BG113415A

BG113415A - Method for construction of pumped-storage hydropower plant with an underground natural or artificial reservoir

Info

Publication number: BG113415A
Application number: BG113415A
Authority: BG
Inventors: Иван Кралов; Георги ТОДОРОВ; Ивайло Копрев; Христо ВАСИЛЕВ
Original assignee: Технически Университет - София
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2023-03-15

Abstract

The present invention relates to a method for construction of pumped-storage hydropower plant with an underground natural or artificial reservoir based on the usage of existing geological formations, wherein the setting-up of a upper aboveground water reservoir (1) includes the transformation of at least one naturally formed terrestrial basin or at least one abandoned pit of an open-pit mine. The method according to this invention uses an lower underground water reservoir (4) of natural origin, such as cavern. The two reservoirs are connected by a tunnel pipeline (2) for transportation of water. This type of pumped-storage hydropower plant with a lower reservoir underground and an upper reservoir aboveground provides a large energy storage capacity since it enables the use of massive waterworks which require minimum maintenance and minimum investment costs.

Description

МЕТОД ЗА ИЗГРАЖДАНЕ НА ПОМПЕНО-АКУМУЛИРАЩА ВОДНО ЕЛЕКТРИЧЕСКА ЦЕНТРАЛА С ПОДЗЕМЕН ЕСТЕСТВЕН ИЛИ ИЗКУСТВЕН РЕЗЕРВОАРMETHOD FOR BUILDING A PUMPED-STORAGE HYDROELECTRIC POWER PLANT WITH AN UNDERGROUND NATURAL OR ARTIFICIAL RESERVOIR

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАFIELD OF ENGINEERING

Изобретението се отнася до метод за съхранение на енергия, по специално зелена енергия, чрез подземни помпено-акумулиращи водни електроцентрали (ППАВЕЦ) с подземен естествен (от земни формирования) или изкуствен, но в резултат на минала активност (например от стари мини) резервоар.The invention relates to a method of storing energy, in particular green energy, by means of underground pumped-storage hydropower plants (SPPs) with an underground natural (from earth formations) or artificial, but as a result of past activity (for example, from old mines) reservoir.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАPRIOR ART

Възобновяемите енергийни източници имат най-бърз растеж в електроенергийния сектор, осигурявайки повече от 70% от световния растеж на производството на електроенергия. Преходът към устойчива енергия и към голям дял на възобновяемите източници води до увеличаване на неравномерността на производство на електроенергия. За да се гарантира сигурността на доставките, съоръженията за съхранение на енергия с бързо време за реакция са незаменим елемент от всяка трансформация на системата.Renewable energy sources have the fastest growth in the electricity sector, providing more than 70% of the world's growth in electricity generation. The transition to sustainable energy and to a large share of renewable sources leads to an increase in the unevenness of electricity production. To ensure security of supply, energy storage facilities with fast response times are an indispensable element of any system transformation.

Инсталациите за ППАВЕЦ са много подходящи за тези приложения, тъй като към момента не са известни или осъществими други технологии за съхранение на енергия, които да са в състояние да съхраняват сравнително голямо количество енергия при висока ефективност на системата, без използване на химически вещества и процеси, и без съществено влияние на околната среда. Много проекти за съхранение на енергия се налага да бъдат изоставени поради обществена съпротива, или защото не са получили екологично разрешение от съответните власти.CHP plants are well suited for these applications, as no other energy storage technologies are currently known or feasible that are capable of storing a relatively large amount of energy at high system efficiency, without the use of chemicals and processes , and without significant impact on the environment. Many energy storage projects have had to be abandoned due to public opposition or because they did not receive environmental clearance from the relevant authorities.

Освен това, за разлика от, например, батерийните технологии, специфичните инвестиционни разходи за единица инсталирана мощност и капацитет, при ППАВЕЦ съхранението са относително ниски.Moreover, in contrast to, for example, battery technologies, the specific investment costs per unit of installed power and capacity are relatively low with PVPP storage.

Тъй като производството и потреблението на електроенергия са два фактора, които се променят много динамично, ППАВЕЦ е много ефективен метод за компенсиране на колебанията в потреблението и за осигуряване на стабилност на напрежението и честотата на мрежата. Особено подходящ е за късосрочно до средносрочно съхранение на електроенергия, което е от съществено значение, за да се гарантира интегрирането в преносната мрежа на източници с променлива възобновяема енергия (ПВЕ), като, например, вятърна и фотоволтаична енергия, където производството зависи от метеорологичните условия и варира ежедневно и сезонно в големи граници.Since the production and consumption of electricity are two factors that change very dynamically, the SPP is a very effective method to compensate for fluctuations in consumption and to ensure the stability of the voltage and frequency of the network. It is particularly suitable for short- to medium-term electricity storage, which is essential to ensure the integration into the transmission network of variable renewable energy (RES) sources, such as wind and photovoltaics, where production depends on weather conditions and varies widely daily and seasonally.

Същевременно, въпреки всички тези предимства, е огромно предизвикателство да се намерят подходящи географски места за инсталиране на ППАВЕЦ. Броят на технически подходящите останали обекти е ограничен поради топологични изисквания. Тъй като производството на електроенергия се променя непрекъснато, за да отговори на колебанията в търсенето и да осигури стабилност на напрежението и честотата на мрежата, подобряването на системите за съхранение на електроенергия, като хидроенергия за подземно съхранение чрез помпено-акумулиращи водни електроцентрали (ППАВЕЦ), ще бъде от съществено значение да се гарантира интегрирането на мрежата с променлива възобновяема енергия (ПВЕ).At the same time, despite all these advantages, it is a huge challenge to find suitable geographical locations for installing PPAVEC. The number of technically suitable remaining sites is limited due to topological requirements. As electricity generation changes continuously to meet fluctuations in demand and ensure grid voltage and frequency stability, the improvement of electricity storage systems, such as hydropower for underground storage through pumped storage hydroelectric power plants (SHP), it will be essential to ensure grid integration with variable renewable energy (RES).

ППАВЕЦ се използва както за балансиране на мрежата, така и за покриване на пикови (вечерни) периоди, като се заместват конвенционалните изкопаеми горива (т.е. природен газ или въглища), което предполага съществено намаляване на емисиите на парникови газове (ПГ) в атмосферата. Помпените турбини обикновено се използват за производство и консумиране на електрическа енергия чрез алтернатор-двигател. За да се адаптират към нуждите на мрежата, съвременните ППАВЕЦ инсталации са оборудвани с помпено-турбинни машини с променлива скорост. Хибридна система за захранване със слънчева енергия и ППАВЕЦ представлява възможен вариант за постигане на високи нива на проникване на ПВЕ.CHP is used both for grid balancing and to cover peak (evening) periods, replacing conventional fossil fuels (i.e. natural gas or coal), implying substantial reductions in greenhouse gas (GHG) emissions in the atmosphere. Pump turbines are generally used to produce and consume electrical energy through an alternator-motor. In order to adapt to the needs of the network, modern PPAVEC installations are equipped with pump-turbine machines with variable speed. A hybrid system for powering with solar energy and PPAVEC represents a possible option for achieving high levels of PV penetration.

В Европейския съюз (ЕС) има приблизително 270 електроцентрали с общ генериращ капацитет 127 GW, представляващи 99% от капацитета за съхранение на електроенергия.In the European Union (EU), there are approximately 270 power plants with a total generating capacity of 127 GW, representing 99% of electricity storage capacity.

Известени са системи за съхранение на електроенергия, като хидроенергия, в два резервоара, чрез използване на помпено-акумулиращи водни електроцентрали (ПАВЕЦ), като единият резервоар е на повърхността или частично подземно разположен, например язовир, и акумулира определено количество потенциална енергия, а по-ниско оформеният резервоар е изцяло или частично подземно разположен, например мина.Systems are known for storing electricity, such as hydropower, in two reservoirs by using pumped-storage hydropower plants (SHP), with one reservoir located on the surface or partially underground, for example a dam, and accumulating a certain amount of potential energy, and -the low formed reservoir is completely or partially underground, for example a mine.

Примерна система е описана в US7656050B2, която включва електрическа обратима машина — електромотор/генератор, към чийто вал е свързано турбинно/помпено работно колело. Така електрическата машина позволява работа както като генератор така и като двигател(помпа). Тази ПАВЕЦ заменя химическите или други видове съхранение на енергия (например с химически батерии), като необходимата енергия за кратковременно отдаване е трайно и без съществени загуби съхранена. След включване на турбината-генератор може да се осигури продължително непрекъсваемо електрическо захранване.An exemplary system is described in US7656050B2 which includes an electric reversible machine—an electric motor/generator to the shaft of which is connected a turbine/pump impeller. Thus, the electric machine allows operation both as a generator and as a motor (pump). This PAVET replaces chemical or other types of energy storage (for example with chemical batteries), as the energy required for short-term supply is stored permanently and without significant losses. Once the turbine-generator is turned on, a continuous uninterrupted electrical supply can be provided.

Недостатък на тези решения е сложната и скъпа конструкция на резервоарите, поради наличието на горен и/или долен изкуствено създаден резервоар, което налага големи разходи на средства и време за тяхното изграждане и поддържане.A disadvantage of these solutions is the complex and expensive construction of the reservoirs, due to the presence of an upper and/or lower artificially created reservoir, which requires large costs of funds and time for their construction and maintenance.

Съществува и решение подобно на предлаганото, при което горният резервоар е оформен като изкуствено езеро, а долният подземен резервоар използва излезли от употреба мини за добив на полезни изкопаеми, като така се заменя долния изкуствено създаден за целта на ПАВЕЦ резервоар, с такъв получен от предходни дейности, при който не се изискват големи инвестиции и време за изграждане на подземния резервоар. Поради ограничените обеми и често многоетажна структура на съществуващи минни тунели, обаче, се намалява капацитета и надеждността на съхраняване и се повишават разходите по експлоатацията и поддръжката. Също така за разлика от конвенционалните зThere is also a solution similar to the one proposed, where the upper reservoir is shaped like an artificial lake and the lower underground reservoir uses disused mines for the extraction of minerals, thus replacing the lower artificial reservoir created for the purpose of PAVETC with one obtained from previous activities that do not require large investments and time to build the underground reservoir. Due to the limited volumes and often multi-story structure of existing mine tunnels, however, storage capacity and reliability are reduced and operation and maintenance costs are increased. Also unlike conventional h

инсталации ПАВЕЦ, където горният и долният резервоар са разположени на повърхността, работата на ППАВЕЦ инсталациите е различна поради наличието на вода и въздух, взаимодействащи по време на процесите на пълнене (генериране) и изпразване (изпомпване) в долния резервоар. В ППАВЕЦ инсталациите посоката и дебитът на въздуха зависят съответно от режима на работа и дебита на водата.CHP plants, where the upper and lower tanks are located on the surface, the operation of CHP plants is different due to the presence of water and air interacting during the filling (generation) and emptying (pumping) processes in the lower tank. In PPAVEC installations, the direction and flow rate of the air depend on the mode of operation and the flow rate of the water, respectively.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОTECHNICAL ESSENCE OF THE INVENTION

Целта на изобретението е да се създаде метод за изграждане на система, както и самата система, за съхранение на големи количества енергия от помпено акумулиращ тип (ПАВЕЦ), работещ с горен надземен и долен подземен резервоар, който да е бърз и лесен за конструиране и да не изисква високи инвестиции.The object of the invention is to create a method for building a system, as well as the system itself, for storing large amounts of energy of the pumped storage type (SPP), operating with an upper above-ground and lower underground reservoir, which is quick and easy to construct and not to require high investments.

Таз задача се решава като се използват съществуващи изкуствени или естествени земни формирования, които да служат за горен надземен и долен подземен резервоар, например стари изработки на рудници от открит тип на повърхността, с възможност за ефективно завиряване, и големи подземни кухини (каверни) в близост до тях, и на относителна дълбочина от порядъка на 400 до 1500 м. По този начин значително се повишава общата ефективност на процеса на изграждане и поддържане на цялата система и се поевтинява цялата система. По-конкретно задачата се решава чрез създаване на метод за изграждане на подземна помпено-акумулираща водно-електрическа централа (ППАВЕЦ) включващ осигуряване на горен надземен воден резервоар и на долен подземен воден резервоар и свързване на двата резервоара с поне един водопреносен тунелен тръбопровод, в долната най-ниска част на който се монтира система помпа/турбина. Осигуряването на горния надземен воден резервоар включва трансформиране на поне един естествено оформен земен басейн или поне един изоставен котлован на открит рудник, а поне единият подземен воден резервоар е с естествен произход.This task is solved by using existing artificial or natural earth formations to serve as an upper surface and lower underground reservoir, for example, old workings of open-pit mines on the surface, with the possibility of effective drilling, and large underground cavities (caverns) in proximity to them, and at a relative depth of the order of 400 to 1500 m. In this way, the overall efficiency of the construction and maintenance process of the entire system is significantly increased and the entire system is cheaper. More specifically, the task is solved by creating a method for the construction of an underground pumped-storage hydroelectric plant (SPP) including providing an upper above-ground water reservoir and a lower underground water reservoir and connecting the two reservoirs with at least one water-carrying tunnel pipeline, in the lower lowest part on which the pump/turbine system is mounted. The provision of the upper surface water reservoir includes the transformation of at least one naturally formed earth basin or at least one abandoned pit of an open pit mine, and at least one underground water reservoir is of natural origin.

Методът за изграждане на ППАВЕЦ включва и:The method of construction of PPAVEC also includes:

- Етап на откриване на поне един естествен подземен воден резервоар в близост до изоставен котлован на открит рудник или до естествено оформен надземен воден басейн;- Stage of discovery of at least one natural underground water reservoir in the vicinity of an abandoned pit of an open-pit mine or to a naturally formed above-ground water basin;

- Етап на прокопаване поне единия водопреносен тунелен тръбопровод;- Stage of digging at least one water-carrying tunnel pipeline;

- Етап на свързване на поне единия естествен подземен воден резервоар със земната повърхност чрез допълнителен поне един тръбен път, който представлява вентилационен канал.- A stage of connecting at least one natural underground water reservoir with the earth's surface through an additional at least one pipe path, which is a ventilation channel.

За предпочитане поне единият естествен подземен воден резервоар представлява поне една естествена каверна.Preferably, the at least one natural underground water reservoir is at least one natural cavern.

В един вариант на изпълнение на изобретението, методът за изграждане на ППАВЕЦ включва две или повече каверни със свързани обеми.In one embodiment of the invention, the method of constructing a WWTP includes two or more caverns with connected volumes.

В един вариант на изпълнение на метода съгласно изобретението, поне единият водопреносен тунелен тръбопровод е двупосочен.In one embodiment of the method according to the invention, at least one water-carrying tunnel pipeline is bidirectional.

Системата помпа/турбина в режим на изпомпване, изпомпва водата от долния подземен воден резервоар към горния надземен воден резервоар през поне единия водопреносен тунелен тръбопровод, а в генераторен режим се прилага обратното движение на водата през поне единия водопреносен тунелен тръбопровод в посока от горния надземен воден резервоар към долния подземен воден резервоар, като при запълване или при подналягане на въздуха в празнината над водната повърхност на долния подземен воден резервоар, при изпомпване, въздухът се отвежда или довежда през вентилационния канал, който свързва въздушния обем на долния подземен воден резервоар с околната среда над повърхността на земята.The pump/turbine system in the pumping mode pumps the water from the lower underground water reservoir to the upper surface water reservoir through the at least one water-carrying tunnel pipeline, and in the generator mode applies the reverse movement of the water through the at least one water-carrying tunnel pipeline in the direction from the upper surface water tank to the lower groundwater reservoir, such as when filling or pressurizing the air in the void above the water surface of the lower groundwater reservoir, when pumping, the air is vented or supplied through the vent that connects the air volume of the lower groundwater reservoir to the environment above the surface of the earth.

В един вариант на изпълнение на метода съгласно изобретението, обемът на горния надземен воден резервоар може да се разшириа чрез свързване към неговия воден обем на допълнителни съществуващи надземни падини.In one embodiment of the method according to the invention, the volume of the above-ground water reservoir can be expanded by connecting to its water volume additional existing above-ground slopes.

Създава се и помпено-акумулираща водно-електрическа централа с долен подземен и горен надземен воден резервоар, обемите на които са свързани с поне един водопреносен тунелен тръбопровод, в долната най-ниска част на който е разположена система помпа. Горният надземен воден резервоар е оформен от поне един изоставен котлован на открит рудник или или от естествено оформен надземен воден басейн, а долният подземен воден резервоар е оформен от поне един естествен воден резервоар.A pumped-storage hydropower plant with a lower underground and an upper above-ground water reservoir is also being created, the volumes of which are connected to at least one water-carrying tunnel pipeline, in the lowest part of which a pump system is located. The upper surface water reservoir is formed by at least one abandoned pit of an open pit mine or by a naturally formed surface water basin, and the lower underground water reservoir is formed by at least one natural water reservoir.

В един вариант на изпълнение на изобретението, обемите на горния и долния водни резервоара са с широчина по-голяма тяхната височина.In one embodiment of the invention, the volumes of the upper and lower water tanks are wider than their height.

За предпочитане, долният естествен подземен воден резервоар е каверна.Preferably, the lower natural underground water reservoir is a cavern.

В един вариант на изпълнение на изобретението, ППАВЕЦ-ът включва две или повече каверни със свързани обеми.In one embodiment of the invention, the PPAVEC includes two or more caverns with connected volumes.

В един вариант на изпълнение на изобретението, поне единият во до преносен тунелен тръбопровод е двупосочен.In one embodiment of the invention, at least one of the transfer tunnel pipelines is bidirectional.

В един вариант на изпълнение на изобретението, долният естествен подземен воден резервоар има вентилационен канал, който излиза на земната повърхност.In one embodiment of the invention, the lower natural underground water reservoir has a vent that exits to the ground surface.

За предпочитане, вентилационният канал е вертикален.Preferably, the ventilation channel is vertical.

Предимствата на предложеното решение е че липсва необходимост от изграждане на два изкуствени водоема, което опростява и поевтинява значително системата, като повишава значително надеждността и намалява експлоатационните разходи, и е със значително намалена инвестиционна стойност. Основна иновация в концепцията на метода е използването на налични топологично и по местоположение подходящи обеми за горен резервоар от предишна човешка дейност, и за долен резервоар от земни образувания като естествени природни феномени тип „каверна“. Съхранената вода в горния резервоар (разположен на повърхността) съдържа потенциална енергия, определена от относителната разлика в надморската височина на двата водни обема умножена по масата на водния обем. Когато е необходимо да се генерира електричество, водата тече към подземния резервоар и системата работи в турбинен режим (режим на генериране) и подава електрическа енергия в мрежата. Обратно, ненужната енергия от възобновяеми източници, пренесени от електрическата мрежа, се използва от двигателя за задвижване на работното колело в режим на изпомпване (зареждане), като се изпомпва водата от подземния резервоар (долен) към повърхностния резервоар (горен). Така съхранението на енергия се осъществява чрез гравитачно акумулиране на потенциална енергия на водни обеми, без използване на химически батерии с ограничен срок на експлоатация, намалено време за реакция спрямо други технологии, позволяващо работа при чести колебания в мрежата. Използваните една или няколко електрически машини, които са за предпочитане асинхронни, с обратим режим на работа, са снабдени със специални проектирани за определения пад работни колела, което намалява загубите от хидравличен характер. Машината е безколекторна, което води до повишаване на надеждността и удължаване на времето за работа без необходимост от поддръжка, съответно са намалени общите разходи по поддръжка за експлоатационния период на елементите от системата.The advantages of the proposed solution is that there is no need to build two artificial reservoirs, which greatly simplifies and cheapens the system, significantly increasing reliability and reducing operating costs, and has a significantly reduced investment value. A major innovation in the concept of the method is the use of available topologically and locationally suitable volumes for an upper reservoir from previous human activity, and for a lower reservoir from earth formations such as natural natural phenomena of the "cavern" type. The stored water in the upper reservoir (located on the surface) contains potential energy determined by the relative difference in altitude of the two water bodies multiplied by the mass of the water body. When electricity needs to be generated, water flows to the underground reservoir and the system operates in turbine mode (generation mode) and feeds electricity into the grid. Conversely, the unnecessary energy from renewable sources transferred from the electricity grid is used by the motor to drive the impeller in pumping (charging) mode, pumping the water from the underground reservoir (lower) to the surface reservoir (upper). Thus, energy storage is carried out by gravitational accumulation of potential energy of water volumes, without the use of chemical batteries with a limited service life, reduced reaction time compared to other technologies, allowing operation with frequent fluctuations in the network. The used one or several electric machines, which are preferably asynchronous, with a reversible mode of operation, are equipped with specially designed working wheels for the specific pad, which reduces losses of a hydraulic nature. The machine is collector-less, which leads to an increase in reliability and an extension of the time of operation without the need for maintenance, correspondingly, the total maintenance costs for the operational period of the system elements are reduced.

Системата осигурява големи капацитети на съхранявана енергия, поради възможност да се използват големи по обем хидро съоръжения, изискващи минимална поддръжка.The system provides large capacities of stored energy due to the possibility of using large volume hydro facilities requiring minimal maintenance.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURES

Фигура 1 представлява принципна схема на предпочитан вариант на ППАВЕЦ съгласно изобретението.Figure 1 represents a schematic diagram of a preferred variant of the PPAVEC according to the invention.

ПРИМЕР ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОEXAMPLE OF IMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Методът за изграждане на ПАВЕЦ се основава на използване на съществуващи земни формирования, горен и долен резервоар за гравитачно акумулиране на потенциална енергия, като долният воден резервоар е, например, подземна геоложка кухина (каверна), като най-ниската точка на кухината се намира на дълбочина “h”, за предпочитане от 500 до 1400 метра под земната повърхност спрямо дъното на горния резервоар 1. Общият въздушен обем на подземната каверна е, за предпочитане от 50 мил. м³ до 300 мил. м³, например 100 мил. м³, а на използваемия обем на надземния резервоар е не повече от 90% от обема на подземната каверна. И горният и долният резервоари, или поне единият от тях, има за предпочитане, обем с относително хоризонтална форма, тоест широчината му е по-голяма от височината. За предпочитане горният воден резервоар 1 е изкуствен водоем, направен от земна падина, котлован, създаден в процеса на открит добив на полезни изкопаеми, например на лигнитни въглища. Дълбочината на падината на горния воден резервоар 1 определя обема му и варира от 20 м до над 50 м, например 30 м, спрямо околната повърхност, а широчината на падината на горния воден резервоар 1 достига до над 300 м. Дължината на падината на горния воден резервоар 1 е може да е до над 2000 м. При тези размери обемът на падината на горния воден резервоар 1 може да е над 20 мил. м³. Методът позволява да се свържат повече от една подобни падини на горни водни резервоари 1 и да се запълнят с вода. Предпочитано полезният обем е до 70% от пълния обем на падината на горния воден резервоар 1, а при условие че се свържат две падини, ефективното количество вода, което може да се използва за хидроенергийни цели може да е над 25 мил. м³. Останалото количество вода в падините остава неизползвано и така се осигурява нормалният живот на животинските и растителни видове във водоема и около него, и се поддържа биоразнообразието в региона. При условие че ефективната денивелация между горния и долния резервоар h е над 500 м, за предпочитане около 1000 м, с количеството вода в падината на горния резервоар 1 може да се съхрани и отдаде голямо количество енергия, например около 14 GWh или 18 GWh. Такъв тип зелена енергия се добива, за предпочитане, от фотоволтаични електроцентрали 6 или вятърни електроцентрали 7. За производството на такова количество енергия, например, 14 GWh или 18 GWh, общата ефективност на системата „изпомпване — производство“ е от порядъка на над 75% (при отчитане загубите в помпи/турбини, хидравлични съпротивления, генератори и т.н.).The construction method of PAVEC is based on using existing earth formations, an upper and lower reservoir for gravitational accumulation of potential energy, the lower water reservoir being, for example, an underground geological cavity (cavern), and the lowest point of the cavity is located at depth “h”, preferably from 500 to 1400 meters below the earth's surface relative to the bottom of the upper reservoir 1. The total air volume of the underground cavern is, preferably from 50 mil. m ³ to 300 mil. m ³ , for example 100 mil. m ³ , and the usable volume of the above-ground reservoir is no more than 90% of the volume of the underground cavern. Both the upper and lower reservoirs, or at least one of them, preferably has a volume with a relatively horizontal shape, that is, its width is greater than its height. Preferably, the upper water reservoir 1 is an artificial reservoir made of a land slope, a pit created in the process of open mining of minerals, for example lignite. The depth of the slope of the upper water reservoir 1 determines its volume and varies from 20 m to over 50 m, for example 30 m, relative to the surrounding surface, and the width of the slope of the upper water reservoir 1 reaches more than 300 m. The length of the slope of the upper water reservoir tank 1 can be up to over 2000 m. At these dimensions, the volume of the slope of the upper water tank 1 can be over 20 mil. m ³ . The method allows to connect more than one similar slopes of upper water tanks 1 and fill them with water. Preferably, the usable volume is up to 70% of the full volume of the upper water reservoir 1 slope, and provided two slopes are connected, the effective amount of water that can be used for hydropower purposes can be over 25 mils. m ³ . The remaining amount of water in the valleys remains unused, thus ensuring the normal life of animal and plant species in and around the reservoir, and maintaining biodiversity in the region. Provided that the effective elevation between the upper and lower reservoir h is over 500 m, preferably about 1000 m, with the amount of water in the slope of the upper reservoir 1, a large amount of energy can be stored and released, for example about 14 GWh or 18 GWh. Such type of green energy is preferably obtained from photovoltaic power plants 6 or wind power plants 7. For the production of such amount of energy, for example, 14 GWh or 18 GWh, the overall efficiency of the pump-production system is in the order of more than 75% (taking into account losses in pumps/turbines, hydraulic resistances, generators, etc.).

Запълването (завиряването) на падините за формиране на водоем с вода се извършва еднократно. За да се намалят загубите на вода вследствие на водните изпарения в горния водоем 1, за предпочитане се монтират PV централи 6 като плаващи платформи във водоемите на една или две падини с обща площ около 700 дка и инсталирана мощност 135 MWp. Годишното количество енергия, която могат да произвеждат плаващите PV централи във водоемите на двете падини е около 0.15 TWh.The filling (flooding) of the slopes to form a reservoir with water is done once. In order to reduce water losses due to water evaporation in the upper reservoir 1, PV plants 6 are preferably installed as floating platforms in the reservoirs on one or two slopes with a total area of about 700 decares and an installed capacity of 135 MWp. The annual amount of energy that can be produced by the floating PV plants in the reservoirs of the two slopes is about 0.15 TWh.

Между горния и долния резервоар са свързани помпа и турбина, които може да са отделни, или свързани в една обратима хидравлична машина работеща като помпа/турбина 3, и присъединена към вала на хидравличната обратима електрическа машина, работеща като електромотор/генератор. Системата се използва в динамичен двупосочен режим на работа като генератор/помпа.Between the upper and lower tanks are connected a pump and a turbine, which may be separate or connected in a reversible hydraulic machine operating as a pump/turbine 3, and connected to the shaft of the hydraulic reversible electric machine operating as an electric motor/generator. The system is used in a dynamic two-way mode of operation as a generator/pump.

Съхранената вода в падината на горния резервоар 1, разположен на повърхността, съдържа потенциална енергия определена от относителната разлика в надморската височина на двата водни обема “h” на горния и долния резервоар, умножена по масата на водния обем. Когато е необходимо да се генерира електричество, водата тече по гравитачен път по водопреносен тръбопровод 2 към подземния резервоар 4 и системата помпа/турбина 3, разположена в най-ниската точка на специално изготвена шахта 9. Шахтата 9 се използва за монтиране/демонтиране и достъп до системата помпа/турбина 3. През шахтата 9 се осигурява и електрозахранване на системата и свързването й с трансформатори 8, разположени на повърхността и подкачени към електропреносната мрежа 5.The stored water in the slope of the upper reservoir 1 located on the surface contains potential energy determined by the relative difference in altitude of the two water volumes “h” of the upper and lower reservoir, multiplied by the mass of the water volume. When it is necessary to generate electricity, the water flows by gravity through a water pipeline 2 to the underground tank 4 and the pump/turbine system 3 located at the lowest point of a specially prepared shaft 9. The shaft 9 is used for installation/disassembly and access to the pump/turbine system 3. Through the shaft 9, power supply to the system is provided and its connection with transformers 8, located on the surface and connected to the power transmission network 5.

Системата помпа/турбина 3 работи в турбинен режим (режим на генериране) и подава електрическа енергия чрез трансформатора 8 към електропреносната мрежа 5. Това се прави с цел да не се повишава налягането на въздуха в празнината над водната повърхност на долния резервоар 4, оставащ в каверната. Обратно, ненужната енергия, предпочитано от възобновяеми източници 6 и 7, пренесена от електрическата мрежа 5 се използва от двигателя на системата помпа/турбина 3 за задвижване на системата в режим на изпомпване (зареждане), която изпомпва водата от подземния резервоар 4 (долен) към надземния резервоар 1 (горен) през водопреносен тръбопровод 2, представляващ специално изготвен тунел. При генераторен режим се прилага обратното движение на водата през същия водопреносен тръбопровод 2 в посока от повърхностния горен резервоар 1 към долния резервоар 4. Възможно е системата да включва няколко водопреносени тръбопровода 2.The pump/turbine system 3 operates in turbine mode (generation mode) and supplies electrical energy through the transformer 8 to the power grid 5. This is done in order not to increase the air pressure in the gap above the water surface of the lower tank 4 remaining in the cavern. Conversely, the unnecessary energy, preferably from renewable sources 6 and 7, carried by the electrical network 5 is used by the engine of the pump/turbine system 3 to drive the system in pumping mode (charging), which pumps the water from the underground tank 4 (bottom) to the above-ground tank 1 (upper) through a water-carrying pipeline 2, which is a specially prepared tunnel. In generator mode, the reverse movement of water is applied through the same water-carrying pipeline 2 in the direction from the surface upper tank 1 to the lower tank 4. It is possible that the system includes several water-carrying pipelines 2.

За да не се повишава налягането на празнината над водната повърхност на долния резервоар 4, оставаща в каверната при запълване или подналягане при изпомпване, е предвиден вентилационен канал 10, за предпочитане вертикален, който свързва въздушния обем на каверната с околната среда над повърхността на земята. Възможно е системата да включва няколоко вентилационни канала 10.In order not to increase the pressure of the gap above the water surface of the lower reservoir 4 remaining in the cavern when filling or underpressure when pumping, a ventilation channel 10 is provided, preferably vertical, which connects the air volume of the cavern with the environment above the surface of the earth. It is possible that the system includes several ventilation ducts 10.

Използваните една или няколко електрически машини, за предпочитане асинхронни, в системата помпа/турбина 3 са с обратим режим на работа, и са снабдени със специални проектирани за определения пад ,,h” работни колела (непоказани на фигурата), което намалява загубите от хидравличен характер и подобрява ефективността на системата. Машината е безколекторна, което води до повишаване на надеждността и удължаване на времето за работа без необходимост от поддръжка. Системата осигурява големи капацитети на съхранявана енергия, поради възможност да се използват големи по обем хидросъоръжения, изискващи минимална поддръжка.The used one or several electric machines, preferably asynchronous, in the pump/turbine system 3 have a reversible mode of operation, and are equipped with special designed for the specified drop "h" impellers (not shown in the figure), which reduces losses from hydraulic character and improves system efficiency. The machine is collectorless, which leads to increased reliability and extended maintenance-free operation time. The system provides large capacities of stored energy due to the possibility of using large volume hydro facilities requiring minimal maintenance.

Основното предимство на предложеното решение е използването на съществуващи земни формирования, което намалява значително времето за изграждане на цялата система. Друго основно предимство е възможността да се съхраняват големи запаси на енергия, като капацитета се ограничава само от обемите на двата резервоара, и се намаляват общите разходи по поддръжка за целия експлоатационен период на системата. Предлаганото решение осигурява и дълговременна автономна работа при включен генератор, който зависи само от запаса на вода в горния резервоар и празния обем в долния такъв.The main advantage of the proposed solution is the use of existing earth formations, which significantly reduces the construction time of the entire system. Another major advantage is the ability to store large reserves of energy, the capacity being limited only by the volumes of the two tanks, and reducing overall maintenance costs over the lifetime of the system. The proposed solution also ensures long-term autonomous operation when the generator is turned on, which depends only on the water supply in the upper tank and the empty volume in the lower one.

Описание на референтните позицииDescription of reference positions

- Горен надземен естествен или изкуствен воден резервоар- Above ground natural or artificial water reservoir

- Свързващи един или няколко водопреносни тунелни тръбопровода- Connecting one or more water-carrying tunnel pipelines

- Система от една или няколко помпи/турбини- System of one or several pumps/turbines

- Долен подземен воден резервоар- Lower underground water tank

- Електропреносна мрежа- Power transmission network

- Фотоволтаична централа- Photovoltaic plant

- Централа от вятърни генератори- The power plant of wind generators

- Електрически системи и трансформатори- Electrical systems and transformers

- Вертикална шахта за монтаж и достъп до системата от една или няколко помпи/турбини- Vertical shaft for installation and access to the system of one or several pumps/turbines

- Вентилационен канал h - Пад между нивата на двата резервоара- Ventilation channel h - Drop between the levels of the two tanks

Claims

1. Method for building an underground pumped-storage hydroelectric power plant (SHP) including providing an upper above-ground water reservoir and a lower underground water reservoir, connecting the two reservoirs with at least one water-carrying tunnel pipeline, in the lowest part of which a pump system is installed /turbine, characterized in that the provision of the upper surface water reservoir (1) involves the transformation of at least one naturally formed surface water basin or at least one abandoned pit of an open pit mine, and the at least one underground water reservoir (4) is of natural origin .

2. A method for constructing a WWTP according to claim 1, characterized in that it also includes:

- Discovery stage of at least one natural underground water reservoir (4) in the vicinity of an abandoned pit of an open-pit mine or a naturally formed above-ground water basin;

- Stage of digging at least one water-carrying tunnel pipeline (2);

- Step of connecting the at least one natural underground water reservoir (4) with the earth's surface through an additional at least one pipe path, which is a ventilation channel (10).

3. A method for constructing a WWTP according to any of the preceding claims, characterized in that at least one natural underground water reservoir (4) represents at least one natural cavern.

4. A method for constructing a WWTP according to any of the preceding claims, characterized in that it includes two or more caverns with connected volumes.

5. A method for constructing a WWTP according to any of the preceding claims, characterized in that at least one water-carrying tunnel pipeline (2) is bidirectional.

6. A method for constructing a WWTP according to any of the preceding claims, characterized in that the volume of the upper above-ground water tank (1) is expanded by connecting additional existing above-ground slopes to its water volume.

7. A pumped-storage hydroelectric plant with a lower underground and an upper above-ground water reservoir, the volumes of which are connected by at least one water-carrying tunnel pipeline, in the lower lowest part of which a pump/turbine system is located, characterized by that the upper surface water reservoir (1) is formed by at least one abandoned pit of an open pit a naturally formed surface water basin, and the lower underground water reservoir (4) is formed by at least one natural water reservoir.

8. PPAVEC according to claim 7, characterized in that the volumes of the upper and lower water tanks are wider than their height.

9. STORAGE PLANT according to claims 7 or 8, characterized in that the lower natural underground water reservoir (4) is a cavern.

10. PPAVEC according to claims 7 to 9, characterized in that it includes two or more caverns with connected volumes.

11. PPAVET according to claims 7 to 10, characterized in that at least one water-carrying tunnel pipeline (2) is bidirectional.

12. STORAGE PLANT according to claims 7 to 11, characterized in that the lower natural underground water reservoir has a ventilation channel (10) that exits to the ground surface.

13. PPAVEC according to claim 12, characterized in that the ventilation channel (10) is vertical.