СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ И АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
POWER GENERATION AND ACCUMULATION PROCESS

Изобретение относится к способам генерации энергии, в частности преобразованию энергии потока воды в пневматическую энергию, ее накоплению, хранению и, в зависимости от потребности, последующему преобразованию в полезную мощность (механическую, электрическую, тепловую или мощность для производства холода).
Известен способ генерации пневматической энергии путем сжатия атмосферного воздуха компрессорами, приводимыми в движение электрическими двигателями или двигателями внутреннего сгорания, и аккумулирования пневматической энергии в воздушных ресиверах. Смотри, например, [Насосы, вентиляторы, компрессоры. В.М. Черкасский, М., Энергоатомиздат, 1984, с. 296-388].
Недостатком этого технического решения является необходимость использования электрического двигателя или двигателя внутреннего сгорания для реализации способа, а также дополнительные затраты энергии на охлаждение воздуха при его сжатии.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при этом результату является способ преобразования энергии потока воды с использованием явления гидравлического удара, аккумулирования ее в виде гидравлической энергии, с последующим преобразованием накопленной энергии в полезную электрическую мощность [Патент Японии: JP 57181976(A), Hydraulic generator, 09.11.1982 г. ].
Недостатком прототипа является то, что в процессе преобразования кинетической энергии потока воды в полезную мощность путем использования явления гидравлического удара применяют пневмогидравлические накопители энергии воды. Накопить таким способом значительное количество энергии крайне проблематично. Вода практически несжимаемая среда, ее требуется очень много для накопления энергии, что приводит к внушительным размерам пневмогидравлических аккумуляторов или использованию большого их количества. Это обстоятельство существенно удорожает себестоимость получаемой конечной полезной электрической энергии.
Технической задачей, стоящей перед изобретением, является создание простого, экологически чистого способа генерации, накопления и хранения энергии, которая в последующем может быть преобразована в любой вид полезной энергии (механической, электрической, тепловой или энергии для производства холода) с достаточно низкой себестоимостью.
Согласно изобретению техническая задача решается следующим образом. Способ генерации и аккумулирования энергии включает преобразование энергии потока воды с использованием явления гидравлического удара в напорном водоводе, накопление и хранение преобразованной энергии в герметичных воздушных емкостях под давлением. Для этого снабжают напорный водовод, подвижными в радиальном направлении частями стенок (гибкими мембранами), устанавливают над подвижными стенками напорного водовода полусферические крышки, герметично соединяют полусферические крышки с неподвижными стенками водовода, устанавливают на крышках патрубки с всасывающими и нагнетательными воздушными клапанами, соединяют патрубки с всасывающими и нагнетательными воздушными линиями, соединяют нагнетательные линии с герметичными воздушными емкостями, приводят в радиальное возвратно-поступательное движение подвижные части стенок напорного водовода, которые всасывают в пространство под полусферическими крышками атмосферный воздух, сжимают его в этом пространстве и перемещают воздух в герметичные воздушные емкости под давлением путем инициирования в напорном водоводе периодического гидравлического удара.
Кроме того, герметичные воздушные емкости выполняют в виде эластичных оболочек, способных сжиматься под давлением, помещают оболочки под уровень воды на заданную глубину, обеспечивают, таким образом, постоянный во времени отбор накопленной пневматической энергии, вплоть до полного опорожнения герметичных воздушных емкостей, за счет действия снаружи на эластичные оболочки постоянного во времени гидростатического давления воды на заданной глубине, вытесняя тем самым воздух из герметичных воздушных емкостей. В указанном способе устанавливают над подвижными в радиальном направлении частями стенок напорного водовода пневматические цилиндры одностороннего действия с коротким ходом, приводят их в действие совершаемой водой механической работой по возвратно-поступательному радиальному перемещению подвижных частей стенок напорного водовода, соединенных с поршнями пневматических цилиндров.
В предложенном способе кинетическая энергия объема воды, движущейся в напорном водоводе с первоначальной скоростью (до инициирования гидравлического удара), преобразуется при срабатывании ударных клапанов в потенциальную энергию упругой деформации воды, стенок напорного водовода и механическую работу по возвратно-поступательному перемещению гибких мембран. Под действием выполняемой водой механической работы совершается всасывание атмосферного воздуха через всасывающие клапаны, его сжатие в полостях между мембранами и полусферическими крышками и перемещение воздуха через нагнетательные клапаны по нагнетательной линии в герметичные воздушные емкости (аккумуляторы пневматической энергии). Сжатие воздуха происходит практически при изотермическом процессе, так как гибкие мембраны, имеющие значительную площадь поверхности, постоянно омываются с обратной стороны потоком воды в напорном водоводе и охлаждают сжимаемый воздух, значительно повышая эффективность процесса сжатия газа. Сжатие воздуха можно производить в пневматических цилиндрах одностороннего действия с коротким ходом, установленных над подвижными частями стенок напорного водовода и приводимых в действие возвратно-поступательным радиальным перемещением подвижных частей стенок напорного водовода (гибких мембран), соединенных с поршнями пневматических цилиндров штоками. При этом для охлаждения сжимаемого воздуха пневматические цилиндры должны омываться снаружи потоком воды, т.е. напорный водовод должен находиться под уровнем воды в природном или техногенном водотоке.
Способ генерации и аккумулирования энергии реализуется следующим образом (Фиг. 1). Генераторы энергии сооружают в виде напорных водоводов (1) с ударными клапанами (2), часть стенок которых (3) способны к радиальным перемещениям под действием изменяющегося в водоводах давления, вызванного периодическим гидравлическим ударом, герметично прикрепляют к неподвижным стенкам напорных водоводов над подвижными частями его стенок (гибкими мембранами) полусферические крышки (4), снабженные патрубками с всасывающими и нагнетательными воздушными клапанами, соединенными с всасывающими и нагнетательными воздушными линиями, соединяют нагнетательные линии с герметичными емкостями (5), создают в напорных водоводах гидравлический удар с использованием гидротаранов [Гидравлика. Н.Н. Кременецкий, Д.В. Штеренлихт, В.М. Алышев, Л. В. Яковлева, М., Энергия, 1973, с. 215-217]. Гидравлический удар, инициируемый ударными клапанами (2), приводит к колебаниям давления в напорном водоводе (1) и радиальным перемещениям подвижных частей стенок водовода (гибких мембран) (3), сжимающих воздух, находящийся в полусферических крышках (4), и выталкивающих его в нагнетательные воздушные линии, соединенные с герметичными воздушными емкостями (5). При проходе в напорном водоводе обратной волны давления (волны разрежения), вызванной высвобождением энергии упругой деформации воды и стенок напорного водовода, полученной при повышении ударного давления, подвижные стенки водовода (гибкие мембраны) (3) совершают обратное радиальное перемещение в другую сторону, забирая через всасывающие линии и всасывающие клапаны атмосферный воздух, заполняют пространство между гибкими мембранами (3) и полусферическими крышками (4). Далее процесс всасывания и нагнетания воздуха циклически повторяется. Воздух из нагнетательной линии под высоким давлением поступает в герметичные воздушные емкости (аккумуляторы пневматической энергии) (5) с последующей раздачей воздуха потребителям (6). Аккумулятором пневматической энергии (ресивером) может являться герметичная емкость, способная выдерживать высокие давления, герметичная соляная или другая горная выработка, эластичные оболочки, способные изменять свою форму под действием давления и помещенные под уровень воды на заданную глубину. Чем глубже находятся эластичные, герметичные оболочки под уровнем воды, тем большую пневматическую энергию они могут накопить и сохранить. Аккумулятором пневматической энергии может быть отслуживший свой срок по прямому назначению, не прошедший диагностику отрезок магистрального трубопровода (водовода, нефтепровода или газопровода) длиной в несколько километров или десятков километров, но способный еще долгое время выдерживать меньшие давления по сравнению с рабочими (до 10 атм.).
Возможна реализация способа генерации и аккумулирования энергии следующим образом (Фиг. 2). Генераторы энергии сооружают в виде напорных водоводов (1) с ударными клапанами (2), часть стенок которых (3) способны к радиальным перемещениям под действием изменяющегося в водоводах давления, вызванного периодическим гидравлическим ударом, устанавливают над подвижными частями его стенок (гибкими мембранами) (3) пневматические цилиндры с коротким ходом поршня (4), снабженные патрубками с всасывающими и нагнетательными воздушными клапанами, соединенными с всасывающими и нагнетательными воздушными линиями, соединяют нагнетательные линии с герметичными емкостями (5), с последующей раздачей пневматической энергии потребителям (6), создают в напорных водоводах (1) гидравлический удар при помощи ударных клапанов (2).
Использование заявленного технического решения обеспечивает выработку, накопление и хранение достаточного для практического использования количества экологически чистой пневматической энергии, с малой себестоимостью, для автономного энергоснабжения жилых и производственных зданий, расположенных на удаленных от централизованного энергоснабжения территориях. Сохраненную пневматическую энергию в отличие от гидравлической энергии прототипа можно транспортировать по воздуховодам на достаточно большие расстояния (до 20 км) без значительных потерь. Способ генерации и аккумулирования пневматической энергии предусматривает использование стандартной, хорошо известной системы подготовки воздуха, его очистки и обезвоживания.