CZ309913B6 - Pumped storage plant for the transfer between the base and floating tank - Google Patents
Pumped storage plant for the transfer between the base and floating tank Download PDFInfo
- Publication number
- CZ309913B6 CZ309913B6 CZ2022-346A CZ2022346A CZ309913B6 CZ 309913 B6 CZ309913 B6 CZ 309913B6 CZ 2022346 A CZ2022346 A CZ 2022346A CZ 309913 B6 CZ309913 B6 CZ 309913B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- tank
- floating
- floating tank
- power plant
- base
- Prior art date
Links
- 238000007667 floating Methods 0.000 title claims abstract description 269
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000012546 transfer Methods 0.000 title abstract description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 117
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 62
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 40
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 16
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 15
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 160
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 80
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 26
- 238000013461 design Methods 0.000 description 17
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 12
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 11
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 11
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 10
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 10
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 10
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 8
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 4
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 4
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 4
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 4
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 4
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 4
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 3
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 239000003351 stiffener Substances 0.000 description 2
- 230000009182 swimming Effects 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000036626 alertness Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N furosemide Chemical compound C1=C(Cl)C(S(=O)(=O)N)=CC(C(O)=O)=C1NCC1=CC=CO1 ZZUFCTLCJUWOSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012821 model calculation Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000011017 operating method Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000013022 venting Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
- F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
- F03B13/06—Stations or aggregates of water-storage type, e.g. comprising a turbine and a pump
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
- F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
- F03B13/08—Machine or engine aggregates in dams or the like; Conduits therefor, e.g. diffusors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/20—Hydro energy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
Abstract
Description
Přečerpávací elektrárna pro přečerpávání mezi základní a plovoucí nádržíPumping station for pumping between the base and floating reservoir
Oblast technikyField of technology
Vynález se týká přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží umístěnou v základní nádrži v prostředí dvou tekutin s rozdílnou hustotou.The invention relates to a pumped storage power plant with a floating tank located in a base tank in an environment of two fluids with different densities.
Dosavadní stav technikyCurrent state of the art
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.Effective balancing of disproportions between consumption and production of electricity, faster development of power plants based on renewable energy sources and limiting the operation of fuel-fired power plants are fundamentally hindered by the complete lack of economically and environmentally advantageous energy accumulators with high performance, capacity and efficiency, which could be built as close to the site as possible consumption and/or production of energy.
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.Power plants using mechanical methods of accumulating potential energy offer the largest capacity and have the longest lifespan. However, the implementation of existing types of these power plants is only possible under narrowly specific conditions.
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.Of these, pumped hydro power plants are the most widespread because they show the highest cost efficiency even though they occupy a relatively large volume. In the current design, they are based on accumulating the gravitational potential energy of water by pumping water from the lower stable tank to the upper stable tank. However, these power plants require considerable space in mountainous terrain, and therefore their further construction is increasingly facing resistance due to the legitimate interests of landscape and nature protection. They cannot be built in flat or densely populated areas. Underground water pumping stations are threatened by geological influences.
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.A well-known solution is an underground water pumping station, which consists of a vertical cylinder with a bypass pipe. It is several hundred meters deep and is filled with water. A heavy concrete and iron piston moves inside the cylinder, sealed against water penetration between the cylinder and the piston. The piston is lowered by gravity and forces water from under the piston through a bypass pipe with a reverse turbine into the space above the piston. In the piston's gravitational potential energy storage mode, the water is then pumped back under the piston and lifts it up. In addition to the frictional losses of the piston in the cylinder, the disadvantage is that the power plant cannot have too large a capacity, as the diameter of the cylinder must be limited for reasons of strength and cost. Considerable maintenance costs for friction surfaces and sealing elements can also be assumed.
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.A known solution is a floating pumping station according to the invention of EP 3085951, which includes a floating tank that rises or falls in the base tank according to the amount of stored seawater when sailing at sea level; a water turbine located on the inlet pipe in the floating tank generates power by transferring water from the sea into the floating tank, where the water level is made to be lower than the sea level, which is ensured by pumping the water from the floating tank using a fixed pipe, but very in an inefficient manner up to above the upper platform of the floating tank into the airspace above sea level; the connection between the water space of the floating tank and the sea through the pipe is interrupted by this air space, the pump discharge head increases by the height of the air space compared to the height drop on the turbine, and the consumption of electricity for pumping water from the floating tank increases unnecessarily, which reduces the efficiency of the pumping energy cycle.
Známá je plovoucí přečerpávací elektrárna dle vynálezu WO 2013163979 nebo dle vynálezu DE 102013015082, obsahující plovoucí nádrž, která plave na hladině základní nádrže.A floating pumped storage power plant is known according to the invention WO 2013163979 or according to the invention DE 102013015082, containing a floating tank that floats on the surface of the base tank.
Plovoucí nádrž přitom sestává ze dvou komor - horní a dolní komory, jež jsou pevně konstrukčně spojeny.At the same time, the floating tank consists of two chambers - the upper and lower chambers, which are firmly connected by construction.
- 1 CZ 309913 B6- 1 CZ 309913 B6
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.The lower chamber is completely submerged in the base tank, it is connected to the air through a ventilation chimney, the upper chamber is fully open to the air at the top, it is located at the level of the water level in the base tank.
Obě komory tak současně tvoří sdružený plovák, který umožňuje plavání plovoucí nádrže na hladině základní nádrže.Both chambers thus simultaneously form a combined float, which enables the floating tank to float on the level of the base tank.
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.The two chambers of the floating tank are interconnected by a vertical channel and a turbine, with water flowing in this vertical channel only in one direction down to the turbine.
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.The upper chamber of the floating tank is connected to the base tank by a side channel at the level of the water level in the base tank, so the upper chamber is functionally part of the base tank. The side channel can be closed so that the floating tank does not sink when the upper chamber is overfilled.
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.When submerging the floating tank, the upper chamber is spontaneously filled through the side channel from the base tank, and when the floating tank emerges, the water flows spontaneously through the side channel from the upper chamber to the base tank, while due to the hydrodynamic resistance in the horizontal channel, a height difference between the water level in the upper chamber of the floating tank arises and the water level in the base reservoir, which is the source of losses in the energy balance of pumping.
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.The lower chamber is connected to the base tank at the level of its bottom by means of a side channel and a pump, through this side channel water flows in one direction only from the pump to the base tank.
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.The lower chamber of the floating tank is the lower tank and the base tank is the upper tank. Here, the upper chamber of the floating tank is part of the basic tank, it is not a separate, independent, full-fledged upper tank compared to the lower chamber of the floating tank in both turbine and pumping mode, therefore the floating tank moves vertically during pumping.
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.Pumping is carried out between the base tank and the lower chamber in a floating tank, which submerges when filling the lower chamber with water from the base tank in turbine mode and emerges when water is pumped from the lower chamber to the base tank.
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:While in the pumping mode the connection of the base tank and the lower chamber of the floating tank is direct, immediate, in the turbine mode the connection of the base tank and the lower chamber of the floating tank through the turbine is not direct, immediate, it is interrupted, which reduces the usable hydrostatic drop:
- 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,- the filling of the upper chamber of the floating tank with water from the base tank using the side channel is done here freely, without energy use, while in the upper chamber the water level connects with the air and thus breaks the water column between the water level in the base tank and the water level in the upper chamber ,
- z horní komory se voda přepouští svislým kanálem přímo, bezprostředně, s energetickým využitím přes turbínu do dolní komory.- from the upper chamber, the water is passed through a vertical channel directly, immediately, with energy use through the turbine to the lower chamber.
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.During pumping operation, water is pumped out of the lower chamber of the floating tank by the pump using the side channel directly, i.e. directly into the base tank, while the water from the upper chamber flows freely through the side channel into the base tank without energy use.
Plovoucí nádrž se přitom vynořuje z dolní do horní provozní polohy.At the same time, the floating tank emerges from the lower to the upper operating position.
Hydrostatický spád (výtlačná výška) je při čerpacím provozu tvořen výškovým rozdílem mezi hladinou vody v základní nádrži a hladinou vody v dolní komoře.During pumping operation, the hydrostatic drop (discharge head) is formed by the height difference between the water level in the base tank and the water level in the lower chamber.
Při turbínovém provozu se voda z horní komory plovoucí nádrže přepouští svislým kanálem doDuring turbine operation, water from the upper chamber of the floating tank is transferred through a vertical channel to
- 2 CZ 309913 B6 dolní komory přes turbínu, přičemž voda ze základní nádrže přitéká volně bočním kanálem do horní komory bez energetického využití.- 2 CZ 309913 B6 lower chambers through the turbine, while water from the base tank flows freely through the side channel into the upper chamber without energy use.
Plovoucí nádrž se přitom ponořuje z horní do dolní provozní polohy.At the same time, the floating tank dips from the upper to the lower operating position.
Hydrostatický spád (výtlačná výška) je při turbínovém provozu tvořen výškovým rozdílem mezi hladinou vody v horní komoře a hladinou vody v dolní komoře.During turbine operation, the hydrostatic head (discharge head) is formed by the height difference between the water level in the upper chamber and the water level in the lower chamber.
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.A pumping power plant according to the invention of EP 2418375 with a floating tank for storing water is known, while the energy device is connected to the floating tank by a hinged or telescopic pipe and is vertically movable so that, due to easy accessibility for maintenance, it remains at the level of the basic upper tank even when the floating tank is moving. However, the water level in the base tank is higher, i.e. it has a higher energy potential than the water level in the floating tank. As a result, the difference in height between the water levels in the base and floating tanks is processed by the energy equipment on its negative side, i.e. in the area of the suction pipe, so that the permissible difference in height is greatly limited, so that when water is transferred, cavitation does not occur in the energy system or rupture of the water column at the suction height above the water level in the floating tank. Therefore, only a fraction of the difference in height from the total depth of the base tank can be used with the mentioned solution.
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.The water level in the base tank is at most a few meters higher, i.e. it has a higher energy potential than the water level in the floating tank. In the pumping mode, water is sucked from the interior of the floating tank using an energy device floating on the water level in the base tank. The permissible transfer height difference is limited by the suction height, so that during water transfer, the water column in the pipe above the water level in the floating tank does not break. Therefore, only a fraction of the difference in height from the total depth of the base tank can be used with the mentioned solution.
Známá je přečerpávací elektrárna dle vynálezu US 2018156185, která obsahuje především dvě nezbytné části:A pumped storage power plant according to the invention US 2018156185 is known, which mainly contains two necessary parts:
- 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),- a conversion chamber that floats on the surface of the base tank and works as a compressor/turbine to pump air between the atmosphere and a stable pressure tank (compressed air reservoir),
- stabilní tlakovou nádrž k akumulování stlačeného vzduchu, která je trvale ponořena a ukotvena na dně základní nádrže, přičemž obě nádrže jsou propojeny potrubím.- a stable pressure tank for accumulating compressed air, which is permanently submerged and anchored to the bottom of the base tank, while the two tanks are connected by pipes.
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.The essence of the above-mentioned invention is also a method of converting electrical energy into aeraulic energy and vice versa, in which air is compressed from the atmosphere in a floating conversion chamber and stored in a compressed air reservoir, or exits from this reservoir into a conversion chamber, where it expands into the air.
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.The conversion chamber is actually a combined pneumohydraulic energy device - an air-driven single-acting piston compressor/motor for pumping air between the atmosphere and the compressed air reservoir, where the hydraulic piston serves as the water level driven by the pump/turbine water system pumping water between the conversion chamber and the base tank. Since the conversion chamber is supposed to be about 100 times smaller than the compressed air reservoir and the compression ratio is assumed to be high (about 10, which roughly corresponds to a depth of around 100 m in isothermal compression), the compression must be at least two-stage and with a higher number of conversion chambers , so that it is possible to ensure the accumulation or reverse production of electrical energy continuously for a longer period of time and without large fluctuations in performance.
Známá je přečerpávací elektrárna dle vynálezu CN 206721844. Uzavřená stabilní nádrž umístěnáA pumping station according to the invention CN 206721844 is known. A closed stable tank placed
- 3 CZ 309913 B6 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.- 3 CZ 309913 B6 on the bottom of the sea, submerged completely or partially protruding above the level of the base tank, is filled with water through a turbine located at the bottom of the stable tank and sucked out by a pump located on the upper platform of the stable tank. The stable tank serves as the lower tank, the base tank serves as the upper tank. The maximum difference in liquid levels is determined by the permissible suction height of the pump.
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.A pumped storage power plant according to the invention US 2014033700 is known. A floating tank in the function of a lower tank or an upper tank is vertically movable in a base tank, which serves accordingly as an upper or lower tank.
V případech, kde je plovoucí nádrž dolní nádrží, je součet výtlačné výšky a provozního zdvihu omezen hloubkou ponoru plovoucí nádrže.In cases where the floating tank is a bottom tank, the sum of the discharge head and the operating lift is limited by the submergence depth of the floating tank.
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.In cases where the floating tank is a top tank, the discharge head is limited by the depth of the float (floating tank) because the water tank is directly attached to the float.
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.A pumping station according to the invention GB 1601398 is known. Three tanks are used here. A stable tank is inserted into the water in the base tank, which is freely exposed to the air at the top. In this pair, the basic tank is the upper tank and the inserted stable tank is the lower tank in relation to it.
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.In the inserted stable tank, a vertically movable floating tank is placed in the water. In this pair, the embedded stable tank is the upper tank and the floating tank is the lower tank relative to it.
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.Instead of a simple transfer between the inserted stable tank and the base tank, there is a complicated and therefore more lossy transfer via the floating tank, i.e. gradually between the floating tank and the inserted stable tank and then between the inserted stable tank and the base tank.
Výtlačná výška je omezena hloubkou ponoru vložené stabilní nádrže a hloubkou ponoru plovoucí nádrže.Discharge height is limited by the immersion depth of the embedded stable tank and the immersion depth of the floating tank.
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.The mentioned solutions of pumping stations with a floating tank, whether lower or upper, only achieve such a value of discharge head, which in the optimal design is at most equal to the draft of the floating tank in the base tank, so the capacity of these pumping stations is relatively low.
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.At the same time, the walls of the floating and stable tanks that make up the lower tank are extremely disadvantageously stressed by the external overpressure and the corrosive effects of water from the base tank, in addition, it is usually necessary to increase the buoyancy of the lower floating tank with an additional load or mechanical device to achieve the necessary draft and thus to achieve the necessary discharge heights.
Jejich konstrukce je tedy relativně drahá, s dosti krátkou životností, zejména u hlubších nádrží.Their construction is therefore relatively expensive, with a rather short lifespan, especially for deeper tanks.
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.Overall, the mentioned pumped-storage power plants with a floating tank are not very economically advantageous, despite the high prices of electricity, therefore this type of pumped-storage power plants is not very widespread.
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.The task of the invention is to improve the pumping power plant with a floating tank by creating a light, stable and efficient structure so that its discharge height is not limited by its immersion depth and at the same time to reduce its stress even at a large immersion depth, in order to achieve a many times higher capacity, service life and economic advantage pumped storage power plants.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
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 hustšíThe invention solves the mentioned problem with a pumped storage power plant that contains a floating tank located in a base tank in an environment of two fluids with different densities, while there is a height difference between the operating levels of the denser fluid in the tanks, where the base tank is the lower tank and the floating tank is the upper tank, further floating the tank contains a float and a tank for denser
- 4 CZ 309913 B6 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.- 4 CZ 309913 B6 fluid, while the float is arranged to create buoyancy for carrying the floating tank in the base tank, and the power plant further contains pipelines and energy equipment for pumping the fluid between the lower tank and the upper tank, the essence of which is that the floating tank contains an intermediate piece, with the bottom-shift arrangement, it consists of: a float, an intermediate piece and a tank for a denser liquid, while the intermediate piece is arranged to carry a tank for a denser liquid.
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.The total potential energy is accumulated in the pumping station in the form of positional and buoyant energy of the floating tank and in the form of positional and pressure energy of the fluids in the floating tank. Pumping one of the fluids can change not only the potential energy of this fluid and the floating tank, but also the potential energy of the other fluid. One or both fluids can be pumped sequentially or simultaneously.
Z dalšího popisu je zřejmé, že plovoucí nádrž je ve vztahu k základní nádrži vytvořena jako horní nádrž.It is clear from the further description that the floating tank is designed as an upper tank in relation to the base tank.
Celkový provozní výškový rozdíl hladin hustší tekutiny je tvořen výškovým rozdílem mezi hladinou tekutiny v horní nádrži a hladinou tekutiny v dolní nádrži.The total operating height difference of the denser liquid levels is formed by the height difference between the liquid level in the upper tank and the liquid level in the lower tank.
Energetické soustrojí pro přečerpávání hustší tekutiny je pomocí potrubí připojeno výtlačnou stranou k horní nádrži a sací stranou k dolní nádrži.The energy system for pumping a denser liquid is connected by means of a pipe on the discharge side to the upper tank and on the suction side to the lower tank.
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.Thus, the power plant for pumping the denser fluid is connected to the base tank and/or the floating tank by means of a pipe and arranged in height so that the operating height of the denser fluid in the pipe is higher on the side of the power plant connected to the upper tank than on the side connected to the lower tank.
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.The height difference is therefore processed primarily by the overpressure, discharge side of the power plant, not by its underpressure, suction side, which makes it possible to achieve a high overall operating height difference and not to limit the overall operating height difference to the suction height, which is limited to only a few meters, when there is still no to cavitation in the power system or to the rupture of a column of denser fluid in the suction pipe.
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.The term operating height is used to express a situation where the pipeline is filled with a denser liquid and a difference is created between the levels of the denser liquid in the upper tank and the lower tank that can be readily used for pumping.
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.For this purpose, a valve is installed in the pipeline of each pumped power station to operationally stop or regulate the flow of the pumped fluid due to the situation in the energy network or to prevent the unwanted flow of the pumped fluid (especially to leak the fluid from the upper tank to the lower tank) e.g. in the event of a power failure sets.
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.This distinguishes the situation that occurs during repairs or in the event of a fault, when there is an intentional or accidental release of liquid from the pipeline and the liquid levels in the upper tank and the lower tank are thus equalized and the pumping station is taken out of operation.
Uvedené situace jsou však běžné u každé přečerpávací elektrárny a nejsou v rozporu s její podstatou.However, the mentioned situations are common for every pumped storage power plant and do not contradict its essence.
Výškový rozdíl hladin tekutiny v základní a plovoucí nádrži, tj. hydrostatický tlakový rozdíl působící na energetické soustrojí, se v průběhu přečerpávacího cyklu téměř nemění.The difference in height of the liquid levels in the basic and floating tanks, i.e. the hydrostatic pressure difference acting on the power system, hardly changes during the pumping cycle.
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.Advantageously, the outer horizontal cross-section of the submerged part of the floating tank is equal to the inner horizontal cross-section of the upper part of the floating tank for the denser liquid in order to maintain a constant height level of the level of the denser liquid in the base tank and a constant height level of the level of the denser liquid in the floating tank and thus a constant height difference between these levels .
- 5 CZ 309913 B6- 5 CZ 309913 B6
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.The movement of the floating tank in the base tank takes place at the interface of two working fluids with different densities. Due to gravity, the thinner and therefore lighter fluid stays above the surface of the denser and therefore heavier fluid and the floating tank floats on top of the heavier fluid in the base tank.
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).Liquids with different densities are preferably liquid as a liquid with a higher density (hereinafter referred to as liquid) and gas as a liquid with a lower density (hereinafter referred to as gas).
Nádrže obsahují prostor pro těžší a lehčí tekutinu, např. kapalinový prostor a plynový prostor.Tanks contain space for heavier and lighter fluid, e.g. liquid space and gas space.
Základní nádrž může být otevřená do okolního prostředí nebo uzavřená.The base tank can be open to the environment or closed.
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.In a power plant with an open design of the liquid space of the base tank, ordinary or partially treated water, preferably treated by filtering, can be used as a liquid. In the closed design of the liquid space of the basic tank, the water can advantageously be thickened with soluble or insoluble substances, whereby higher transmitted powers can be achieved, and it can be modified to reduce the erosive or corrosive effect on the components of the hydroelectric power plant, or another suitable liquid can be used.
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.In a power plant with an open design of the gas space of the base tank, air is preferably used as gas. In a closed design, the gas space above the liquid level in the base tank is separated from the surrounding atmosphere, and the gas pressure in the base tank does not have to be equal to the pressure of the surrounding atmosphere. An inert gas can be advantageously used here, preferably nitrogen, which is more expensive, but reduces the corrosion of hydroelectric power plant components.
Základní nádrž je s výhodou vytvořena jako stabilní.The base tank is advantageously designed to be stable.
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.An open basic stable reservoir can advantageously be formed by a sea or a river, an existing or new artificial body of water, a lake, e.g. at the site of an excavated surface mine, or it can be formed as a pit below the surface or as a pit open to the surface, preferably it can be formed on the surface as a sunken reservoir, whereby the rock excavated when the tank is dredged can be advantageously used to create an embankment around the depression in order to increase the water level and thus the depth of the tank. Areas with a high groundwater level or areas that are permanently flooded, e.g. in the Netherlands, can advantageously be used for the construction of pumping stations according to the invention.
Základní nádrž může být s výhodou vytvořena ve tvaru svislého válce.The basic tank can advantageously be formed in the shape of a vertical cylinder.
Jednoduchý tvar plovoucí nádrže jako válce se svislou podélnou osou a s pravidelnou nebo s nepravidelnou podstavou je výhodný pro stabilizaci výkonu energetického soustrojí.The simple shape of the floating tank as a cylinder with a vertical longitudinal axis and with a regular or irregular base is advantageous for stabilizing the performance of the power plant.
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.The floating tank can have a simple construction, it can advantageously copy the shape of the base tank with its walls and bottom, in order to make the most of the volume of the base tank for pumping and, for example, to allow the floating tank to be placed on the bottom during repairs, it can be made very voluminous, at the same time well balanced and with a large draft according to the size of the base tank, especially if the base tank is formed by the sea.
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.It is advantageous to leave sufficient free water space around the floating tank for greater resistance to damage in case of lateral displacement of the floating tank in strong wind and waves or during an earthquake, when pressure shocks from the base tank are better dissipated around the floating tank.
Pro množství akumulované potenciální gravitační energie plovoucí nádrže je směrodatná pouze svislá složka pohybu této nádrže.For the amount of accumulated potential gravitational energy of a floating tank, only the vertical component of the movement of this tank is authoritative.
Jestliže je přečerpávanou tekutinou hustší tekutina, množství potenciální energie uložené vIf the pumped fluid is a denser fluid, the amount of potential energy stored in the
- 6 CZ 309913 B6 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.- 6 CZ 309913 B6 floating tanks depends mainly on the difference in height of the denser liquid levels in the base and floating tanks, on the amount of pumped denser liquid and on the working lift of the floating tank.
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.The potential energy in the pumping station is in the form of the positional and buoyant energy of the floating tank and in the form of the positional and pressure energy of the fluids in the tanks, the ratios of individual types of energy change during pumping.
Hmotností plovoucí nádrže se rozumí součet hmotnosti konstrukce a vybavení plovoucí nádrže a hmotnosti přídavné zátěže.The weight of the floating tank means the sum of the weight of the construction and equipment of the floating tank and the weight of the additional load.
Výškový vztah nádrží je zde definován tak, že hladina kapaliny v horní nádrži je výše než hladina kapaliny v dolní nádrži.The height relationship of the tanks is defined here so that the liquid level in the upper tank is higher than the liquid level in the lower tank.
Horní plovoucí nádrž je vytvořena tak, že její kapalinový prostor, tj. nádrž na hustší tekutinu, je vytvořen v horní části plovoucí nádrže.The upper floating tank is formed in such a way that its liquid space, i.e. the tank for the denser liquid, is formed in the upper part of the floating tank.
Podle vynálezu dolní část plovoucí nádrže tvoří plovák, na něm je postaven mezikus a na něm je postavena nádrž na hustší tekutinu.According to the invention, the lower part of the floating tank forms a float, an intermediate piece is built on top of it, and a tank for a denser liquid is built on top of it.
S výhodou je kapalinový prostor v horní části plovoucí nádrže vytvořen ve výšce, která může činit i mnohonásobek výšky kapalinového prostoru.Advantageously, the liquid space in the upper part of the floating tank is created at a height that can be many times the height of the liquid space.
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.The advantage of this arrangement is that the empty floating tank can have, depending on the strength of the material used, a relatively very light construction. Additional load is undesirable here.
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.With the same usable depth of the basic tank as when using the lower floating tank, a significantly higher accumulation capacity of the floating tank can be achieved when using the upper floating tank according to the invention.
Je možno volit optimální variantu mezi krajními možnostmi tohoto provedení:It is possible to choose the optimal variant among the extreme options of this design:
- lehčí a nízká plovoucí nádrž a větší přečerpávaná vodní náplň, - těžší a vysoká plovoucí nádrž a menší přečerpávaná vodní náplň.- lighter and lower floating tank and larger pumped water filling, - heavier and high floating tank and smaller pumped water filling.
Pro vynoření horní části plovoucí nádrže při jejím vyprázdnění je nutný dostatečný prostor nad hladinou základní nádrže.Sufficient space above the level of the base tank is required for the upper part of the floating tank to emerge when it is emptied.
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.The center of gravity of the floating tank is above the liquid level of the base tank and, especially during filling and accidental lateral loading, it can become unstable due to an incorrect design solution.
Tato plovoucí nádrž při štíhlejším tvaru vyžaduje tudíž pevné vedení pro zajištění stability.This floating tank, with its slimmer shape, therefore requires a solid line to ensure 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.The stability of the floating tank against overturning can be increased on the principle of a catamaran so that the floating tank will have, if possible, a width greater than its height above the surface, while the specific ratio of these quantities depends mainly on the ratio of the weight of the pumped water filling and the weight of the floating tank and on the choice permissible tilting of the floating tank.
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.Advantageously, dividing the liquid part of the floating tank with built-in partitions or creating a connected system of smaller tanks slows down or prevents the overflow of a large volume of water in the floating tank and thus further improves the stability of the floating tank against overturning.
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.Internal partitions and/or chambers which are also useful as reinforcements of the floating tank to increase its strength or to reduce the thickness of the peripheral walls of the floating tank.
- 7 CZ 309913 B6- 7 CZ 309913 B6
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.At the level of the upper and lower edges of the floating tank, at the level between the water tanks and spacers, and at the level between the floats and spacers, the floating tank can be reinforced with horizontal flanges, which significantly strengthen the bending stiffness of the floating tank, optimally to the point that it will be reduced the need to reinforce the modules with internal vertical reinforcements.
Pro účely přečerpávací elektrárny je žádoucí co nejlépe využít objem základní nádrže.For the purposes of the pumped storage power plant, it is desirable to make the best possible use of the volume of the base tank.
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.The float is a part of the module that is mostly submerged in the base tank and its buoyancy determines the weight of all parts of the module. The float is a pressure vessel, preferably a closed pressure vessel, it is stressed mainly by the external overpressure of the water and the weight of the supported parts of the module. The lateral external overpressure of water acting on the walls of the float increases linearly with the depth of immersion of the float. Floats may also have inner rings to reinforce against external overpressure.
Plováky jsou s výhodou plněny plynem, s výhodou inertním plynem, který omezuje korozi materiálu plováku.The floats are preferably filled with gas, preferably an inert gas, which limits the corrosion of the float material.
V zájmu co největší kapacity plovoucí nádrže je nutné, aby konstrukce modulů byla co nejlehčí, a tím, aby jejich výška mohla být co nejvyšší.For the sake of the largest possible capacity of the floating tank, it is necessary that the construction of the modules be as light as possible, and thus their height can be as high as possible.
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.The float is therefore preferably filled with gas, preferably nitrogen, so that its internal excess pressure is equalized as much as possible with the largest external overpressure of water during immersion in the base tank, preferably to an internal overpressure that is equal to the largest external overpressure of water, which corresponds to the full immersing the float. The float does not need to be reinforced against collapse by external overpressure as thoroughly as in the case of one-sided external overpressure loading, and it can be considerably lighter.
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.The internal air space of the water tanks above the water level is freely connected to the atmosphere by means of a venting pipe, so that the internal overpressure in the water tanks is caused only by the hydrostatic pressure of the water filling and to ensure a constant height of the water column to the hydropower system throughout the working stroke of the floating tank, so the power losses of the controls are minimized.
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.The gas space above the liquid level in the floating tank can advantageously be opened to the gas space of the base tank. When pumping liquid in order to change the height position of such a floating tank, the pressure difference in the liquid energy system is practically constant throughout the working stroke of the floating tank, so that the power losses of the controls are minimized.
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.Similarly, the air space between the floats above the water level in the base tank is freely connected to the atmosphere by means of ventilation holes, so that the external overpressure on the floats is caused only by the hydrostatic pressure of the water filling and to ensure a constant height of the water column to the hydropower system.
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.The space between the water tanks as well as the entire space inside and outside the spacers can also be filled with nitrogen or other suitable gas to increase corrosion protection.
Moduly jsou vyrobeny výhodně s průměrem do 3,6 m, aby bylo možno snadno dopravovat jejich díly od výrobce po železnici.The modules are advantageously manufactured with a diameter of up to 3.6 m, so that their parts can be easily transported from the manufacturer by rail.
Uzavřením a vyztužením prostoru mezi moduly se tedy zvýší efektivnost využití prostoru a kapacita plovoucí nádrže pro akumulování potenciální energie o 20 až 30 %.Therefore, by closing and reinforcing the space between the modules, the efficiency of the use of space and the capacity of the floating tank for accumulating potential energy will be increased by 20 to 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.At greater depths, it is advantageous to divide the float in height into several compartments, which are separated from each other by a pressure partition, preferably in the shape of an arched bottom.
Každý oddíl plováku, jinak též segment, je plněn plynem s výhodou na vnitřní přetlak, kterým jeEach section of the float, also known as a segment, is filled with gas with an advantage to the internal excess pressure, which is
- 8 CZ 309913 B6 co nejvíce vyrovnán vnější přetlak vody odpovídající jeho největší konkrétní hloubce ponoření v základní nádrži.- 8 CZ 309913 B6 equalized as much as possible the external overpressure of the water corresponding to its greatest specific depth of immersion in the base tank.
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.As the placement depth increases, the segments are filled to a higher internal overpressure, which is equalized with the external overpressure, and the wall thickness of the segments can be significantly less than if there was a uniform internal overpressure throughout the float corresponding to the maximum immersion depth in the base tank. This further significantly reduces the weight of the float.
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.The internal overpressure of the float and its segments can be advantageously higher than the external overpressure of the water corresponding to their greatest specific depth of immersion in the base tank, which increases the resistance of the float and its segments to accidental external overload by hitting the bottom or to sabotage.
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.In the upper days of the segments, it is advantageous to create transition overpressure chambers for the possibility of maintenance workers entering the segments with different overpressure. The chambers must be equipped with reliable closures that prevent the leakage of filling gas between the segments.
Pro účely plovoucí nádrže je výhodné využívat co největší část plochy a hloubky základní nádrže.For the purposes of a floating tank, it is advantageous to use as much of the area and depth of the base tank as possible.
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.The floating tank can advantageously be assembled from modules with a uniform immersion depth of the floats, and thus with a uniform building height of the modules according to the chosen depth level in the basic tank. The deeper the level for deeper immersion of the floats is chosen, the smaller the area of the floating tank will be, since the areas of the depth levels of the base tank decrease towards the bottom of the base tank. However, as the area decreases and the depth increases, the stability of the floating tank decreases, which must therefore have a smaller discharge height, and thus the specific price and investment requirements of the floating tank may increase adversely. All the energy systems in this floating tank can be of the same power, because they all have the same discharge height.
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.The floating tank can advantageously be assembled from modules with different immersion depths of the floats according to the depth profile of the base tank, and therefore with different building heights of the modules, so that not only almost the entire width but also almost the entire depth of the base tank can be used for the purposes of the floating tank, i.e. almost the entire volume of the base tank. This design allows the axis of the center of gravity of the floating tank to be identical to the axis of buoyancy of the floating tank. At the same time, due to the large width of the floating tank, its stability can be well ensured even with a large construction height of modules with a deeper draft of floats. For each group of modules with the same construction height, a corresponding group of energy systems with the same displacement height can be available. It is advantageous to fill and empty tanks of different heights simultaneously and proportionally in order to minimize the shear stress in the stiffeners between the differently loaded modules.
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.The lower bottoms of the floats of different heights are preferably equipped with openings with closures for the possibility of flooding the inner space of the floats to balance the position of the floating tank, e.g. during assembly or during repairs, or in the event of a failure of the floating tank.
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).A pumped storage power plant with a lower base tank and an upper floating tank can be advantageously operated in such a way that by pumping liquid from the base tank into the liquid part of the floating tank with the help of an energy system, this floating tank sinks under the action of gravity against the buoyancy of the gas part of the floating tank (the consumption of electrical energy accumulates positional energy of water) and by draining the liquid from the floating tank into the base tank with the help of an energy system, the floating tank emerges due to buoyancy (electricity is produced by consuming the water's positional energy).
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.Alternatively, the plant may be operated with liquid space at the top of the floating tank depending on weather conditions, particularly wind speed, and the current depth of water in the base tank.
- 9 CZ 309913 B6- 9 CZ 309913 B6
V elektrárně jsou prostory nádrží s různým energetickým potenciálem spojeny cestami pro přenos energie.In the power plant, tank spaces with different energy potential are connected by paths for energy transmission.
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.In general, the path for conducting the liquid or gas can advantageously be formed by a pipe. The path for conducting gas or the gas path can also be called an air path, if the gas is compressed air, or a ventilation path, if it connects the air space of the tank freely to the atmosphere.
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.Pipelines for power transmission in the power plant preferably directly connect the spaces of the base and floating tanks containing the pumped liquid. For example, if the pumped liquid is a liquid, then during pumping by the pump, the discharge pipe connects the liquid spaces of the floating and basic tanks immediately, i.e. directly, without interrupting the displacement water column by the gas space. Thus, the consumption of electrical energy for overcoming the height difference between the liquid levels in the floating and base tanks is reduced to a minimum. Similarly, when the liquid is transferred from the higher level of the upper tank through the turbine, the liquid pipeline is opened directly below the lower level of the lower tank, and thus the height drop is maximally used for the production of electricity.
Cesta pro vedení kapaliny nebo plynu může být vytvořena s výhodou přímo stěnami nádrže.The path for conducting liquid or gas can advantageously be created directly through the walls of the tank.
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.The path for conducting the liquid is then preferably created in such a way that the floating tank has no bottom and is submerged by the walls below the level of the liquid in the base tank, the path for conducting air is preferably created in such a way that the floating tank does not have a ceiling and is open to the air or to gas space above the base tank level.
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.A path for conducting liquid or gas becomes a path for energy transmission if it is connected to an energy system and is closable. The liquid path for energy transfer is connected to the liquid energy system, the gas path for energy transfer is connected to the gas energy system.
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.The power plant according to the invention accumulates potential energy mainly in the floating tank and in the connected paths for energy transmission. In particular, for this purpose, each energy transfer path according to the invention is closable, i.e. includes at least one closure that allows for the accumulation of potential energy by blocking the flow of fluid between the reservoirs.
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.The liquid or gas path preferably includes a shut-off and/or regulating fitting, preferably a valve, preferably a non-return valve or non-return flap in the case of single-acting energy transmission.
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.Advantageously, different paths and corresponding closures can be combined to accumulate potential energy. The same or a different cap can be used to release the accumulated energy, or other way than to accumulate energy.
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.The gas power plant is used when the pumped liquid is gas, it can be advantageously placed in the upper part of the floating tank above the liquid level, so that it is not so much exposed to possible aggressive effects of the liquid and is easier to reach for maintenance. In the floating tank, a gas space of the required volume is created above the liquid level. For the possibility of accumulating the potential energy of the floating tank by accumulating the pressure energy of the gas, the gas space of the floating tank is preferably connected by means of a closable gas path to the gas space of the basic tank, preferably with air if the basic tank is open. A tank filled with compressed gas is then called a pressurized gas tank or also a compressed air tank, if the compressed gas is air.
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 zAir pressure energy can be created, i.e. increase or decrease the air pressure in one tank above or below the value of the atmospheric pressure or the pressure in the other tank, preferably with a compressor or a vacuum pump with a closed liquid path or by pushing or extracting liquid into or from
- 10 CZ 309913 B6 tlakovzdušné nádrže čerpadlem nebo reverzní turbínou.- 10 CZ 309913 B6 compressed air tanks by pump or reverse turbine.
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.When pumping gas, the liquid space of the floating tank can advantageously be opened to the liquid space of the base tank, so that the pressure difference in the gas energy system during the working stroke is constant, so that the power losses of the controls are minimized.
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.Changing the height position of the pressurized gas floating tank can be advantageously performed by pumping the liquid, during which the gas compression in the floating tank changes. By pumping liquid from the base tank with a pump into the floating tank, the floating tank is submerged and the gas in the closed gas space above the surface of the floating tank is compressed. By passing the liquid through the turbine from the floating tank to the base tank, this floating tank emerges and the gas expands above the surface of the floating tank.
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.Accumulation of gas pressure energy in the reservoir is part of an energy cycle that includes polytropic gas compression and expansion, which are thermodynamic changes that are irreversible mainly due to the predominant removal of heat from the gas to its surroundings. Heat losses reduce the efficiency of energy storage.
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.To improve the thermodynamic efficiency of the compression cycle, it is advantageous to recover the compression heat, in other words, to accumulate the compression heat of the compressed gas and use it during expansion or during gas withdrawal, polytropic changes then approach adiabatic changes. The power plant according to the invention can advantageously contain a device for recovery of compression heat. Compression heat is also accumulated in the pumped liquid, which is especially advantageous when the liquid is pumped between tanks in a closed cycle. Heat losses accumulated in fluids are also reduced by insulating tanks and pipes.
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.When accumulating the pressure energy of the gas in a tank with an open liquid level, another disadvantage is that the gas from the space above the liquid level is gradually absorbed in the liquid in proportion to the excess pressure and is removed by the pumped liquid, as a result of which its density decreases as its volume increases, and the power plant's working cycle becomes pressure can be disturbed to such an extent that pumping stops after a number of cycles. As the temperature increases, the liquid absorbs the compressed gas less.
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.In order not to reduce the volumetric efficiency of the pumping cycle by reducing the volume of gas in the closed pressure tank, for example by cooling or absorption in the liquid or loss through leaks, the power plant according to the invention preferably contains a device for replenishing gas from an external source, which is formed preferably by a compressor or preferably by a pressure vessel with compressed gas and closable gas pipe. However, adding gas also reduces the overall efficiency of the energy cycle.
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.The tank can advantageously contain a separate space for the compressed gas, which therefore does not have direct overpressure contact with the liquid level in the tank and cannot dissolve in the liquid.
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.Advantageously, in the pressure tank, a separate space for compressed gas is created by a flexible, preferably collapsible membrane, preferably it is formed by a membrane bag, whereby the spaces for liquid and gas are completely separated.
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.In the pressure tank, a separate space for the compressed gas can be advantageously created by an auxiliary pressure vessel containing an auxiliary gas energy system. During the filling of the pressure tank with liquid, the gas from this tank is forced into the auxiliary pressure vessel by the auxiliary compressor, and when the liquid is exhausted from the pressure tank, the compressed gas is discharged from the auxiliary pressure vessel through the auxiliary gas turbine.
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.A power plant with a compressed-air floating tank, where the pumped liquid is gas, can advantageously have the base tank created as an annulus only for the necessary movement of the walls of the floating tank, therefore the amount of liquid needed to ensure the movement of the floating tank is minimal here.
- 11 CZ 309913 B6- 11 CZ 309913 B6
Při hloubení této základní nádrže je také značně redukováno i množství vytěžené horniny.When excavating this base reservoir, the amount of excavated rock is also greatly reduced.
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.The power plant according to the invention contains a liquid and/or gas energy system in which electrical energy is consumed to accumulate potential energy and electrical energy is produced from the consumed potential energy.
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.The liquid power system preferably contains a pump for converting electrical energy into liquid potential energy and further contains a liquid turbine for converting liquid potential energy into electrical energy. The transfer of liquid by the hydropower system between the tanks is carried out by means of a liquid pipeline. The turbine and pump can be connected in parallel to a common fluid line or they can be connected separately, the turbine to the supply line and the pump to the discharge line. The power plant can include a reverse turbine that can work in both turbine and pump mode, for example a Francis turbine. A turbine can be connected to a generator, a pump can be connected to a motor, a reverse turbine can be connected to a motor-generator.
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.The gas power plant preferably contains a compressor, fan or vacuum pump to convert electrical energy into gas pressure energy and further contains a gas engine, for example a gas turbine, for air an air turbine, to convert gas pressure energy into electrical energy, or contains a reverse gas turbine which can work in both turbine and compression mode. The transfer of gas by the gas power plant between the tanks is carried out by means of gas pipelines. A parallel or serial connection to the gas pipeline can be made analogously to the liquid energy system.
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.In a power plant, where the accumulation of gas pressure energy in a floating tank takes place during pressure or flow changes during the energy cycle, the demands on the regulation of the energy system increase, which also reduces the effectiveness of this variant of the invention.
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.The performance of the energy system is advantageously adjustable. The power plant according to the invention can advantageously contain several energy systems of the same or different power for better regulation and for grading the power of energy accumulation or production or even to increase the reliability of operation.
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.The power system also includes other usual accessories, such as equipment for adjusting the parameters of electrical energy and for its transmission to or from the point of consumption and equipment for damping hydraulic, mechanical or electromagnetic shocks and oscillations. A suction basket or combs in the water supply pipe or a suction filter in the air supply pipe to the energy system are also assumed.
Elektrárna obsahuje s výhodou strojovnu, ve které je umístěno energetické soustrojí.The power plant preferably includes a machine room in which the energy equipment is located.
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.The engine room or just the power system of the hydroelectric power plant according to the invention, e.g. the water power system, can be advantageously directly exposed to the water environment, which is the usual design for submersible pumps or turbines, or can be advantageously placed in a pressure casing, filled with air or other, preferably inert, gas or liquid, preferably an inert liquid, so that they are protected from the outside against overpressure and other adverse, especially corrosive, effects of the water environment. Advantageously, the liquid or gas filling of the pressure housing is compressed so that, through this filling, the external hydrostatic pressure on the machine body is at least partially equalized with the internal hydrostatic pressure, thus reducing the stress on the machine and the pressure housing.
Přenos elektrické energie mezi energetickým soustrojím a elektrickou sítí lze výhodně řešit pohyblivým kabelem nebo s výhodou pomocí troleje.The transmission of electrical energy between the power system and the electrical network can be advantageously solved with a moving cable or, preferably, with the help of a trolley.
Elektrárna dle vynálezu s výhodou obsahuje zabezpečovací zařízení, např. koncové vypínače, proThe power plant according to the invention advantageously contains security devices, e.g. limit switches, for
- 12 CZ 309913 B6 vymezení polohy a pohybu plovoucí nádrže.- 12 CZ 309913 B6 definition of the position and movement of the floating tank.
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.The power plant according to the invention advantageously contains a guiding device for guiding the floating tank along a determined trajectory in the area of the base tank. The guiding device ensures smooth guidance of the floating tank against yawing, swaying and overturning, caused for example by its own inertia, waves, water currents or wind, preferably in the form of a sliding and/or rolling and/or articulated device, in a large base tank preferably as guide frame or parallelogram, fixed, for example, to the bottom of the basic tank.
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.The perfection of the guidance also depends on the number of degrees of freedom of the guiding device. Advantageously, the guiding device consists of a cable guide, whereby the guiding ropes are preferably fixed to the bottom and to floats on the surface of the base tank, whereby the floats are preferably connected to each other and preferably horizontally stabilized. A rope anchored to the bottom of the base tank and tensioned by the buoyancy of the float does not allow the float tank to be guided with exactly one degree of freedom, but as it is a self-centering device, it can be quite close to that degree.
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.The floating tank may be equipped with equipment, preferably marine engines, to maintain its position in the base tank and/or to move it to, for example, a dock for repairs.
Elektrárna s výhodou obsahuje blokovací zařízení, s výhodou zarážku, s výhodou odpruženou. Blokovací zařízení může být s výhodou samočinné, s výhodou dálkově ovladatelné.The power plant preferably contains a blocking device, preferably a stop, preferably a spring-loaded one. The blocking device can preferably be self-acting, preferably remotely controllable.
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.This blocking device is used to define the position of the floating tank in the specified place of the base tank, it preferably ensures the position of the floating tank within the limits required by the operating cycle, e.g. in the extreme position, it preferably prevents the floating tank from landing on the bottom of the base tank and thereby damaging it.
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.The blocking device can advantageously serve to stabilize the floating tank in the base tank, preferably in the upper operating position, which enables further accumulation of the potential energy of the fluid by pumping it between the tanks and thereby expanding the operating methods to increase the capacity of the pumping station.
Po stabilizování plovoucí nádrže se přečerpáváním tekutiny mezi nádržemi akumuluje ve stabilizované plovoucí nádrži pouze potenciální energie tekutiny, přičemž bezprostřední přečerpávání probíhá tak, žeAfter the floating tank is stabilized, only the potential energy of the fluid is accumulated in the stabilized floating tank by pumping the fluid between the tanks, while the immediate pumping takes place in such a way that
- 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- by pumping fluid from a place with a lower energy potential in the first tank directly to a place with a higher energy potential in the second tank with the help of an energy system during the consumption of electricity, the potential energy of the fluids in the stabilized floating tank is accumulated and
- 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.- by transferring fluid from a place with a higher energy potential in the second tank directly to a place with a lower energy potential in the first tank using an energy system, i.e. by consuming the potential energy of the fluids in the stabilized floating tank, electrical energy is produced.
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.The hydrostatic pressure drop, i.e. the level difference, changes during the operation of the stabilized tank in the same way as in the usual pair of stable tanks, i.e. when pumping water from the lower tank to the upper tank, the difference in their levels increases, when transferring from the upper tank to the lower tank, the difference in their levels decreases, which means performance variability or increased demands for its regulation.
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.Stabilized tank blocking stops carry the full buoyancy of an empty tank or, on the other hand, the full weight of a full tank, which means significant stress both in the design of these stops and in the structure of the stabilized tank.
Kapalinové energetické zařízení však musí být umístěno tak, aby se nesnižoval zpracovávanýHowever, the liquid energy equipment must be located so as not to reduce the processed
- 13 CZ 309913 B6 výškový rozdíl hladin v nádržích elektrárny.- 13 CZ 309913 B6 height difference of levels in the reservoirs of the power plant.
Energetické zařízení je prostřednictvím potrubí pro přenos energie spojeno s plovoucí nádrží a je vždy umístěno v úrovni nebo pod úrovní hladiny dolní nádrže.The power plant is connected to the floating tank through a power transmission pipe and is always located at or below the level of the bottom tank.
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.The location at the level of the lower tank level means the location at most at such a height above the level in the lower tank that there is no rupture of the liquid column in the power system and in the liquid pipeline.
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.The energy system of the hydroelectric power plant according to the invention preferably moves in line with the floating tank, it can advantageously be connected to the floating tank. With this design, the pressure difference in the liquid energy system during pumping is almost constant, and the energy potential of the floating tank is thus best used.
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.Advantageously, the power plant is mounted on the outside of the floating tank, making it more accessible for maintenance. However, the asymmetric location of the power system on the floating tank and the resulting fluid flow can be the cause of unwanted deflections of the floating tank in the base tank, which must be compensated for, for example, by a guiding device or by suitable balancing of the floating tank.
Podle dalšího znaku vynálezu může být energetické soustrojí umístěno mimo plovoucí nádrž.According to another feature of the invention, the power system can be located outside the floating tank.
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.The energy system of the hydroelectric power plant according to the invention is preferably located in a pontoon or other floating device or is preferably connected to a floating tank preferably by means of a sliding or articulated device, while at the same time it is movably connected to a pipe for transferring fluids between the tanks, and this pipe it is advantageously flexible, hinged or telescopic. As the power plant moves at the level of the water in the lower tank, it is more easily accessible for maintenance.
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.In this context, the energy system can advantageously be firmly connected to the base tank in which the mobile tank is located, it is preferably located on a structure attached to the bottom of the base tank, preferably in a hollow tube, or it is preferably located on the bank of the base tank or preferably in a pontoon or in another floating device also located in the base tank, while it is connected to the floating tank by means of a flexible pipe, preferably the pipe is made of plastic, preferably reinforced.
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.The advantage of this design can be better access during assembly and maintenance, the disadvantage is longer and more complex paths for energy transmission, which is associated with energy losses, or with a lower service life of flexible pipes.
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.The pumped-storage power plant preferably contains an access path to the power plant, preferably in the form of a pipeline, preferably contains transport equipment, preferably a rope or rack-and-pinion device, for the transport of people and material for the assembly and maintenance of the power plant.
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.The floating tank preferably has a hydrodynamic shape and a smooth surface, which reduces the resistance to the movement of the floating tank in the liquid and thereby increases the efficiency of energy accumulation and production.
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,However, there are situations where the low hydrodynamic resistance of a floating tank is a disadvantage. Therefore, the floating tank preferably contains a hydrodynamic motion damper, a stabilizer, the purpose of which is to increase the hydrodynamic resistance and thereby slow down the movement of the floating tank, especially to dampen its swaying on the surface. The damper is preferably attached to the bottom of the floating tank so that it remains below the surface as much as possible during rocking of the floating tank, even if the floating tank or part thereof emerges to the upper operating position. The damper has a shape that imposes the greatest possible hydrodynamic resistance, preferably in at least one direction of movement, for example when completing the operating stroke of the floating tank to the extreme operating position, preferably in both directions of the given direction of movement,
- 14 CZ 309913 B6 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 %.- 14 CZ 309913 B6 for example to limit the height swing of a floating tank. Advantageously, the damper has the shape of a flat or curved plate, preferably oriented perpendicularly or obliquely to the direction of movement, or the shape of an open cavity, preferably in the shape of a hollow hemisphere, preferably oriented with the cavity against the direction of movement. The damper is preferably mounted so that it is out of reach of the turbulent flow created by the floating tank itself, preferably on the side of the floating tank. Advantageously, the floating tank is equipped with at least one damper for each kinematic degree of freedom, preferably multiple dampers. Advantageously, the floating tank has shock absorbers located symmetrically to at least one axis of movement. The damper is preferably extendable and/or tiltable and/or removable and/or remotely controlled. For example, a floating tank that has two degrees of freedom, i.e. it can swing vertically and swing sideways, tilt in one vertical plane, should be equipped with two shock absorbers, i.e. for swinging and for side swinging. The damper can dampen the rocking or swaying of the floating tank by up to 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.Advantageously, the pumped storage power plant can be equipped with another, auxiliary energy system, with the help of which the submergence of the floating tank can preferably be gently regulated and/or its swaying on the liquid level in the base tank can be dampened when the operation of the main power system is stopped and, for example, to facilitate loading and unloading of transported material or when people get on and off.
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.Since the floating tank in general can be extendable high above the surrounding terrain, a solar and/or wind power plant can advantageously be placed on it, the electrical energy of which can advantageously be directly accumulated in the floating tank. An interesting advantage here is that the average power output of both the solar and wind power plants increases with greater displacement of the floating tank - offering more sunshine and faster wind.
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.The surface and internal, i.e. gas, spaces of the floating tank can be advantageously used for other purposes, for example for housing, for sports and recreational activities, such as a lookout tower or for advertising purposes.
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.During the periodic transformation of electrical energy into potential energy, and vice versa, losses in the energy system will be manifested by heating the water in the tanks, especially when covering or insulating the tanks, which may have a relatively small volume, which results in a lower risk of freezing of the water and the surrounding terrain in winter , regardless of the industrial, agricultural and recreational possibilities of using the accumulated waste heat. Advantageously, this waste heat can be used with the help of heat pumps for heating and/or for further production of electricity.
Plovoucí nádrž je i ve zvednuté poloze velmi odolná proti zemětřesení, a zvláště při velkých rozměrech je odolná proti nepříznivým povětrnostním podmínkám.Even in the raised position, the floating tank is very resistant to earthquakes, and especially with large dimensions it is resistant to adverse weather conditions.
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.The production of steel, as well as the transport during the construction of the pumped storage power plant according to the invention, are energy-intensive as with other hydropower plants, but due to the similarly long life of the power plant, its overall carbon footprint is also relatively insignificant, especially compared to other types of storage power plants, e.g. electrochemical .
Přečerpávací elektrárna podle vynálezu je vhodná především pro velké výkony a kapacity, jež rostou přibližně se čtvrtou mocninou rozměru.The pumped storage power plant according to the invention is particularly suitable for large outputs and capacities that grow approximately with the fourth power of the dimension.
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.In vast base reservoirs, e.g. in lakes in the area of mined surface mines or in the sea, a floating reservoir can be conveniently built with a large discharge height and a large diameter.
Přečerpávací elektrárna podle vynálezu ve srovnání s dosavadními řešeními vykazuje všestranné zlepšení parametrů a dalších užitných vlastností:Compared to existing solutions, the pumped storage power plant according to the invention shows an all-round improvement in parameters and other useful properties:
- mnohem lépe využívá rozlohu a hloubku základní nádrže,- makes much better use of the area and depth of the basic tank,
- maximálně využívá pevnostní vlastnosti a korozní odolnost konstrukčního materiálu,- makes maximum use of the strength properties and corrosion resistance of the structural material,
- 15 CZ 309913 B6- 15 CZ 309913 B6
- minimalizuje hmotnost plováku,- minimizes the weight of the float,
- mnohonásobně zvětšuje výtlačnou výšku přečerpávání,- multiplies the discharge height of pumping,
- zachovává soudržnost a stabilitu konstrukce proti převrácení i při velmi silném větru,- maintains the cohesion and stability of the structure against overturning even in very strong winds,
- modulová konstrukce zjednodušuje výrobu a montáž plovoucí nádrže,- the modular design simplifies the production and assembly of the floating tank,
- dosahuje mnohem příznivější poměr ceny plovoucí nádrže a akumulované energie.- achieves a much more favorable ratio of the price of the floating tank and the accumulated energy.
Při porovnání dosažitelných kapacit akumulované energie přečerpávací elektrárna s plovoucí nádrží efektivnější konstrukce podle vynálezu výrazně překonává možnosti dosavadních přečerpávacích elektráren s plovoucí nádrží:When comparing the achievable capacities of accumulated energy, the pumped-storage power plant with a floating tank of a more efficient design according to the invention significantly exceeds the capabilities of existing pumped-storage power plants with a floating tank:
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.For example, a current pumping station with a lower or upper floating reservoir created in a base reservoir with a depth of 50 m with a usable depth of 40 m can achieve a working lift of N = 20 m and a discharge height of V = 20 m in an optimal design, so it will have a theoretical capacity of approximately E = 1100 MWh/100 ha, while a pumped storage power plant with an upper floating reservoir according to the invention created in the same basic reservoir with a depth of 50 m can achieve a working lift of N = 28 m at an optimal discharge height of V = 500 m at the same usable depth of 40 m, so it will have theoretical capacity significantly higher, i.e. approximately 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.For model calculations to compare the energy efficiency of different designs of hydroelectric power plants, it is sufficient to consider only variable physical quantities and instead of total energy values, only their equivalents should be monitored.
Například ekvivalent Ee změny potenciální energie plovoucí nádrže, vyjádřený výtlačnou výškou V a pracovním zdvihem N, lze zjednodušeně vyjádřit vynásobením obou veličin:For example, the equivalent Ee of the change in potential energy of a floating tank, expressed by the discharge head V and the working lift N, can be simply expressed by multiplying both quantities:
Ee = V.NEe = V.N
Využívání přečerpávacích elektráren s plovoucí nádrží dle vynálezu umožňuje řešit zásadní problémy elektroenergetiky:The use of pumping stations with a floating tank according to the invention makes it possible to solve the fundamental problems of the electric power industry:
- mnohonásobně zvýšit akumulované množství elektrické energie proti současnému stavu,- to multiply the accumulated amount of electrical energy against the current state,
- rychle vyrovnávat disproporce mezi proměnlivou spotřebou elektrické energie a značně nepravidelnou výrobou z obnovitelných zdrojů,- quickly balance the disproportions between the variable consumption of electricity and the highly irregular production from renewable sources,
- poskytovat možnost kompenzace účiníku a nerovnoměrností v elektrické síti používáním točivých strojů,- to provide the possibility of compensating the power factor and unevenness in the electrical network by using rotating machines,
- snížit náklady na řešení disproporcí mezi výrobou a spotřebou elektrické energie,- reduce the costs of solving disproportions between the production and consumption of electricity,
- rozšířit a zlevnit výrobu elektrické energie z obnovitelných zdrojů,- expand and make the production of electricity from renewable sources cheaper,
- omezit výrobu energie z fosilních paliv,- limit energy production from fossil fuels,
- zvýšit energetickou soběstačnost a bezpečnost pro velké i malé územní celky,- increase energy self-sufficiency and security for large and small territorial units,
- omezit masivní přenosy elektrické energie na dlouhé vzdálenosti i mezi státy, - významně přispět ke zlepšení životní prostředí.- to limit the massive transmission of electricity over long distances and between countries, - to significantly contribute to the improvement of the environment.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Vynález bude blíže objasněn na příkladech provedení dle přiložených výkresů:The invention will be explained in more detail on examples of execution according to the attached drawings:
obr. 1 znázorňuje schéma běžného modulu plovoucí nádrže, obr. 2 znázorňuje schéma modulu s energetickým soustrojím, obr. 3 znázorňuje schéma uspořádání horního sběrného potrubí,Fig. 1 shows a diagram of a normal floating tank module, Fig. 2 shows a diagram of a module with an energy system, Fig. 3 shows a diagram of the arrangement of the upper collecting pipe,
- 16 CZ 309913 B6 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.- 16 CZ 309913 B6 Fig. 4 shows the swimming scheme of the floating tank module with a one-piece float, Fig. 5 shows the swimming scheme of the floating tank module with a three-piece float, Fig. 6 shows the scheme of the pumping station with the upper floating tank with hydropower equipment, Fig. 7 shows a diagram of a pumped-storage power plant with an upper floating tank with a hydropower system and with different building heights of the modules.
Příklady uskutečnění vynálezuExamples of implementation of the invention
Na obr. 1 je znázorněno schéma běžného modulu plovoucí nádrže.Fig. 1 shows a diagram of a common floating tank module.
Běžný modul 7.1 plovoucí nádrže má tři základní části:A common floating tank module 7.1 has three basic parts:
- horní část - nádrž 7a na vodu, je namáhána hlavně vnitřním přetlakem vody,- the upper part - water tank 7a, is stressed mainly by the internal overpressure of the water,
- 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,- middle part - intermediate piece 7b, which serves to support the upper part and to connect the upper and lower parts, is stressed mainly by the vertical weight of the supported parts,
- 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.- lower part - float 7c, which serves to support the upper and middle parts and sinks into the base tank 2, thereby creating the buoyancy needed to accumulate potential energy, is stressed mainly by the external overpressure of the water and the vertical weight of the supported parts.
Moduly 7.1 jsou uvnitř i vně vyztuženy plochými svislými výztuhami pro vyztužení stěn modulů 7.1 a pro vzájemné spojení modulů 7.1.Modules 7.1 are reinforced inside and outside with flat vertical braces to reinforce the walls of modules 7.1 and to connect modules 7.1 to each other.
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.From the bottom of the water tanks 7a, branches of the water pipe 12 are brought out, which are equipped with regulating water valves 18. These branches are connected to the double upper collection water pipe 12 located in the upper part of the intermediate pieces 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.In the lower part of the floats 7c, the lower collection water pipe 12 is installed, which is equipped with branches with suction baskets to evenly distribute the flow of water during its intake and discharge, in order to avoid unwanted swirling of sludge at the bottom of the base tank 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.The left part of the picture shows the front view of module 7.1, the right part of the picture shows the side view of module 7.1. A floor plan of module 7.1 is shown below the side view, a section of module 7.1 is shown to the right of the side view.
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.Fig. 2 shows a diagram of a separate module of a floating tank with a hydropower system. This standalone module 8 has some modifications compared to the regular module 7.1 to which it is attached.
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.A vertical water pipe 12 is installed in the intermediate piece 7b and in the float 7c, which connects the upper and lower horizontal lines of the collecting water pipe 12 and which is connected to the water energy systems 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.The upper part of the float 7c is extended at the expense of the intermediate piece 7b to accommodate the water power system, which has a two-machine arrangement - a reverse turbine 15a and a motor generator 15b - with a vertical shaft.
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.The reverse turbine 15a is situated at such a height that its horizontal axis is always below the water level in the base tank, i.e. even in the upper operating position of the floating tank. It thus permanently ensures a negative suction height.
- 17 CZ 309913 B6- 17 CZ 309913 B6
Motorgenerátor 15b je umístěn nad reverzní turbínou 15a nad úrovní hladiny vody v základní nádrži 2.The motor generator 15b is located above the reverse turbine 15a above the water level in the base tank 2.
Nad a pod reverzní turbínou 15a jsou ve svislém vodním potrubí 12 umístěny vodní uzávěry 18.Above and below the reverse turbine 15a, water seals 18 are located in the vertical water pipe 12.
Ve zvýšené části plováku 7c je nainstalováno zvedací zařízení 36 k usnadnění montážních prací na vodním energetickém soustrojí 15.In the elevated part of the float 7c, a lifting device 36 is installed to facilitate assembly work on the hydropower system 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.Fig. 3 shows a diagram of the arrangement of the upper collection pipe in the upper part of the intermediate piece under the water tank. The diagram shows the arrangement of the modules in triangular formations, which ensure an optimal solution for the strength of the module system when loaded with horizontal stress. The collecting water pipe 12 is made up of two layers of pipelines connected to each other. The location of the water pipe 12 in the cross-section of the intermediate piece 7b is chosen so that the walls of the intermediate piece 7b and the vertical reinforcements are weakened as little as possible. The criss-cross arrangement of the pipe runs ensures that the same number of water tanks are connected to each hydropower system, which helps their even filling/draining and the stability of the floating tank on the water level of the base tank. The vertical interconnection of horizontal pipelines serves to ensure a sufficient and even supply of water to hydropower systems and an even distribution of water when operating a different number of hydropower systems.
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 _.Giant. 4 shows a floating tank module float diagram with a one-piece float. The module 7.1 contains a water tank 7a, an intermediate piece 7b and a one-piece float 7a, which are made of thin sheet metal and have a circular horizontal cross-section. Intermediate piece 7b has a wall thickness _.
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.In Fig. 4a, the module 7.1 is in the upper operating position with an empty water tank 7a, in Fig. 4b the module 7.1 is in the lower operating position with a full water tank 7a. The water height N in the water tank is equal to the operating lift N, i.e. the height difference between the upper and lower operating positions of the module 7.1. The height difference V between the water level 11 in the water tank 7a (upper tank) and the water level 11 in the base tank 2 (lower tank) therefore remains the same in both operating positions of the module 7.1.
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.Giant. 5 shows a floating tank module floating diagram with a three-piece float. Module 7.1 contains a water tank 7a, an intermediate piece 7b and a three-piece float. The float 7c contains sections 7c1, 7c2, 7c3 (segments) which are made of a thin sheet of thickness t and their horizontal cross-section has a circular shape.
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.The individual sections 7c1, 7c2, 7c3 of the float 7c are filled with air with an overpressure equal to the largest hydrostatic water pressure to which the given section 7c1, 7c2, 7c3 of the float 7c is exposed when fully immersed in the base tank 2, i.e. the sections 7c1, 7c2, 7c3 of the float 7c located deeper are filled with air of greater overpressure.
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.The upper bottom of the lower section 7c1 serves as a pressure partition between the lower section 7c1 and the middle section 7c2, the upper bottom of the middle section 7c2 serves as a pressure partition between the middle section 7c2 and the upper section 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.Thus, this three-piece float 7c can have thinner walls and therefore less weight than a one-piece float of the same height, i.e. with the same buoyancy. The spacer 7b and/or the water tank 7a can therefore be higher than in the one-piece float module 7.1.
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.In Fig. 5a, module 7.1 is in the upper operating position, in Fig. 5b, module 7.1 is in the lower operating position. The water height N in the water tank 7a is equal to the operating lift N, i.e. the height difference between the upper and lower operating positions of the module 7.1. The height difference V between the water level 11 in the water tank 7a (upper tank) and the water level 11 in the base tank 2 (lower tank) therefore remains the same in both operating positions of the module 7.1.
- 18 CZ 309913 B6- 18 CZ 309913 B6
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.Fig. 6 shows a diagram of a pumped-storage power plant with an upper floating tank with a hydropower system. Fig. 6a and 6b show an elevation of the pumped storage power plant, Fig. 6c shows its floor plan.
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.The floating tank 7 is located in the basic tank 2 and is assembled from a set of modules 7.1 of pressure vessels with a circular cross-section, which are connected to each other by flat reinforcements in triangular formations. The common module 7.1 of the floating tank 7 has three basic parts: - upper part - water tank 7a, - middle part - intermediate piece 7b, - lower part - float 7c.
Poměr šířky k výšce plovoucí nádrže 7 je přibližně 1,5, aby byla zajištěna její stabilita proti převrácení.The width to height ratio of the floating tank 7 is approximately 1.5 to ensure its stability against overturning.
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.The floating tank 7 is stabilized against horizontal movement in the basic tank 2 by a guide frame 14, which has a floating part 14a and an anchor part 14b, which are hinged together. The anchor part 14b is also hinged in the foundations on the bank 1 of the base tank 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.By consuming electrical energy equivalent to Ee = -V*N from the network, the potential energy of water is accumulated by pumping it from the base tank 2 through the water pipe using water power systems to the water tanks 7a. The floating tank 7 descends, while its floats 7c sink into the base tank 2. Fig. 6a shows the floating tank 7 in the lower operating position.
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.By discharging water from the water tanks 7a through the water pipe through the water power systems into the base tank 2, with the consumption of the water's potential energy, it produces electrical energy equivalent to Ee = V*N and is supplied to the network. The floating tank 7 rises, while its floats 7c emerge from the base tank 2. In Fig. 6b, the floating tank 7 is shown in the upper operating position.
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.If the outer horizontal cross-section of the floats 7c is equal to the inner horizontal cross-section of the water tank 7a, then when water is pumped between the base tank 2 and the floating tank 7, the water level 10 in the base tank 2 does not change, nor does the height difference V between the water level 11 in the floating tank 7 and the water level 10 in the base tank 2 in the upper or lower operating position.
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.Fig. 7 shows a diagram of a pumped storage power plant with an upper floating tank with a hydropower system. The floating tank 7 is located in the basic tank 2 and is assembled from a set of modules 7.1, 8 with different construction heights.
Běžné moduly 7.1 jsou vybaveny:Common 7.1 modules are equipped with:
- plováky 7c s různou hloubkou ponoru podle hloubkového profilu základní nádrže 2, - mezikusy 7b s odpovídající různou výškou a- floats 7c with different immersion depths according to the depth profile of the basic tank 2, - intermediate pieces 7b with a correspondingly different height and
- 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.- water tanks 7a, which have the same height for all common modules 7.1, because the floating tank 7 moves as a whole during pumping and has a uniform operating stroke for all common modules 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.For each group of common modules 7.1 with the same construction height, there is a corresponding group of energy systems 15 and collection water pipes 12 with the same discharge height.
Energetická soustrojí 15 jsou umístěna v samostatných modulech 8, které jsou připevněny k plovákům 7c běžných modulů 7.1.Energy systems 15 are located in separate modules 8, which are attached to floats 7c of regular modules 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.The filling and emptying of all water tanks 7a can be carried out simultaneously and proportionally in order to minimize the shear stress in the stiffeners especially between the common modules 7.1 with different building heights.
- 19 CZ 309913 B6- 19 CZ 309913 B6
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.Fig. 7a shows the floating tank 7 with empty water tanks 7a in the upper operating position. Fig. 7b shows the floating tank 7 with filled water tanks 7a in the lower operating position.
Plovoucí nádrž 7 využívá téměř celou šířku a hloubku, tj. téměř celý objem, základní nádrže 2.The floating tank 7 uses almost the entire width and depth, i.e. almost the entire volume, of the base tank 2.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Přečerpávací elektrárna dle vynálezu má předpoklady k rozsáhlému využívání:The pumping station according to the invention has prerequisites for extensive use:
- 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,- the power plant is fundamentally and functionally simple, which are important conditions for its reliability, - the overpressure of the fluid in the power system can be almost constant throughout the working stroke, - the power plant has very good energy efficiency when pumping liquid,
- elektrárnu lze spustit a zastavit s vysokou pohotovostí,- the power plant can be started and stopped with high alertness,
- elektrárny lze stavět přímo v lokalitách s nerovnoměrnou výrobou nebo spotřebou elektrické energie,- power plants can be built directly in locations with uneven production or consumption of electricity,
- elektrárnu lze postavit s výkonem a kapacitou optimálně dle místních poměrů,- the power plant can be built with output and capacity optimally according to local conditions,
- elektrárnu lze vytvořit v pestrém sortimentu variant pro různé geografické i urbanistické podmínky a pro širší účely využití,- the power plant can be created in a wide range of variants for different geographical and urban conditions and for wider purposes of use,
- k výstavbě elektrárny lze využít pozemky po průmyslových areálech nebo těžbě surovin, zaplavovaná území i další vhodné lokality,- for the construction of the power plant, land after industrial areas or raw material extraction, flooded areas and other suitable locations can be used,
- elektrárna umožňuje dlouhodobé uložení energie bez ztráty kapacity,- the power plant enables long-term energy storage without loss of capacity,
- nabízejí se zajímavé možnosti využití odpadního tepla z energetického soustrojí,- there are interesting possibilities of using waste heat from energy systems,
- 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,- the floating tank of the power plant can be produced using common, cheap and ecological materials such as steel, with a long service life of tens to hundreds of thousands of cycles, tens to hundreds of years,
- při vývoji a výstavbě elektrárny lze navázat na zkušenosti se stavbami energetických vodních děl,- during the development and construction of the power plant, it is possible to build on experience with the construction of energy water works,
- elektrárna, zejména její plovoucí nádrž, je velmi odolná proti zemětřesení a proti nepříznivým povětrnostním podmínkám,- the power plant, especially its floating tank, is very resistant to earthquakes and adverse weather conditions,
- jestliže je základní nádrž elektrárny zahloubena v terénu, nehrozí riziko zaplavení okolí vodou při poškození základní nebo plovoucí nádrže,- if the base tank of the power plant is buried in the ground, there is no risk of flooding the surroundings with water in the event of damage to the base or floating tank,
- základní nádrž může sloužit také jako zásobník vody pro nouzové situace,- the basic tank can also serve as a water reservoir for emergency situations,
- provoz elektrárny je ekologický, nevznikají při něm škodlivé odpady,- the operation of the power plant is ecological, it does not produce harmful waste,
- materiál elektrárny je plně recyklovatelný,- the power plant material is fully recyclable,
- elektrárna má nízké provozní náklady,- the power plant has low operating costs,
- ekonomičnost investice a provozu je srovnatelná s klasickou přečerpávací elektrárnou se dvěma pozemními nádržemi.- the economy of investment and operation is comparable to a classic pumped-storage power plant with two ground tanks.
Claims (10)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2022-346A CZ309913B6 (en) | 2022-08-19 | 2022-08-19 | Pumped storage plant for the transfer between the base and floating tank |
PCT/CZ2023/050052 WO2024037681A2 (en) | 2022-08-19 | 2023-08-18 | A modular pumped-storage power plant |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2022-346A CZ309913B6 (en) | 2022-08-19 | 2022-08-19 | Pumped storage plant for the transfer between the base and floating tank |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CZ2022346A3 CZ2022346A3 (en) | 2024-01-31 |
CZ309913B6 true CZ309913B6 (en) | 2024-01-31 |
Family
ID=89661825
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CZ2022-346A CZ309913B6 (en) | 2022-08-19 | 2022-08-19 | Pumped storage plant for the transfer between the base and floating tank |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CZ (1) | CZ309913B6 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1601398A (en) * | 1977-04-20 | 1981-10-28 | Fernez A | Method and installation for generating power from the buoyancy of water |
WO2013163979A2 (en) * | 2012-05-01 | 2013-11-07 | Siegfried Sumser | Off-shore pumped-storage power plant |
US20140033700A1 (en) * | 2011-02-28 | 2014-02-06 | Universitat Innsbruck | Hydraulic energy store |
CN206721844U (en) * | 2017-03-29 | 2017-12-08 | 国家电网公司 | Suitable for the hydroenergy storage station and electricity generation system of offshore islands and reefs |
-
2022
- 2022-08-19 CZ CZ2022-346A patent/CZ309913B6/en unknown
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB1601398A (en) * | 1977-04-20 | 1981-10-28 | Fernez A | Method and installation for generating power from the buoyancy of water |
US20140033700A1 (en) * | 2011-02-28 | 2014-02-06 | Universitat Innsbruck | Hydraulic energy store |
WO2013163979A2 (en) * | 2012-05-01 | 2013-11-07 | Siegfried Sumser | Off-shore pumped-storage power plant |
CN206721844U (en) * | 2017-03-29 | 2017-12-08 | 国家电网公司 | Suitable for the hydroenergy storage station and electricity generation system of offshore islands and reefs |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CZ2022346A3 (en) | 2024-01-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2788981C (en) | Underwater energy storage system | |
US8966899B2 (en) | System and method for storing energy | |
US9617970B2 (en) | Pumped-storage power plant | |
JP2018132068A (en) | Pumped-storage power station | |
US8456031B1 (en) | Underwater pumped-hydro energy storage | |
CZ36530U1 (en) | Pumping station for pumping between the base and floating reservoir | |
CN113107749A (en) | Movable wave energy storage generator | |
EP2302202B1 (en) | Hydraulic propulsion for increases of hydroelektric power station capacity | |
CZ36529U1 (en) | Pumped storage power plant with upper and lower reservoir in a floating reservoir | |
CZ309913B6 (en) | Pumped storage plant for the transfer between the base and floating tank | |
JP4681009B2 (en) | Tidal energy hydropower generation method and apparatus | |
US20240301855A1 (en) | Combined wave energy converter and grid storage | |
KR20110031403A (en) | Pumped wave power generator using wave inertia | |
WO2013186785A1 (en) | Smart fluid displacement systems and methods and their innovative applications | |
WO2018037139A1 (en) | Foundation for floating wind turbines | |
WO2024037681A2 (en) | A modular pumped-storage power plant | |
CZ310091B6 (en) | A pumped storage plant with an upper and lower reservoir in the floating reservoir | |
CZ38134U1 (en) | A pumped storage with a separate lower and upper reservoir | |
AU2024201045A1 (en) | Hydropower plant | |
CN216642333U (en) | Buoyancy energy storage device | |
WO2024168403A1 (en) | Hydropower plant | |
CZ2023258A3 (en) | A pumped storage with stable reservoirs | |
KR20120011127A (en) | Vertical water bag aberration and aberration power plant structure using trough made of multiple layers | |
CZ37585U1 (en) | A pumped storage power plant with stable reservoirs | |
JP2024503133A (en) | Hydraulic mechanical energy storage and energy conversion device and drive method |