НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ (НЭГМ)

Накопитель энергии гидромеханический - НЭГМ относится к системам и способам накопления энергии в периоды ее избытка, хранения и выдачи при дефиците мощности в электрической сети. Варианты осуществления НЭГМ могут использоваться для накопления энергии ГЭС, ГРЭС, АЭС во время «внепиковых» периодов (т.е. периодов времени, когда энергопотребление из основной сети ниже, по сравнению с «пиковыми» периодами) и/или энергии, вырабатываемой из других возобновляемых источников. В некоторых конкретных вариантах осуществления система НЭГМ может быть выполнена с возможностью эксплуатации на Загорской, Зеленчукской и будущей Ленинградской ГАЭС.
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. Поэтому во всем мире разрабатывают и строят разнообразные накопители энергии, среди которых есть несколько сотен ГАЭС. Все они имеют общие недостатки, снижающие эффективность применения:
1. Затраты энергии на возврат использованных объемов воды в водохранилище всегда больше получаемой при генерации энергии.
2. Существующие ГЭС и ГАЭС при максимальной мощности генерации не имеют запаса энергии для покрытия даже кратковременного аварийного «пика» потребления.
3. Значительные затраты на изготовление, монтаж, эксплуатацию и техобслуживание мощных насосов для закачки воды, если они используются.
4. Обратимые гидроагрегаты сложнее по конструкции чем простые гидротурбины, что требует дополнительных расходов на изготовление, а непрерывная работа агрегата на двух режимах сокращает срок эксплуатации.
5. КПД обратимых гидроагрегатов всегда ниже простых гидротурбин или насосов.
6. Остановка обратимого гидроагрегата ведет к исключению из оборота в сети как генерируемой, так и потребляемой энергии одновременно.
Предлагаемая полезная модель является комбинированным сооружением с вариантами одновременного механического и гидравлического накопления энергии при избытке и выдаче ее при дефиците, что позволяет использовать их преимущества и добиться значительной эффективности применения в каждом конкретном месте исходя из географических условий района и энергетических характеристик сети. Конструкция полезной модели состоит из вертикального цилиндрического резервуара, внутри которого поднимается лебедками и опускается под собственным весом поршень, при подъеме которого в резервуар под давлением напора высоты водохранилища поступает вода. Этот напор уменьшает потребляемую мощность лебедками при подъеме поршня, а при выдаче высота объема воды складывается с весом поршня и общее количество выдаваемой энергии превышает затраченную лебедками энергию на подъем поршня, что повышает коэффициент полезного действия накопителя. Запаса воды в резервуаре достаточно для выработки дополнительной энергии в сеть в течение нескольких часов для высоконапорной ковшовой турбины с малым удельным расходом воды, например, ПЕЛЬТОНА. Резервуар устанавливается на уровне нижнего бьефа ГЭС и может заполняется самотеком с напором высоты водохранилища до верхнего уровня при накоплении энергии во время избытка мощности в сети одновременно с подъемом электрическими лебедками герметичного поршня на высоту резервуара, где он фиксируется на любое необходимое время ожидания. При необходимости выдачи энергии в сеть поршень освобождается и своим весом давит на воду, чем создается совместный напор на турбину, превышающий рабочий напор плотины.
В настоящее время в мире имеется более 450 гидроаккумулирующих электростанций, использующих принцип накопления гидравлической энергии при избыточной мощности в сети путем перекачки воды насосами или обратимыми гидроагрегатами из нижнего бьефа в верхнее водохранилище. При дефиците энергии вода из верхнего водохранилища идет через турбины в нижний бьеф, выдавая в сеть энергию. При любом варианте перекачка воды в насосном режиме снизу-вверх энергии требует больше, чем получается при спуске воды и выработке энергии в генераторном режиме. Средний КПД существующих ГАЭС составляет около 70%. На недавно введенной в строй Зеленчукской ГАЭС заявлен теоретический КПД около 87%, а реальный будет меньше на 10-15% из-за дополнительных потерь на трение воды в длинных водоводах, в запорных устройствах и при смене режимов работы.
Специалисты новосибирской компании «Энергозапас» - резидента Инновационного центра «Сколково», разработали проект твердотельной аккумулирующей электростанции (ТАЭС) и представили его в Екатеринбурге на выставке «Иннопром» 2017. Принцип действия ТАЭС аналогичен работе гидроаккумулирующей электростанции (ГАЭС), но вместо воды используется только твердый груз, в данном случае - упакованный грунт. Накопление выработанной энергии происходит за счет подъема груза на высоту несколько сотен метров, при опускании которого под действием силы тяжести запасенная энергия выдается в сеть. Заявлен КПД около 80%.
Этот способ накопления энергии уже запатентован в феврале 2009 г. (Патент РФ 2509915, Автор ФИСКЕ Орло Джеймз, US, Патентообладатель: ЛОНЧПОЙНТ ТЕКНОЛОДЖИЗ, ИНК. US), с различными вариантам, включая и механические способы накопления потенциальной энергии. Во всех случаях затраты энергии на подъем груза вверх больше, чем возвращается энергии при опускании груза.
Из всех заявленных в патенте вариантов накопителей, предлагаемый накопитель энергии гидромеханический самый эффективный.
Технической задачей внедрения накопителя энергии гидромеханического является накопление энергии, вырабатываемой различными источниками электрической энергии во время излишков в сети и выработка электроэнергии обратно в сеть при ее дефиците.
Техническим результатом является накопление энергии за счет одновременного использования напора воды из водохранилища в напорный резервуар и подъема вверх поршня внутри его и выдача энергии с использованием объединенного давления объема воды в резервуаре и веса поршня, с герметичным уплотнением по периметру со стенками резервуара, вытесняющего этот объем воды в гидротурбину.
Технический результат достигается следующим образом. Во время избытка в сети энергии электрические лебедки поднимают внутри герметичного вертикального резервуара поршень, при этом в подпоршневое пространство по водоводу под напором поступает из водохранилища вода и создает давление на поршень снизу, снижая потребление лебедками элэнергии, необходимой для поднятия поршня вверх. В верхнем положении поршень обладает запасом потенциальной энергии соответственно весу и высоте подъема, и в это же время объем воды в подпоршневом пространстве тоже обладает потенциальной энергией соответственно весу и высоте уровня. При дефиците эл. энергии в сети поршень опускается вниз, и накопитель работает в режиме генерации, используя всю потенциальную энергию гидравлического напора высоты запасенной в резервуаре воды и веса поршня. При этом общая выработка энергии турбиной превышает потраченную лебедками на подъем поршня. Эта разность зависит от высоты напорного водохранилища, высоты и объема воды в напорном резервуаре, что делает НЭГМ наиболее эффективным среди существующих в мире.
Конструкция накопителя энергии гидромеханического представлена на чертеже.
3
1. Цилиндрический вертикальный напорный резервуар металлический или железобетонный с гладкими внутренними стенками объемом более 10000 м.
2. Поршень металлический с наполнителем весом несколько тысяч тонн с уплотнениями по окружности для сохранения герметичности внутреннего объема резервуара с водой.
3. Электрические лебедки для подъема поршня во время избытка энергии в сети.
4. Водовод для наполнения напорного резервуара водой самотеком из верхнего водохранилища.
5. Запорный клапан напорного входного водовода
6. Турбина, с малым удельным расходом воды на единицу мощности при высоком напоре, создаваемом совместным давлением воды и веса поршня из резервуара накопителя.
7. Фундамент напорного резервуара
Накопитель энергии гидромеханический работает следующим образом.
Во время избытка энергии в сети лебедки 3 поднимают поршень 2 внутри резервуара 1, при этом напор воды высоты плотины через наполняющий водовод 4 давит на поршень 2 снизу, чем уменьшается объем энергии, затрачиваемой на подъем лебедками 3 из сети. После завершения этого процесса накопитель энергии сразу готов к режиму генерации. Для хранения энергии на длительный срок поршень 2 может фиксироваться в верхнем положении, чем разгружаются от длительного общего статического давления стенки резервуара, запорный клапан 5 наполняющего водовода и регулирующая арматура турбины 6. Фундамент 7 резервуара должен выдерживать общий вес накопителя с водой.
Варианты применения накопителя энергии гидромеханического:
1. Несколько НЭГМ можно устанавливать при наличии места непосредственно около зданий ГЭС с турбинами с использованием напорного водовода турбин, во время их работы в режиме синхронного компенсатора или
на расстоянии от здания ГЭС в удобном месте для прокладки отдельного питающего водовода для всех резервуаров прямо из водохранилища.
2. Для покрытия значительного дефицита мощности в короткий период времени можно использовать сразу все накопители в параллельной работе всех турбин.
3. При незначительном дефиците энергии в течение длительного периода можно использовать поочередно запасы энергии из разных напорных резервуаров поочередно на разные турбины, что продлит эксплуатационный срок работы турбин, даст возможность проводить их плановое техобслуживание поочередно.
4. При дефиците общего количества воды в накопительном водохранилище ГЭС, использованный из напорных резервуаров НЭГМ объем можно направлять в общий оборот через основную ГАЭС.
5. Из заполненного водой при избытке энергии в сети напорного резервуара можно подавать воду за счет объединенного высокого давления на большие расстояния для орошения, чем из водохранилища, без дополнительного потребления энергии насосами из сети.
6. В аварийных ситуациях в сети или с питательными насосами для водоснабжения населения или для работы ГРЭС можно использовать имеющийся запас воды из напорных резервуаров.
Вся номенклатура оборудования для применения в НЭГМ выпускается в настоящее время промышленностью России и может использоваться в разных климатических условиях места установки, вида источников генерации и характеристик региональной электрической сети.