CZ2022346A3 - Přečerpávací elektrárna pro přečerpávání mezi základní a plovoucí nádrží - Google Patents

Abstract

Přečerpávací elektrárna obsahuje plovoucí nádrž (7) umístěnou v základní nádrži (2) v prostředí dvou tekutin s rozdílnou hustotou. Mezi provozními hladinami (10, 11) hustší tekutiny v nádržích (2, 7, 7a) je výškový rozdíl (V). Základní nádrž (2) je dolní nádrží a plovoucí nádrž (7) je horní nádrží. Plovoucí nádrž (7) obsahuje plovák (7c) a nádrž (7a) na hustší tekutinu, přičemž plovák (7c) je uspořádán pro vytvoření vztlaku pro nesení plovoucí nádrže (7) v základní nádrži (2). Elektrárna dále obsahuje potrubí (12) a energetické soustrojí (15) k přečerpávání tekutiny mezi dolní nádrží a horní nádrží. Plovoucí nádrž (7) obsahuje mezikus (7b) pro nesení nádrže (7a) na hustší tekutinu.

Description

Přečerpávací elektrárna pro přečerpávání mezi základní a plovoucí nádrží

Oblast techniky

Vynález se týká přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží umístěnou v základní nádrži v prostředí dvou tekutin s rozdílnou hustotou.

Dosavadní stav techniky

Efektivnímu vyrovnávání disproporcí mezi spotřebou a výrobou elektrické energie, rychlejšímu rozvoji elektráren na obnovitelné zdroje energie a omezování provozu palivových elektráren zcela zásadním způsobem brání naprostý nedostatek ekonomicky a ekologicky výhodných akumulátorů energie s vysokým výkonem, kapacitou a účinností, které by mohly být vybudovány co nejblíže místu spotřeby a/nebo výroby energie.

Elektrárny využívající mechanické způsoby akumulace potenciální energie nabízejí největší kapacitu a mají nejdelší životnost. Realizace dosavadních typů těchto elektráren je ale uskutečnitelná jen v úzce specifických podmínkách.

Z nich jsou nejvíce rozšířeny vodní přečerpávací elektrárny, protože vykazují nejvyšší efektivnost nákladů, i když zaujímají relativně velký objem. V dosavadním provedení jsou založeny na akumulování gravitační potenciální energie vody přečerpáváním vody z dolní stabilní nádrže do horní stabilní nádrže. Tyto elektrárny však vyžadují značné prostory v hornatém terénu, a proto jejich další výstavba stále častěji naráží na odpor kvůli oprávněným zájmům ochrany krajiny a přírody. V rovinatých nebo v hustě osídlených oblastech je nelze stavět. Podzemní vodní přečerpávací elektrárny jsou ohrožovány geologickými vlivy.

Známým řešením je podzemní vodní přečerpávací elektrárna, kterou tvoří svislý válec s obtokovým potrubím. Je několik set metrů hluboká a je naplněna vodou. Ve válci se pohybuje těžký píst z betonu a železa, utěsněný proti pronikání vody mezi válcem a pístem. Píst se díky gravitaci spouští a vytlačuje vodu zpod pístu přes obtokové potrubí s reverzní turbínou do prostoru nad píst. V režimu ukládání gravitační potenciální energie pístu se pak voda přečerpává zpět pod píst a zvedá ho nahoru. Kromě ztrát třením pístu ve válci je nevýhodou, že elektrárna nemůže mít příliš velkou kapacitu, jelikož z pevnostních a cenových důvodů musí být omezen průměr válce. Rovněž lze předpokládat značné náklady na údržbu třecích ploch a těsnicích prvků.

Známým řešením je plovoucí přečerpávací elektrárna dle vynálezu EP 3085951, která zahrnuje plovoucí nádrž, která se v základní nádrži zvedá nebo sestupuje podle množství uložené mořské vody při plavbě na hladině moře; vodní turbína umístěná na vstupním potrubí v plovoucí nádrži generuje výkon přepouštěním vody z moře do plovoucí nádrže, kde je hladina vody vytvořena tak, aby byla níže než hladina vody v moři, což se zajišťuje odčerpáváním vody z plovoucí nádrže pomocí pevného potrubí, vyvedeného ale velmi neefektivním způsobem až nad horní plošinu plovoucí nádrže do vzdušného prostoru nad hladinu moře; propojení vodního prostoru plovoucí nádrže a moře potrubím je tímto vzdušným prostorem přerušeno, výtlačná výška čerpadla se oproti výškovému spádu na turbínu zvětšuje o výšku vzdušného prostoru a spotřeba elektrické energie pro odčerpávání vody z plovoucí nádrže se tím zbytečně zvyšuje, což snižuje účinnost energetického cyklu přečerpávání.

Známá je plovoucí přečerpávací elektrárna dle vynálezu WO 2013163979 nebo dle vynálezu DE 102013015082, obsahující plovoucí nádrž, která plave na hladině základní nádrže.

Plovoucí nádrž přitom sestává ze dvou komor - horní a dolní komory, jež jsou pevně konstrukčně spojeny.

- 1 CZ 2022 - 346 A3

Dolní komora je zcela ponořena v základní nádrži, s ovzduším je spojena odvětrávacím komínem, horní komora je nahoře plně otevřená do ovzduší, je výškově situována v úrovni hladiny vody v základní nádrži.

Obě komory tak současně tvoří sdružený plovák, který umožňuje plavání plovoucí nádrže na hladině základní nádrže.

Obě komory plovoucí nádrže jsou mezi sebou propojeny pomocí svislého kanálu a turbíny, přičemž voda proudí v tomto svislém kanálu pouze jednosměrně dolů k turbíně.

Horní komora plovoucí nádrže je v úrovni hladiny vody v základní nádrži spojena bočním kanálem se základní nádrží, horní komora je tak po funkční stránce součástí základní nádrže. Boční kanál je uzavíratelný, aby se plovoucí nádrž při přeplnění horní komory nepotopila.

Při ponořování plovoucí nádrže se horní komora samovolně plní bočním kanálem ze základní nádrže a při vynořování plovoucí nádrže voda samovolně vytéká bočním kanálem z horní komory do základní nádrže, přičemž v důsledku hydrodynamického odporu ve vodorovném kanálu vzniká výškový rozdíl mezi hladinou vody v horní komoře plovoucí nádrže a hladinou vody v základní nádrži, který je zdrojem ztrát v energetické bilanci přečerpávání.

Dolní komora je v úrovni svého dna spojena se základní nádrží pomocí bočního kanálu a čerpadla, tímto bočním kanálem proudí voda jednosměrně pouze od čerpadla do základní nádrže.

Dolní komora plovoucí nádrže je dolní nádrží a základní nádrž je horní nádrží. Horní komora plovoucí nádrže je zde součástí základní nádrže, není vůči dolní komoře plovoucí nádrže samostatnou, nezávislou, plnohodnotnou horní nádrží jak při turbínovém, tak při čerpacím režimu, proto se plovoucí nádrž při přečerpávání svisle pohybuje.

Přečerpávání se provádí mezi základní nádrží a dolní komorou v plovoucí nádrži, která se při plnění dolní komory vodou ze základní nádrže v turbínovém režimu ponořuje a při odčerpávání vody z dolní komory do základní nádrže se vynořuje.

Zatímco při čerpacím režimu je propojení základní nádrže a dolní komory plovoucí nádrže přímé, bezprostřední, při turbínovém režimu není propojení základní nádrže a dolní komory plovoucí nádrže přes turbínu přímé, bezprostřední, je přerušeno, což snižuje využitelný hydrostatický spád:

- plnění horní komory plovoucí nádrže vodou ze základní nádrže pomocí bočního kanálu se zde provádí volně, bez energetického využití, přičemž v horní komoře se hladina vody spojuje s ovzduším a tím se přerušuje vodní sloupec mezi hladinou vody v základní nádrži a hladinou vody v horní komoře,

- z horní komory se voda přepouští svislým kanálem přímo, bezprostředně, s energetickým využitím přes turbínu do dolní komory.

Při čerpacím provozu je voda odčerpávána z dolní komory plovoucí nádrže čerpadlem pomocí bočního kanálu přímo, tedy bezprostředně do základní nádrže, přičemž voda z horní komory odtéká volně bočním kanálem do základní nádrže bez energetického využití.

Plovoucí nádrž se přitom vynořuje z dolní do horní provozní polohy.

Hydrostatický spád (výtlačná výška) je při čerpacím provozu tvořen výškovým rozdílem mezi hladinou vody v základní nádrži a hladinou vody v dolní komoře.

Při turbínovém provozu se voda z horní komory plovoucí nádrže přepouští svislým kanálem do

- 2 CZ 2022 - 346 A3 dolní komory přes turbínu, přičemž voda ze základní nádrže přitéká volně bočním kanálem do horní komory bez energetického využití.

Plovoucí nádrž se přitom ponořuje z horní do dolní provozní polohy.

Hydrostatický spád (výtlačná výška) je při turbínovém provozu tvořen výškovým rozdílem mezi hladinou vody v horní komoře a hladinou vody v dolní komoře.

Známá je přečerpávací elektrárna dle vynálezu EP 2418375 s plovoucí nádrží pro ukládání vody, přičemž energetické zařízení je spojené s plovoucí nádrží kloubovým nebo teleskopickým potrubím je svisle pohyblivé tak, aby kvůli snadné přístupnosti pro údržbu zůstávalo na hladině základní horní nádrže i při pohybu plovoucí nádrže. Hladina vody v základní nádrži je však výše, tj. má vyšší energetický potenciál než hladina vody v plovoucí nádrži. V důsledku toho je zde výškový rozdíl mezi hladinami vody v základní a plovoucí nádrži zpracováván energetickým zařízením na jeho podtlakové straně, tj. v prostoru sacího potrubí, takže přípustný výškový rozdíl je značně omezen, aby při přečerpávání vody nedocházelo ke kavitaci v energetickém soustrojí nebo k přetržení vodního sloupce v sací výšce nad hladinou vody v plovoucí nádrži. Uvedeným řešením lze tudíž využívat jen zlomek výškového rozdílu z celkové hloubky základní nádrže.

Hladina vody v základní nádrži je max. o několik metrů výše, tj. má vyšší energetický potenciál než hladina vody v plovoucí nádrži. Při čerpacím režimu se voda nasává z vnitřního prostoru plovoucí nádrže pomocí energetického zařízení plujícího na hladině vody v základní nádrži přípustný přečerpávací výškový rozdíl je omezen sací výškou, aby při přečerpávání vody nedocházelo k přetržení vodního sloupce v potrubí nad hladinou vody v plovoucí nádrži. Uvedeným řešením lze tudíž využívat jen zlomek výškového rozdílu z celkové hloubky základní nádrže.

Známá je přečerpávací elektrárna dle vynálezu US 2018156185, která obsahuje především dvě nezbytné části:

- konverzní komoru, která pluje na hladině základní nádrže a pracuje jako kompresor/turbína k přečerpávání vzduchu mezi ovzduším a stabilní tlakovou nádrží (zásobníkem stlačeného vzduchu),

- stabilní tlakovou nádrž k akumulování stlačeného vzduchu, která je trvale ponořena a ukotvena na dně základní nádrže, přičemž obě nádrže jsou propojeny potrubím.

Podstatou uvedeného vynálezu je dále způsob přeměny elektrické energie na aeraulickou energii a naopak, při kterém se v plovoucí konverzní komoře stlačuje vzduch z ovzduší a ukládá se v zásobníku stlačeného vzduchu, případně vystupuje z tohoto zásobníku do konverzní komory, kde expanduje do ovzduší.

Konverzní komora je vlastně kombinované pneumohydraulické energetické zařízení - vzduchový jednočinný pístový kompresor/motor k přečerpávání vzduchu mezi ovzduším a zásobníkem stlačeného vzduchu, kde jako hydraulický píst slouží hladina vody poháněná vodním soustrojím čerpadlo/turbína přečerpávajícím vodu mezi konverzní komorou a základní nádrží. Vzhledem k tomu, že konverzní komora má být asi 100krát menší než zásobník stlačeného vzduchu a kompresní poměr se předpokládá vysoký (asi 10, což přibližně odpovídá hloubce kolem 100 m při izotermické kompresi), musí se komprese provádět alespoň dvoustupňově a pomocí vyššího počtu konverzních komor, aby bylo možno zajistit akumulování nebo zpětně výrobu elektrické energie souvisle po delší dobu a bez velkých výkyvů výkonu.

Známá je přečerpávací elektrárna dle vynálezu CN 206721844. Uzavřená stabilní nádrž umístěná

- 3 CZ 2022 - 346 A3 na dně moře, ponořená úplně nebo částečně vyčnívající nad hladinu základní nádrže, je plněna vodou přes turbínu umístěnou u dna stabilní nádrže a odsávána čerpadlem umístěným na horní plošině stabilní nádrže. Stabilní nádrž slouží jako dolní nádrž, základní nádrž slouží jako horní nádrž. Maximální rozdíl hladin kapaliny je dán přípustnou sací výškou čerpadla.

Známá je přečerpávací elektrárna dle vynálezu US 2014033700. Plovoucí nádrž ve funkci dolní nádrže nebo horní nádrže, je svisle pohyblivá v základní nádrži, která slouží odpovídajícím způsobem jako horní nebo dolní nádrž.

V případech, kde je plovoucí nádrž dolní nádrží, je součet výtlačné výšky a provozního zdvihu omezen hloubkou ponoru plovoucí nádrže.

V případech, kde je plovoucí nádrž horní nádrží, je výtlačná výška omezena hloubkou ponoru plováku (plovoucí nádrže), protože nádrž na vodu navazuje bezprostředně na plovák.

Známá je přečerpávací elektrárna dle vynálezu GB 1601398. Jsou zde použity tři nádrže. Ve vodě v základní nádrži je vložena stabilní nádrž, která je nahoře volně odkryta do ovzduší. Základní nádrž je v této dvojici horní nádrží a vložená stabilní nádrž je vůči ní dolní nádrží.

Ve vložené stabilní nádrži je ve vodě umístěna svisle pohyblivá plovoucí nádrž. Vložená stabilní nádrž je v této dvojici horní nádrží a plovoucí nádrž je vůči ní dolní nádrží.

Místo prostého přečerpávání mezi vloženou stabilní nádrží a základní nádrží zde probíhá komplikované, a tedy ztrátovější přečerpávání prostřednictvím plovoucí nádrže, tj. postupně mezi plovoucí nádrží a vloženou stabilní nádrží a dále mezi vloženou stabilní nádrží a základní nádrží.

Výtlačná výška je omezena hloubkou ponoru vložené stabilní nádrže a hloubkou ponoru plovoucí nádrže.

Uvedená řešení přečerpávacích elektráren s plovoucí nádrží, ať dolní či horní, dosahují pouze takové hodnoty výtlačné výšky, která je v optimálním provedení nejvýše rovna ponoru plovoucí nádrže v základní nádrži, takže kapacita těchto přečerpávacích elektráren je poměrně nízká.

Přitom stěny plovoucích i stabilních nádrží, které tvoří dolní nádrž, jsou extrémně nevýhodně namáhány vnějším přetlakem a korozními účinky vody ze základní nádrže, navíc je obvykle nutné zvyšovat sílu vztlaku dolní plovoucí nádrže přídavnou zátěží nebo mechanickým zařízením pro dosažení potřebného ponoru a tím pro dosažení potřebné výtlačné výšky.

Jejich konstrukce je tedy relativně drahá, s dosti krátkou životností, zejména u hlubších nádrží.

Celkově nejsou uvedené přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží ekonomicky příliš výhodné i přes vysoké ceny elektrické energie, proto není tento typ přečerpávacích elektráren příliš rozšířen.

Úkolem vynálezu je zdokonalení přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží vytvořením lehké, stabilní a efektivní konstrukce, aby její výtlačná výška nebyla omezena její hloubkou ponoru a současně aby se snížilo její namáhání i při velké hloubce ponoru, v zájmu dosažení mnohonásobně vyšší kapacity, životnosti a ekonomické výhodnosti přečerpávací elektrárny.

Podstata vynálezu

Vynález řeší uvedený problém přečerpávací elektrárnou, která obsahuje plovoucí nádrž umístěnou v základní nádrži v prostředí dvou tekutin s rozdílnou hustotou, přičemž mezi provozními hladinami hustší tekutiny v nádržích je výškový rozdíl, kde základní nádrž je dolní nádrží a plovoucí nádrž je horní nádrží, dále plovoucí nádrž obsahuje plovák a nádrž na hustší

- 4 CZ 2022 - 346 A3 tekutinu, přičemž plovák je uspořádán k vytvoření vztlaku pro nesení plovoucí nádrže v základní nádrži, a elektrárna dále obsahuje potrubí a energetické soustrojí k přečerpávání tekutiny mezi dolní nádrží a horní nádrží, jejíž podstatou je, že plovoucí nádrž obsahuje mezikus, s uspořádáním při řazení zdola je tvořena: plovákem, mezikusem a nádrží na hustší tekutinu, přičemž mezikus je uspořádán pro nesení nádrže na hustší tekutinu.

Celková potenciální energie se v přečerpávací elektrárně akumuluje ve formě polohové a vztlakové energie plovoucí nádrže a ve formě polohové a tlakové energie tekutin v plovoucí nádrži. Přečerpáváním jedné z tekutin se může měnit nejen potenciální energie této tekutiny a plovoucí nádrže, ale také potenciální energie druhé tekutiny. Přečerpávat lze jednu nebo obě tekutiny postupně nebo současně.

Z dalšího popisu je zřejmé, že plovoucí nádrž je ve vztahu k základní nádrži vytvořena jako horní nádrž.

Celkový provozní výškový rozdíl hladin hustší tekutiny je tvořen výškovým rozdílem mezi hladinou tekutiny v horní nádrži a hladinou tekutiny v dolní nádrži.

Energetické soustrojí pro přečerpávání hustší tekutiny je pomocí potrubí připojeno výtlačnou stranou k horní nádrži a sací stranou k dolní nádrži.

Energetické soustrojí pro přečerpávání hustší tekutiny je tedy k základní nádrži a/nebo k plovoucí nádrži připojeno pomocí potrubí a výškově uspořádáno tak, že provozní výška hustší tekutiny v potrubí je vyšší na straně energetického soustrojí připojené k horní nádrži než na straně připojené k dolní nádrži.

Výškový rozdíl je tudíž zpracováván především přetlakovou, výtlačnou stranou energetického soustrojí, nikoliv jeho podtlakovou, sací stranou, což umožňuje dosáhnout vysokého celkového provozního výškového rozdílu a neomezovat celkový provozní výškový rozdíl pouze na sací výšku, která je limitována jen na několik metrů, kdy ještě nedochází ke kavitaci v energetickém soustrojí nebo k přetržení sloupce hustší tekutiny v sacím potrubí.

Výraz provozní výška je použit k vyjádření situace, kdy je potrubí zaplněno hustší tekutinou a mezi hladinami hustší tekutiny v horní nádrži a dolní nádrži je tak vytvořen rozdíl pohotově využitelný k přečerpávání.

Za tím účelem je v potrubí každé přečerpávací elektrárny nainstalován uzávěr k operativnímu zastavení nebo k regulaci průtoku přečerpávané tekutiny z důvodu situace v energetické síti nebo k zabránění nežádoucího průtoku přečerpávané tekutiny (zejména k vytečení tekutiny z horní nádrže do dolní nádrže) např. při poruše energetického soustrojí.

Tím je odlišena situace, která nastává při opravách nebo při poruše, kdy dojde k úmyslnému nebo havarijnímu vypuštění tekutiny z potrubí a hladiny tekutiny v horní nádrži a dolní nádrži se tak vyrovnají a přečerpávací elektrárna je vyřazena z provozu.

Uvedené situace jsou však běžné u každé přečerpávací elektrárny a nejsou v rozporu s její podstatou.

Výškový rozdíl hladin tekutiny v základní a plovoucí nádrži, tj. hydrostatický tlakový rozdíl působící na energetické soustrojí, se v průběhu přečerpávacího cyklu téměř nemění.

S výhodou je vnější vodorovný průřez ponořené části plovoucí nádrže roven vnitřnímu vodorovnému průřezu horní části plovoucí nádrže na hustší tekutinu pro udržení stálé výškové úrovně hladiny hustší tekutiny v základní nádrži a stálé výškové úrovně hladiny hustší tekutiny v plovoucí nádrži a tím stálého výškového rozdílu mezi těmito hladinami.

- 5 CZ 2022 - 346 A3

Pohyb plovoucí nádrže v základní nádrži se uskutečňuje na rozhraní dvou pracovních tekutin s rozdílnou hustotou. Z důvodu gravitace se řidší, a tedy lehčí tekutina zdržuje nad hladinou hustší, a tedy těžší tekutiny a plovoucí nádrž pluje na hladině těžší tekutiny v základní nádrži.

Tekutinami s rozdílnou hustotou jsou s výhodou kapalina jako tekutina s větší hustotou (dále jen kapalina) a plyn jako tekutina s menší hustotou (dále jen plyn).

Nádrže obsahují prostor pro těžší a lehčí tekutinu, např. kapalinový prostor a plynový prostor.

Základní nádrž může být otevřená do okolního prostředí nebo uzavřená.

V elektrárně s otevřeným provedením kapalinového prostoru základní nádrže lze jako kapalinu s výhodou používat běžnou nebo částečně upravenou vodu, s výhodou upravenou filtrováním. V uzavřeném provedení kapalinového prostoru základní nádrže může být voda s výhodou zahuštěna rozpustnými nebo nerozpustnými látkami, čímž lze dosáhnout vyšších přenášených výkonů, a může být upravena pro snížení erozivního či korozivního působení na součásti vodní elektrárny nebo může být použita jiná vhodná kapalina.

V elektrárně s otevřeným provedením plynového prostoru základní nádrže je jako plyn s výhodou používán vzduch. V uzavřeném provedení je plynový prostor nad hladinou kapaliny v základní nádrži oddělen od okolní atmosféry a tlak plynu v základní nádrži nemusí být roven tlaku okolní atmosféry. Může zde být výhodné používán inertní plyn, s výhodou dusík, který je sice dražší, ale snižuje korozi součástí vodní elektrárny.

Základní nádrž je s výhodou vytvořena jako stabilní.

Otevřená základní stabilní nádrž může být s výhodou tvořena mořem nebo řekou, stávajícím nebo novým umělým vodním dílem, jezerem, např. v místě vytěženého povrchového dolu, nebo může být vytvořena jako jáma pod povrchem nebo jako jáma otevřená k povrchu, s výhodou může být vytvořena na povrchu jako zahloubená nádrž, přičemž hornina vytěžená při hloubení nádrže může být s výhodou využita k vytvoření náspu kolem zahloubení za účelem zvýšení hladiny vody, a tedy hloubky nádrže. Výhodně lze pro výstavbu přečerpávacích elektráren podle vynálezu využít území s vysokou hladinou spodní vody nebo která jsou trvale zaplavována, např. v Nizozemí.

Základní nádrž může být s výhodou vytvořena ve tvaru svislého válce.

Jednoduchý tvar plovoucí nádrže jako válce se svislou podélnou osou a s pravidelnou nebo s nepravidelnou podstavou je výhodný pro stabilizaci výkonu energetického soustrojí.

Plovoucí nádrž může mít jednoduchou konstrukci, může výhodně svými stěnami a dnem kopírovat tvar základní nádrže, aby se co nejvíce využil objem základní nádrže pro přečerpávání a např. aby byla možnost posazení plovoucí nádrže na dno při opravách, lze ji vyrobit velmi objemnou, přitom dobře vyváženou a s velkým ponorem podle velikosti základní nádrže, zejména pokud je základní nádrž tvořena mořem.

Kolem plovoucí nádrže je výhodné ponechat dostatečný volný vodní prostor kvůli větší odolnosti proti poškození při bočním vychýlení plovoucí nádrže za silného větru a vlnění nebo při zemětřesení, kdy se tlakové rázy od základní nádrže lépe rozptýlí kolem plovoucí nádrže.

Pro množství akumulované potenciální gravitační energie plovoucí nádrže je směrodatná pouze svislá složka pohybu této nádrže.

Jestliže je přečerpávanou tekutinou hustší tekutina, množství potenciální energie uložené v

- 6 CZ 2022 - 346 A3 plovoucí nádrži závisí hlavně na výškovém rozdílu hladin hustší tekutiny v základní a plovoucí nádrži, na množství přečerpávané hustší tekutiny a na pracovním zdvihu plovoucí nádrže.

Potenciální energie se v přečerpávací elektrárně nachází ve formě polohové a vztlakové energie plovoucí nádrže a ve formě polohové a tlakové energie tekutin v nádržích, poměry jednotlivých druhů energie se v průběhu přečerpávání mění.

Hmotností plovoucí nádrže se rozumí součet hmotnosti konstrukce a vybavení plovoucí nádrže a hmotnosti přídavné zátěže.

Výškový vztah nádrží je zde definován tak, že hladina kapaliny v horní nádrži je výše než hladina kapaliny v dolní nádrži.

Horní plovoucí nádrž je vytvořena tak, že její kapalinový prostor, tj. nádrž na hustší tekutinu, je vytvořen v horní části plovoucí nádrže.

Podle vynálezu dolní část plovoucí nádrže tvoří plovák, na něm je postaven mezikus a na něm je postavena nádrž na hustší tekutinu.

S výhodou je kapalinový prostor v horní části plovoucí nádrže vytvořen ve výšce, která může činit i mnohonásobek výšky kapalinového prostoru.

Výhodou tohoto uspořádání je, že prázdná plovoucí nádrž může mít, v závislosti na pevnosti použitého materiálu, relativně velmi lehkou konstrukci. Přídavná zátěž je zde nežádoucí.

Při stejné využitelné hloubce základní nádrže jako při použití dolní plovoucí nádrže lze při použití horní plovoucí nádrže podle vynálezu dosáhnout podstatně vyšší akumulační schopnosti plovoucí nádrže.

Je možno volit optimální variantu mezi krajními možnostmi tohoto provedení:

- lehčí a nízká plovoucí nádrž a větší přečerpávaná vodní náplň, - těžší a vysoká plovoucí nádrž a menší přečerpávaná vodní náplň.

Pro vynoření horní části plovoucí nádrže při jejím vyprázdnění je nutný dostatečný prostor nad hladinou základní nádrže.

Plovoucí nádrž má těžiště nad hladinou kapaliny základní nádrže a zejména při naplnění a při nahodilém bočním zatížení se při nesprávném konstrukčním řešení může dostat do nestabilního stavu.

Tato plovoucí nádrž při štíhlejším tvaru vyžaduje tudíž pevné vedení pro zajištění stability.

Stabilitu plovoucí nádrže proti převrácení lze zvýšit na principu katamaránu tak, že plovoucí nádrž bude mít, pokud možno větší šířku, než je její výška nad hladinou, přičemž konkrétní poměr těchto veličin závisí hlavně na poměru hmotnosti přečerpávané vodní náplně a hmotnosti plovoucí nádrže a na volbě přípustného naklonění plovoucí nádrže.

S výhodou rozdělením kapalinové části plovoucí nádrže vestavěnými přepážkami nebo vytvořením spojené soustavy menších nádrží se zpomalí nebo zabrání přelévání velkého objemu vody v plovoucí nádrži a tím se dále zlepší stabilita plovoucí nádrže proti převrácení.

Vnitřní přepážky a/nebo komory, které jsou užitečné také jako výztuhy plovoucí nádrže pro zvýšení její pevnosti nebo pro snížení tloušťky obvodových stěn plovoucí nádrže.

- 7 CZ 2022 - 346 A3

V úrovni horní a dolní hrany plovoucí nádrže, v úrovni mezi nádržemi na vodu a mezikusy a v úrovni mezi plováky a mezikusy může být plovoucí nádrž vyztužena vodorovnými pásnicemi, které významně posilují tuhost plovoucí nádrže v ohybu, optimálně až do té míry, že bude zredukována nutnost vyztužovat moduly vnitřními svislými výztuhami.

Pro účely přečerpávací elektrárny je žádoucí co nejlépe využít objem základní nádrže.

Plovák je část modulu, která je z větší části ponořena v základní nádrži a jeho vztlakem je určena tíha všech částí modulu. Plovák je tlaková nádoba, s výhodou uzavřená tlaková nádoba, je namáhána především vnějším přetlakem vody a tíhou nesených částí modulu. Boční vnější přetlak vody působící na stěny plováku se lineárně zvyšuje s hloubkou ponoření plováku. Plováky mohou mít také vnitřní prstence k vyztužení proti vnějšímu přetlaku.

Plováky jsou s výhodou plněny plynem, s výhodou inertním plynem, který omezuje korozi materiálu plováku.

V zájmu co největší kapacity plovoucí nádrže je nutné, aby konstrukce modulů byla co nejlehčí, a tím, aby jejich výška mohla být co nejvyšší.

Plovák je proto s výhodou plněn plynem, s výhodou dusíkem, tak, aby byl jeho vnitřní přetlak co nejvíce vyrovnán s největším vnějším přetlakem vody při ponoření v základní nádrži, s výhodou na vnitřní přetlak, který je roven největšímu vnějšímu přetlaku vody, jenž odpovídá plnému ponoření plováku. Plovák pak nemusí být tak důkladně vyztužen proti zborcení vnějším přetlakem jako při jednostranném zatížení vnějším přetlakem a může být podstatně lehčí.

Vnitřní vzduchový prostor vodních nádrží nad hladinou vody je prostřednictvím odvětrávacího potrubí volně spojen s atmosférou, aby byl vnitřní přetlak ve vodních nádržích vyvolán pouze hydrostatickým tlakem vodní náplně a aby byla zajištěna konstantní výška vodního sloupce k vodnímu energetickému soustrojí po celou dobu pracovního zdvihu plovoucí nádrže, takže výkonové ztráty regulací jsou minimalizovány.

Plynový prostor nad hladinou kapaliny v plovoucí nádrži může být s výhodou otevřen do plynového prostoru základní nádrže. Při přečerpávání kapaliny za účelem změny výškové polohy takové plovoucí nádrže je tlakový rozdíl v kapalinovém energetickém soustrojí po celou dobu pracovního zdvihu plovoucí nádrže prakticky konstantní, takže výkonové ztráty regulací jsou minimalizovány.

Obdobně vzduchový prostor mezi plováky nad hladinou vody v základní nádrži je prostřednictvím odvětrávacích otvorů volně spojen s atmosférou, aby byl vnější přetlak na plováky vyvolán pouze hydrostatickým tlakem vodní náplně a aby byla zajištěna konstantní výška vodního sloupce k vodnímu energetickému soustrojí.

Prostor mezi vodními nádržemi a také celý prostor uvnitř i vně mezikusů může být rovněž naplněn dusíkem nebo jiným vhodným plynem pro zvýšení ochrany proti korozi.

Moduly jsou vyrobeny výhodně s průměrem do 3,6 m, aby bylo možno snadno dopravovat jejich díly od výrobce po železnici.

Uzavřením a vyztužením prostoru mezi moduly se tedy zvýší efektivnost využití prostoru a kapacita plovoucí nádrže pro akumulování potenciální energie o 20 až 30 %.

Při větších hloubkách je výhodné výškově rozdělit plovák na více oddílů, které jsou mezi sebou odděleny tlakovou přepážkou, s výhodou ve tvaru klenutého dna.

Každý oddíl plováku, jinak též segment, je plněn plynem s výhodou na vnitřní přetlak, kterým je

- 8 CZ 2022 - 346 A3 co nejvíce vyrovnán vnější přetlak vody odpovídající jeho největší konkrétní hloubce ponoření v základní nádrži.

S rostoucí hloubkou umístění jsou tedy segmenty plněny na vyšší vnitřní přetlak, který je vyrovnán s vnějším přetlakem, a tloušťka stěny segmentů může být podstatně menší, než kdyby byl v celém plováku jednotný vnitřní přetlak odpovídající maximální hloubce ponoření v základní nádrži. Tím se dále výrazně snižuje hmotnost plováku.

Vnitřní přetlak plováku a jeho segmentů může být s výhodou vyšší než vnější přetlak vody odpovídající jejich největší konkrétní hloubce ponoření v základní nádrži, což zvyšuje odolnost plováku a jeho segmentů vůči nahodilému vnějšímu přetížení nárazem do dna nebo vůči sabotážím.

V horních dnech segmentů je výhodné vytvořit přestupní přetlakové komory pro možnost vstupu pracovníků údržby do segmentů s rozdílným přetlakem. Komory musí být opatřeny spolehlivými uzávěry, které zabrání propouštění výplňového plynu mezi segmenty.

Pro účely plovoucí nádrže je výhodné využívat co největší část plochy a hloubky základní nádrže.

Plovoucí nádrž může být výhodně sestavena z modulů s jednotnou hloubkou ponoru plováků, a tedy s jednotnou stavební výškou modulů podle zvolené hloubkové úrovně v základní nádrži. Čím hlubší úroveň pro hlubší ponoření plováků je zvolena, tím bude mít plovoucí nádrž menší plochu, protože plochy hloubkových úrovní základní nádrže se ke dnu základní nádrže zmenšují. Se zmenšující se plochou a zvyšující se hloubkou však klesá stabilita plovoucí nádrže, která tedy musí mít menší výtlačnou výšku a tím se může nepříznivě zvyšovat měrná cena, investiční náročnost plovoucí nádrže. Všechna energetická soustrojí u této plovoucí nádrže mohou být stejného výkonu, protože všechna mají stejnou výtlačnou výšku.

Plovoucí nádrž může být výhodně sestavena z modulů s různou hloubkou ponoru plováků podle hloubkového profilu základní nádrže, a tedy s různou stavební výškou modulů, takže pro účely plovoucí nádrže může být využita nejen téměř celá šířka, ale i téměř celá hloubka základní nádrže, tj. téměř celý objem základní nádrže. Tato konstrukce umožňuje, aby osa těžiště plovoucí nádrže byla totožná s osou vztlaku plovoucí nádrže. Přitom, vzhledem k velké šířce plovoucí nádrže, může být dobře zajistitelná její stabilita i při velké stavební výšce modulů s hlubším ponorem plováků. Pro každou skupinu modulů se stejnou stavební výškou může být k dispozici odpovídající skupina energetických soustrojí se stejnou výtlačnou výškou. Plnění a vyprazdňování nádrží různé výšky je výhodné provádět současně a proporcionálně, aby se minimalizovalo smykové napětí ve výztuhách mezi moduly různě zatíženými.

Dolní dna plováků různé výšky jsou s výhodou opatřena otvory s uzávěry pro možnost zavodnění vnitřního prostoru plováků k vyrovnání polohy plovoucí nádrže např. během montáže nebo při opravách, příp. při poruše plovoucí nádrže.

Přečerpávací elektrárna s dolní základní nádrží a s horní plovoucí nádrží může být výhodně provozována tím způsobem, že čerpáním kapaliny ze základní nádrže do kapalinové části plovoucí nádrže pomocí energetického soustrojí se tato plovoucí nádrž působením tíhy ponořuje proti vztlaku plynové části plovoucí nádrže (spotřebováním elektrické energie se akumuluje polohová energie vody) a vypouštěním kapaliny z plovoucí nádrže do základní nádrže pomocí energetického soustrojí se plovoucí nádrž působením vztlaku vynořuje (spotřebováním polohové energie vody se vyrábí elektrické energie).

Alternativně může být elektrárna provozována s kapalinovým prostorem v horní části plovoucí nádrže v závislosti na povětrnostních podmínkách, zejména na rychlosti větru, a na aktuální hloubce vody v základní nádrži.

- 9 CZ 2022 - 346 A3

V elektrárně jsou prostory nádrží s různým energetickým potenciálem spojeny cestami pro přenos energie.

Obecně cesta pro vedení kapaliny nebo plynu může být tvořena s výhodou potrubím. Cestu pro vedení plynu neboli plynovou cestu lze nazývat též vzduchovou cestou, je-li plynem stlačený vzduch, případně odvětrávací cestou, jestliže propojuje vzduchový prostor nádrže volně do ovzduší.

Potrubí pro přenos energie v elektrárně s výhodou bezprostředně spojuje prostory základní a plovoucí nádrže, obsahující přečerpávanou tekutinu. Například je-li přečerpávanou tekutinou kapalina, pak při čerpání čerpadlem výtlačné potrubí propojuje kapalinové prostory plovoucí a základní nádrže bezprostředně, tj. přímo, bez přerušení výtlačného vodního sloupce plynovým prostorem. Tak je na minimum snížena spotřeba elektrické energie pro překonávání výškového rozdílu mezi hladinami kapaliny v plovoucí a základní nádrži. Obdobně při přepouštění kapaliny z vyšší hladiny horní nádrže přes turbínu je kapalinové potrubí zaústěno přímo pod nižší hladinu dolní nádrže, a tak je maximálně využit výškový spád pro výrobu elektrické energie.

Cesta pro vedení kapaliny nebo plynu může být vytvořena s výhodou přímo stěnami nádrže.

Cesta pro vedení kapaliny je pak s výhodou vytvořena tak, že plovoucí nádrž nemá dno a je stěnami ponořena pod hladinu kapaliny v základní nádrži, cesta pro vedení vzduchu je s výhodou vytvořena tak, že plovoucí nádrž nemá strop a je stěnami otevřena do ovzduší nebo do plynového prostoru nad hladinou základní nádrže.

Cesta pro vedení kapaliny nebo plynu se stává cestou pro přenos energie, je-li spojena s energetickým soustrojím a je uzavíratelná. Kapalinová cesta pro přenos energie je spojena s kapalinovým energetickým soustrojím, plynová cesta pro přenos energie je spojena s plynovým energetickým soustrojím.

Elektrárna podle vynálezu akumuluje potenciální energii především v plovoucí nádrži a v připojených cestách pro přenos energie. Zejména za tím účelem je každá cesta pro přenos energie podle vynálezu uzavíratelná, tzn. obsahuje nejméně jeden uzávěr, který umožňuje akumulaci potenciální energie tím, že blokuje proudění tekutiny mezi nádržemi.

Kapalinová nebo plynová cesta obsahuje jako uzávěr s výhodou uzavírací a/nebo regulační armaturu, s výhodou ventil, u jednočinného přenosu energie s výhodou zpětný ventil nebo zpětnou klapku.

S výhodou lze kombinovat různé cesty a odpovídající uzávěry k akumulování potenciální energie. K uvolnění akumulované energie může sloužit tentýž nebo jiný uzávěr, resp. jiná cesta než k akumulování energie.

Plynové energetické soustrojí je používáno, je-li přečerpávanou tekutinou plyn, může být výhodně umístěno v horní části plovoucí nádrže nad hladinou kapaliny, takže není tolik vystaveno případným agresivním účinkům kapaliny a je snáze dosažitelné pro údržbu. V plovoucí nádrži je nad hladinou kapaliny vytvořen plynový prostor potřebného objemu. Pro možnost akumulování potenciální energie plovoucí nádrže prostřednictvím akumulování tlakové energie plynu je plynový prostor plovoucí nádrže s výhodou spojen pomocí uzavíratelné plynové cesty s plynovým prostorem základní nádrže, výhodně s ovzduším, je-li základní nádrž otevřená. Nádrž plněná stlačeným plynem se pak nazývá tlaková plynová nádrž nebo též tlakovzdušná nádrž, je-li stlačeným plynem vzduch.

Vytvářet tlakovou energii vzduchu čili zvyšovat nebo snižovat tlak vzduchu v jedné nádrži nad nebo pod hodnotu atmosférického tlaku nebo tlaku ve druhé nádrži lze s výhodou kompresorem nebo vývěvou při uzavřené kapalinové cestě nebo vtlačováním či odsáváním kapaliny do nebo z

- 10 CZ 2022 - 346 A3 tlakovzdušné nádrže čerpadlem nebo reverzní turbínou.

Při přečerpávání plynu může být kapalinový prostor plovoucí nádrže s výhodou otevřen do kapalinového prostoru základní nádrže, aby byl tlakový rozdíl v plynovém energetickém soustrojí v průběhu pracovního zdvihu konstantní, takže výkonové ztráty regulací jsou minimalizovány.

Změna výškové polohy tlakové plynové plovoucí nádrže se s výhodou může provádět přečerpáváním kapaliny, při kterém se mění stlačení plynu v plovoucí nádrži. Čerpáním kapaliny ze základní nádrže čerpadlem do plovoucí nádrže se tato plovoucí nádrž ponořuje a plyn v uzavřeném plynovém prostoru nad hladinou plovoucí nádrže se stlačuje. Přepouštěním kapaliny přes turbínu z plovoucí nádrže do základní nádrže se tato plovoucí nádrž vynořuje a plyn nad hladinou plovoucí nádrže expanduje.

Akumulování tlakové energie plynu v nádrži je součástí energetického cyklu, který obsahuje polytropickou kompresi a expanzi plynu, což jsou termodynamické změny, jež jsou nevratné zejména v důsledku převažujícího odvodu tepla z plynu do jeho okolí. Ztráty tepla snižují účinnost akumulace energie.

Ke zlepšení termodynamické účinnosti kompresního cyklu je výhodné rekuperovat kompresní teplo, jinými slovy akumulovat kompresní teplo stlačeného plynu a využívat je při expanzi nebo při odběru plynu, polytropické změny se pak přibližují adiabatickým změnám. Elektrárna dle vynálezu může s výhodou obsahovat zařízení pro rekuperaci kompresního tepla. Kompresní teplo se akumuluje i do přečerpávané kapaliny, což je výhodné zejména tehdy, když se kapalina mezi nádržemi přečerpává v uzavřeném cyklu. Ztráty tepla akumulovaného do tekutin se snižují také izolováním nádrží a potrubí.

Při akumulování tlakové energie plynu v nádrži s otevřenou hladinou kapaliny je další nevýhodou, že se plyn z prostoru nad hladinou kapaliny postupně absorbuje v kapalině úměrně přetlaku a odvádí se přečerpávanou kapalinou, čímž klesá její hustota se zvětšováním jejího objemu a pracovní cyklus elektrárny se při větším tlaku může narušit až do té míry, že se přečerpávání po řadě cyklů zastaví. S rostoucí teplotou kapalina méně absorbuje stlačený plyn.

Aby nedocházelo ke snižování objemové účinnosti přečerpávacího cyklu snížením objemu plynu v uzavřené tlakové nádrži například ochlazením nebo absorbováním v kapalině nebo ztrátou netěsnostmi, obsahuje elektrárna dle vynálezu s výhodou zařízení pro doplňování plynu z externího zdroje, které je tvořeno s výhodou kompresorem nebo s výhodou tlakovou nádobou se stlačeným plynem a uzavíratelným plynovým potrubím. Doplňováním plynu se však rovněž snižuje celková účinnost energetického cyklu.

Nádrž může s výhodou obsahovat oddělený prostor pro stlačený plyn, který tudíž nemá bezprostřední přetlakový kontakt s hladinou kapaliny v nádrži a nemůže se v kapalině rozpouštět.

S výhodou je v tlakové nádrži oddělený prostor pro stlačený plyn vytvořen pružnou, s výhodou skládací membránou, s výhodou je tvořen membránovým vakem, čímž jsou zcela odděleny prostory pro kapalinu a plyn.

V tlakové nádrži může být oddělený prostor pro stlačený plyn vytvořen výhodně pomocnou tlakovou nádobou, obsahující pomocné plynové energetické soustrojí. Během plnění tlakové nádrže kapalinou se plyn z této nádrže vtlačuje pomocným kompresorem do pomocné tlakové nádoby a při vyčerpávání kapaliny z tlakové nádrže se stlačený plyn z pomocné tlakové nádoby vypouští přes pomocnou plynovou turbínu.

Elektrárna s tlakovzdušnou plovoucí nádrží, kde je přečerpávanou tekutinou plyn, může mít základní nádrž s výhodou vytvořenu jako mezikruží pouze pro nezbytný pohyb stěn plovoucí nádrže, tudíž množství kapaliny potřebné pro zajištění pohybu plovoucí nádrže je zde minimální.

- 11 CZ 2022 - 346 A3

Při hloubení této základní nádrže je také značně redukováno i množství vytěžené horniny.

Elektrárna podle vynálezu obsahuje kapalinové a/nebo plynové energetické soustrojí, ve kterém probíhá spotřeba elektrické energie k akumulaci potenciální energie a výroba elektrické energie ze spotřebované potenciální energie.

Kapalinové energetické soustrojí obsahuje s výhodou čerpadlo k přeměně elektrické energie na polohovou energii kapaliny a dále obsahuje kapalinovou turbínu k přeměně polohové energie kapaliny na elektrickou energii. Převádění kapaliny vodním energetickým soustrojím mezi nádržemi se uskutečňuje prostřednictvím kapalinového potrubí. Turbína a čerpadlo mohou být připojeny paralelně ke společnému potrubí pro vedení kapaliny nebo mohou být připojeny samostatně, turbína k přívodnímu potrubí a čerpadlo k výtlačnému potrubí. Energetické soustrojí může obsahovat reverzní turbínu, která může pracovat v turbínovém i v čerpacím režimu, například Francisovu turbínu. Turbína může být spojena s generátorem, čerpadlo může být spojeno s motorem, reverzní turbína může být spojena s motorgenerátorem.

Plynové energetické soustrojí obsahuje s výhodou kompresor, ventilátor nebo vývěvu k přeměně elektrické energie na tlakovou energii plynu a dále obsahuje plynový motor, například plynovou turbínu, pro vzduch vzduchovou turbínu, k přeměně tlakové energie plynu na elektrickou energii, nebo obsahuje reverzní plynovou turbínu, která může pracovat v turbínovém i v kompresním režimu. Převádění plynu plynovým energetickým soustrojím mezi nádržemi se uskutečňuje prostřednictvím plynového potrubí. Paralelní nebo sériové připojení k plynovému potrubí může být provedeno analogicky jako u kapalinového energetického soustrojí.

V elektrárně, kde akumulace tlakové energie plynu v plovoucí nádrži probíhá při změnách tlaku nebo průtoku v průběhu energetického cyklu, se zvyšují nároky na regulaci energetického soustrojí, což rovněž snižuje efektivnost této varianty vynálezu.

Výkon energetického soustrojí je s výhodou regulovatelný. Elektrárna dle vynálezu může s výhodou obsahovat více energetických soustrojí stejného nebo různého výkonu k lepší regulaci a k odstupňování výkonu akumulování nebo výroby energie nebo i ke zvýšení spolehlivosti provozu.

Součástí energetického soustrojí je i ostatní obvyklé příslušenství, jako např. zařízení pro úpravu parametrů elektrické energie a pro její přenos do nebo z místa spotřeby a zařízení pro tlumení hydraulických, mechanických či elektromagnetických rázů a kmitů. Předpokládá se též sací koš nebo česle v potrubí pro přívod vody nebo sací filtr v potrubí pro přívod vzduchu k energetickému soustrojí.

Elektrárna obsahuje s výhodou strojovnu, ve které je umístěno energetické soustrojí.

Strojovna nebo jen energetické soustrojí vodní elektrárny podle vynálezu, např. vodní energetické soustrojí, mohou být s výhodou přímo vystaveny vodnímu prostředí, což je provedení obvyklé u ponorných čerpadel nebo turbín, nebo mohou být s výhodou umístěny v tlakovém pouzdru, naplněném vzduchem nebo jiným, výhodně inertním, plynem nebo kapalinou, výhodně inertní kapalinou, takže jsou z vnější strany chráněny proti přetlaku a dalším nepříznivým, zejména korozním účinkům vodního prostředí. S výhodou je kapalná nebo plynová náplň tlakového pouzdra stlačena tak, že se prostřednictvím této náplně alespoň částečně vyrovnává vnější hydrostatický tlak na těleso soustrojí s vnitřním hydrostatickým tlakem a snižuje se tak namáhání soustrojí i tlakového pouzdra.

Přenos elektrické energie mezi energetickým soustrojím a elektrickou sítí lze výhodně řešit pohyblivým kabelem nebo s výhodou pomocí troleje.

Elektrárna dle vynálezu s výhodou obsahuje zabezpečovací zařízení, např. koncové vypínače, pro

- 12 CZ 2022 - 346 A3 vymezení polohy a pohybu plovoucí nádrže.

Elektrárna dle vynálezu s výhodou obsahuje vodicí zařízení pro vedení plovoucí nádrže po určené trajektorii v prostoru základní nádrže. Vodicí zařízení zajišťuje plynulé vedení plovoucí nádrže proti vybočení, kývání a převrácení, způsobenému například vlastní setrvačností, vlnami, vodními proudy nebo větrem, s výhodou je v provedení jako kluzné a/nebo valivé a/nebo kloubové zařízení, v rozlehlé základní nádrži s výhodou jako vodicí rám nebo paralelogram, upevněný např. ke dnu základní nádrže.

Dokonalost vedení závisí také na počtu stupňů volnosti vodícího zařízení. S výhodou je vodicí zařízení tvořeno lanovým vedením, přičemž vodicí lana jsou upevněna s výhodou ke dnu a k plovákům na hladině základní nádrže, přičemž plováky jsou s výhodou vzájemně spojeny a s výhodou vodorovně stabilizovány. Lano kotvené ke dnu základní nádrže a napínané vztlakem plováku neumožňuje, aby plovoucí nádrž byla vedena přesně s jedním stupněm volnosti, ale jelikož se jedná o samostředicí zařízení, může se k tomuto stupni značně blížit.

Plovoucí nádrž může být vybavena zařízením, s výhodou lodními motory, pro udržení její polohy v základní nádrži a/nebo pro její přemístění např. do doku k opravě.

Elektrárna s výhodou obsahuje blokovací zařízení, s výhodou zarážku, s výhodou odpruženou. Blokovací zařízení může být s výhodou samočinné, s výhodou dálkově ovladatelné.

Toto blokovací zařízení slouží k vymezení polohy plovoucí nádrže v určeném místě základní nádrže, s výhodou zajišťuje polohu plovoucí nádrže v mezích vyžadovaných provozním cyklem, např. v krajní poloze, s výhodou zabraňuje dosednutí plovoucí nádrže na dno základní nádrže a tím jejímu poškození.

Blokovací zařízení může s výhodou sloužit ke stabilizaci plovoucí nádrže v základní nádrži, s výhodou v horní provozní poloze, což umožňuje další akumulaci potenciální energie tekutiny jejím přečerpáváním mezi nádržemi a tím rozšíření způsobů provozování pro zvýšení kapacity přečerpávací elektrárny.

Po stabilizování plovoucí nádrže se přečerpáváním tekutiny mezi nádržemi akumuluje ve stabilizované plovoucí nádrži pouze potenciální energie tekutiny, přičemž bezprostřední přečerpávání probíhá tak, že

- čerpáním tekutiny z místa s nižším energetickým potenciálem v první nádrži přímo do místa s vyšším energetickým potenciálem ve druhé nádrži pomocí energetického soustrojí při spotřebě elektrické energie se akumuluje potenciální energie tekutin ve stabilizované plovoucí nádrži a

- přepouštěním tekutiny z místa s vyšším energetickým potenciálem ve druhé nádrži přímo do místa s nižším energetickým potenciálem v první nádrži pomocí energetického soustrojí, tj. spotřebováním potenciální energie tekutin ve stabilizované plovoucí nádrži, se vyrábí elektrická energie.

Hydrostatický tlakový spád čili rozdíl hladin se během provozu stabilizované nádrže mění tak jako u obvyklé dvojice stabilních nádrží, tzn. při čerpání vody z dolní nádrže do horní nádrže se rozdíl jejich hladin zvětšuje, při přepouštění z horní nádrže do dolní nádrže se rozdíl jejich hladin snižuje, což znamená proměnlivost výkonu nebo zvýšené nároky na jeho regulaci.

Blokovací zarážky stabilizované nádrže přenášejí plný vztlak prázdné nádrže nebo na druhé straně plnou tíhu naplněné nádrže, což znamená značné namáhání jak v konstrukci těchto zarážek, tak v konstrukci stabilizované nádrže.

Kapalinové energetické zařízení však musí být umístěno tak, aby se nesnižoval zpracovávaný

- 13 CZ 2022 - 346 A3 výškový rozdíl hladin v nádržích elektrárny.

Energetické zařízení je prostřednictvím potrubí pro přenos energie spojeno s plovoucí nádrží a je vždy umístěno v úrovni nebo pod úrovní hladiny dolní nádrže.

Umístění v úrovni hladiny dolní nádrže se rozumí umístění nejvýše v takové výšce nad hladinou v dolní nádrži, aby nedocházelo k přetržení kapalinového sloupce v energetickém soustrojí a v kapalinovém potrubí.

Energetické soustrojí u vodní elektrárny dle vynálezu se s výhodou pohybuje sousledně s plovoucí nádrží, může být s výhodou spojeno s plovoucí nádrží. Při tomto provedení je rozdíl tlaků v kapalinovém energetickém soustrojí v průběhu přečerpávání téměř konstantní a nejlépe se tak využívá energetický potenciál plovoucí nádrže.

S výhodou je energetické soustrojí upevněno na vnější straně plovoucí nádrže, takže je lépe přístupné pro údržbu. Nesymetrické umístění energetického soustrojí na plovoucí nádrži a výsledné proudění tekutin však může být příčinou nežádoucích výchylek plovoucí nádrže v základní nádrži, jež je nutno kompenzovat např. vodicím zařízením nebo vhodným vyvážením plovoucí nádrže.

Podle dalšího znaku vynálezu může být energetické soustrojí umístěno mimo plovoucí nádrž.

Energetické soustrojí u vodní elektrárny dle vynálezu je s výhodou umístěno v pontonu nebo v jiném plovoucím zařízení nebo je s výhodou spojeno s plovoucí nádrží s výhodou pomocí posuvného nebo kloubového zařízení, přičemž je současně pohyblivě spojeno s potrubím pro přenos tekutin mezi nádržemi, přičemž toto potrubí je s výhodou ohebného, kloubového nebo teleskopického provedení. Tím, že se energetické soustrojí pohybuje v úrovni hladiny v dolní nádrži, je snadněji přístupné pro údržbu.

V této souvislosti může být s výhodou energetické soustrojí pevně spojeno se základní nádrží, v níž je pohyblivá nádrž umístěna, s výhodou je umístěno na konstrukci připevněné ke dnu základní nádrže, s výhodou v dutém tubusu, nebo je s výhodou umístěno na břehu základní nádrže nebo s výhodou v pontonu nebo v jiném plovoucím zařízení umístěném rovněž v základní nádrži, přičemž je s plovoucí nádrží spojeno pomocí ohebného potrubí, s výhodou je potrubí zhotoveno z plastu, s výhodou je vyztužené.

Výhodou tohoto provedení může být lepší přístup při montáži a údržbě, nevýhodou jsou delší a složitější cesty pro přenos energie, což je spojeno s energetickými ztrátami, případně s nižší životností ohebného potrubí.

Přečerpávací elektrárna s výhodou obsahuje přístupovou cestu k energetickému zařízení, s výhodou ve formě potrubí, s výhodou obsahuje dopravní zařízení, s výhodou lanové nebo ozubnicové zařízení, pro dopravu lidí a materiálu k montáži a údržbě energetického zařízení.

Plovoucí nádrž má s výhodou hydrodynamický tvar a hladký povrch, což snižuje odpor proti pohybu plovoucí nádrže v kapalině a tím zvyšuje účinnost akumulace a výroby energie.

Jsou však situace, kdy je nízký hydrodynamický odpor plovoucí nádrže nevýhodou. Proto plovoucí nádrž s výhodou obsahuje hydrodynamický tlumič pohybu, stabilizátor, jehož účelem je zvýšit hydrodynamický odpor a tím zpomalit pohyb plovoucí nádrže, zejména utlumit její houpání na hladině. Tlumič je s výhodou upevněn ke spodní části plovoucí nádrže tak, aby zůstal při houpání plovoucí nádrže co nejvíce pod hladinou, i když se plovoucí nádrž nebo její část vynoří do horní provozní polohy. Tlumič má tvar, který klade co největší hydrodynamický odpor s výhodou alespoň v jednom smyslu pohybu, například při dokončení provozního zdvihu plovoucí nádrže do krajní provozní polohy, s výhodou v obou smyslech daného směru pohybu,

- 14 CZ 2022 - 346 A3 například k omezení výškového houpání plovoucí nádrže. S výhodou má tlumič tvar rovinné nebo zakřivené desky, orientované s výhodou kolmo nebo šikmo ke směru pohybu, nebo tvar otevřené dutiny, s výhodou je ve tvaru duté polokoule, orientované výhodně dutinou proti směru pohybu. Tlumič je s výhodou upevněn tak, aby byl mimo dosah turbulentního proudění, které vytváří samotná plovoucí nádrž, s výhodou na boku plovoucí nádrže. S výhodou je plovoucí nádrž vybavena nejméně jedním tlumičem pro každý kinematický stupeň volnosti, s výhodou je tlumič vícenásobný. S výhodou má plovoucí nádrž umístěny tlumiče symetricky nejméně k jedné ose pohybu. Tlumič je s výhodou vysouvatelný a/nebo naklápěcí a/nebo odnímatelný a/nebo dálkově ovladatelný. Například plovoucí nádrž, která má dva stupně volnosti, tzn., že se může svisle houpat a v jedné svislé rovině se bočně kývat, naklápět, by měla být vybavena dvěma tlumiči, tj. pro houpání a pro boční kývání. Tlumič může utlumit houpání nebo kývání plovoucí nádrže až o 90 %.

S výhodou může být přečerpávací elektrárna vybavena dalším, pomocným energetickým soustrojím, s jehož pomocí lze s výhodou jemně regulovat ponor plovoucí nádrže a/nebo tlumit její houpání na hladině kapaliny v základní nádrži při zastavení provozu hlavního energetického soustrojí a např. pro usnadnění nakládky a vykládky dopravovaného materiálu nebo při nástupu a výstupu lidí.

Jelikož plovoucí nádrž obecně může být vysouvatelná vysoko nad okolní terén, může na ní být s výhodou umístěna sluneční a/nebo větrná elektrárna, jejíž elektrická energie se může s výhodou přímo akumulovat v plovoucí nádrži. Zajímavou výhodou zde je, že se průměrný výkon sluneční i větrné elektrárny zvyšuje s větším vysunutím plovoucí nádrže - nabízí se více slunečního svitu a rychlejší vítr.

Povrch a vnitřní, tj. plynové, prostory plovoucí nádrže mohou s výhodou sloužit i pro další účely, například pro bydlení, pro sportovní a rekreační aktivity, jako vyhlídková věž nebo pro potřeby reklamy.

Při periodické přeměně elektrické energie na potenciální energii, a naopak se ztráty v energetickém soustrojí projeví ohřevem vody v nádržích, zejména při zakrytí nebo zaizolování nádrží, které mohou mít relativně malý objem, což má za následek menší riziko zamrzání vody a okolního terénu v zimním období, nehledě na průmyslové, zemědělské i rekreační možnosti využití naakumulovaného odpadního tepla. S výhodou lze toto odpadní teplo využívat pomocí tepelných čerpadel k vytápění a/nebo k další výrobě elektrické energie.

Plovoucí nádrž je i ve zvednuté poloze velmi odolná proti zemětřesení, a zvláště při velkých rozměrech je odolná proti nepříznivým povětrnostním podmínkám.

Výroba oceli, jakož i doprava při výstavbě přečerpávací elektrárny podle vynálezu jsou sice energeticky náročné jako u jiných vodních elektráren, avšak vzhledem k obdobně dlouhé životnosti elektrárny je její celková uhlíková stopa také poměrně nevýznamná zejména v porovnání s jinými druhy akumulačních elektráren, např. s elektrochemickými.

Přečerpávací elektrárna podle vynálezu je vhodná především pro velké výkony a kapacity, jež rostou přibližně se čtvrtou mocninou rozměru.

V rozlehlých základních nádržích, např. v jezerech v prostoru vytěžených povrchových dolů nebo v moři, lze plovoucí nádrž pohodlně stavět s velkou výtlačnou výškou a s velkým průměrem.

Přečerpávací elektrárna podle vynálezu ve srovnání s dosavadními řešeními vykazuje všestranné zlepšení parametrů a dalších užitných vlastností:

- mnohem lépe využívá rozlohu a hloubku základní nádrže,

- maximálně využívá pevnostní vlastnosti a korozní odolnost konstrukčního materiálu,

- 15 CZ 2022 - 346 A3

- minimalizuje hmotnost plováku,

- mnohonásobně zvětšuje výtlačnou výšku přečerpávání,

- zachovává soudržnost a stabilitu konstrukce proti převrácení i při velmi silném větru,

- modulová konstrukce zjednodušuje výrobu a montáž plovoucí nádrže,

- dosahuje mnohem příznivější poměr ceny plovoucí nádrže a akumulované energie.

Při porovnání dosažitelných kapacit akumulované energie přečerpávací elektrárna s plovoucí nádrží efektivnější konstrukce podle vynálezu výrazně překonává možnosti dosavadních přečerpávacích elektráren s plovoucí nádrží:

Například dosavadní přečerpávací elektrárna s dolní nebo s horní plovoucí nádrží vytvořená v základní nádrži o hloubce 50 m s využitelnou hloubkou 40 m může při optimálním provedení dosáhnout pracovního zdvihu N = 20 m a výtlačné výšky V = 20 m, bude mít tedy teoretickou kapacitu nejvýše přibližně E = 1100 MWh/100 ha, zatímco přečerpávací elektrárna s horní plovoucí nádrží podle vynálezu vytvořená ve stejné základní nádrži o hloubce 50 m může při téže využitelné hloubce 40 m dosáhnout pracovního zdvihu N = 28 m při optimální výtlačné výšce V = 500 m, bude mít tedy teoretickou kapacitu podstatně vyšší, tj. přibližně E = 38 100 MWh/100 ha.

Pro modelové výpočty k porovnávání energetické výhodnosti různých provedení vodních elektráren stačí uvažovat pouze proměnné fyzikální veličiny a místo celkových hodnot energie sledovat pouze její ekvivalenty.

Například ekvivalent Ee změny potenciální energie plovoucí nádrže, vyjádřený výtlačnou výškou V a pracovním zdvihem N, lze zjednodušeně vyjádřit vynásobením obou veličin:

Ee = V.N

Využívání přečerpávacích elektráren s plovoucí nádrží dle vynálezu umožňuje řešit zásadní problémy elektroenergetiky:

- mnohonásobně zvýšit akumulované množství elektrické energie proti současnému stavu,

- rychle vyrovnávat disproporce mezi proměnlivou spotřebou elektrické energie a značně nepravidelnou výrobou z obnovitelných zdrojů,

- poskytovat možnost kompenzace účiníku a nerovnoměrností v elektrické síti používáním točivých strojů,

- snížit náklady na řešení disproporcí mezi výrobou a spotřebou elektrické energie,

- rozšířit a zlevnit výrobu elektrické energie z obnovitelných zdrojů,

- omezit výrobu energie z fosilních paliv,

- zvýšit energetickou soběstačnost a bezpečnost pro velké i malé územní celky,

- omezit masivní přenosy elektrické energie na dlouhé vzdálenosti i mezi státy, - významně přispět ke zlepšení životní prostředí.

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže objasněn na příkladech provedení dle přiložených výkresů:

obr. 1 znázorňuje schéma běžného modulu plovoucí nádrže, obr. 2 znázorňuje schéma modulu s energetickým soustrojím, obr. 3 znázorňuje schéma uspořádání horního sběrného potrubí,

- 16 CZ 2022 - 346 A3 obr. 4 znázorňuje schéma plavání modulu plovoucí nádrže s jednodílným plovákem, obr. 5 znázorňuje schéma plavání modulu plovoucí nádrže s trojdílným plovákem, obr. 6 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s horní plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím, obr. 7 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s horní plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím a s různou stavební výškou modulů.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na obr. 1 je znázorněno schéma běžného modulu plovoucí nádrže.

Běžný modul 7.1 plovoucí nádrže má tři základní části:

- horní část - nádrž 7a na vodu, je namáhána hlavně vnitřním přetlakem vody,

- střední část - mezikus 7b, který slouží k nesení horní části a ke spojení horní a dolní části, je namáhána hlavně svislou tíhou od nesených částí,

- dolní část - plovák 7c, který slouží k nesení horní a střední části a ponořuje se do základní nádrže 2, čímž vytváří vztlak potřebný pro akumulování potenciální energie, je namáhána hlavně vnějším přetlakem vody a svislou tíhou od nesených částí.

Moduly 7.1 jsou uvnitř i vně vyztuženy plochými svislými výztuhami pro vyztužení stěn modulů 7.1 a pro vzájemné spojení modulů 7.1.

Ze dna vodních nádrží 7a jsou vyvedeny odbočky vodního potrubí 12, které jsou vybaveny regulačními vodními uzávěry 18. Tyto odbočky jsou napojeny na dvojité horní sběrné vodní potrubí 12 umístěné v horní části mezikusů 7b.

V dolní části plováků 7c je instalováno dolní sběrné vodní potrubí 12, které je vybaveno odbočkami se sacími koši k rovnoměrnému rozdělení proudu vody při jejím nasávání a vypouštění, aby se předešlo nežádoucímu víření kalu u dna základní nádrže 2.

V levé části obrázku je zobrazen nárys modulu 7.1, v pravé části obrázku je zobrazen bokorys modulu 7.1. Pod bokorysem je zobrazen půdorys modulu 7.1, vpravo od bokorysu je zobrazen řez modulem 7.1.

Na obr. 2 je znázorněno schéma samostatného modulu plovoucí nádrže s vodním energetickým soustrojím. Tento samostatný modul 8 disponuje některými úpravami oproti běžnému modulu 7.1, k němuž je připevněn.

V mezikusu 7b a v plováku 7c je nainstalováno svislé vodní potrubí 12, kterým jsou mezi sebou propojeny horní a dolní vodorovné tahy sběrného vodního potrubí 12 a které je napojeno k vodním energetickým soustrojím 15.

Horní část plováku 7c je na úkor mezikusu 7b prodloužena k umístění vodního energetického soustrojí, které má dvoustrojové uspořádání - reverzní turbína 15a a motorgenerátor 15b - se svislým hřídelem.

Reverzní turbína 15a je situována v takové výši, aby její vodorovná osa byla vždy pod úrovní hladiny vody v základní nádrži, tj. i v horní provozní poloze plovoucí nádrže. Má tak trvale zajištěnu negativní sací výšku.

- 17 CZ 2022 - 346 A3

Motorgenerátor 15b je umístěn nad reverzní turbínou 15a nad úrovní hladiny vody v základní nádrži 2.

Nad a pod reverzní turbínou 15a jsou ve svislém vodním potrubí 12 umístěny vodní uzávěry 18.

Ve zvýšené části plováku 7c je nainstalováno zvedací zařízení 36 k usnadnění montážních prací na vodním energetickém soustrojí 15.

Na obr. 3 je znázorněno schéma uspořádání horního sběrného potrubí v horní části mezikusu pod vodní nádrží. Ze schématu je patrné uspořádání modulů do trojúhelníkových formací, které zabezpečují optimální řešení pevnosti soustavy modulů při zatížení vodorovným namáháním. Sběrné vodní potrubí 12 je tvořeno dvěma vrstvami potrubních tahů propojených mezi sebou. Umístění vodního potrubí 12 v průřezu mezikusu 7b je voleno tak, aby byly co nejméně oslabeny stěny mezikusu 7b a svislé výztuhy. Křížovým uspořádáním potrubních tahů je zajištěno, že ke každému vodnímu energetickému soustrojí bude připojen stejný počet nádrží na vodu, což napomáhá k jejich rovnoměrnému plnění/vypouštění a ke stabilitě plovoucí nádrže na hladině vody v základní nádrži. Svislé vzájemné propojení vodorovných potrubních tahů slouží k zajištění dostatečného a rovnoměrného zásobování vodních energetických soustrojí vodou a rovnoměrnému rozložení vody při provozování různého počtu vodních energetických soustrojí.

Obr. 4 znázorňuje schéma plavání modulu plovoucí nádrže s jednodílným plovákem. Modul 7.1 obsahuje nádrž 7a na vodu, mezikus 7b a jednodílný plovák 7a, které jsou zhotoveny z tenkého plechu a jejich vodorovný průřez má kruhový tvar. Mezikus 7b má tloušťku stěny _.

Na obr. 4a je modul 7.1 v horní provozní poloze s prázdnou nádrží 7a na vodu, na obr. 4b je modul 7.1 v dolní provozní poloze s plnou nádrží 7a na vodu. Výška vody N v nádrži na vodu je rovna provoznímu zdvihu N, tj. výškovému rozdílu mezi horní a dolní provozní polohou modulu 7.1. Výškový rozdíl V mezi hladinou 11 vody v nádrži 7a na vodu (horní nádrž) a hladinou 11 vody v základní nádrži 2 (dolní nádrž) proto zůstává v obou provozních polohách modulu 7.1 stejný.

Obr. 5 znázorňuje schéma plavání modulu plovoucí nádrže s trojdílným plovákem. Modul 7.1 obsahuje nádrž 7a na vodu mezikus 7b a trojdílný plovák. Plovák 7c obsahuje oddíly 7c1, 7c2, 7c3 (segmenty) které jsou zhotoveny z tenkého plechu tloušťky t a jejich vodorovný průřez má kruhový tvar.

Jednotlivé oddíly 7c1, 7c2, 7c3 plováku 7c jsou naplněny vzduchem o přetlaku, který se rovná největšímu hydrostatickému tlaku vody, kterému je daný oddíl 7c1, 7c2, 7c3 plováku 7c vystaven při plném ponoření v základní nádrži 2, tzn., že oddíly 7c1, 7c2, 7c3 plováku 7c umístěné hlouběji jsou naplněny vzduchem o větším přetlaku.

Horní dno dolního oddílu 7c1 plní funkci tlakové přepážky mezi dolním oddílem 7c1 a středním oddílem 7c2, horní dno středního oddílu 7c2 plní funkci tlakové přepážky mezi středním oddílem 7c2 a horním oddílem 7c3.

Tento trojdílný plovák 7c tedy může mít tenčí stěny, a tudíž menší hmotnost než jednodílný plovák se stejnou výškou, tj. se stejným vztlakem. Mezikus 7b a/nebo nádrž 7a na vodu proto mohou být vyšší než u modulu 7.1 s jednodílným plovákem.

Na obr. 5a je modul 7.1 v horní provozní poloze, na obr. 5b je modul 7.1 v dolní provozní poloze. Výška vody N v nádrži 7a na vodu je rovna provoznímu zdvihu N, tj. výškovému rozdílu mezi horní a dolní provozní polohou modulu 7.1. Výškový rozdíl V mezi hladinou 11 vody v nádrži 7a na vodu (horní nádrž) a hladinou 11 vody v základní nádrži 2 (dolní nádrž) proto zůstává v obou provozních polohách modulu 7.1 stejný.

- 18 CZ 2022 - 346 A3

Na obr. 6 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s horní plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím. Na obr. 6a a 6b je zobrazen nárys přečerpávací elektrárny, na obr. 6c je zobrazen její půdorys.

Plovoucí nádrž 7 je umístěna v základní nádrži 2 a je sestavena z množiny modulů 7.1 tlakových nádob s kruhovým průřezem, které jsou mezi sebou spojeny plochými výztuhami do trojúhelníkových útvarů. Běžný modul 7.1 plovoucí nádrže 7 má tři základní části: - horní část - nádrž 7a na vodu, - střední část - mezikus 7b, - dolní část - plovák 7c.

Poměr šířky k výšce plovoucí nádrže 7 je přibližně 1,5, aby byla zajištěna její stabilita proti převrácení.

Plovoucí nádrž 7 je v základní nádrži 2 stabilizována proti vodorovnému pohybu vodicím rámem 14, který má plovoucí část 14a a kotvicí část 14b, jež jsou kloubově spojeny mezi sebou. Kotvicí část 14b je kloubově uchycena také v základech na břehu 1 základní nádrže 2.

Spotřebováním elektrické energie o ekvivalentu Ee = -V*N ze sítě se akumuluje polohová energie vody jejím čerpáním ze základní nádrže 2 vodním potrubím pomocí vodních energetických soustrojí do nádrží 7a na vodu. Plovoucí nádrž 7 klesá, přičemž její plováky 7c se ponořují do základní nádrže 2. Na obr. 6a je zobrazena plovoucí nádrž 7 v dolní provozní poloze.

Vypouštěním vody z nádrží 7a na vodu vodním potrubím přes vodní energetická soustrojí do základní nádrže 2 se spotřebováním polohové energie vody vyrábí elektrická energie o ekvivalentu Ee = V*N a dodává se do sítě. Plovoucí nádrž 7 se zvedá, přičemž její plováky 7c se vynořují ze základní nádrže 2. Na obr. 6b je zobrazena plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze.

Jestliže je vnější vodorovný průřez plováků 7c roven vnitřnímu vodorovnému průřezu nádrží 7a na vodu, pak se při přečerpávání vody mezi základní nádrží 2 a plovoucí nádrží 7 nemění úroveň hladiny vody 10 v základní nádrži 2, ani výškový rozdíl V mezi hladinou 11 vody v plovoucí nádrži 7 a hladinou 10 vody v základní nádrži 2 v horní či dolní provozní poloze.

Na obr. 7 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s horní plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím. Plovoucí nádrž 7 je umístěna v základní nádrži 2 a je sestavena z množiny modulů 7.1, 8 s různou stavební výškou.

Běžné moduly 7.1 jsou vybaveny:

- plováky 7c s různou hloubkou ponoru podle hloubkového profilu základní nádrže 2, - mezikusy 7b s odpovídající různou výškou a

- nádržemi 7a na vodu, které mají stejnou výšku pro všechny běžné moduly 7.1, protože plovoucí nádrž 7 se při přečerpávání pohybuje jako celek a má jednotný provozní zdvih pro všechny běžné moduly 7.1.

Pro každou skupinu běžných modulů 7.1 se stejnou stavební výškou je k dispozici odpovídající skupina energetických soustrojí 15 a sběrné vodní potrubí 12 se stejnou výtlačnou výškou.

Energetická soustrojí 15 jsou umístěna v samostatných modulech 8, které jsou připevněny k plovákům 7c běžných modulů 7.1.

Plnění a vyprazdňování všech nádrží 7a na vodu lze provádět současně a proporcionálně, aby se minimalizovalo smykové napětí ve výztuhách zejména mezi běžnými moduly 7.1 s různou stavební výškou.

- 19 CZ 2022 - 346 A3

Na obr. 7a je zobrazena plovoucí nádrž 7 s prázdnými nádržemi 7a na vodu v horní provozní poloze. Na obr. 7b je zobrazena plovoucí nádrž 7 s naplněnými nádržemi 7a na vodu v dolní provozní poloze.

Plovoucí nádrž 7 využívá téměř celou šířku a hloubku, tj. téměř celý objem, základní nádrže 2.

Průmyslová využitelnost

Přečerpávací elektrárna dle vynálezu má předpoklady k rozsáhlému využívání:

- elektrárna je principiálně a funkčně jednoduchá, což jsou důležité podmínky její spolehlivosti, - přetlak tekutiny v energetickém soustrojí může být po celý pracovní zdvih téměř konstantní, - elektrárna má při přečerpávání kapaliny velmi dobrou energetickou účinnost,

- elektrárnu lze spustit a zastavit s vysokou pohotovostí,

- elektrárny lze stavět přímo v lokalitách s nerovnoměrnou výrobou nebo spotřebou elektrické energie,

- elektrárnu lze postavit s výkonem a kapacitou optimálně dle místních poměrů,

- elektrárnu lze vytvořit v pestrém sortimentu variant pro různé geografické i urbanistické podmínky a pro širší účely využití,

- k výstavbě elektrárny lze využít pozemky po průmyslových areálech nebo těžbě surovin, zaplavovaná území i další vhodné lokality,

- elektrárna umožňuje dlouhodobé uložení energie bez ztráty kapacity,

- nabízejí se zajímavé možnosti využití odpadního tepla z energetického soustrojí,

- plovoucí nádrž elektrárny lze vyrobit s použitím běžných, levných a ekologických materiálů jako je ocel, s dlouhou životností v desítkách až stovkách tisíc cyklů, v desítkách až stovkách let,

- při vývoji a výstavbě elektrárny lze navázat na zkušenosti se stavbami energetických vodních děl,

- elektrárna, zejména její plovoucí nádrž, je velmi odolná proti zemětřesení a proti nepříznivým povětrnostním podmínkám,

- jestliže je základní nádrž elektrárny zahloubena v terénu, nehrozí riziko zaplavení okolí vodou při poškození základní nebo plovoucí nádrže,

- základní nádrž může sloužit také jako zásobník vody pro nouzové situace,

- provoz elektrárny je ekologický, nevznikají při něm škodlivé odpady,

- materiál elektrárny je plně recyklovatelný,

- elektrárna má nízké provozní náklady,

- ekonomičnost investice a provozu je srovnatelná s klasickou přečerpávací elektrárnou se dvěma pozemními nádržemi.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Přečerpávací elektrárna, která obsahuje plovoucí nádrž (7) umístěnou v základní nádrži (2) v prostředí dvou tekutin s rozdílnou hustotou, přičemž mezi provozními hladinami (10, 11) hustší tekutiny v nádržích (2, 7, 7a) je výškový rozdíl (V), kde základní nádrž (2) je dolní nádrží a plovoucí nádrž (7) je horní nádrží, dále plovoucí nádrž (7) obsahuje plovák a nádrž (7a) na hustší tekutinu, přičemž plovák (7c) je uspořádán pro vytvoření vztlaku pro nesení plovoucí nádrže (7) v základní nádrži (2), a elektrárna dále obsahuje potrubí (12) a energetické soustrojí (15) k přečerpávání tekutiny mezi dolní nádrží a horní nádrží, vyznačená tím, že plovoucí nádrž (7) obsahuje mezikus (7b), s uspořádáním při řazení zdola je tvořena: plovákem (7c), mezikusem (7b) a nádrží (7a) na hustší tekutinu, přičemž mezikus (7b) je uspořádán pro nesení nádrže (7a) na hustší tekutinu.
2. 2. Přečerpávací elektrárna podle nároku 1, vyznačená tím, že plovoucí nádrž (7) je tvořena množinou vzájemně spojených modulů (7.1, 8), z nichž každý obsahuje plovák (7c), mezikus (7b) a nádrž (7a) na hustší tekutinu.
3. 3. Přečerpávací elektrárna podle nároku 1 nebo 2, vyznačená tím, že vnější vodorovný průřez plováků (7c) je roven vnitřnímu vodorovnému průřezu nádrží (7a) na hustší tekutinu pro udržení stálé výškové úrovně hladiny (10) hustší tekutiny v základní nádrži (2) a stálé výškové úrovně hladiny (11) hustší tekutiny v plovoucí nádrži (7).
4. 4. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 3, vyznačená tím, že plovák (7c) je naplněn plynem, jehož vnitřní přetlak je stejný nebo větší než vnější přetlak hustší tekutiny odpovídající největší hloubce ponoření plováku (7c) v základní nádrži (2).
5. 5. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 4, vyznačená tím, že plovák (7c) je výškově rozdělen na více oddílů (7c1, 7c2, 7c3), které jsou mezi sebou odděleny tlakovou přepážkou, přičemž každý oddíl (7c1, 7c2, 7c3) je naplněn plynem, jehož vnitřní přetlak v každém oddílu (7c1, 7c2, 7c3) je stejný nebo větší než vnější přetlak hustší tekutiny odpovídající největší hloubce ponoření příslušného oddílu (7c1, 7c2, 7c3) v základní nádrži (2).
6. 6. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 5, vyznačená tím, že moduly (7.1, 8) jsou provedeny s různou hloubkou ponoru podle hloubkového profilu základní nádrže (2).
7. 7. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 6, vyznačená tím, že obsahuje vodicí rám (14) pro zajištění plovoucí nádrže (7) proti vodorovnému pohybu v základní nádrži (2).
8. 8. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 7, vyznačená tím, že plovoucí nádrž (7) je vytvořena se souvislým dnem.
9. 9. Přečerpávací elektrárna dle nároků 1 až 8, vyznačená tím, že potrubí (12) je umístěno uvnitř a/nebo vně plovoucí nádrže (7).
10. 10. Přečerpávací elektrárna dle nároků 1 až 9, vyznačená tím, že energetické soustrojí (15) je umístěno uvnitř nebo vně plovoucí nádrže (7).