СИСТЕМА НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2024 года по МПК F03B13/00 F03G3/00 

Настоящее изобретение относится к области генерирования электроэнергии на основе ее накопления, а именно к системам накопления электроэнергии за счет вертикального перемещения грузов.

Как известно, требования по выработке электроэнергии в течение 24-часового периода значительно изменяются из-за различий в её потреблении: утром и вечером потребление электроэнергии увеличивается (часы пик), а в ночное время оно минимально (часы минимума).

Для устранения дисбаланса между спросом и потреблением электроэнергии в больших энергосистемах могут быть использованы маневренные накопительные электростанции, например гидроаккумулирующие электростанции. Известна гидроаккумулирующая электростанция по патенту РФ №2301298, МПК E02B 9/00, опубл. 20.06.2007, включающая в себя верхний и нижний накопительные бассейны, соединенные между собой напорным водоводом, гидроагрегаты и вспомогательное оборудование. Причём гидроагрегаты установлены в выработках околоствольного двора нижнего горизонта, а напорный водовод размещен в шахтном стволе.

Недостатком аналога является ограниченная область применения, т.к. его использование возможно только в шахтах, где добыча полезных ископаемых прекращена.

Известен «Накопитель энергии с оборудованием для ее подачи потребителям» (заявка РФ № 95103674, МПК H02J 15/00, C25B 1/04, F01K 3/00, опубл. 1996.), содержащий выпрямитель для преобразования накапливаемой электроэнергии трехфазного переменного тока в электроэнергию постоянного тока, установку для преобразования электроэнергии от выпрямителя методом электролиза воды в энергоёмкие энергоносители, водород и кислород, ёмкости для раздельного хранения водорода и кислорода, газовую турбину с генератором для преобразования по мере необходимости накопленной в виде водорода и кислорода энергии в электроэнергию, соединительные трубы от электролизера к ёмкостям и от ёмкостей к газовой турбине. При этом ванна электролизёра разделяется сверху на три секции, не достигающие дна, но плотно прилегающие к передней и задней стенкам ванны перегородками. Сверху ванна закрывается крышкой, герметично прилегающей к стенкам и перегородкам. На наружные стенки левой и правой секций ванны устанавливаются наружные шины.

Недостатком аналога является высокая степень опасности эксплуатации устройства из-за использования для накопления энергии взрывоопасных газов - водорода и кислорода.

Среди известных аналогов наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является «Промышленная система накопления электрической энергии», описанная в патенте РФ № 2699855, МПК F03G 3/00, F03G 7/08, опубл. 11.09.2019.

Устройство содержит несущую конструкцию с закрепленной сверху силовой рамой, не менее одной электрической машины и как минимум одну энергетическую ячейку, которая, в свою очередь, содержит не менее одной каретки, предназначенной для вертикального перемещения по меньшей мере одного груза из множества грузов, а также для фиксации груза либо в верхнем, либо в нижнем положении, канат и привод. При этом система заряжается во время перемещения по крайней мере одного груза из нижнего положения в верхнее, а разряжается при перемещении по крайней мере одного груза из верхнего в нижнее положение.

Недостатком прототипа являются броски токов и провалы напряжения при раздаче электрической машиной энергии и накоплении ее из-за неравномерности перемещения груза под действием силы тяжести во время разряжения и заряжения устройства. Так, при разряжении системы в начале движения груза его скорость сравнительно невелика, а по мере приближения к земле растет и становится максимальной в непосредственной близости от нее. По мере перемещения груза к земле неравномерным будет и вращение ротора синхронной электрической машины (которая рассматривается в прототипе): в начале спуска каретки с грузом частота вращения машины небольшая, а в непосредственной близости от земли - максимальная.

В асинхронной машине неравномерность перемещения груза вызовет бросок пускового тока, который возникает, когда машина, работая в режиме двигателя, будет поднимать грузы наверх. Так как пусковой ток асинхронного двигателя может кратно превышать его номинальный ток, это может вызвать появление в сети провала напряжения, которое в свою очередь может негативно повлиять на работу электропотребителей, получающих питание от той же сети, а также на электромагнитную совместимость с электрическим оборудованием, находящемся рядом с электрической машиной и ее кабелями.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение бросков тока и провалов напряжения при накоплении и раздаче электроэнергии за счет обеспечения возможности равномерного перемещения грузов при разряжении и заряжении системы.

Для достижения указанного результата используется следующая совокупность существенных признаков: система накопления электрической энергии (включающая так же, как и прототип несущую конструкцию с верхней силовой рамой, на которой закреплена электрическая машина и соединенная с ней по меньшей мере одна энергетическая ячейка, содержащая груз, каретку, предназначенную для вертикального перемещения по меньшей мере одного груза из множества грузов и для фиксации груза либо в верхнем, либо в нижнем положении, барабаны по числу указанных грузов с намотанными на них канатами), в отличие от прототипа дополнительно содержит: резервуар с водой для размещения в нем указанных грузов с кареткой и связанной с ними водо- и воздухонепроницаемой оболочки с возможностью заполнения и удаления из нее воздуха, а также размещенные на верхней силовой раме компрессор, соединенный шлангом с указанной оболочкой, измеритель частоты вращения, установленный с возможностью определения скорости вращения электрической машины, блок контроля частоты вращения, выход которого соединён с одним из переключателей, а вход - с выходом блока контроля частоты вращения, комплект клапанов по числу указанных оболочек для подключения оболочки через соответствующий шланг к компрессору, причём верхняя силовая рама расположена над уровнем воды в резервуаре, канат, кабель и шланг, связанные вместе и закрепленные одним концом на барабане, при этом другим концом канат закреплен на оболочке, соединенной с грузом, шланг герметично соединен с невозвратным клапаном, расположенным на оболочке, а кабель - с электромагнитным клапаном, также расположенным на оболочке.

Сущность заявляемого изобретения заключается в возможности обеспечения равномерного перемещения груза вниз или вверх за счет его размещения в воде и перемещения в ней в обоих направлениях под действием выталкивающей или погружающей сил, создаваемых связанной с кареткой и грузом(ами) оболочкой при наполнении или удалении из нее воздуха.

Сущность заявляемого изобретения поясняется графическими материалами, где на чертеже представлено схематичное изображение предлагаемого устройства.

На чертеже обозначены: 1 - дно резервуара; 2 - резервуар с водой;

3 - верхняя силовая рама, 4 - барабан, 5 - кабель, 6 - комплект переключателей, 7 - блок контроля частоты вращения, 8 - измеритель частоты вращения,

9 - электрическая машина, 10 - комплект клапанов, 11 - компрессор,

12 - трубопровод; 13 - привод, 14 - цепная передача, 15 - канат, кабель и шланг, 16 -груз с кареткой, 17 - направляющая, 18 - водо- и воздухонепроницаемая оболочка

Ниже приводится пример конструктивного выполнения перечисленных элементов.

Барабан 4 может быть собран из двух дисков, между которыми на равных расстояниях закреплены стержни. На чертеже изображено в общей сложности 4 идентичных барабана, на которые наматывается канат, кабель и шланг 15. При этом через отверстие в оси вращения в каждый барабан введены: кабель 5, соединяющий барабан с соответствующим переключателем из комплекта переключателей 6, и трубопровод 12, соединяющий барабан 4 с соответствующим клапаном из комплекта клапанов 10. Кабель 5 и трубопровод 12 выведены наружу барабана 4, где герметично соединены с канатом, кабелем и шлангом 15 соответствующей оболочки 18. При этом шланг соединен с невозвратным клапаном, а кабель - с электромагнитным клапаном. Невозвратный и электромагнитный клапаны расположены на оболочке 18.

Соответственно количеству барабанов 4 в рассматриваемом примере предполагается комплект из 4-х переключателей 6 и комплект клапанов 10. Каждый из переключателей 6 одним контактом соединён с выходом блока контроля частоты вращения 7, а другим - кабелем 5 с соответствующим барабаном 4. Блок 7 в зависимости от величины сигналов измерителя частоты вращения 8 электрической машины 9 подает или отключает питание от расположенного, например, на оболочке 18 электромагнитного клапана.

В часы пик, когда предлагаемая установка должна вырабатывать электроэнергию, пока частота вращения электрической машины 9 меньше минимально допустимой, расположенный на оболочке 18 электромагнитный клапан открыт. С этой целью к нему подаётся напряжение. Как только электрическая машина 9 начнет вращаться с частотой, превышающей допустимую, электромагнитный клапан обесточивается. Конструкция измерителя 8 может быть выполнена на муфте, соединяющей электрическую машину 9 с приводом 13.

Один из патрубков каждого комплекта клапанов 10 присоединён к выходу компрессора 11, который служит для нагнетания воздуха в оболочку 18 через соответствующие клапан(ы), трубопровод(ы) и шланг(и) в часы минимума потребления электроэнергии, когда для зарядки предлагаемой установки потребуется поднять каретку(и) с грузом(ами) 16 в верхнее положение. Трубопровод 12 соединяет патрубок соответствующего комплекта клапанов 10 со своим барабаном 4. Привод 13 соединён с электрической машиной 9 муфтой и с помощью цепной(ых) передачи 14 с соответствующим(и) барабаном(ами) 4. При этом каждая размещённая на приводе 13 звёздочка цепной передачи 14 снабжена своей обгонной муфтой, устраненной по аналогии с той, которая используется в автомобильных стартерах для их сцепления / расцепления с помощью специальной вилки с маховиком ДВС.

Цепная передача 14 обеспечивает передачу энергии вращения от барабана(ов) 4 к электрической машине 9 в часы пик, когда каретка с грузом(ами) опускается, и от электрической машины 9 к барабану(ам) 4 - в часы минимального потребления электроэнергии, когда предлагаемое устройство заряжается.

Канат, кабель и шланг 15, связанные вместе через небольшие промежутки, одним концом закреплены на цилиндрической образующей (заключенных между дисками стержнях) соответствующего барабана, другими концами: канат закреплён на оболочке 18, шланг - герметично соединён с невозвратным клапаном, расположенным на той же оболочке 18. Через невозвратный клапан воздух поступает в оболочку 18 и наполняет ее. Объём оболочки 18 выбирается таким, чтобы при ее наполнении воздухом величина выталкивающей силы была бы достаточной для равномерного подъема каретки вместе с прикреплённым(и) к ней грузом(ами) по направляющей 17 на поверхность резервуара. В качестве груза может быть использован мешок(ки), заполненный(е) щебнем или песком.

Предлагаемая система работает следующим образом.

Электрическая машина 9 производит электрическую энергию, работая в режиме генератора, когда каретка с грузом(ами) движется вниз (часы максимального потребления), и функционирует в режиме двигателя, поднимая канат, кабель и шланг 15 в часы минимума потребления электроэнергии.

В часы минимума потребления электроэнергии (обычно это ночное время) осуществляется заряжение системы. С этой целью оболочка 18 каждой каретки 16 с грузом, которые находятся на дне резервуара 1, наполняется воздухом. Для этого запускается компрессор 11 и открывается соответствующий(е) клапан(ы) в комплекте клапанов 10. Наполнение воздухом оболочки 18 приведёт к тому, что соответствующая каретка(и) начнёт(ут) всплывать, двигаясь по своей(им) направляющей(им) 17.

После того, как образованный в результате наполнения оболочки воздушный(е) мешок(ки) достигнет(ут) поверхности воды в резервуаре и его(их) каретка(и) будет(ут) там зафиксирована(ы), в режиме двигателя запускается электрическая машина 9. Это делается для того, чтобы подтянуть провисшие канат(ы), кабель(и) и шланг(и).

Перед этим обесточивается комплект переключателей 6 и с помощью вилки соответствующей обгонной муфты привод 13 отсоединяется от цепной передачи 14, на барабане которой находятся канат, кабель и шланг 15, после чего электрическая машина 9 отключается. В ожидании предстоящего пикового потребления электроэнергии привод 13 соединяют с помощью соответствующих вилок со звёздочками всех цепных передач.

Как только в связи с приближением часов пик возникнет потребность в электроэнергии, оператор установки определяет, какое количество грузов из общего числа будет нужно задействовать одновременно. Исходя из принятого решения, от привода 13 отсоединяются лишние цепные передачи, затем подается питание на электромагнитный(е) клапан(ы), расположенный(е) на оболочке(ах) задействованных кареток (грузов) 16. В результате открывается выход воздуха из соединённой(ых) с ней(ими) оболочек 18. По мере выхода воздуха из оболочки 18 плавучесть ее будет снижаться и прикреплённая к нему каретка с грузом(ами) 16 начнёт опускаться вниз. Намотанный на барабан 4 канат начнет разматываться, барабан - вращаться, а вращение барабана через цепную передачу будет передано электрической машине 9. Набрав необходимую частоту вращения, электрическая машина 9 начнёт вырабатывать электроэнергию без бросков и провалов. Блок контроля частоты вращения 7 обесточит соответствующий(е) клапан(ы). В результате выталкивающая сила будет равна весу воздушного мешка (оболочки) 18 и каретки с грузом(ами) 16. В соответствии со вторым законом Ньютона они будут двигаться вниз равномерно, пока не достигнут дна резервуара 1.

Таким образом, будет достигнут заявляемый технический результат предлагаемого изобретения - за счет равномерного опускания и подъема груза(ов) обеспечится исключение бросков тока и провалов напряжения в системе накопления электрической энергии.

Предлагаемое изобретение было создано на кафедре основ судовой электроэнергетики ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательской работы. Были произведены экспериментальные исследования и расчеты, показавшие возможность использования заявляемого изобретения в береговых накопителях электроэнергии.

Изобретение относится к области генерирования электроэнергии на основе ее накопления, а именно к системам накопления электроэнергии за счет вертикального перемещения грузов. Система включает несущую конструкцию с верхней силовой рамой 3, на которой закреплена электрическая машина 9 и соединенная с ней по меньшей мере одна энергетическая ячейка. Ячейка содержит груз 16 с кареткой, барабаны 4 по числу грузов 16 с намотанными на них канатами. Дополнительно содержит резервуар с водой 2 для размещения в нем грузов 16 с кареткой и связанной с ними водо- и воздухонепроницаемой оболочки 18 с возможностью заполнения и удаления из нее воздуха, размещенные на раме 3 компрессор 11, соединенный шлангом с оболочкой 18, измеритель частоты вращения 8, блок контроля частоты вращения 7, комплект клапанов 10 по числу оболочек 18 для подключения оболочки через соответствующий шланг к компрессору 11, канат, кабель и шланг, связанные вместе и закрепленные одним концом на барабане 4. Другим концом канат закреплен на оболочке 18, соединенной с грузом 16. Шланг герметично соединен с невозвратным клапаном, расположенным на оболочке 18. Кабель соединен с электромагнитным клапаном, расположенным на оболочке 18. Изобретение направлено на снижение бросков тока и провалов напряжения при накоплении и раздаче электроэнергии. 1 ил.

Система накопления электрической энергии, включающая несущую конструкцию с верхней силовой рамой, на которой закреплена электрическая машина и соединенная с ней по меньшей мере одна энергетическая ячейка, содержащая груз, каретку, предназначенную для вертикального перемещения по меньшей мере одного груза из множества грузов и для фиксации груза либо в верхнем, либо в нижнем положении, барабаны по числу указанных грузов с намотанными на них канатами, отличающаяся тем, что дополнительно содержит резервуар с водой для размещения в нем указанных грузов с кареткой и связанной с ними водо- и воздухонепроницаемой оболочки с возможностью заполнения и удаления из нее воздуха, а также размещенные на верхней силовой раме компрессор, соединенный шлангом с указанной оболочкой, измеритель частоты вращения, установленный с возможностью определения скорости вращения электрической машины, блок контроля частоты вращения, выход которого соединён с одним из переключателей, а вход - с выходом блока контроля частоты вращения, комплект клапанов по числу указанных оболочек для подключения оболочки через соответствующий шланг к компрессору, причём верхняя силовая рама расположена над уровнем воды в резервуаре, канат, кабель и шланг, связанные вместе и закрепленные одним концом на барабане, при этом другим концом канат закреплен на оболочке, соединенной с грузом, шланг герметично соединен с невозвратным клапаном, расположенным на оболочке, а кабель - с электромагнитным клапаном, также расположенным на оболочке.