Воздушно-гравитационный аккумулятор электроэнергии Российский патент 2024 года по МПК F02C6/16 F01D15/08 F01D15/10 

Изобретение относится к области солнечной и ветровой энергетики, а именно к электрогенерирующему устройству с воздушным аккумулятором энергии.

В настоящее время большой проблемой является сохранение избыточной энергии, в частности солнечной и ветровой, в часы пиковой выработки. Мощность солнечных батарей также меняется в зависимости от облачности и времени дня, которая ночью вообще равна нулю. Ветровая энергия также крайне нестабильна. Из-за беспорядочных колебаний силы ветра средняя мощность наземной ветряной турбины обычно составляет лишь около трети ее максимальной номинальной мощности. В связи с этим возникает необходимость аккумулирования такого рода энергии и равномерного расходования ее в ночное время, либо при отсутствии ветра. Тем более что в ночное время потребление энергии значительно увеличивается.

Известна электрогенерирующая установка с воздушным аккумулятором энергии, включающая генератор электрического тока, приводную газовую турбину и источник сжатого воздуха для ее питания, воздушные магистрали, механические и электронные средства управления (см. патент FR 2404124, МПК F03D 9/02, опубл. 20.04.1979).

Недостатком аналога является сложность, громоздкость конструкции и повышенные эксплуатационные затраты. Кроме того, имеет место долгий запуск агрегата, который может длиться сутками, а также большое количество вредных выбросов при работе.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является электрогенерирующая установка с воздушным аккумулятором энергии, включающая емкости для сжатого воздуха, генерирующую установку электрического тока с турбиной, воздушные магистрали, клапаны, механические и электронные средства управления, редуктор давления (см. патент RU 70548, МПК F01D 15/08, опубл. 27.01.2008, бюл. 3). В данной установке сжатый воздух запасен в баллонах, сгруппированных в последовательно включаемые батареи, которые, выполнены съемными для возможности их замены и обновления запаса воздуха.

Недостатками прототипа являются, во-первых, сложность эксплуатации и обслуживания, связанные с необходимостью ручной замены баллонов со сжатым воздухом, что требует постоянного присутствия грузчиков и выполнения тяжелой физической работы. Во-вторых, ограниченность объемов баллонов, что предполагает отсутствие возможности накопления воздуха непосредственно в процессе работы данной электрогенерирующей установки.

Техническим результатом заявляемого устройства является повышение надежности работы, снижение эксплуатационных затрат и повышение экологической безопасности.

Технический результат достигается тем, что воздушно-гравитационный аккумулятор электроэнергии включающий емкости для сжатого воздуха, генерирующую установку электрического тока с турбиной, воздушные магистрали, клапаны, механические и электронные средства управления, редуктор давления, согласно изобретению, емкости для сжатого воздуха установлены последовательно и выполнены в виде цилиндров с герметичной крышкой, внутри каждого из которых установлен поршень с балластом, при этом устройство дополнительно снабжено поршневым компрессором, соединенным входной воздушной магистралью с цилиндром первой ступени через обратный клапан, редуктором давления, водяным радиатором, и вторым поршневым компрессором, установленных последовательно на выходной воздушной магистрали цилиндра первой ступени, являющейся входной воздушной магистралью для цилиндров второй ступени, соединенных с ней через обратный клапан, причем цилиндры и водяной радиатор снабжены выпускающими конденсатными клапанами, соединенными магистралью с насосом капельного орошения через резервуар конденсата, водяной радиатор соединен с дополнительным генератором, а цилиндры второй ступени соединены с генерирующей установкой электрического тока воздушной магистралью через электромагнитные клапаны и редуктор давления.

Воздушные магистрали воздушно-гравитационного аккумулятора электроэнергии снабжены манометрами.

Крышка цилиндров снабжена воздушным клапаном.

Данный воздушно-гравитационный аккумулятор электроэнергии позволит повысить надежность работы, снизить эксплуатационные затраты и повысить экологическую безопасность.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема воздушно-гравитационного аккумулятора электроэнергии.

Воздушно-гравитационный аккумулятор электроэнергии включает емкости, выполненные в виде цилиндров первой ступени 1 и второй ступени 1а для сжатого воздуха с герметичной крышкой 2, генерирующую установку электрического тока 3 с турбиной, воздушные магистрали, обратные клапаны 4, редуктор давления 5, поршневой компрессор 6, соединенный входной воздушной магистралью с цилиндром первой ступени 1 через обратный клапан 4, редуктор давления 7, водяной радиатор 8, поршневой компрессор 9. При этом редуктор давления 7, водяной радиатор 8, поршневой компрессор 9 установлены последовательно на выходной воздушной магистрали цилиндра первой ступени 1, являющейся входной воздушной магистралью для цилиндров второй ступени 1а, соединенных с ней через обратный клапан 10. Цилиндр 1 и водяной радиатор 8 снабжены выпускающими конденсатными клапанами 11, соединенными магистралью с насосом капельного орошения 12 через резервуар конденсата 13. Водяной радиатор 8 соединен с дополнительным генератором 14. Внутри каждого из цилиндров 1 и 1а установлен поршень 15 с балластом 16. Цилиндры второй ступени соединены с генерирующей установкой электрического тока 3 воздушной магистралью через электромагнитные клапаны 17 и редуктор давления 5. На воздушных магистралях установлены манометры 18. Крышка цилиндров 2 снабжена воздушным клапаном 19 для выхода воздуха из надпоршневого пространства для недопущения образования вакуума или давления.

Воздушно-гравитационный аккумулятор электроэнергии работает следующим образом.

Излишки энергии солнечной или ветровой электростанции, возникающие в часы максимальной выработки, используют для привода поршневых компрессоров 6 и 9, которые закачивают воздух в цилиндры 1 и 1а. То есть лишняя электроэнергия расходуется на создание потенциальной энергии, которая заключена в воздухе, закачанном под максимально большим давлением в цилиндры 1 и 1а. Размеры цилиндров и их количество зависят от количества энергии, необходимой для ее сохранения.

В цилиндре 1 установлен поршень 15, который при закачивании воздуха внутрь цилиндра 1 компрессором 6 движется вверх. При этом давление воздуха в цилиндре 1 растет за счет противодавления на поршень 15 балласта 16, который может быть выполнен из любого подручного материала, например, камня или металла. Вес балласта 16 рассчитывают исходя из размеров цилиндра 1 и необходимой величины давления воздуха в них. При сжатии воздух в цилиндре 1 нагревается и выпадает конденсат, который отводят со дна цилиндра 1 через обратный автоматический клапан 4 в резервуар 13. Из резервуара 13 воду насосом капельного орошения 12 направляют на полив. Таким образом создают возможность для посадки деревьев вблизи электростанции, что способствует улучшению экологической обстановки в районе, снижая еще при этом концентрацию углекислого газа в атмосфере.

После достижении максимального давления воздуха в цилиндре 1, воздух через редуктор давления 7 поступает для охлаждения в водяной радиатор 8. Проходя через водяной радиатор 8 горячий воздух, нагревает циркулирующую внутри него воду. Нагретую воду использует для выработки электроэнергии в генераторе 14, которую вместе с энергией от солнечной или ветровой электроэнергии направляют на компрессор 1. Это вторичное использование электроэнергии от электростанции, полученной в качестве побочного продукта. Пройдя через водяной радиатор 8, воздух под давлением поступает на второй поршневой компрессор 9, который закачивает охлажденный воздух в цилиндры второй ступени 1а, являющиеся непосредственным аккумулятором. Количество аккумулирующих цилиндров 1а зависит от мощности электростанции и излишков электроэнергии. Аккумулирующие цилиндры второй ступени 1а идентичны цилиндру первой ступени 1, но рассчитаны на большее, чем на первом цилиндре, давление воздуха за счет увеличения массы балласта 16, расположенного на поршне 15. После заполнения первого цилиндра второй ступени 1а воздух из цилиндра первой ступени 1 направляют во второй аккумулирующий цилиндр 1а, затем в третий 1а и так далее.

В отсутствии поступления энергии от солнечных батарей или ветровых установок на генерирующей установку электрического тока 3 автоматически или ручным управлением задействуют аккумулирующие цилиндры второй ступени 1а. При этом открывают электромагнитный клапан 17 и воздух, нагнетаемый балластом 16, за счет сил гравитации Земли, подают на турбину генерирующей установку электрического тока 3. Мощность генерирующей установки электрического тока 3 регулируют редуктором давления 5, пропускающим больший или меньший объем воздуха в зависимости от полученной команды, что позволяет варьировать режим работы.

Возможность многократного сжатия воздуха в цилиндрах 1 и 1а позволяет вместить большое количество энергии в небольшой объем конструкций. Кроме того, весь процесс можно полностью автоматизировать, а цилиндры сконструировать большого объема, что по сравнению с прототипом существенно упрощает эксплуатацию устройства, так как при использовании баллонов большого объема, как в прототипе, их сложно будет переключать, перевозить, монтировать и подключать. В заявленном электрогенерирующем устройстве могут быть использованы простые агрегаты, применяемые в существующих системах, что не требует разработки новых технологий.

Данное устройство позволит по сравнению с прототипом повысить надежность работы, снизить эксплуатационные затраты и повысить экологическую безопасность.

Техническое решение относится к области солнечной и ветровой энергетики, а именно к воздушно-гравитационному аккумулятору электроэнергии. Устройство включает емкости, выполненные в виде цилиндров первой ступени 1 и второй ступени 1а для сжатого воздуха с герметичной крышкой 2, генерирующую установку электрического тока 3 с турбиной, воздушные магистрали, обратные клапаны 4, редуктор давления 5, поршневой компрессор 6, соединенный входной воздушной магистралью с цилиндром первой ступени 1 через обратный клапан 4, редуктор давления 7, водяной радиатор 8, поршневой компрессор 9. При этом редуктор давления 7, водяной радиатор 8, поршневой компрессор 9 установлены последовательно на выходной воздушной магистрали цилиндра первой ступени 1, являющейся входной воздушной магистралью для цилиндров второй ступени 1а, соединенных с ней через обратный клапан 10. Цилиндр 1 и водяной радиатор 8 снабжены выпускающими конденсатными клапанами 11, соединенными магистралью с насосом капельного орошения 12 через резервуар конденсата 13. Водяной радиатор 8 соединен с дополнительным генератором 14. Внутри каждого из цилиндров 1 и 1а установлен поршень 15 с балластом 16. Цилиндры второй ступени соединены с генерирующей установкой электрического тока 3 воздушной магистралью через электромагнитные клапаны 17 и редуктор давления 5. На воздушных магистралях установлены манометры 18. Крышка цилиндров 2 снабжена воздушным клапаном 19 для выхода воздуха из надпоршневого пространства для недопущения образования вакуума или давления. Технический результат - повышение надежности работы, снижение эксплуатационных затрат и повышение экологической безопасности. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Воздушно-гравитационный аккумулятор электроэнергии, включающий емкости для сжатого воздуха, генерирующую установку электрического тока с турбиной, воздушные магистрали, клапаны, механические и электронные средства управления, редуктор давления, отличающийся тем, что емкости для сжатого воздуха установлены последовательно и выполнены в виде цилиндров с герметичной крышкой, внутри каждого из которых установлен поршень с балластом, при этом устройство дополнительно снабжено поршневым компрессором, соединенным входной воздушной магистралью с цилиндром первой ступени через обратный клапан, редуктором давления, водяным радиатором, и вторым поршневым компрессором, установленными последовательно на выходной воздушной магистрали цилиндра первой ступени, являющейся входной воздушной магистралью для цилиндров второй ступени, соединенными с ней через обратный клапан, причем цилиндры и водяной радиатор снабжены выпускающими конденсатными клапанами, соединенными магистралью с насосом капельного орошения через резервуар конденсата, водяной радиатор соединен с дополнительным генератором, а цилиндры второй ступени соединены с генерирующей установкой электрического тока воздушной магистралью через электромагнитные клапаны и редуктор давления.

2. Воздушно-гравитационный аккумулятор электроэнергии по п. 1, отличающийся тем, что воздушные магистрали снабжены манометрами.

3. Воздушно-гравитационный аккумулятор электроэнергии по п. 1, отличающийся тем, что крышка цилиндров снабжена воздушным клапаном.