Гравітаційний акумулятор енергії

Реферат: Гравітаційний акумулятор енергії містить рейкову колію, покладену на поверхню уклінної місцевості, візок, електроперетворювальні вузли, електродвигун та зовнішні джерела енергії, що являють собою поля сонячних батарей і вітроенергоустановок, причому рейкова колія покладена на поверхню кар'єрного ската з великим нахилом, електроперетворювальні вузли та двигун зосереджені в технологічному відсіку копра кар'єрного скіпа, який служить підстанцією, що здатна резервувати, перетворювати та постачати в мережу за буферною технологією енергію від вітроустановок та сонячних батарей, встановлених по межах рудних відвалів і породи, для чого двигун через барабан та тяговий трос також пов'язаний зі скіповим візком, на якому встановлений незнімний монолітний вантаж-накопичувач, візок має можливість керовано змінювати глибину занурення в кар'єр, переміщаючись вниз по рейковій колії в режимі рекупераційного гальмування, завдяки зв'язку з барабаном через тяговий трос, а уверх - в тяговому режимі з енергоприводом від зовнішніх джерел, причому двигун здатний переключатися в режим електрогенератора для віддачі електроенергії в мережу споживання. UA 117839 U (54) ГРАВІТАЦІЙНИЙ АКУМУЛЯТОР ЕНЕРГІЇ UA 117839 U UA 117839 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до енергетики і призначена для використання в ролі вторинного джерела енергопостачання в поєднанні з генеруючими установками, які використовують альтернативні поновлювані джерела енергії - сонячні та вітрові. В даний час суспільство все більше приходить до розуміння того, що особливо важливою частиною енергетичної інфраструктури стає зберігання резервної енергії в усіх її формах. Технічна політика щодо розробки накопичувальних пристроїв базується на залученні всіх ідей, наявних в цьому об'єднуючому енергетичному секторі. Найбільш інтенсивно розвиваються два стратегічних напрямки: акумулятори енергії для мобільних об'єктів, і акумулятори для електростанцій, особливо в альтернативній енергетиці. Перші мають відносно невелику ємність і розраховані на розміщення на транспортних засобах, а другі мають дуже велику ємкість. Розробники великоємнісних акумуляторів поки не отримали ефективних рішень в галузі високих технологій, і в них застосовуються прості, часто навіть архаїчні методи накопичення. До таких рішень належать ідеї, засновані на використанні гравітаційних ефектів. Їх застосування найбільш виправдано в області зеленої енергетики з наступних причин. Вітрові і сонячні поля та електростанції належать до джерел періодичної дії. Вітроенергетичні пристрої (ВЕУ) виробляють енергію тільки при наявності вітру номінальної швидкості (під яку вони розраховані). Сонячні батареї не видають достатньої потужності в хмарну погоду і вночі. Тому резервування енергії стає для таких енергокомплексів дуже актуальною проблемою. Другою проблемою такої ж важливості є нормування енергії під сітьові параметри. Для кондиціонування вироблюваної енергії найбільш простим і надійним засобом є попереднє (до видачі в мережу) акумулювання енергії і віддача її споживачеві вже нормованої по мережевим стандартам. До найбільш ефективних накопичувачів такого роду належать механічні гравітаційні акумулятори, що поєднують велику ємкість з повністю керованим і безперервним процесом віддачі енергії. Література з даної проблематики має досить різноманітну інформацію по технічним рішенням. Так відомий гравітаційний акумулятор, в якому в ролі робочого тіла використовується вода (Режим доступу: http://vevby.ru/social/39851-v-ssha-inzhenery-nashli-primenenie-zabroshennymshahtam-v-kachestve-elektrostanciy.html). Для створення акумулятора використовуються покинуті рудні (не вугільні або ж соляні) шахти. Акумулятори подібного типу призначені для резервування енергії, одержуваної від сонячних і вітрових установок. Нахилені штреки шахт використовуються в ролі каналів для циркуляції підземних вод, які циклічно піднімають на поверхню за допомогою насосних станцій. Енергію для роботи насоси отримують від полів вітрових або сонячних установок. Піднята вода збирається у вхідному стволі шахти і потім дозовано, по мірі потреби (при штильовій або хмарній погоді, а також у нічний час), випускається в штреки. У нижній частині штреків встановлені гідроелектричні турбіни, які обертаються розігнаною до великої швидкості водою, що пройшла значний перепад рівнів (сотні метрів) між вхідним стволом і дном шахти. Таких перепадів не мають наземні гідроелектростанції, тому менші в порівнянні з річковими обсягами води можуть виробляти цілком рентабельні кількості електроенергії. Розроблений водно-гравітаційний акумулятор енергії може використовуватися для вирівнювання в буферному режимі обсягів електроенергії, що видається в мережу. Він специфічний і підігнаний під режим вироблення енергії такими нестійкими джерелами, як вітряки та сонячні батареї. До недоліків описаного акумулятора слід віднести те, що для його технічної реалізації не підходять соляні або вугільні шахти. При цьому як за умовам герметичності, так і за умовами нерозчинності стінок каналу. У районах східної України їх застосування неможливо, оскільки в них зосереджені соляні та вугільні шахти та кар'єри, а рудні мають велику глибину залягання під значним шаром схильного до розмивання глинозему. Відомий також гравітаційний акумулятор з гирьовим приводом за патентом РФ 2216645, МПК F03G 3/00 (2000/01), Автор Морєв Г.П., Заявник і патентовласник Морєв Г.П., заявл. 16.02.2004, опубл. 10.11.2005, який дозволяє вирішити проблему безперервного енергопостачання на життєво важливих об'єктах цивільного та оборонного призначення в непередбачених обставинах і аварійних ситуаціях. Акумулятор призначений для використання в ролі вторинного джерела енергопостачання, наприклад в агрегаті з генеруючими установками, які використовують альтернативні джерела енергії: сонця, вітру, морських хвиль та ін. Акумулятор з гирьовим приводом має несучу конструкцію у вигляді підйомно-транспортного механізму, що містить прямокутну раму з колесами і можливістю переміщення по напрямних, закріплених на вертикальних опорах в поздовжньому напрямку, візок на колесах з можливістю переміщення по напрямних рами в поперечному напрямку, поліспаста з ланцюговими зірочками і двома обоймами: верхньою, до якої кріпиться ланцюг, що зв'язує обойми, і нижньою, 1 UA 117839 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 оснащеною гаком для підвішування гирі, редуктор, кінематично пов'язаний з поліспастом, гальмо, реверсивний механізм, автоматичну безступінчату коробку передач, наприклад клиноременний варіатор, генератор, мотор і комплект гир. Акумулятор-аналог належить до пристроїв, що використовують силу тяжіння землі (гравітацію), і де енергоносієм є тверде тіло. Під час циклу розряду-опускання гирі за допомогою рекуперативного гальмування потенційна енергія підвішеної гирі переходить в кінетичну, в даному випадку - електричну. Робота акумулятора зводиться до завантаження та вивантаження комплекту гир в шахту і назад. До недоліків аналога слід віднести наявність обмежень по енергоємності, що звужує сферу застосування акумулятора, дискретний принцип знімання та накопичення енергії, а також необхідність будівництва шахти для створення перепаду рівнів, що забезпечуватиме продуктивне переміщення гир. Під час розряду зменшується об'єм шахти, її глибина стає меншою - йде насичення. Ємкість падає, тому що вона залежить тільки від перепаду висот (об'ємна вага гирі залишився тією ж). Це відбувається тому, що разом з сумарним зростанням відданої енергії йде пропорційне зниження щільності акумулювання окремо взятою гирею (тонна/кВтгодину). При остаточному заповненні шахти цей показник у останньої гирі наблизиться до нуля. Тому для збереження ємкісного потенціалу використовується тільки частина загального об'єму шахти - близько 20 %. Для безперервного функціонування в циклі заряду або розряду необхідно мати як мінімум два акумулятора. Найбільш близьким до заявленої корисної моделі технічним рішенням, прийнятим як прототип, є гравітаційний твердотільний акумулятор енергії для вітряків і сонячних батарей, що описаний в https://geektimes.ru/post/247234/. Це наземний тип накопичувача енергії, що акумулює енергію, вироблювану джерелами періодичної дії - вітровими і сонячними установками, зібраними в поля і розміщеними в безпосередній близькості від накопичувача. Він виконаний у вигляді залізничної гілки довжиною порядку сотен метрів, покладеної на місцевості, яка має усереднений ухил 6 %. По колії може рухатися візок-накопичувач вагою 5670 кг, на якому, окрім баластного вантажу, змонтовані електрогенератори з приводом від ходової підвіски, інвертор і допоміжне електротехнічне обладнання. Візок рухається уздовж шини, по якій надходить електроенергія від зовнішніх джерел і відводиться енергія, нормована під мережеві параметри. При накопиченні енергії візок рухається вгору по схилу, а при віддачі скочується вниз. Пілотна гірка для функціонування акумулятора побудована в Tehachapi (Каліфорнія). Енергоємність такого акумулятора може досягати рівня декількох мегават-годин. В основу запропонованої корисної моделі поставлена задача створення на базі кар'єрних скіпів гравітаційного акумулятора великої ємкості для підвищення ефективності електростанцій періодичної дії, які використовують поновлювані джерела енергії та розташовані в рівнинних регіонах, що мають багато покинутих вугільних шахт та кар'єрних виробок (вугільних або рудних). Поставлена задача вирішується тим, що, згідно з корисною моделлю, рейкова колія покладена на поверхню кар'єрного ската, копер служить підстанцією, яка перетворює та резервує енергію від зовнішніх джерел, що являють собою поля сонячних батарей і вітроенергоустановок, встановлених по межах рудних відвалів і породи, в потенційну механічну енергію, для чого оснащений двигуном з барабаном, а також пов'язаний тяговим тросом зі скіповим візком, на якому встановлений незнімний монолітний вантаж-накопичувач, що має можливість керовано змінювати глибину занурення в кар'єр, переміщаючись по рейковій колії, завдяки зв'язку з барабаном через трос, причому двигун здатний переключатися в режим електрогенератора для віддачі електроенергії в мережу споживання. Розкриємо суть корисної моделі, що заявляється, і проведемо порівняльний аналіз характерних ознак прототипу та заявленого пристрою. Відмінність акумулятора, що заявляється, від прототипу в тому, що він може бути використаний у великих за площею районах східної степової України. Застосуванню акумулятора-прототипу тут перешкоджає переважання рівнинних форм рельєфу. Велика частина України розташована на південному заході величезної Східно-Європейської рівнини. Особливо плоскою поверхнею відрізняється Придніпровська низовина. Для частини низовини, що прилягає до Дніпра, характерна майже плоска поверхня з середніми висотами над рівнем моря 100-150 м. Низовини з плоским рельєфом займають 70 % поверхні України. Численні яри та річкові схили не можуть бути використані під акумуляторні гірки, оскільки мають невеликий перепад глибин (десятки метрів), а також схильні до інтенсивної кліматичної ерозії, що швидко змінює їх профіль і викликає зсуви. Однак Донецька і Луганська області, а також Криворізький район відзначаються плоскою поверхнею, де розташована найбільша кількість шахт і кар'єрів, в тому числі і відпрацьованих. Кар'єри мають порядок глибин, що сягає сотень метрів, а шахти 2 UA 117839 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 тисячі. Такі перепади рівнів створюють технічно вигідні умови для будівництва гравітаційних акумуляторів. Акумулятор, який заявляється, за своєю структурою досить близько співпадає із конструкцією кар'єрних скипів, які можна узяти за базові пристрої. Тому далі доцільно називати корисну модель, яка заявляється, теж скіпом. Такий скіп складається з двох модулів: енергонакопичувального (динамічного) та енергоперетворювального (стаціонарного). На відміну від прототипу він побудований модульно, що дає можливість перенести електротехнічні вузли на стаціонарну площадку. І якщо в прототипі всі електротехнічні вузли та обладнання встановлені на візку, що ускладнює їх обслуговування (оскільки візок є динамічним вузлом), то в корисній моделі вся інфраструктура, що містить підйомну машину подвійної дії (тягового і рекуперативного), трансформатор, інвертор і деталі кінематичного вузла, розміщена в технологічному відсіку стаціонарного модуля, що аналогічний копру кар'єрних скипів, побудованому на верхньому рівні колії. Це дозволяє компонувати архітектуру модуля довільно, без утиску функціональності кожного вузла, розробляти для вузлів раціональну базу та оптимізований сценарій взаємодії. Технологічна карта акумулятора, створеного на базі скіпа, включає наявність наступних операцій. Вироблена зовнішніми джерелами електроенергія, подається на тяговий двигун. Двигун стандартного скіпового механізму замінений комбінованим двигуномелектрогенератором, здатним працювати в двох режимах. Тяговий режим включається при підйомі візка для акумулювання енергії, а генераторний - при опусканні візка для виробництва електроенергії, яка надходить в мережу споживання. Таким чином, нерегулярні надходження електричної енергії від зовнішніх енергоустановок в акумуляторних вузлах накопичуються у формі механічної потенціальної енергії, інтегруються, а потім знову перероблюються в електричний струм, але вже нормований по частоті і напрузі так, що ним можна користуватися споживачам. Колія корисної моделі належить за своїм типом до крутопохилих підйомників. Їх перевага в тому, що вони можуть накопичувати та віддавати великі обсяги акумульованої енергії за короткий час. Однією із супутніх переваг гравітаційних акумуляторів, встановлених в покинутих кар'єрах або шахтах, є те, що вітроустановки, які є джерелами енергії для акумуляторів, можуть своєю роботою покращувати екологічну ситуацію в регіоні. Пояснюється це тим, що навколо відпрацьованих родовищ та поєднаних із ними збагачувальних і енерговидобувних підприємств, накопичена велика кількість відходів вуглевидобутку (породи) і шлаків (якщо в комплексі з шахтою працювало вуглеенергетичне підприємство). Зола і порода виділяють при сонячній та вітровій ерозії, при дії опадів і температурних перепадів вторинні полютанти: гази від термічних реакцій і пилові суспензії. Вони розносяться вітром протягом багатьох років з дня формування відвалів, покриваючи великі площі навколишньої території. Оскільки ці полютанти містять шкідливі для населення і землеробства фракції, то вони з часом катастрофічно погіршують екологічну обстановку регіону. Вітроустановки ж, розміщені способом, описаним у патенті України № 111853, "Автономний промисловий енергопарк", автори: Дзензерський В.О., Тарасов С.В., Бурилов С.В., Скосар В.Ю. і Буряк О.А., власник патенту ІТСТ НАН України, екранують відвали від впливу вітру, значно зменшуючи обсяг фракцій, що розповсюджуються. Згідно з патентом, для досягнення екрануючого ефекту достатньо розмістити вітроустановки по периметру відвалів, причому ВЕУ повинні мати різновисокі башти. До вторинних корисних ефектів слід віднести також те, що аеродинамічні тіні, створювані груповими бар'єрами вітроустановок, здатні в значній мірі захистити поля сонячних батарей від пилового забруднення. Проведений порівняльний аналіз показує, що заявлена система має достатні для практичного використання відмінні ознаки порівняно з прототипом, а сукупність ознак сприяє вирішенню поставленої в технічному рішенні задачі. Технічні переваги корисної моделі, що заявляється, викладені нижче. 1. Для забезпечення вертикального перепаду рівнів використовуються готові виробки ґрунту: покинуті шахти або кар'єри. Акумулятор не потребує будівництва спеціальних заглиблень у ґрунті. 2. Агрегатовані з акумулятором вітроенергоустановки розміщуються на території покинутих земель, які не мають сільхозпризначення. Крім цього вони екранують рудні та шлакові відвали, запобігаючи розносу по регіону екологічно небезпечних фракцій породи. 3. Акумулятор видає в мережу енергію в практично нелімітованих обсягах. 4. Акумулятор екологічно безпечний і навіть поліпшує екологічну обстановку. 3 UA 117839 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 5. Може застосовуватися як для накопичення і зберігання енергії, так і для своєчасної видачі її в мережу для покриття пікових навантажень на електростанціях. 6. Цикли заряду і розряду кожного гравітаційного акумулятора здійснюються незалежно на різних механізмах. Конструкція заявленої корисної моделі ілюструється кресленнями, де на фіг. 1 наведено загальний вигляд гравітаційного акумулятора, розміщеного в вугільному кар'єрі, на фіг. 2 представлена схема енергетичних потоків, пов'язаних з функціонуванням структурних вузлів акумулятора. Гравітаційний акумулятор енергії, встановлений в кар'єрі (фіг. 1), містить рейкову колію 1, покладену на поверхню кар'єрного ската 2, копер 3 - надкар'єрне спорудження, змонтоване на поверхні ґрунту 4, на якому встановлено скіповий підйомник для переміщення скіпа 5, який містить барабан 6 з намотаним на нього тяговим тросом 7, гальмо 8 і тяговий двигунелектрогенератор 9, скіп 5, трансформований під функцію накопичувача енергії і складається з візка 10 з колісним опорно-руховим вузлом, на якому встановлений вантаж-накопичувач 11. Акумулятор побудований модульно і складається з двох модулів: енергонакопичувального, представленого скіпом 5, і енергоперетворювального, представленого копром 3. Це дає можливість перенести всі електротехнічні вузли зі скіпа 5 на стаціонарний вузол - копер 3. На енергетичній схемі (фіг. 2) показана сітка передачі і перетворень енергії. Перетворювачі 12 вітрової та сонячної енергії встановлені на відвалах 13 (на фіг. вітряк та сонячна батарея символічно позначають поля цих енергоперетворювачів). Вироблена ними електроенергія подається по шинам 14 на блок нормування 15 (трансформатор та інвертор), який встановлений в технологічному відсіку копра 3, а від нього по шині 16 відводиться електроенергія, нормована під параметри тягового двигуна 9. Тяговий трос 7 передає знакозмінні механічні навантаження (силу F) зі скіпа 5 на барабан 6. Двигун 9 може працювати в двох режимах: тяговому і генераторному. При тяговому він створює момент проти сили тяжіння Р, що діє на скіп, а в генераторному перетворює кінетичну енергію скіпа 5, який при цьому переходить на нижні рівні, в електричну U. Фактично в даній технічній пропозиції копер, оснащений заявленими механізмами та електропристроями, виконує функцію підстанції, призначеної для обслуговування всього масиву енергоперетворюючих установок 12, що працюють на поновлюваних видах енергії. Корисна модель, що заявляється, здійснюється наступним чином. В заявленому пристрої використовується відомий принцип використання перепаду висот між двома крайніми положеннями масивного рухомого вантажу. В крайньому верхньому положенні вантаж 11 стає носієм заряду потенційної енергії, яка в гравітаційному полі знову може перетворитися в кінетичну, а після відповідного перетворення - в електричну енергію. Переміщення вантажу 11 між рівнями вниз відбувається в режимі рекуперативного гальмування, створюваного двигуном-електрогенератором 9, який перетворює кінетичну енергію в електричну. Для монтажу гравітаційного акумулятора можуть бути взяті готові деталі і вузли кар'єрних скіпів, використовуваних в діючих кар'єрах для підйому руди або вугілля з горизонтів видобутку на поверхню. Оскільки скіпи здатні піднімати вантаж з глибин нижче 200 метрів, мають вантажопідйомність до 45 тонн, готову рейкову колію та копер, то їх можна використовувати в ролі механічної бази для створення акумулятора. Для цього в кузов скіпа поміщають монолітний вантаж (металевий або залізобетонний) простої форми. Тяговий двигун замінюють двигуном, здатним працювати в режимі тяги і в режимі генерування. Таким чином, реконструкція стандартних скіпів може перетворити їх на гравітаційні акумулятори енергії. Акумулятор встановлюють в кар'єрі. Скіп 5, навантажений не породами або вугіллям, а монолітним металевим вантажем 11, стає накопичувачем механічної енергії. Вироблена зовнішніми джерелами 12 електроенергія, подається на тяговий двигун. Двигун підйомного механізму стандартного скіпового механізму замінюють комбінованим двигуномелектрогенератором 9, здатним працювати в двох режимах - як підйомник (режим накопичення енергії) і як рекуперативний вузол - в режимі електрогенератора. Тяговий режим включається при підйомі вантажу 11 для акумулювання енергії, а генераторний - при опусканні вантажу для генерування електроенергії U, яка надходить в мережу споживання. Оскільки кар'єри мають стінки з дуже великим ухилом - до 45, то щільність і обсяг енергії, що запасається, дуже високий. Так 45-тонний скіп може запасти до 1,5 МВт/г в кар'єрі глибиною 500 м. Жоден з акумуляторів енергії, побудованих на інших фізичних принципах, не має таких технічних параметрів. 4 UA 117839 U 5 10 15 20 25 З огляду на те, що в одному кар'єрі можна розмістити кілька акумуляторів, то обсяг енергії, що запасається можна зробити достатнім для обслуговування великих вітро-сонячних електростанцій. Основною перевагою заявленого гравітаційного акумулятора енергії є те, що для його здійснення використовуються не тільки існуючі поглиблення в ґрунті (кар'єри та шахти), а й існуючі скіпові машини. Первинні капіталовкладення на їх будівництво набагато менші, ніж на створення акумуляторів порівняної ємкості по повному циклу робіт, що залежить від обсягу робіт з реконструкції та адаптації скіпів під нові функції. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Гравітаційний акумулятор енергії, що містить рейкову колію, покладену на поверхню уклінної місцевості, візок, електроперетворювальні вузли, електродвигун та зовнішні джерела енергії, що являють собою поля сонячних батарей і вітроенергоустановок, який відрізняється тим, що рейкова колія покладена на поверхню кар'єрного ската з великим нахилом, електроперетворювальні вузли та двигун зосереджені в технологічному відсіку копра кар'єрного скіпа, який служить підстанцією, що здатна резервувати, перетворювати та постачати в мережу за буферною технологією енергію від вітроустановок та сонячних батарей, встановлених по межах рудних відвалів і породи, для чого двигун через барабан та тяговий трос також пов'язаний зі скіповим візком, на якому встановлений незнімний монолітний вантажнакопичувач, візок має можливість керовано змінювати глибину занурення в кар'єр, переміщаючись вниз по рейковій колії в режимі рекупераційного гальмування, завдяки зв'язку з барабаном через тяговий трос, а уверх - в тяговому режимі з енергоприводом від зовнішніх джерел, причому двигун здатний переключатися в режим електрогенератора для віддачі електроенергії в мережу споживання. 5 UA 117839 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6