ГРАВИТАЦИОННЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2023 года по МПК F03G3/00 H02J15/00 

Гравитационный накопитель электрической энергии относится к области энергетики и может быть использован для накопления энергии от ветрогенераторов, а также для накопления дешевой электроэнергии в ночное время и выдачи ее днем для сглаживания пиковых нагрузок. [F03G3/00, F03B15/00, H02J15/00].

Из уровня техники известна МЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ ЛИФТА ОСНОВАННАЯ НА НАКОПИТЕЛЕ ЭНЕРГИИ МАХОВИКА [CN113716428 (A) ― 2021-11-30], в котором раскрывается лифтовая система с накопителем механической энергии, основанной на накопителе энергии на маховике. Система содержит подшипниковый узел и силовой узел для приведения подшипникового узла в движение вверх или вниз; подшипниковый узел содержит кабину подъемника и противовес; силовой агрегат содержит подъемный канат, направляющее колесо, ведущее колесо, редуктор, двигатель и маховик; подъемный канат намотан на ведущее колесо и направляющее колесо, а два конца подъемного каната соединены с подъемной кабиной и противовесом соответственно; двигатель связан с ведущим колесом через редуктор и передает мощность на ведущее колесо через редуктор; и маховик связан с ведущим колесом через коробку передач, а механическая энергия ведущего колеса принимается и сохраняется через коробку передач. Маховик используется для накопления энергии, гравитационная потенциальная энергия подъема без нагрузки и опускания лифта с полной нагрузкой может быть переработана, проблемы противопожарной защиты и безопасности, вызванные накоплением электрической энергии лифта, решены, влияние обратной энергии лифта и гармонических волн в энергосистеме, повышается эффективность использования энергии, снижается потребление энергии лифтом и, следовательно, снижается потребление энергии зданием.

Также из уровня техники известна ГРАВИТАЦИОННАЯ СИСТЕМА НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ НА БАЗЕ ЗАБРОШЕННОГО КАРЬЕРА [CN113847217 (A) ― 2021-12-28], относящаяся к области техники аккумулирования энергии, направлено на решение проблемы циклической утилизации заброшенных карьеров, а именно касается системы гравитационного накопления энергии на базе заброшенного карьера, заброшенный карьер используется для хранения энергии, система накопления гравитационной энергии включает в себя массовый модуль, подвесное устройство, комплексную машину для выработки электроэнергии и пре-образователь, а карьер состоит из нижней площадки, откоса и верхней накопительной площадки; подвесное устройство содержит опорный узел и поперечную балку, рас-положенные на опорном узле, а опорный узел содержит первый опорный узел, установленный в верхней части карьера, и второй опорный узел, расположенный на нижней площадке; моноблочная машина для выработки электроэнергии установлена подвижно на поперечной балке; а преобразователь регулирует скорость вращения универсальной машины для выработки электроэнергии на этапе накопления гравитационной потенциальной энергии и передает электрическую энергию универсальной машины для выработки электроэнергии в электрическую сеть на стадии высвобождения гравитационной потенциальной энергии. этап вы-работки электроэнергии. При низком пике использования мощности универсальная машина для выработки электроэнергии приводится в действие избыточной электроэнергией для перемещения модуля массы на верхнюю платформу хранения, и сохраняется гравитационная потенциальная энергия; а во время выработки электроэнергии модуль массы опускается для осуществления выработки электроэнергии.

Наиболее близким по технической сущности являются МОДУЛЬНЫЕ ГРАВИТАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ [US2021336478 (A1) ― 2021-10-28], в которых рассмотрены новые конструкции и усовершенствованные способы строительства и эксплуатации гравитационного накопителя энергии. Это устройство также можно назвать гравитационной батареей или устройством накопления гравитационной потенциальной энергии. Устройство преобразует электричество в гравитационную потенциальную энергию и наоборот, поднимая и опуская массивные модули между более высокой и более низкой отметками. Эти модули могут максимизировать свою массу с помощью весовых контейнеров, состоящих из любой тяжелой среды, такой как вода, камень, металл, бетон, уплотненная земля и т. д. Настоящее изобретение включает в себя такие конструкции и оптимизации конструкции, которые могут обеспечить такой масштаб. Для этого высота системы оптимизирована за счет использования подземной вертикальной шахты, которая может обеспечить большой перепад высот. А вес системы оптимизирован за счет реализации модульной конструкции, которая может равномерно распределять очень большую нагрузку. В этой модульной конструкции используется несколько тросов, шестерен или других поддерживающих элементов для равномерного распределения нагрузки на модульные секции веса. Дополнительные элементы дизайна оптимизируют эту систему для максимальной производительности.

Технической проблемой прототипа является его конструкция, которая формируется из отдельных вертикальных модульных каркасов, не обеспечивающих достаточную прочность конструкции в целом, особенно ее горизонтальных элементов. Использование подземной шахты, как предлагается в прототипе, сильно ограничивает количество модулей, за счет которых происходит накопление энергии из-за ограниченного объема шахты, пружины в качестве фиксатора не обеспечивает прочности всей вертикальной конструкции, а только ее частей.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Технический результат изобретения заключается в минимизации энергопотерь при сохранении энергии как при накоплении, так и при высвобождении.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что гравитационный накопитель электрической энергии, размещается на свайном фундаменте с песчаным основанием и содержит набор из вертикальных стоек, скрепленных между собой поперечными балками, образует ячейки с прямоугольным сечением выполненных из трубобетона, в каждой из ячеек смонтирован свой независимый груз, электромоторы-генераторы, размещенные на крыше конструкции выполнены с возможностью перемещения в вертикальной плоскости независимых грузов при аккумуляции и генерации электроэнергии, независимые грузы соединены посредством строп с подъемно-спусковыми механизмами, расположенными на крыше над ячейками, при этом подъемно-спусковые механизмы соединены валами, приводимыми в действие электромоторами-генераторами, по углам ячеек с прямоугольным сечением выполнены выдвижные засовы, с возможностью механической фиксации поднятого груза, пол на крыше гравитационного накопителя выполнен в виде сплошного сетчатого покрытия.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан общий вид на гравитационный накопитель.

На фиг. 2 показан вид сверху на гравитационный накопитель.

На фиг. 3 показано схематичное изображение вида сбоку ячейки гравитационного накопителя.

На фиг. 4 показано схематичное изображение вида сверху ячейки гравитационного накопителя.

На фигурах обозначено: 1 – вертикальная стойка, 2 – независимый груз, 3 – поперечная балка, 4 – электромотор-генератор, 5 – стропа, 6 – подъемно-спусковой механизм, 7 – общий вал.

Осуществление изобретения

Гравитационный накопитель электрической энергии (фиг. 1) содержит набор из вертикальных стоек 1, образующих ячейки, с квадратным или прямоугольным сечением при виде сверху (фиг.2), выполненных, как вариант, из трубобетона, либо из иного экономически целесообразного вида материала. В каждой из ячеек смонтирован свой независимый груз 2. Вертикальные стойки 1 соединены между собой поперченными балками 3 для придания жесткости конструкции. Электромоторы-генераторы 4 размещены на крыше конструкции и обеспечивают подъем/спуск независимого груза 2, который соединен посредством стропы 5 с подъемно-спусковыми механизмами 6, расположенным на крыше непосредственно над самой ячейкой. При этом все подъемно-спусковые механизмы ячеек одного ряда соединены общим валом 7, приводимым в действие электромотором-генератором 4.

Изобретение используют следующим образом

В основе гравитационного накопителя электрической энергии лежит общеизвестный принцип накопления электрической энергии за счет поднятия тяжелых грузов – при избытке в сети электроэнергии, происходит зарядка системы путем поднятия грузов на высоту электродвигателями, при дефиците электроэнергии в сети – происходит выдача электроэнергии за счет опускания грузов и приведение в действие генераторов.

Конструкция представляет собой набор из вертикальных стоек 1, сечение ячеек при виде сверху квадрат либо прямоугольник, скрепленных между собой поперченными балками 3 для придания жесткости конструкции. В каждой из ячеек находиться независимый груз 2. Конкретные характеристики – высота, расстояния, сечения, вес груза и общее количество ячеек с грузом – выбираются в зависимости от местности и требуемой мощности и емкости хранения. Конструкция размещается на свайном фундаменте. Основание – песчаная подушка, которая позволит опускать грузы без торможения и не терять КПД. Электромоторы-генераторы 4 располагаются на крыше конструкции и объединяют собой до нескольких рядов с ячейками, обеспечивая возможность поэтапной работы разных рядов или даже отдельных ячеек, регулируя тем самым выдаваемую мощность.

При максимальном поднятии груза (полной зарядке), происходит его механическая фиксация на высоте за счет выдвижных засовов по углам ячейки (на фиг. не показаны), после чего система может сохранять накопленную энергию неограниченно долго, без потери КПД. Таким образом, в зависимости от количества ячеек и веса груза в ней, возможно будет проектировать установки с разной минимально выдаваемой мощностью в момент времени. Пол на крыше установки предполагается выполнить сплошным сетчатым покрытием, для удобного передвижения обслуживающего персонала и в тоже время для уменьшения ветровой нагрузки и беспрепятственного прохождения дождевых вод.

Технический результат – минимизация энергопотерь при сохранении энергии как при накоплении, так и при высвобождении достигается за счет того, что гравитационный накопитель электрической энергии содержит набор из вертикальных стоек, образующих ячейки, с квадратным или прямоугольным сечением при виде сверху, в каждой из ячеек смонтирован свой независимый груз, вертикальные стойки соединены между собой поперченными балками для придания жесткости конструкции, электромоторы-генераторы размещены на крыше конструкции и обеспечивают подъем и спуск независимого груза, который соединен посредством стропы с подъемно-спусковыми механизмами, расположенным на крыше непосредственно над самой ячейкой, при этом все подъемные механизмы ячеек одного ряда соединены общим валом, приводимым в действие электромотором-генератором, что позволяет:

– обеспечить регулирование необходимой мощности без потери КПД, путем поднимания (зарядки) или опускания (разрядки) от одного до всех грузов единовременно;

– каждый груз в отдельности имеет собственную систему подъема и спуска, что обеспечивает более высокую КПД;

– использование сочетания независимых ячеек для каждого груза и стоек, дает самый высокий КПД в своем роде (95%, потери 2% на электродвигателе и 3% на генераторе), и стоимость строительства сопоставимую со строительством промышленных батарей на химических элементах.

Примеры достижения технического результата

В настоящее время для накопления электроэнергии, в основном, используются накопители на химический элементам. В сравнении с гравитационными, накопители на химических элементах, имеют следующие недостатки.

1. Срок службы. Эффективный срок службы химических накопителей электрической энергии, при ежедневном использовании составляет до 8-ми лет, с ежегодным снижением КПД, вплоть до 30-ти %. При этом стоимость самих батарей составляет до 80-ти% от стоимости всех расходов на строительство такого накопителя. Срок службы данного изобретения ограничивается лишь сроком службы метала на открытом воздухе, который при правильной обработке составит до 50-70 лет без потери КПД на протяжении всего срока службы.

2. Зависимость от внешней среды. Традиционные химические накопители электроэнергии находятся в высокой зависимости от внешней температуры, при сильном нагревании либо охлаждении они способны потерять до половины КПД, и соответственно подобным установкам требуется дополнительная энергия на охлаждение либо нагрев рабочего помещения, что также ведет к потере КПД и дополнительным эксплуатационным расходом. Внешние факторы никоем образом не влияют на данное изобретение, оно способно работать с постоянным КПД в любую погоду.

3. Капитальные затраты. При сопоставимой стоимости строительства современных промышленный накопителей электроэнергии на химических элементах и данного изобретения. В первом случае собственнику придётся каждые 8 лет инвестировать до 80-% от первоначальных денег в модернизацию, а в случае внедрения изобретения подобных регулярных затрат в таких объемах нет.

Эксперименты, проведенные с гравитационными накопителя, регулярно проводятся в различных странах. Например, в Европе проводился эксперимент с одним большим грузом в шахте, где изменение мощности происходит за счет торможения, что приводит к потере КПД, либо в США (электровоз с камнями) где мощность либо невозможно изменить, либо только за счет торможения, что приводит к потере КПД. В России, в Новосибирске прототип накопителя имеет один подъёмный механизм для всех блоков и соответственно происходит потеря энергии на перемещение данного механизма в холостую между блоками. Аналогично и прототип в Индии в виде строительных кранов который теряет КПД на холостой спуск, а также значительно теряет КПД на поднятие первых блоков на небольшую высоту. Все недостатки данных технических реализаций устранены в предлагаемом гравитационном накопителе электрической энергии.

Гравитационный накопитель электрической энергии относится к области энергетики и может быть использован для накопления энергии от ветрогенераторов, а также для накопления дешевой электроэнергии в ночное время и выдачи ее днем для сглаживания пиковых нагрузок. Технический результат – минимизация энергопотерь при сохранении энергии как при накоплении, так и при высвобождении достигается за счет того, что гравитационный накопитель электрической энергии размещается на свайном фундаменте с песчаным основанием и содержит набор из вертикальных стоек, скрепленных между собой поперечными балками, образующих ячейки с прямоугольным сечением, выполненных из трубобетона, в каждой из ячеек смонтирован свой независимый груз, электромоторы-генераторы, размещенные на крыше конструкции, выполнены с возможностью перемещения в вертикальной плоскости независимых грузов при аккумуляции и генерации электроэнергии, независимые грузы соединены посредством строп с подъемно-спусковыми механизмами, расположенными на крыше над ячейками, при этом подъемно-спусковые механизмы соединены валами, приводимыми в действие электромоторами-генераторами, по углам ячеек с прямоугольным сечением выполнены выдвижные засовы с возможностью механической фиксации поднятого груза, пол на крыше гравитационного накопителя выполнен в виде сплошного сетчатого покрытия. 4 ил.

Гравитационный накопитель электрической энергии размещается на свайном фундаменте с песчаным основанием и содержит набор из вертикальных стоек, скрепленных между собой поперечными балками, образующих ячейки с прямоугольным сечением, выполненных из трубобетона, в каждой из ячеек смонтирован свой независимый груз, электромоторы-генераторы, размещенные на крыше конструкции, выполнены с возможностью перемещения в вертикальной плоскости независимых грузов при аккумуляции и генерации электроэнергии, независимые грузы соединены посредством строп с подъемно-спусковыми механизмами, расположенными на крыше над ячейками, при этом подъемно-спусковые механизмы соединены валами, приводимыми в действие электромоторами-генераторами, по углам ячеек с прямоугольным сечением выполнены выдвижные засовы с возможностью механической фиксации поднятого груза, пол на крыше гравитационного накопителя выполнен в виде сплошного сетчатого покрытия.