СПОСОБ ВЫРАБАТЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ПОМОЩИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПОД ВОДОЙ Российский патент 2017 года по МПК F03B13/10 F03B17/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Объем кубического метра воды весит одну тонну, так что поток воды, нисходящий с большой высоты на более низкий уровень, может создавать большое усилие посредством потока воды, которое может быть использовано для создания гидроэлектрической энергии, например, как при падении воды с плотины. Однако по достижении нижнего уровня дальнейшее использование воды невозможно, так как она не может течь обратного на высоту. Хорошо известно, что давление воды на глубине достигает больших значений. В настоящем изобретении предложен способ, который эффективно вырабатывает энергию, как если бы вода могла течь в верхнем направлении посредством создания системы со сжатым воздухом под давлением при использовании такого давления под водой. Оно временно запасает естественную энергию давления под водой посредством ее использования для сжатия объема воздуха для преобразования энергии давления под водой в потенциальную энергию сжатия сжатого воздуха. Сжатый воздух затем подают в камеру турбины для прохождения через рабочее колесо турбины, которое соединено с электрическим генератором для поворота генератора потенциальной энергией сжатия сжатого воздуха, так что вырабатывается электроэнергия. Таким образом, оно опосредованно преобразовывает давление под водой в электроэнергию.

Сжатый воздух после прохождения через турбину может быть также использован для создания пожарной машиной водяной струи высокого давления при тушении пожара, в частности при тушении пожара в высотном здании, или в других случаях, при которых необходимо высокое давление.

Таким образом, системой по настоящему изобретению создана природосберегающая энергия посредством преобразования давления под водой в пригодную для использования электроэнергию. Система при своей работе не причиняет никакого вреда окружающей среде и обеспечивает положительный экономический эффект.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основная задача настоящего изобретения состоит в создании способа вырабатывания электроэнергии, посредством установки преобразователя давления, содержащего высокую камеру сжатия, которая погружена на большую глубину в большом водоеме, таком как море, озеро, водяная скважина, расположенная в пустыне или горе, водоем, ограниченный плотиной, или схожую конструкцию, выполненную на суше, удерживающую большое количество воды. Поскольку давление воды может быть вычислено через ее массу путем произведения ускорения за счет силы тяжести на вес воды, скорость и высоту (а именно, глубину воды), и так как масса, вес и ускорение водоема есть величины постоянные, то давление воды на любой глубине зависит исключительно от глубины под водой. Таким образом, для получения максимального объема вырабатывания электроэнергии, как правило, необходимо расположить систему по настоящему изобретению под водой, на глубине нескольких сотен футов. Однако в связи с невозможностью существования и работы человека на такой глубине под водой, система может быть установлена в высокой конструкции, выполненной на суше, которая наполнена водой, для облегчения удобного управления и работы системы.

В настоящем изобретении множество преобразователей давления расположены под водой в водоеме на большой глубине вокруг центральной рабочей башни. Каждый преобразователь давления работает с повторяющимся циклом этапов сначала наполнения его камеры сжатия начальным объемом воздуха, затем введения воды с большой глубины водоема в камеру сжатия. Вода под большим давлением под водой заполняет камеру сжатия и таким образом сжимает начальный объем воздуха в камере сжатия до сжатого воздуха под высоким давлением. Сжатый воздух затем подают в расширительную камеру, содержащую турбину, соединенную с поворотным валом генератора электроэнергии. Сжатый воздух восстанавливается до своего несжатого состояния в расширительной камере и всегда высвобождает в процессе энергию сжатия, которая равна энергии высокого давления, присущей давлению под водой. Таким образом, высвобожденная энергия сжатия поворачивает турбину и та, в свою очередь, электрогенератор для обеспечения вырабатывания электроэнергии. Указанным выше образом система по настоящему изобретению преобразует высокое давление под водой в вырабатывание электроэнергии.

Сжатый воздух можно также непосредственно использовать для создания высокого давления, необходимого для обеспечения подачи воды для тушения пожара, возникшего в высотном здании.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 показан частичный вертикальный вид спереди в разрезе примера осуществления подводной системы способа по настоящему изобретению, показывающий два преобразователя давления, установленных на противоположных сторонах камеры турбины.

На Фиг. 2 показан частичный вид спереди в разрезе подземной установки, расположенной ниже преобразователя давления по настоящему изобретению, содержащей электрогенератор, расположенный ниже акватории водоема, и резервуар для хранения воды, устройство для удаления воды и систему подачи воздуха, расположенные ниже электрогенератора.

На Фиг. 3 показан общий частичный вертикальный вид спереди в разрезе системы по настоящему изобретению.

На Фиг. 4 показан вид сверху в разрезе по линии х-х по Фиг. 3 примера реализации системы по настоящему изобретению с восемью преобразователями давления, выполненными с возможностью последовательной работы для подачи сжатого воздуха в турбину для непрерывного поворота электрогенератора.

На Фиг. 5 показан вертикальный вид спереди в разрезе компенсационного участка обратного потока, который представляет собой нижний участок протяженной высокой трубы, проходящей от верхней части преобразователя давления к верхней поверхности водоема. Компенсационный участок обратного потока снабжен множеством обратных компенсационных клапанов, так что сжатый воздух после прохождения через камеру турбины поднимается только через данный участок.

На Фиг. 6 показаны вертикальные виды спереди в разрезе протяженной высокой трубы, содержащей также множество схожих обратных компенсационных клапанов, выполненных по всей ее длине, так что сжатый воздух поднимается только в верхнем направлении трубы.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Со ссылкой на чертежи, элементы системы по настоящему изобретению показаны под следующими позиционными обозначениями.

1. Водоем с большой глубиной. Он представляет собой естественный водоем, такой как озеро, море, водоем, ограниченный плотиной, глубокая водяная емкость, выполненная на судне, или воду, содержащуюся в высокой конструкции, выполненной на суше.

2. Преобразователь давления: использует подводное давление воды в водоеме для сжатия объема воздуха, поданного в его камеру сжатия для создания сжатого воздуха высокого давления.

3. Нижний контрольный клапан: как показано на Фиг. 1, расположен вблизи нижней части преобразователя давления. Он имеет стопорный элемент, выполненный с возможностью возвратно-поступательным образом открывать или закрывать клапан.

4. Труба для транспортировки масла: предназначена для подачи масла в возвратно-поступательный пневматический насос с возможностью управления контрольными клапанами вниз и вверх.

5. Канал: представляет собой подающий канал для передачи сжатого воздуха из камеры сжатия к камере турбины, в которой расположена турбина.

6. Насос для масла: выполнен с возможностью управления стопорным элементом верхнего контрольного клапана для его открытия или закрытия.

7. Отводящая труба: выполнена с возможностью отвода воды из камеры сжатия преобразователя давления.

8. Насос для масла, работающий при низком давлении: расположен в нижней части преобразователя давления для управления стопорным элементом нижнего контрольного клапана для его открытия или закрытия.

9. Возвратно-поступательный стержень: стержень, расположенный между и соединенный со стопорным элементом насоса для масла, работающего при низком давлении, и насосом для масла, работающим при низком давлении, для управления стопорным элементом нижнего контрольного клапана для его открытия или закрытия.

10. Протяженная высокая труба, проходящая от верхней части преобразователя давления от камеры сжатия к верхней поверхности воды в водоеме. Множество компенсационных обратных клапанов выполнены по всей ее длине, так что сжатый воздух высокого давления после прохождения через турбину поднимается только в верхнем направлении через данную трубу выше верхней поверхности водоема, так что он не течет обратно в преобразователь давления.

11. Турбина, расположенная в расширительной камере, ее поворотный вал соединен с поворотным валом электрогенератора. Ее рабочее колесо поворачивается посредством сжатого воздуха для поворота электрогенератора для обеспечения вырабатывания электроэнергии.

12. Главный поворотный вал представляет собой протяженный вал, соединяющий поворотный вал турбины с поворотным валом электрогенератора.

13. Высокопрочный уплотненный подшипник представляет собой уплотненный в отношении воды поддерживающий шариковый подшипник, расположенный между поворотным валом и акваторией водоема.

14. Подающая масло труба представляет собой трубу, по которой подают масло насосу давления для масла для обеспечения работы насоса.

15. Камера сжатия преобразователя высокого давления, представляющая собой камеру, непроницаемую для высокого давления, для приема воды под высоким давлением из нижней части водоема для сжатия объема воздуха, изначально поданного в нее для преобразования в энергию, присущую высокому давлению под водой водоема, до получения сжатого воздуха, имеющего энергию, присущую высокому давлению.

16. Входное отверстие для воды, расположенное с нижней стороны камеры сжатия ниже нижнего контрольного клапана. Вода под большим давлением из нижней части водоема попадает в камеру сжатия, когда нижний контрольный клапан открыт. Поток воды под большим давлением в камеру сжатия прекращается, когда нижний контрольный клапан закрыт.

17. Воздушная труба, которая подает воздух в камеру сжатия из емкости для хранения воздуха.

18. Обратные компенсационные диафрагменные клапаны представляют собой диафрагменные клапаны, как показано в сечениях 31, 32 и 33 на фиг. 5 и 6. Клапан обеспечивает сквозной поток текучей среды только в одном направлении. Множество данных клапанов расположены поперечным образом в протяженной высокой трубе, так что сжатый воздух и/или вода, выходящие из камеры турбины, поднимаются в верхнем направлении по высокой трубе таким же образом, что и вода поднимается в верхнем направлении в капиллярной трубе, имеющей капиллярные свойства.

19. Верхний контрольный клапан, имеющий стопорный элемент, выполненный с возможностью открытия или закрытия клапана возвратно-поступательным образом, и расположенный в верхнем конце камеры сжатия между камерой сжатия и расширительной камерой. Когда верхний и нижний контрольные клапаны закрыты, камера сжатия полностью изолирована. Когда верхний контрольный клапан открыт, сжатый воздух имеет доступ из камеры сжатия в расширительную камеру.

20. Трубы для воды, предназначенные для забора остатков воды в верхнем направлении непосредственно из камеры сжатия в высокую трубу для ее высвобождения обратно в водоем, притом что сжатый воздух поднимается вверх по высокой трубе.

21. Электрогенератор, поворотный вал которого соединен с поворотным валом турбины для обеспечения вырабатывания электроэнергии.

22. Погружаемый водяной насос, который представляет собой дренажный насос, расположенный в камере сжатия и выполненный с возможностью непосредственного забора воды из камеры сжатия в высокую трубу при необходимости.

23. Компрессор с малым объемом: воздушный компрессор выполнен с возможностью вырабатывания воздуха для обеспечения выхода воздуха в камеру сжатия, когда она находится в изолированном состоянии.

24. Резервуар для хранения воздуха, предназначенный для хранения воздуха, выработанного компрессором с малым объемом для подачи воздуха в камеру сжатия преобразователя давления.

25. Опорный подшипник, расположенный на нижнем конце поворотного вала для поддержки поворотного вала с возможностью поворота.

26. Водяной насос, расположенный в камере сжатия и выполненный с возможностью забора воды из нее.

27. Пол, который представляет собой твердый пол в камере для поддержки электрогенератора и других компонентов.

28. Бассейн для хранения воды, предназначенный для удерживания воды, забранной из камеры сжатия после того, как сжатый воздух высвобожден в камеру турбины.

29. Верхняя поверхность воды, представляющая собой поверхность водоема, в котором расположен преобразователь давления.

30. Высокая труба: вся протяженная труба, проходящая от верхней части преобразователя давления к верхней поверхности водоема.

31. Обратный компенсационный диафрагменный клапан: диафрагменный клапан, имеющий диафрагму для ограничения потока текучей среды через него только в одном направлении. Множество данных клапанов расположены поперечным образом по всей длине высокой трубы для предотвращения обратного течения воздуха и воды в высокой трубе.

32 и 33. Множество обратных компенсационных диафрагменных клапанов установлены поперечным образом по всей длине высокой трубы, так что сжатый воздух и вода поднимаются вверх через высокую трубу схожим с капиллярными свойствами образом, при которых вода поднимается вверх по капиллярной трубе.

Работа системы по настоящему изобретению может автоматически управляться с помощью компьютера. Компьютер может быть установлен в подземной камере или в камере на нижнем этаже высокой конструкции, если она выполнена на суше для обеспечения водоема с большой глубиной.

Следующая процедура описывает работу системы, имеющей преобразователь давления. Системой с множеством преобразователей давления управляют тем же образом для введения сжатого воздуха в турбину из всех преобразователей давления последовательно один за другим и/или в последовательном порядке, и/или при выбранных комбинациях обеих указанных операций, так что поддерживается вращение турбины для обеспечения необходимого вырабатывания электроэнергии.

Способ работы системы заключается в следующем.

(1) На начальном этапе запуска верхний и нижний контрольные клапаны 19 и 3 закрыты, так что камера 15 сжатия полностью изолирована.

(2) Открывают верхний и нижний контрольные клапаны 19 и 3 и отверстие 16 для впуска воды так, что вода проникает из водоема в камеру 15 сжатия до ее заполнения до выбранного начального уровня воды. Например, для преобразователя давления, имеющего камеру сжатия высотой 15 м, начальный уровень воды может быть около 5 м высотой.

(3) Закрывают оба, верхний и нижний контрольные клапаны 19 и 3, так что камера сжатия полностью изолирована и содержит определенное начальное количество воздуха и воды, обеспеченных на этапе (2).

(4) Соотношение объема воздуха и объема воды в камере сжатия затем может быть отрегулировано посредством приведения в действие водяного насоса 26 для забора воды из камеры 15 сжатия и для отведения через отводящую трубу 7 и/или подачи воздуха в камеру сжатия из емкости 24 для хранения воздуха до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое соотношение объемов воздуха и воды в камере сжатия. Для приведенного выше примера, с камерой сжатия высотой 15 м, необходимое заполнение водой составляет 5 м, а оставшиеся 10 м камеры заполнены воздухом.

(5) Закрывают все отверстия, ведущие к водяному насосу 26 и к емкости 24 для хранения воздуха, так чтобы камера сжатия снова была полностью изолирована от внешнего давления.

(6) Открытие отверстия 16 для впуска воды и нижнего контрольного клапана 3 таким образом, что вода из водоема под высоким давлением под водой поступает в камеру 15 сжатия через отверстие 16 для впуска воды для сжатия объема воздуха в верхней части камеры с образованием сжатого воздуха. Таким образом, естественное высокое давление под водой, которое подается в камеру сжатия, эффективным образом преобразуют в естественную энергию высокого давления в сжатом воздухе.

(7) Нижний контрольный клапан 3 затем закрывают, а верхний контрольный клапан открывают, так что сжатый воздух направлен по каналу 5 в расширительную камеру для поворота турбины 11, поворачивающей, в свою очередь, электрогенератор 21 для вырабатывания электроэнергии. Таким образом, естественная энергия давления под водой на большой глубине преобразовывается в энергию высокого давления сжатого воздуха, и затем энергия высокого давления сжатого воздуха преобразуется в выработанную электроэнергию.

Сжатый воздух после прохода через турбину 11 продолжит подниматься по высокой трубе 10 до уровня верхней поверхности водоема и высвобождается в атмосферу. Обратные компенсационные диафрагменные клапаны 31, имеющие свойства наподобие капиллярных характеристик, предотвращают обратный поток воздуха в высокой трубе 10 назад - в преобразователь давления.

(8) В то же время приводят в действие погружаемый водяной насос 22 для забора какого-либо остатка воды в камере сжатия 15 в верхнем направлении через водяную трубу 20 в высокую трубу 10 для его подъема в верхнем направлении из нее со сжатым воздухом, и, таким образом, возврата наружу в водоем. В качестве альтернативы, остаток воды может быть удален через отводящую трубу 7 в бассейн 28 для хранения воды или, если преобразователь давления установлен на водной плотине, остаток воды возвращают в водоем, ограниченный плотиной.

(9) После опустошения камеры 15 сжатия от воды и воздуха повторно закрывают нижний и верхний контрольные клапаны 3 и 19 для изолирования камеры сжатия в ее возврата в первоначальное состояние.

Указанные выше операции (1)-(9) затем повторяют для последовательной работы преобразователя давления. Все преобразователи давления работают одинаково.

Таким образом, понятно, что множество преобразователей давления могут работать как последовательно или друг за другом, или в различных выбранных комбинациях последовательной работы и работы в последовательном порядке для поддержания поворота электрогенератора для обеспечения необходимого количества вырабатываемой энергии.

Высокое давление под водой в водоеме с большой глубиной преобразуют в электроэнергию при помощи настоящего способа. Погружают в указанный водоем множество преобразователей давления. Каждый преобразователь имеет большую камеру сжатия. Объем воздуха сжимают при помощи высокого давления под водой в водоеме до сжатого воздуха под высоким давлением. Сжатый воздух подают в расширительную камеру, в которой расположена турбина. Турбину поворачивают при помощи сжатого воздуха. Турбина, в свою очередь, поворачивает электрогенератор, соединенный с ней для обеспечения вырабатывания электроэнергии. Таким образом, энергию высокого давления преобразуют в электроэнергию. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ вырабатывания электроэнергии посредством преобразования внутреннего высокого давления под водой на большой глубине в водоеме с большой глубиной в электроэнергию, согласно которому:

погружают в указанный водоем вертикально на большую глубину множество преобразователей давления, каждый из которых содержит высокую камеру сжатия,

подают заданный исходный объем воздуха в указанную камеру сжатия,

подают воду при большом давлении под водой из указанного водоема на большой глубине в камеру сжатия через ее нижнюю часть, посредством чего исходный объем воздуха сильно сжат большим давлением под водой до сжатого воздуха под высоким давлением,

подают указанный сжатый воздух под высоким давлением в расширительную камеру, в которой расположена турбина, выполненная с возможностью поворота, и которая соединена с генератором электроэнергии, так что указанная турбина поворачивает указанный генератор для вырабатывания электроэнергии;

подают указанный сжатый воздух после прохождения через указанную турбину в протяженную вертикальную высокую трубу, проходящую в верхнем направлении от указанного преобразователя давления к поверхности указанного водоема;

отводят остатки воды из камеры сжатия для ее опустошения;

повторяют указанные выше этапы для работы преобразователей давления для обеспечения последовательной выработки электроэнергии; и

обеспечивают работу множества преобразователей давления на указанных выше этапах для обеспечения необходимого количества выработанной электроэнергии.

2. Способ вырабатывания электроэнергии по п. 1, согласно которому закрывают верхний контрольный клапан и нижний контрольный клапан для изолирования камеры сжатия после удаления остатков воды и сжатого воздуха из нее.

3. Способ вырабатывания электроэнергии посредством преобразования внутреннего высокого давления под водой на большой глубине в водоеме с большой глубиной в электроэнергию, согласно которому:

погружают в указанный водоем вертикально на большую глубину множество преобразователей давления, каждый из которых содержит высокую камеру сжатия, которая имеет верхний конец и нижний конец, верхний контрольный клапан, расположенный в указанном верхнем конце, и нижний контрольный клапан, расположенный в указанном нижнем конце; указанные верхний и нижний контрольные клапаны выполнены с возможностью изолирования камеры сжатия, отверстие для впуска воды выполнено в нижнем конце камеры сжатия и расположено ниже указанного нижнего контрольного клапана, водяной насос расположен в камере сжатия и выполнен с возможностью удаления воды из нее, воздушная труба соединена с камерой сжатия и выполнена с возможностью подачи воздуха в камеру сжатия, а верхний конец камеры сжатия сообщается с расширительной камерой, содержащей турбину, соединенную с генератором энергии;

закрывают верхний контрольный клапан и открывают нижний контрольный клапан для подачи последующего количества воды под высоким давлением под водой через отверстие для впуска воды в камеру сжатия, посредством чего камеру сжатия наполняют последующим объемом воды и последующим объемом воздуха;

закрывают нижний контрольный клапан для повторного изолирования камеры сжатия, содержащей указанный последующий объем воды и последующий объем воздуха;

выборочно приводят в действие водяной насос для подачи дополнительного количества воды из указанного водоема в камеру сжатия и подают больше воздуха в камеру сжатия через воздушную трубу до тех пор, пока в камере сжатия не будет находиться объем воды и объем воздуха в заданной пропорции;

закрывают все отверстия водяного насоса и воздушной трубы для изолирования камеры сжатия;

открывают нижний контрольный клапан для подачи воды под высоким давлением под водой из указанного водоема через отверстие для впуска воды в камеру сжатия, посредством чего указанный последующий объем воздуха сильно сжимают до сжатого воздуха посредством поступающей воды под высоким давлением под водой;

закрывают нижний контрольный клапан и открывают верхний контрольный клапан для указанного сжатого воздуха в расширительную камеру для поворота турбины, которая, в свою очередь, поворачивает электрический генератор для вырабатывания электроэнергии;

подают указанный сжатый воздух после прохождения через турбину в протяженную вертикальную высокую трубу, проходящую в верхнем направлении от преобразователя давления к поверхности водоема;

приводят в действие водяной насос для удаления остатков воды, оставшихся в камере сжатия;

повторяют указанные выше этапы для работы преобразователей давления для обеспечения последовательной выработки электроэнергии; и

обеспечивают работу множества преобразователей давления на указанных выше этапах для обеспечения необходимого количества выработанной электроэнергии.

4. Способ вырабатывания электроэнергии по п. 3, согласно которому закрывают верхний контрольный клапан и нижний контрольный клапан для изолирования камеры сжатия после удаления остатков воды и сжатого воздуха из нее.

5. Способ вырабатывания электроэнергии по п. 3, согласно которому обеспечивают множество обратных компенсационных диафрагменных клапанов поперечным образом по всей длине протяженной высокой трубы, посредством чего сжатый воздух поднимается только в верхнем направлении в высокой трубе, не проходя обратно к преобразователю давления.

6. Способ вырабатывания электроэнергии по п. 5, согласно которому множество преобразователей давления работают с различными комбинациями последовательных и следующих друг за другом операций для обеспечения вырабатывания электроэнергии.

7. Способ вырабатывания электроэнергии по п. 6, согласно которому приводят в действие водяной насос для удаления остатков воды из камеры сжатия, после того как сжатый воздух был подан в камеру сжатия, и подают остатки воды из водяного насоса через водяную трубу в высокую трубу для возврата в водоем, притом что сжатый воздух высвобождают на поверхности водоема.

8. Способ вырабатывания электроэнергии по п. 7, согласно которому указанный водоем представляет собой водоем, выбранный из группы местоположений, таких как: море, озеро, водоем, ограниченный плотиной, большое и высокое водоудерживающее сооружение, выполненное на суше, и высокая водяная емкость, сконструированная на судне.

9. Способ вырабатывания электроэнергии по п. 8, согласно которому удаляют остатки воды из камеры сжатия в водохранилище.