Накопичувач теплової енергії, що включає компенсаційний простір

Реферат: Даний винахід стосується пристрою для накопичення теплової енергії, що включає шахту (1) та щонайменше один тунель (2), причому шахта (1) та щонайменше один тунель (2) з'єднані між собою засобами для переміщення текучого середовища. Тунель (2) включає щонайменше першу (2а), другу (2b) та третю (2с) секції тунелю. Друга секція тунелю (2b) розташована між та з'єднана з першою (2а) та третьою (2с) секціями тунелю. Друга секція тунелю (2b) замурована на кінці (4), з'єднаному з третьою секцією тунелю (2с), і третя секція тунелю додатково з'єднана з шахтою (1). Шахта (1) і перша (2а) та третя (2с) секції тунелю призначені для утримування текучого середовища для накопичення тепла. Друга секція тунелю (2b) призначена для використання як компенсанційного простору у випадку, якщо об'єм рідини вийде за межі об'єму шахти (1) і першої (2а) та третьої (2с) секцій тунелю. Пристрій додатково включає перші засоби переміщення (5) для проходження текучого середовища, що збільшилося в об'ємі, з шахти (1) та/або третьої секції тунелю (2с) тимчасово в першу секцію тунелю (2а), та другі засоби переміщення (6) для проходження текучого середовища, що збільшилося в об'ємі, з першої секції тунелю (2а) до другої секції тунелю (2b). UA 114652 C2 (12) UA 114652 C2 UA 114652 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Галузь техніки Даний винахід стосується пристрою для накопичення теплової енергії, що включає шахту та щонайменше один тунель, причому шахта та щонайменше один тунель з'єднані між собою засобами для переміщення текучого середовища. Шахта та щонайменше один тунель призначені для утримування текучого середовища для накопичення тепла. Відомий рівень техніки В сучасній енергетиці існує потреба в ефективному накопиченні теплової енергії. Теплова енергія може зручно зберігатися у рідині, такій як, наприклад, вода, вище рівня землі в ізольованих баках, у землі в ізольованих котлованах або під землею у викопаних порожнинах, з використанням навколишнього ґрунту як ізоляції. Теплова енергія рідини зберігається у значній мірі протягом тривалого періоду часу. Зараз ці способи використовуються в різних частинах світу для задоволення потреб у накопиченні теплової енергії в періоди міжсезоння, наприклад, накопиченні тимчасово надлишкового тепла, яке використовується пізніше, коли в ньому виникне потреба і, краще, коли його фінансова вартість буде вищою. Головний перетік енергії відбувається з літньої половини року, коли потреба в опаленні є меншою, до зимньої половини року, коли потреба в опаленні є набагато більшою. Однак, велику користь можна отримати також від використання накопичувача для короткотермінових коливань та завжди активного накопичувача надлишкового тепла. Ці види накопичувачів можуть бути використані також для накопичення більш холодної рідини, для використання при охолодженні, а також для рідини з проміжною температурою, такою як рідина, використовувана в низькотемпературних системах. При накопиченні теплової енергії під землею, слід враховувати, що чим теплішою робиться рідина, тим більше вона розширюється і, отже, тим більше простору ця рідина потребує. Крім цього, слід враховувати можливість витоків або аварій, при яких текуче середовище потрапляє в ділянки накопичувача, де його не повинно бути і, внаслідок цього, потребу у простому, швидкому та безпечному видаленні такого текучого середовища. Крім цього, слід враховувати вплив, який накопичувач може мати на рівень навколишніх ґрунтових вод. Патентна заявка Швеції 0950576-9 розкриває один вид ефективних накопичувачів теплової енергії. Однак, залишається потреба у ще більш вдосконаленому пристрої для підземного накопичення теплової енергії. Суть винаходу Об'єктом відповідно до аспекта даного винаходу є забезпечення екологічно нешкідливого пристрою для підземного накопичення теплової енергії, у якому загальні втрати теплової енергії можуть бути зменшені. Додатковим об'єктом є забезпечення удосконаленого пристрою для накопичення теплової енергії, що має достатній компенсаційно-запобіжний простір, не потребуючи зайвих будівельних або експлуатаційних витрат, та пристрій, у якому будь-яке текуче середовище, розміщене в компенсаційно-запобіжному просторі, може бути використане в циклі накопичення теплової енергії. Відповідно до першого аспекта даного винаходу, ці цілі досягаються за допомогою пристрою для накопичення теплової енергії, який включає шахту та щонайменше один тунель, причому шахта та щонайменше один тунель з'єднані між собою засобами для переміщення текучого середовища, тунель включає щонайменше першу, другу та третю секції тунелю, друга секція тунелю розташована між та з'єднана з першою та третьою секціями тунелю, друга секція тунелю наглухо замурована на кінці, з'єднаному з третьою секцією тунелю, і третя секція тунелю додатково з'єднана з шахтою, шахта і перша та третя секції тунелю призначені для розміщення текучого середовища для накопичення тепла, друга секція тунелю призначена для використання як компенсанційний простір у випадку, якщо об'єм рідини вийде за межі об'єму шахти і першої та третьої секцій тунелю, де пристрій додатково включає перші засоби переміщення для протікання текучого середовища, що збільшилося в об'ємі, з шахти та/або третьої секції тунелю тимчасово в зазначену першу секцію тунелю, та другі засоби переміщення для протікання текучого середовища, що збільшилося в об'ємі, з першої секції тунелю до другої секції тунелю. Така конструкція сприяє створенню накопичувача теплової енергії, що має ряд вбудованих компенсанційних порожнин, які дозволяють заповнювати накопичувач надлишком текучого середовища або містити занадто мало текучого середовища, без надмірно тяжких наслідків. Перші засоби переміщення можуть включати трубопровід або канал. Другі засоби переміщення можуть включати трубопровід, канал, часткову стінку або проточний клапан. Наскільки це можливо, пристрій використовує силу тяжіння, тобто 1 UA 114652 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 найпростіше та найдешевше можливе рішення, для перетікання текучого середовища накопичувача з однієї частини в іншу. В одному варіанті реалізації, пристрій додатково включає окреме машинне відділення, розташоване поблизу до шахти, та треті засоби переміщення, що з'єднують машинне відділення з другою секцією тунелю. Засоби переміщення сприяють простому та безпечному видаленню текучого середовища з машинного відділення до тунелю. Треті засоби переміщення можуть включати трубопровід або канал. Наскільки це можливо, пристрій використовує силу тяжіння, тобто найпростіше та найдешевше можливе рішення, для протікання текучого середовища накопичувача з однієї частини в іншу. В додатковому варіанті реалізації, певна кількість текучого середовища перекачується з другої секції тунелю в першу секцію тунелю, за допомогою помп, якщо об'єм текучого середовища в першій секції тунелю впаде нижче попередньо визначеної граничної величини. Це є ще одним простим рішенням, використовуваним для підтримання тиску у пристрої. Відповідно до другого аспекту даного винаходу, ці цілі досягаються шляхом використання такого пристрою для накопичення теплової енергії. Загалом, усі терміни, використовувані у формулі винаходу, слід тлумачити відповідно до їх звичайного значення в галузі техніки, якщо інше не буде чітко вказане в даному документі. Усі посилання на "[елемент, пристрій, компонент, засіб і т.д.]" в однині (в англійському тексті -з артиклями "a/an/the") слід тлумачити у розширювальному розумінні (openly) як такі, що стосуються щонайменше одного екземпляра зазначеного елемента, пристрою, компонента, засобу і т.д., якщо чітко не вказане інше. Крім цього, термін "що включає" означає "що включає, без обмеження", будь-де в даній заявці. Стислий опис креслень Ці та інші аспекти даного винаходу будуть далі описані більш детально, з посиланнями на прикладені креслення, на яких зображений кращий на даний час варіант реалізації даного винаходу. Фігура 1 зображує вид зверху варіанта реалізації пристрою згідно з даним винаходом. Фігура 2 зображує вид збоку у перерізі варіанта реалізації пристрою згідно з даним винаходом. Детальний опис Фігури 1 та 2 зображують один варіант реалізації пристрою для підземного накопичення теплової енергії. Тепло, що накопичується, надходить переважно з існуючих виробничих потужностей, які з'єднані з системою централізованого теплопостачання, таких як комбіновані теплосилові агрегати. Іншими можливими генераторами тепла є, наприклад, геліоконцентратори та промислове відпрацьоване тепло. Пристрій включає шахту 1 та щонайменше один тунель 2. Шахта 1 та тунель 2 з'єднані між собою засобами для переміщення текучого середовища. Шахта 1 орієнтована по суті вертикально, у той час як щонайменше один тунель 2, наприклад, розташований так, щоб він оточував шахту 1 у формі гвинтової спіралі від верху до дна шахти 1. Тунель 2 включає щонайменше три секції, а саме першу секцію тунелю 2а, другу секцію тунелю 2b та третю секцію тунелю 2с. Секції тунелю 2а-2с розташовані послідовно по довжині тунелю, тобто спочатку перша секція 2а, після цього друга секція 2b, і зрештою третя секція 2с по вертикалі в напрямку з верху до дна. Третя секція 2с може насправді включати ряд субсекцій, однак, для простоти, наведений нижче опис завжди говорить про третю секція 2с як про єдину секцію. Один кінець першої секції тунелю 2а утворює вхід в тунель, який часто розташований на рівні поверхні землі. Перша секція тунелю 2а додатково з'єднана з третьою секцією тунелю 2с та/або шахтою 1, краще у донній частині, шляхом використання перших засобів переміщення 5. Коли об'єм текучого середовища у першій секції тунелю 2а впаде нижче попередньо визначеної граничної величини, а разом з цим також тиск у накопичувачі, перші засоби переміщення 5 можуть бути використані для переміщення текучого середовища з третьої секції тунелю 2с та/або шахти 1 в першу секцію тунелю 2а для досягнення об'єму більше попередньо визначеного. У разі потреби, текуче середовище може бути також переміщене з першої секції тунелю 2а до третьої секції тунелю 2с та/або шахти 1, відповідно, шляхом використання перших засобів переміщення 5. Таким чином, балансування тиску у секції тунелю 2а здійснюється з використанням перших засобів переміщення 5 для збільшення або зменшення кількості текучого середовища у секції тунелю 2а. Друга секція тунелю 2b розташована між першою 2а та третьою 2с секціями тунелю так, щоб вона була з'єднана з першою секцією тунелю 2а на одному кінці 6 та третьою секцією 2 UA 114652 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 тунелю 2с на протилежному кінці 4. Кінець 6, який з'єднаний з першою секцією тунелю 2а, є відкритим для переміщення текучого середовища, хоча і не повністю, шляхом використання других засобів переміщення 6, які описані більш детально нижче. Кінець 4, який з'єднаний з третьою секцією тунелю 2с, є герметично замурованим, так щоб текуче середовище не могло переміщатися з третьої секції тунелю 2с до другої секції тунелю 2b. Протилежний кінець третьої секції тунелю 2с, у свою чергу, з'єднаний з шахтою 1, краще, з донною частиною шахти 1. Шахта 1 та третя секція тунелю 2с призначені для утримування текучого середовища для накопичення тепла, тобто вони утримують текуче середовище під час нормального користування накопичувачем. Кількість текучого середовища є звичайно такою, щоб шахта 1 та третя секція тунелю 2с були повністю заповнені текучим середовищем. Перша секція тунелю 2а переважно утримує певний рівень текучого середовища з метою підтримання тиску у накопичувачі на рівні в попередньо визначеному інтервалі значень, тобто перша секція тунелю 2а звичайно утримує текуче середовище для накопичення тепла і є тому частиною конструкції накопичувача. /Зона може, однак, функціонувати також як тимчасова короткотермінова буферна зона по відношенню до невеликих кількостей надлишкового текучого середовища з, або нестачі текучого середовища у шахті 1 та/або третій секції тунелю 2с, тобто зміни рівня текучого середовища відбуваються у першій секції тунелю 2а у відповідь на розширення або стиснення текучого середовища в шахті 1 та третій секції тунелю 2с. Друга секція тунелю 2b, однак, призначена для використання просто як компенсанційний простір. Якщо об'єм рідини, розміщеної в шахті 1 та третій секції тунелю 2с, розширюється, наприклад, внаслідок нагрівання, надлишковий об'єм текучого середовища переміщується з шахти 1 або третьої секції тунелю 2с в першу секцію тунелю 2а першими засобами переміщення 5, такими як трубопровід або канал. Якщо об'єм першої секції тунелю 2а також буде недостатнім для утримування надлишкового об'єму текучого середовища, то рідина переміщується з першої секції тунелю 2а до другої секції тунелю 2b через засоби переміщення 6, такі як трубопровід, канал, часткова стінка або проточний клапан, розташовані між першою 2а та другою 2b секціями тунелю. Незалежно від їх точної конструкції, другі засоби переміщення 6 розташовані так, щоб вони переміщували текуче середовище з першої секції тунелю 2а до другої секції тунелю 2b, тільки коли певне значення об'єму буде перевищене у першій секції тунелю 2а, тобто вони по суті функціонують як водозлив. Наприклад, якщо з'єднання 6 між першою секцією тунелю 2а та другою секцією тунелю 2b включає часткову стінку, така часткова стінка проходить у тунелі 2 так, щоб висота часткової стінки була розрахована на підтримування завжди певного об'єму текучого середовища у першій секції тунелю 2а. Будь-яке надлишкове текуче середовище, що перевищує цей об'єм, буде переливатися через часткову стінку 6 до другої секції тунелю 2b. Пристрій додатково включає окреме машинне відділення 3, розташоване поблизу до шахти 1, тобто машинне відділення 3 та шахта 1 не з'єднані один з одним, наприклад, за допомогою тунелю, але тим не менш розташовані досить близько один до одного. Пристрій також включає треті засоби переміщення 7, які з'єднують машинне відділення 3 з другою секцією тунелю 2b. Машинне відділення 3 включає технологічне обладнання пристрою, наприклад, теплообмінники, помпи та телескопічні відвідні труби, використовувані для відведення текучого середовища з, та повернення до, шахти накопичувача. У випадку надходження певного об'єму текучого середовища до машинного відділення 3, наприклад, з шахти 1 або з тунелю 2а, в результаті витоку або аварії, треті засоби переміщення 7 використовують для видалення текучого середовища з машинного відділення та переміщення його до другої секції тунелю 2b. Треті засоби переміщення 7 краще є трубопроводом або каналом. Оскільки машинне відділення 3 краще розташоване вище тунелю 2b по вертикалі, то видалення зручно здійснюється під дією сили тяжіння. Коли об'єм рідини у першій секції тунелю 2а зменшується нижче попередньо визначеної граничної величини, а з ним також тиск у накопичувачі, помповий засіб 8 може бути використаний для переміщення текучого середовища з другої секції тунелю 2b до першої секції тунелю 2а, з метою досягнення значення об'єму вище попередньо визначеного. Таким чином, і балансування тиску в секції тунелю 2а здійснюється з використанням помпового засобу 8 для збільшення або зменшення кількості текучого середовища у секції тунелю 2а. Якщо об'єм текучого середовища у другій секції тунелю 2b робиться занадто великим і його неможливо перемістити до першої секції тунелю 2а, то надлишок текучого середовища повинен перекачуватися за межі пристрою, наприклад, до поверхневого водостоку. Однак, цього слід уникати, наскільки це можливо, оскільки вода має економічну цінність та є обмеженим природним ресурсом. 3 UA 114652 C2 5 10 15 Рівень тиску текучого середовища в секції тунелю 2а і, таким чином, також рівень тиску в накопичувачі, якщо текуче середовище складається з води, має бути збалансований з рівнем тиску навколишніх ґрунтових вод. Однак, якщо текуче середовище не є водою, то рівень тиску текучого середовища в секції тунелю 2а має бути збалансований до рівня, трохи нижчого, ніж рівень тиску навколишніх ґрунтових вод, для запобігання витіканню текучого середовища з накопичувача до навколишніх ґрунтових вод і, таким чином, впливу на навколишні ґрунтові води. Цей спосіб, наприклад, повинен використовуватися при накопиченні вуглеводню викопного походження або біологічного походження (біопалива), сольових розчинів, розсолу, аміаку або деяких інших охолоджувальних середовищ в необлицьованих порожнинах. Кваліфікованому фахівцю в цій галузі техніки зрозуміло, що даний винахід жодним чином не обмежений кращими варіантами реалізації, описаними вище. Навпаки, багато модифікацій та варіантів є можливими в межах обсягу прикладеної формули винаходу. Наприклад, розташування машинного відділення, засобів переміщення, секцій тунелю та шахти по відношенню один до одного у вертикальному напрямку може змінюватися, так щоб використання помп, каналів, трубопроводів або клапанів було пристосоване до конкретної конфігурації накопичувача ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Пристрій для накопичення теплової енергії, що включає шахту (1) та щонайменше один тунель (2), зазначена шахта (1) та зазначений щонайменше один тунель (2) з'єднані між собою засобами для переміщення текучого середовища, зазначений тунель (2) включає щонайменше першу (2а), другу (2b) та третю (2с) секції тунелю, зазначена друга секція тунелю (2b) розташована між та з'єднана із зазначеними першою (2а) та третьою (2с) секціями тунелю, зазначена друга секція тунелю (2b) наглухо замурована на кінці (4), з'єднаному із зазначеною третьою секцією тунелю (2с), і зазначена третя секція тунелю (2с) додатково з'єднана із зазначеною шахтою (1), зазначені шахта (1) і перша (2а) та третя (2с) секції тунелю призначені для розміщення текучого середовища для накопичення тепла, зазначена друга секція тунелю (2b) призначена для використання як компенсаційного простору у випадку, якщо об'єм зазначеного текучого середовища вийде за межі об'єму зазначеної шахти (1) і зазначених першої (2а) та третьої (2с) секцій тунелю, зазначений пристрій додатково включає перші засоби переміщення (5) для протікання зазначеного текучого середовища, що розширилося в об'ємі, із зазначеної шахти (1) та/або зазначеної третьої секції тунелю (2с) в зазначену першу секцію тунелю (2а), та другі засоби переміщення (6) для протікання зазначеного текучого середовища, що розширилося в об'ємі, із зазначеної першої секції тунелю (2а) в зазначену другу секцію тунелю (2b). 2. Пристрій за п. 1, у якому зазначені перші засоби переміщення (5) включають трубопровід або канал. 3. Пристрій за будь-яким з попередніх пунктів, у якому зазначені другі засоби переміщення (6) включають трубопровід, канал, часткову стінку або проточний клапан. 4. Пристрій за будь-яким з попередніх пунктів, який додатково включає окреме машинне відділення (3), розташоване поблизу до зазначеної шахти (1), та треті засоби переміщення (7), що з'єднують зазначене машинне відділення (3) із зазначеною другою секцією тунелю (2b). 5. Пристрій за п. 4, у якому зазначені треті засоби переміщення (7) включають трубопровід або канал. 6. Пристрій за будь-яким з попередніх пунктів, у якому певна кількість текучого середовища переміщується із зазначеної другої секції тунелю (2b) в зазначену першу секцію тунелю (2а) за допомогою помп (8), якщо об'єм рідини у зазначеній першій секції тунелю (2а) впаде нижче попередньо визначеної граничної величини. 7. Використання пристрою за будь-яким з попередніх пунктів для балансування рівня текучого середовища в накопичувачі до рівня трохи нижче рівня навколишніх ґрунтових вод для запобігання витіканню текучого середовища з накопичувача до навколишніх ґрунтових вод. 8. Використання пристрою за будь-яким з пп. 4-6 для з'єднання зазначеного машинного відділення (3) із зазначеною другою секцією тунелю (2b) для водовідведення та/або з причин безпеки. 4 UA 114652 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5