться в отдельных ограничителях давления от рабочих механизмов и при этом не терять бесцельно энергию, сообщенную в систему порцией жидкости излишне высокого давления, в любом случае аккумулировать ее для полезной работы.
Искусственное водохранилище, построенное на берегу, является резервуаром для временного хранения воды в тех же целях, что и в классических ГАЭС. Перепад высот между уровнем воды в водохранилище и системой емкостей на дне водоема определяет рабочее давление в системе емкостей и задается на этапе проектирования всей системы. Этот перепад не является постоянным и изменяется в ходе рабочего цикла системы. Чем больше площадь водохранилища, тем меньше изменения давления в системе емкостей на дне водоема в течение рабочего цикла.
Рабочий цикл простейшей системы предложенной конструкции - сутки, что позволяет успешно обслуживать так называемые суточные колебания потребления электроэнергии. Более привлекательным вариантом является система, рассчитанная с учетом колебаний потребления электроэнергии в течение недели (спад выходных дней), что при незначительном увеличении размеров водохранилища (порядка десятков процентов объема) существенно увеличивает востребованность такой системы со стороны энергосистем. Дальнейшее увеличение буферизующей способности системы путем увеличения водохранилища до способности буферизовать, к примеру, сезонные колебания энергопотребления, представляется конструктивно возможным, но экономически невостребованным.
Между водохранилищем и системой емкостей сбора давления располагается водовод с промежуточной емкостью отбора давления. Водовод представляет собой систему труб максимально возможного сечения, материал и сечение которого выбираются на этапе проектирования с учетом имеющихся конструкционных материалов и технологий строительства. Как правило, это стальные или железобетонные трубы порядка 5-7-9 метров в диаметре, часто со сглаживающими стальными или пластиковыми вставками. Так как изготовление и закрепление труб большего диаметра существенно дороже, водовод набирают из необходимого количества доступных труб. Чем диаметр труб водовода больше, а сами трубы прямее, тем ниже непроизводственные энергетические затраты на трение воды в них и тем выше общий КПД всей системы.
В удобном месте, как правило, это поверхность суши на берегу, располагают промежуточную емкость отбора давления для производства полезной работы. Емкость отбора давления необходима по двум причинам:
- во избежание гидравлического удара при смене направления движения воды в/из водохранилища необходимо иметь буферную емкость с механизмами демпфирования гидроудара;
- эффективное быстрое изменение количества отбираемой из системы жидкости позволяет поднять востребованность системы в целях генерирования электроэнергии и в других целях, но также способно вызвать гидроудар.
Использование отдельной емкости отбора давления, оснащенной пневматическими или иными аккумуляторами давления, позволяет:
- удобно разделить различного диаметра трубопроводы водовода и механизмов производства полезной работы, которые таким образом, могут иметь независимые друг от друга размеры;
- относительно большая емкость (в несколько раз больше по объему, чем были бы трубы водовода на этом промежутке), оснащенная пневматическими или иными аккумуляторами давления, эффективно сглаживает колебания давления в системе. Необходимая емкость аккумуляторов давления рассчитывается на этапе проектирования системы исходя из планируемой скорости изменения отбора давления из системы и может достигать десятков секунд работы системы в кубометрах рабочей жидкости. Так как аккумуляторы давления в этом случае располагаются в стационарном здании и легко доступны для осмотра и обслуживания, их можно поставить нужное количество удобной с точки зрения производства и размещения конструкции.
Кроме отбора жидкости под давлением с целью производства электроэнергии система позволяет также эффективно отбирать необходимое количество жидкости под давлением для непосредственного использования без преобразования в электричество, например:
- привод пневмонасоса для производства сжатого воздуха для нужд самой электростанции;
- для накопления в емкостях высокого давления и последующего использования, например, в пневмоинструменте;
- прямое использование воды под давлением для мытья транспорта, судов;
- привод иных рабочих механизмов в любых целях.