Гідроакумулювальна електростанція

Гідроакумулювальна електростанція, що містить машинний зал з гідроагрегатами, верхнє і нижнє водосховища, водоводи, газопроводи, яка відрізняється тим, що верхнє водосховище є резервуаром, який утворено за допомогою сферичної або циліндричної оболонки із синтетичної водота повітронепроникної тканини, яка утримується компресією повітря або інертного газу (переважно, гелію) у відсіках, посилених системою перетинок та стрингерів. (19) (21) a200813542 (22) 24.11.2008 (24) 10.06.2010 (46) 10.06.2010, Бюл.№ 11, 2010 р. (72) ПОСТНІКОВ ВІКТОР ІВАНОВИЧ, ВАСЬКО ПЕТРО ФЕОДОСІЙОВИЧ, ГОЛОВАНОВ ІГОР МИКОЛАЙОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ВІДНОВЛЮВАНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) US 7003955 B2, 28.02.2006 US 3744191, 10.07.1973 RU 2106453 C1, 10.03.1998 3 Відомі повітряно-опорні архітектурні споруди, які формуються із синтетичних тканин (наприклад, надміцний поліестер) та підтримуються тиском повітря [Патент США №3744191 (1973)]. В середину повітряно-опорної конструкції, яка герметично закріплена на фундаменті, подається повітря, створюючи надлишковий тиск, що відіграє роль опори для споруди. Найбільш простими та стійкими формами повітряно-опорних споруд є спряжені циліндричні та сферичні поверхні. Об'єм повітря, яке потрібно нагріти всередині повітряно-опорної споруди, достатньо великий. Для цього використовують повітряні теплогенератори. Оскільки всередині повітряно-опорної споруди існує надлишковий тиск, споруда намагається "відірватись" від земної поверхні. Цьому заважає фундамент. Він може буту двох типів - анкерным та баластним. Як баласт інколи використовуються ємності з водою. Найбільш близьким аналогом гідроакумулювальної електростанції, що заявляється, вибраним за прототип, є відомий патент США [Патент США №7003955 В2 (2006)], в якому замість верхнього водосховища пропонується використовувати типові конструкції водонапірних башт, що складаються з бака (резервуара) для води, як правило циліндричної форми, і опорної конструкції (ствола) різного типу. Висота типової водонапірної башти (відстань від поверхні землі до низу бака), звичайно не перевищує 30м; ємність бака – від декількох десятків м3 (для малих водопроводів) до декількох тисяч м3 (у великих міських і промислових водопроводах) [Водонапорные башни. (http://en.wikipedia.org/wiki/Water_tower)]. Застосування типової водонапірної башти замість верхнього водосховища (прототип) частково усуває вище означені недоліки. Але залишається проблема достатньо великих економічних та часових витрат на будівництво башти, її фундаменту, матеріали та підготовчі будівельні роботи. Як правило, башта виконується із залізобетону, чи нержавіючої сталі великих об'ємів, тому її вага, сумісно з вагою води, може спричинити неприпустиме навантаження на ґрунт. Особливо треба зазначити проблему корозії металевих споруд. Демонтаж башти, чи перенесення її у інше місце, доволі складна проблема. В основу винаходу покладена задача вдосконалення гідроакумулювальної електростанції шляхом виконання верхнього водосховища у вигляді оболонки з легкої та міцної синтетичної тканини, яка утримується накачуванням повітря або інертного газу. Таке рішення має забезпечити раціональне використання земельних площ, максимальне наближення гідроакумулювальної електростанції до джерела або споживача електроенергії, зниження капітальних витрат на будівництво та демонтаж станції, зниження екологічних збитків від будівництва станції, легке перенесення її у інше місце. Мета досягається тим, що верхній басейн виконано у вигляді оболонки (переважно сферичної або циліндричної форми), утвореної, згідно винаходу, за допомогою легкої та міцної водо- та повітря- непроникневої синтетичної тканини (такою, як поліестер, дакрон, найлон, скловолокно та ін.), яка 90954 4 утримується за рахунок застосування теплого повітря, або інертного газу (головним чином гелію) у проміжному шарі оболонці. Оболонка розміщується в найбільш придатному місці з погляду максимального задоволення екологічних та естетичних норм, вимог споживача і джерел поновлюваної енергії. Використання винаходу дозволить розташувати гідроакумулювальну електростанцію практично в будь-якій точці на місцевості, що не має природних верхніх водосховищ поблизу акваторії нижнього басейну. Розташування верхнього басейну поблизу джерел відновлюваної енергії і споживача дозволяє створювати гідроакумулювальні електростанції з оптимальними економічними показниками. В якості нижнього, басейну може використовуватися будь-яка відома споруда або акваторія, наприклад водосховище, озеро, море, підземний резервуар та ін. На Фіг.1 зображена гідроакумулювальна електростанція, яка включає в себе заповнену водою й утримувану інертним газом оболонку (верхній резервуар) 1, напірні водоводи 2, 4, машинний зал 3, у якому розміщені гідроагрегати в складі, принаймні однієї, оборотної гідравлічної машини (насосотурбіни) і оборотної електричної машини (двигунагенератора), нижній резервуар 5, компресор та регулятор тиску 6, газопроводи 7, баластне кільце 8. Верхній резервуар являє собою двошарову оболонку, яка зшита з сегментів міцної, водо- повітря-непроникневої полімерної тканини. Принципово, форма оболонки підтримується за допомогою теплого повітря або інертного газу, легшого за повітря, у внутрішніх відсіках 9 оболонки (Фіг.2, 3). Перетинки відсіків можуть утворюватися з тієї самої тканини, або іншого міцного та легкого матеріалу (ребра жорсткості) 10. Тиск газу або повітря в відсіках регулюється клапанами 11, вмонтованими в перетинки відсіків. Оболонка також може бути посилена зсередини круговими та подовжніми стрингерами 12, 13 (Фіг.3). На вершині оболонки знаходиться повітряний клапан 14 між внутрішнім об'ємом та відсіками. Оболонка герметично кріпиться до поверхні землі баластним кільцем 8 та тросами 15. Монтаж верхнього водосховища виконується шляхом підключення компресора 6 через повітряні газопроводи 7 і необхідну регулюючу апаратуру для досягнення необхідного тиску інертного газу у відсіках та внутрішньому відділені оболонки. Після набуття форми, оболонка укріплюється тросами 15. Гідроакумулювальна електростанція, працює в такий спосіб. У періоди зменшеного споживання надлишок енергії із мережі 16 або енергія, яка виробляється відновлюваними джерелами 17, через розподілювач-контролер 18 використовується для насосного режиму роботи гідроакумулювальної електростанції, і вода за допомогою насосів, розміщених у машинному залі 3, накачується з нижнього басейну 5 у верхній резервуар 1 по водоводам 4, 5. При цьому існуюче стиснене повітря (інертний газ) в оболонці виходить через клапан 14 у відсіки 9. Після завершення роботи гідроаку 5 мулювальної електростанції у насосному режимі рівень води у верхньому резервуарі 1 підтримується на максимальному рівні за допомогою системи давачів. В оболонці передбачається клапан аварійного скиду води. Перед початком роботи гідроакумулювальної електростанції у турбінному (генераторному) режимі агрегатний затвор відкривають, і вода з верхнього резервуара 7 спрацьовується через водовід 2 і гідромашину у нижній басейн 5, при цьому електрична машина виробляє електроенергію, що через розподілювач-контролер 18 надходить до споживача. Зниження рівня води в оболонці супроводжується одночасним повернення стисненого повітря (інертного газу) в резервуар через клапан 14. Для підтримки тиску в оболонці, можливе додаткове накачування повітря (інертного газу). Приклад розрахунку потужності станції Потужність гідроакумулювальної станції, обумовлена насамперед перепадом висот між верхнім і нижнім басейном (напором) і витратою води (обсягом верхнього басейну) [Кривченко Г.И. Гидравлические машины: Турбины и насосы. 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 320с.], P=9.8×Q×H×K, де Р - потужність генератора, кВт; Q - витрата води через гідротурбіну, м3/сек; Н - перепад висот, м; К - ККД гідроагрегата, 0,8. Потужність станції визначається напором, який для прикладу приймається 30м. Витрата води в генераторному режимі станції орієнтовно приймаємо 0,5 м3/с. Тоді Р=9,8×0,5×30×0,8=117,6 кВт. Об'єм верхнього водосховища приймаємо 7000м3. При цьому час роботи станції в генераторному режимі складає Т=7000/0.5=140000с≈4 год Кількість виробленої енергії за рік Е=Р×t=117,6×4×365=171696 кВт*год. При розташуванні верхнього басейна на більшій висоті відповідно збільшується потужність станції. Приклад розрахунку навантаження оболонки при заповненні водою Обсяг водосховища прийнято рівним 7000м3. Розрахуємо тиск на одиницю поверхні оболонки з урахуванням того, що вага двохшарової напівсферичної оболонки з дакрону (товщиною 0,002м) з радіусом r=15м, та товщиною шару ∆r=0,5м дорівнює Gоб=[4 r2/2+4 (r-∆r)2/2]×0,002×1370≈7500 кг≈7,5 т де R=15 м, 90954 6 =1370 кг/м3 (питома вага дакрону) [Decron. (http://en.wikipedia.org/wiki/Decron)], =0,002 м (товщина дакрону). Сумарна вага верхнього резервуара з водою дорівнює Gрез=7007,5 т. Перевага сферичної оболонки над іншими типами в тому, що натягнення по всій поверхні оболонки однакове і дорівнює [Королев А.Н., Жохов В.П., Надувные лодки (Ленинград, "Судостроение", 1989]: Т=р×r/2 [Н/см) де р=G/(S/2) – поверхневий тиск, r - радіус сфери (1500см.) Тиск на одиницю поверхні оболонки (орієнтовно, з запасом): р=7007,5/(12,57r2/2)=7007,5/(2121)=4.955 2 т/м =0,4955 кг/см2. Натягнення Т=0,4955×1500/2=371,6 Н/см Наприклад, для дакрону, границя міцності на розрив складає близько 100Н/см2 (55-75МПа) [Decron. (http://en.wikipedia.org/wiki/Decron)], тобто маємо 100-кратний запас міцності. Для тканини Polymar® границя міцності - 4400/3850Н/5см [Современные воздухоопорные сооружения и мобильные конструкции. Материалы для оболочек. MEHLER Technologies. (http://airdome.ru/materials/)], що в кілька разів перевищує натягнення. (Слід зазначити, що запас міцності ураховує той факт, що на оболонку будуть діяти також додаткові зовнішні навантаження, наприклад, вітер, опади, тощо). Приклад розрахунку об'єму гелія, потрібного для утримання оболонки у разі повного звільнення від води. Необхідний об'єм гелію VHe розраховується із наближеного рівняння піднімальної сили Fa вазі оболонки Gоб (вага гелію відкидається): Fa=( пов- Не )VHе×g=(1,29-0,178) VHeg≥7500 g, де 3 пов=1,29 кг/м (питома вага повітря), 3 Не=0,178 кг/м (питома вага гелію), 2 g=9,8 м/с . Потрібний об'єм гелію дорівнює VHe=7500/(1,29-0,178)=6744,6 м3 (Насправді, об'єм/тиск гелію має бути дещо більший для покриття зовнішнього тиску на оболонку у поперечному напрямку). У разі заповнення резервуару водою, тиск гелію у шарі оболонки підвищується пропорційно зменшенню об'єму, орієнтовно в 5 разів, тобто до 5атм, або 5,165кг/см2, або 0,5165МПа) (1атм=1,0333кг/см2), що значно нижче допустимої границі міцності синтетичної тканини (55-75МПа). 7 90954 8 9 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 90954 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601