CZ36530U1 - Přečerpávací elektrárna pro přečerpávání mezi základní a plovoucí nádrží - Google Patents

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. ě. 478/1992 Sb.

CZ 36530 UI

Přečerpávací elektrárna pro přečerpávání mezi základní a plovoucí nádrží

Oblast techniky

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

Dosavadní stav techniky

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

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

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

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

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

Známá je plovoucí přečerpávací elektrárna dle vynálezu WO 2013163979 nebo dle vynálezu DE 102013015082, která obsahuje nejméně dvě spřažené plovoucí nádrže, které plavou na hladině základní nádrže. Každá plovoucí nádrž přitom sestává nejméně ze dvou komor - horní a dolní komory, jež jsou pevně konstrukčně spojeny a jsou mezi sebou propojeny pomocí svislého kanálu a turbíny. Horní komora je kromě toho v úrovni hladiny vody v základní nádrži spojena

- 1 CZ 36530 U1 samostatným bočním kanálem se základní nádrží a dolní komora je v úrovni svého dna spojena se základní nádrží pomocí bočního kanálu a čerpadla.

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 je principiální konstrukční nedostatek:

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

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

Při čerpacím provozu je voda odčerpávána z dolní komory plovoucí nádrže čerpadlem pomocí bočního kanálu přímo, tedy bezprostředně do základní nádrže, přičemž se plovoucí nádrž vynořuje z dolní do horní provozní polohy. Hydrostatický spád je při čerpání konstantní a je tvořen plným výškovým rozdílem mezi hladinou vody v základní nádrži a hladinou vody v dolní komoře.

Při turbínovém provozu se voda z horní komory přepouští svislým kanálem do dolní komory přes turbínu, přičemž se voda do horní komory doplňuje pomocí bočního kanálu ze základní nádrže bez energetického využití. Plovoucí nádrž se přitom ponořuje z horní do dolní provozní polohy. K výrobě elektrické energie se zde využívá pouze část z celkového výškového rozdílu mezi hladinou vody v základní nádrži a hladinou vody v dolní komoře, a to jen výškový rozdíl hladin vody mezi horní a dolní komorou.

Z podstaty vynálezu vyplývá, že i v teoretickém akumulačním cyklu dané akumulační elektrárny bude množství získané energie vždy menší než množství spotřebované energie:

Jak se postupně plní dolní komora a plovoucí nádrž klesá, využívaný, efektivní výškový rozdíl mezi hladinami vody v horní a dolní komoře, tzn. hydrostatický spád k turbíně, se průběžně snižuje. Nevyužívaný, ztrátový výškový rozdíl hladin vody mezi základní nádrží a horní komorou se naopak zvětšuje. Tím se výrazně zhoršuje energetická účinnost akumulačního cyklu.

Omezit zde kolísání hydrostatického spádu na turbínu a udržet energetickou účinnost v rozumných mezích lze jen za cenu zkrácení provozního zdvihu plovoucí nádrže, tedy sníženého plnění dolní komory a tím snížení kapacity plovoucí nádrže.

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

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

- 2 CZ 36530 U1

Uvedeným řešením lze tudíž využívat jen zlomek výškového rozdílu z celkové hloubky základní nádrže.

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

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

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

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

Konverzní komora je vlastně kombinované pneumohydraulické energetické zařízení - vzduchový jednočinný pístový kompresor/motor k přečerpávání vzduchu mezi ovzduším a zásobníkem stlačeného vzduchu, kde jako hydraulický píst slouží hladina vody poháněná vodním soustrojím čerpadlo/turbína přečerpávajícím vodu mezi konverzní komorou a základní nádrží.

Vzhledem k tomu, že konverzní komora má být asi 100krát menší než zásobník stlačeného vzduchu a kompresní poměr se předpokládá vysoký (asi 10, což přibližně odpovídá hloubce kolem 100 m při izotermické kompresi), musí se komprese provádět alespoň dvoustupňově a pomocí vyššího počtu konverzních komor, aby bylo možno zajistit akumulování nebo zpětně výrobu elektrické energie souvisle po delší dobu a bez velkých výkyvů výkonu.

Úkolem technického řešení je rozšířit možnosti akumulování potenciální energie v přečerpávací elektrárně s plovoucí nádrží.

Podstata technického řešení

Tento problém řeší přečerpávací elektrárna, 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, takže jedna z nádrží je dolní nádrží a druhá nádrž je horní nádrží, a dále obsahuje potrubí a energetické soustrojí k přečerpávání tekutiny mezi dolní nádrží a horní nádrží, jejíž podstatou je, že prostory plovoucí nádrže obsahující přečerpávanou tekutinu jsou s prostory základní nádrže obsahujícími přečerpávanou tekutinu spojeny prostřednictvím energetického soustrojí pomocí pevného a/nebo ohebného potrubí, které v základní nádrži i v plovoucí nádrži ústí do přečerpávané tekutiny, přičemž energetické soustrojí pro přečerpávání hustší tekutiny je pomocí potrubí připojeno výtlačnou stranou k horní nádrži a sací stranou k dolní nádrži tak, že výtlačná výška je vyšší než sací výška.

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.

Při čerpání i přepouštění proudí tekutina mezi nádržemi potrubím, které je spojeno s energetickým

- 3 CZ 36530 U1 soustrojím bezprostředně, tj. přímo, bez přerušení sloupce přečerpávané tekutiny prostředím druhé tekutiny v základní nádrži nebo ve zvláštní plnicí komoře v plovoucí nádrži, to znamená, že potrubí obsahující přečerpávanou tekutinu ústí v základní nádrž i v plovoucí nádrži do přečerpávané tekutiny.

Toto uspořádání umožňuje s maximální účinností využít k přečerpávání celý výškový rozdíl hladin tekutiny mezi základní a plovoucí nádrží.

Z dalšího popisu je zřejmé, že plovoucí nádrž může být ve vztahu k základní nádrži vytvořena jako horní nádrž a/nebo jako dolní nádrž.

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

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

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

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

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

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

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

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

Velkou výhodou technického řešení je, že výškový rozdíl hladin tekutiny v základní a plovoucí nádrži, tj. hydrostatický tlakový rozdíl působící na energetické soustrojí, se v průběhu přečerpávacího cyklu téměř nemění.

S výhodou je vnější vodorovný průřez ponořené části plovoucí nádrže je 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.

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.

- 4 CZ 36530 U1

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

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

Základní nádrž může být otevřená do okolního prostředí nebo uzavřená.

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

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

Základní nádrž je s výhodou vytvořena jako stabilní.

Otevřená základní stabilní nádrž může být s výhodou tvořena mořem nebo řekou, stávajícím nebo novým umělým vodním dílem, jezerem, např. v místě vytěženého povrchového dolu, nebo může být vytvořena jako jáma pod povrchem nebo jako jáma otevřená k povrchu, s výhodou může být vytvořena na povrchu jako zahloubená nádrž, přičemž hornina vytěžená při hloubení nádrže může být s výhodou využita k vytvoření náspu kolem zahloubení za účelem zvýšení hladiny vody a tedy hloubky nádrže nebo také může být využita jako přídavná zátěž plovoucí nádrže. Výhodně lze pro výstavbu přečerpávacích elektráren podle technického řešení využít území s vysokou hladinou spodní vody nebo která jsou trvale zaplavována, např. v Nizozemí. S výhodou by mohly být přečerpávací elektrárny dle technického řešení postaveny v ostrovních státech, které jsou zaplavovány mořem a nechtějí opustit své území.

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

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

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

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

Jestliže je základní nádrž vyhloubena v zemi ve tvaru šikmého válce, plovoucí nádrž v něm musí být nuceně vedena, přičemž plovoucí nádrž i vodicí zařízení jsou zejména gravitací a vztlakem značně a nerovnoměrně namáhány. Pro množství akumulované potenciální gravitační energie plovoucí nádrže je směrodatná pouze svislá složka pohybu této nádrže.

Jestliže je přečerpávanou tekutinou hustší tekutina, množství potenciální energie uložené v plovoucí nádrži závisí hlavně na výškovém rozdílu hladin hustší tekutiny v základní a plovoucí

- 5 CZ 36530 U1 nádrži, na množství přečerpávané hustší tekutiny a na pracovním zdvihu plovoucí nádrže.

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

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

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

Výškového rozdílu hladin kapaliny lze dosáhnout dvěma různými principy uspořádání kapalinového a plynového prostoru plovoucí nádrže k uložení potřebného objemu přečerpávané kapaliny.

Dolní plovoucí nádrž je s výhodou vytvořena tak, že její kapalinový prostor je situován v dolní části plovoucí nádrže, plynový prostor je nad hladinou kapaliny v plovoucí nádrži a hladina kapaliny v plovoucí nádrži tudíž zůstává pod úrovní hladiny kapaliny v základní nádrži.

Dolní plovoucí nádrž má pak mít co největší hmotnost a co největší hustotu materiálu, z něhož je vytvořena, takže dovolí dosáhnout většího výškového rozdílu hladin přečerpávané kapaliny, a současně má mít co největší objem prostoru pro přečerpávanou kapalinu.

Tato plovoucí nádrž vyžaduje větší stavební výšku pod hladinou základní nádrže než nad hladinou a má vždy dostatečnou stabilitu proti převrácení.

Hmotnost plovoucí nádrže lze s výhodou zvýšit pomocí přídavné zátěže, která je s výhodou regulovatelná, zejména je-li tvořena kapalinou. Přídavná zátěž může být umístěna s výhodou vně plovoucí nádrže a může s ní být s výhodou spojena pomocí táhel nebo jiným převodovým mechanismem. Přídavná zátěž může být s výhodou umístěna v plovoucí nádrži, a to v její horní nebo dolní části. S výhodou je přídavná zátěž umístěna v dolní části plovoucí nádrže, čímž zvyšuje stabilitu této nádrže proti převrácení. Je-li však přídavná zátěž při tomto uspořádání tvořena přečerpávanou kapalinou, nezvyšuje výškový rozdíl hladin kapaliny mezi základní a plovoucí nádrží, a tedy ani kapacitu plovoucí nádrže. S výhodou je přídavná zátěž vytvořena z materiálu vyšší hustoty, než má přečerpávaná kapalina, s výhodou je z kovové rudy, která je poměrně levná a zabírá v plovoucí nádrži menší objem, což umožňuje lépe využít objem základní nádrže k přečerpávání.

Horní plovoucí nádrž je s výhodou vytvořena tak, že její kapalinový prostor je s výhodou vytvořen v horní části plovoucí nádrže a nejméně stejně velký plynový prostor je vytvořen pod kapalinovým prostorem, hladina přečerpávané kapaliny v plovoucí nádrži je tudíž situována nad úrovní hladiny kapaliny v základní nádrži. S výhodou je kapalinový prostor v horní části plovoucí nádrže vytvořen ve výšce, která může činit i několikanásobek výšky kapalinového prostoru.

Výhodou tohoto uspořádání je, že prázdná plovoucí nádrž může mít, v závislosti na pevnosti použitém materiálu, podstatně lehčí konstrukci. Přídavná zátěž je zde nežádoucí.

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

Je možno volit optimální variantu mezi krajními možnostmi tohoto provedení:

- lehčí a nízká plovoucí nádrž a větší přečerpávaná vodní náplň,

- 6 CZ 36530 U1

- těžší a vysoká plovoucí nádrž a menší přečerpávaná vodní náplň.

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

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

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

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

Plovoucí nádrž je s výhodou vybavena vnitřními přepážkami a/nebo komorami, které jsou užitečné:

- pro tlumení nežádoucího přelévání kapaliny v plovoucí nádrži a tím snížení výkyvů plovoucí nádrže,

- jako výztuhy plovoucí nádrže pro zvýšení její pevnosti nebo pro snížení tloušťky obvodových stěn plovoucí nádrže,

- pro zvýšení hmotnosti dolní plovoucí nádrže.

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

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

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

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

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

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

Vnitřní vzduchový prostor vodních nádrží nad hladinou vody je prostřednictvím odvětrávacího

- 7 CZ 36530 U1 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.

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

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

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

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

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

Každý oddíl plováku, jinak též segment, je plněn plynem s výhodou na vnitřní přetlak, kterým je co nejvíce vyrovnán vnější přetlak vody odpovídající jeho největší konkrétní hloubce ponoření v základní nádrži.

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

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

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

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

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

Plovoucí nádrž může být výhodně sestavena z modulů s různou hloubkou ponoru plováků podle hloubkového profilu základní nádrže, a tedy s různou stavební výškou modulů, takže pro účely plovoucí nádrže může být využita nejen téměř celá šířka, ale i téměř celá hloubka základní nádrže, tj. téměř celý objem základní nádrže. Tato konstrukce umožňuje, aby osa těžiště plovoucí nádrže byla totožná s osou vztlaku plovoucí nádrže. Přitom, vzhledem k velké šířce plovoucí nádrže, může být dobře zajistitelná její stabilita i při velké stavební výšce modulů s hlubším ponorem plováků.

- 8 CZ 36530 U1

Pro každou skupinu modulů se stejnou stavební výškou může být k dispozici odpovídající skupina energetických soustrojí se stejnou výtlačnou výškou. Plnění a vyprazdňování nádrží různé výšky je výhodné provádět současně a proporcionálně, aby se minimalizovalo smykové napětí ve výztuhách mezi moduly různě zatíženými.

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

Přečerpávací elektrárna s horní základní nádrží a s dolní plovoucí nádrží může být výhodně provozována tím způsobem, že odčerpáním kapaliny z plovoucí nádrže do základní nádrže pomocí energetického soustrojí se plovoucí nádrž působením vztlaku vynořuje (spotřebováním elektrické energie se akumuluje polohová energie kapaliny) a přepouštěním kapaliny ze základní nádrže do plovoucí nádrže prostřednictvím energetického soustrojí se tato plovoucí nádrž působením tíhy ponořuje (spotřebováním polohové energie kapaliny se vyrábí elektrická energie).

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).

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.

Přečerpávací elektrárna může mít s výhodou plovoucí nádrž, která je kombinací horní a dolní plovoucí nádrže.

Tato plovoucí nádrž může být s výhodou provozována jako horní plovoucí nádrž.

Alternativně může být provozována jako dolní plovoucí nádrž, přičemž kapalina ukládaná v horní části plovoucí nádrže může s výhodou sloužit jako přídavná zátěž.

Je-li přídavná zátěž s výhodou tvořena přečerpávanou kapalinou, lze snadno zajistit plynulou regulovatelnost přídavné zátěže pomocí energetického soustrojí.

Pak může být výhodně část maximálního přípustného pracovního zdvihu plovoucí nádrže využita pro zvýšení hmotnosti přídavné zátěže naplněním kapalinového prostoru v horní části plovoucí nádrže a hlavní část pracovního zdvihu bude k dispozici pro běžné přečerpávání s využitím kapalinového prostoru v dolní části plovoucí nádrže.

Plynulou regulací hmotnosti přídavné zátěže lze také optimalizovat přečerpávací chod hlavního energetického soustrojí.

Kapalinový prostor v dolní části plovoucí nádrže má s výhodou omezený objem, omezí se tak riziko přetížení plovoucí nádrže.

Kapalinový prostor v dolní části plovoucí nádrže je s výhodou vybaven odvzdušňovacím potrubím. S výhodou je v tomto potrubí umístěna zpětná klapka, aby do tohoto potrubí nemohla vniknout voda z kapalinového prostoru a nemohlo dojít k přetížení plovoucí nádrže.

- 9 CZ 36530 U1

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

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

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

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

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

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

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

Elektrárna podle technického řešení 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 technického řešení uzavíratelná, tzn. obsahuje nejméně jeden uzávěr, který umožňuje akumulaci potenciální energie tím, že blokuje proudění tekutiny mezi nádržemi.

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

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

Plynové energetické soustrojí je používáno, je-li přečerpávanou tekutinou plyn, může být výhodně umístěno v horní části plovoucí nádrže nad hladinou kapaliny, takže není tolik vystaveno případným agresivním účinkům kapaliny a je snáze dosažitelné pro údržbu. V plovoucí nádrži je nad hladinou kapaliny vytvořen plynový prostor potřebného objemu. Pro zajištění svislého pohybu plovoucí nádrže musí být přečerpávaný plyn v plynovém prostoru stlačen na tlak odpovídající výškovému rozdílu hladin v základní a plovoucí nádrži. Pro možnost akumulování potenciální energie plovoucí nádrže prostřednictvím akumulování tlakové energie plynu je plynový prostor

- 10 CZ 36530 U1 plovoucí nádrže s výhodou spojen pomocí uzavíratelné plynové cesty s plynovým prostorem základní nádrže, výhodně s ovzduším, je-li základní nádrž otevřená. Nádrž plněná stlačeným plynem se pak nazývá tlaková plynová nádrž nebo též tlakovzdušná nádrž, je-li stlačeným plynem vzduch.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- 11 CZ 36530 U1

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

Elektrárna s tlakovzdušnou plovoucí nádrží, kde je přečerpávanou tekutinou plyn, může mít základní nádrž s výhodou vytvořenu jako mezikruží pouze pro nezbytný pohyb stěn plovoucí nádrže, tudíž množství kapaliny potřebné pro zajištění pohybu plovoucí nádrže je zde minimální. Při hloubení této základní nádrže je také značně redukováno i množství vytěžené horniny.

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

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

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

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

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

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

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

Strojovna nebo jen energetické soustrojí vodní elektrárny podle technického řešení, 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

- 12 CZ 36530 U1 korozním účinkům vodního prostředí. S výhodou je kapalná nebo plynová náplň tlakového pouzdra stlačena tak, že se prostřednictvím této náplně alespoň částečně vyrovnává vnější hydrostatický tlak na těleso soustrojí s vnitřním hydrostatickým tlakem a snižuje se tak namáhání soustrojí i tlakového pouzdra.

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

Elektrárna dle technického řešení s výhodou obsahuje zabezpečovací zařízení, např. koncové vypínače, pro vymezení polohy a pohybu plovoucí nádrže.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Hydrostatický tlakový spád čili rozdíl hladin, se během provozu stabilizované nádrže mění tak jako

- 13 CZ 36530 U1 u obvyklé dvojice stabilních nádrží, tzn. při čerpání vody z dolní do horní nádrže se rozdíl jejich hladin zvětšuje, při přepouštění z horní do dolní nádrže se rozdíl jejich hladin snižuje, což znamená proměnlivost výkonu nebo zvýšené nároky na jeho regulaci.

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

Kapalinové energetické zařízení však musí být umístěno tak, aby se nesnižoval zpracovávaný výškový rozdíl hladin v nádržích elektrárny.

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

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

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

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

Energetické soustrojí u vodní elektrárny dle technického řešení je s výhodou umístěno uvnitř dolní plovoucí nádrže a je výškově přemístitelné. S výhodou je 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 plovoucí nádrži, je snadněji přístupné pro údržbu.

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

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

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

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

- 14 CZ 36530 U1

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 dojezdu plovoucí nádrže do krajní provozní polohy, s výhodou v obou smyslech daného směru pohybu, 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 %.

Přečerpávací elektrárna podle technického řešení, obsahující nádrž plovoucí v jámě s vodou, tj. v základní nádrži, může být podle dalšího znaku technického řešení alespoň v části své kapacity použita k vykonávání mechanické práce, s výhodou jako jednoduchý, ale výkonný a bezpečný plovoucí vodní výtah k dopravě břemen, například materiálu a/nebo osob, čili k vykonávání práce, s výhodou při hlubinné nebo povrchové těžbě místo složitého a drahého lanového těžního zařízení a přitom s řádově vyšší nosností při stejném průměru těžní jámy, přičemž dopravované břemeno je umístěno výhodně v horní části nebo v plynové části plovoucí nádrže.

Jestliže je jáma, tj. základní nádrž, vytvořena jako horní nádrž a plovoucí nádrž jako dolní nádrž, pak spotřebováním elektrické energie na odčerpání vody čerpadlem nebo reverzní turbínou z plovoucí nádrže do jámy se tato plovoucí nádrž s nákladem působením vztlaku zvedá a při spouštění plovoucí nádrže s nákladem proti působení vztlaku se voda přepouští přes turbínu z jámy do plovoucí nádrže a elektrická energie se rekuperuje do sítě.

Jestliže je základní nádrž vytvořena jako dolní nádrž a plovoucí nádrž jako horní nádrž, pak spotřebováním elektrické energie na odčerpání vody čerpadlem nebo reverzní turbínou z jámy do plovoucí nádrže se tato plovoucí nádrž s nákladem proti působení vztlaku spouští a při zvedání plovoucí nádrže s nákladem působením vztlaku se voda přepouští přes turbínu z plovoucí nádrže do jámy a elektrická energie se rekuperuje do sítě.

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, jestliže plovoucí nádrž slouží i těmto účelům.

Slouží-li dolní plovoucí nádrž v základní nádrži s výhodou jen jako vodní výtah, může pomocné energetické soustrojí s výhodou obsahovat pouze čerpadlo pro odčerpání vody z plovoucí nádrže, tj. pro zvedání plovoucí nádrže, a samostatnou uzavírací armaturu, s výhodou ventil, pro plnění čili spouštění plovoucí nádrže. Má-li plovoucí nádrž uzavíratelnou plynovou cestu, lze s výhodou místo čerpadla použít k vytlačování vody z plovoucí nádrže stlačený plyn, s výhodou stlačený vzduch. U provedení bez turbíny sice není možnost vyrábět, rekuperovat energii, ale celkově se zjednoduší zařízení pro plnění/vyprazdňování plovoucí nádrže. Toto řešení může být z pohledu celkových nákladů optimální u méně vytíženého vodního výtahu.

- 15 CZ 36530 U1

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

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

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

Plovoucí nádrž je i ve zvednuté poloze velmi odolná proti zemětřesení, a zvláště při velkých rozměrech je odolná proti nepříznivým povětrnostním podmínkám, nejlépe je samozřejmě chráněna varianta dolní plovoucí nádrže po zasunutí do základní nádrže nebo pod úroveň okolního terénu.

Přečerpávací elektrárna podle technického řešení může mít plovoucí nádrž umístěnu v základní nádrži, která je vytvořena výhodně také jako plovoucí, například v moři. Pak lze v moři přemisťovat elektrárnu jako celek.

Výroba betonu a oceli, jakož i doprava při výstavbě přečerpávací elektrárny podle technického řešení 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.

Jestliže uvažujeme veškerou hmotnost prázdné dolní plovoucí nádrže soustředěnu do prostoru přídavné zátěže, pak pro výpočet redukované tíhy plovoucí nádrže platí:

gi.g.S.V = (92 -gi).g.S.A

Při přečerpávání kapaliny lze změnu gravitační potenciální energie plovoucí nádrže včetně její náplně při svislém pohybu v základní nádrži vyjádřit různými způsoby:

- vynásobením redukované tíhy gi.g.S.V plovoucí nádrže a výšky N provozního zdvihu dle vzorce E = gi.g.S.V.N,

- vynásobením tíhy gi.g.S.N přečerpávané kapaliny a výškového rozdílu V hladin dle vzorce E = 9i .g.S.N.V,

- vynásobením celkového hydrostatického tlaku gi.g.V a objemu S.N přečerpávané kapaliny dle vzorce E = gi .g.V.S.N .

Ve vzorcích platí označení:

E - změna gravitační potenciální energie, gi - hustota přečerpávané kapaliny, g2 - průměrná hustota materiálu prázdné plovoucí nádrže (vč. přídavné zátěže), g - gravitační konstanta,

- i6 CZ 36530 U1

S - vnitřní vodorovný průřez plovoucí nádrže,

A - výška přídavné zátěže plovoucí nádrže,

V - výškový rozdíl (výška výtlaku) mezi hladinami přečerpávané kapaliny v základní a plovoucí nádrži,

N - provozní zdvih plovoucí nádrže.

Za předpokladu, že vnější vodorovný průřez ponořené části plovoucí nádrže je roven vnitřnímu vodorovnému průřezu nádrže na vodu v horní části plovoucí nádrže, platí vztah

N - provozní zdvih plovoucí nádrže = výška vody v nádrži na vodu.

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

V rozlehlých základních nádržích, např. v jezerech v prostoru vytěžených povrchových dolů nebo v moři, lze plovoucí nádrž pohodlně stavět s menší výtlačnou výškou a s velkým průměrem. Ale i v zastavěných oblastech lze na poměrně malé ploše elektrárny akumulovat velké množství energie, jelikož je k dispozici téměř neomezený prostor pro výšku, resp. hloubku nádrží.

Například vodní elektrárna vytvořená v základní nádrži o hloubce 60 m a vybavená dolní plovoucí nádrží o výšce výtlaku V = 20 m a pracovním zdvihu rovněž N = 20 m bude mít teoretickou kapacitu přibližně E = 1 100 MWh/100 ha.

Například vodní elektrárna vytvořená v základní nádrži o hloubce 60 m a vybavená horní plovoucí nádrží o výšce výtlaku V = 300 m a pracovním zdvihu N = 20 m bude mít teoretickou kapacitu přibližně E = 16 600 MWh/100 ha.

Dále jsou v popisu použity následující veličiny:

C - výška plynového prostoru ponořené části dolní plovoucí nádrže, přičemž u dolní plovoucí nádrže V = C, u horní plovoucí nádrže se jedná o rozdíl V = C2 - C1 hodnot této veličiny odpovídající změně hmotnosti plovoucí nádrže s náplní, B = A + C - hloubka ponoru plovoucí nádrže.

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

Například ekvivalent Ee změny potenciální energie akumulované při vynořování dolní plovoucí nádrže, vyjádřený výškou V výtlaku, tj. čerpací výškou, a pracovním zdvihem N, lze zjednodušeně vyjádřit vynásobením obou veličin:

Ee = V.N

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

- mnohonásobně zvýšit akumulované množství elektrické energie proti současnému stavu,

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

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

- 17 CZ 36530 U1

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

- rozšířit a zlevnit výrobu elektrické energie z obnovitelných zdrojů,

- omezit výrobu energie z fosilních paliv,

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

- omezit masivní přenosy elektrické energie na dlouhé vzdálenosti i mezi státy,

- významně přispět ke zlepšení životní prostředí.

Přečerpávací elektrárna dle technického řešení má předpoklady k rozsáhlému využívání:

- elektrárna je principiálně a funkčně jednoduchá, což jsou důležité podmínky její spolehlivosti,

- přetlak tekutiny v energetickém soustrojí může být po celý pracovní zdvih téměř konstantní,

- elektrárna má při přečerpávání kapaliny velmi dobrou energetickou účinnost,

- elektrárnu lze spustit a zastavit s vysokou pohotovostí,

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

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

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

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

- elektrárna umožňuje dlouhodobé uložení energie bez ztráty kapacity,

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

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

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

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

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

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

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

- 18 CZ 36530 U1

- materiál elektrárny je plně recyklovatelný,

- elektrárna má nízké provozní náklady,

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

Objasnění výkresů

Technické řešení bude blíže objasněno na příkladech provedení dle přiložených výkresů:

obr. 1 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím, obr. 2 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží se vzduchovým energetickým soustrojím, obr. 3 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží s vodním a vzduchovým energetickým soustrojím, obr. 4 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s dolní plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím, obr. 5 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s horní plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím, obr. 6 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s univerzální plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím, obr. 7 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží s různým provedením přídavné zátěže, obr. 8 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží s různým provedením přídavné zátěže a s omezeným kapalinovým prostorem, obr. 9 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím a s uzavřenou základní nádrží, obr. 10 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s tlakovou plovoucí nádrží s plynovým energetickým soustrojím a s uzavřenou základní nádrží, obr. 11 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s uzavřenou základní nádrží a s plovoucí nádrží s externím vzduchovým energetickým soustrojím, obr. 12 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s uzavřenou základní nádrží s redukovaným objemem tekutin a s plovoucí nádrží s externím vzduchovým energetickým soustrojím, obr. 13 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s dolní plovoucí nádrží s externím vodním energetickým soustrojím na pontonu, obr. 14 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s dolní plovoucí nádrží s externím vodním energetickým soustrojím na stojanu, obr. 15 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s dolní plovoucí nádrží s externím vodním

- 19 CZ 36530 U1 energetickým soustrojím v pomocné jámě, obr. 16 znázorňuje schéma variant provozu přečerpávací elektrárny v moři se stabilizovatelnou plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím, obr. 17 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny se stabilizovatelnou plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím, obr. 18 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží jako vodního výtahu s vodním energetickým soustrojím, obr. 19 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží jako vodního výtahu se vzduchovým soustrojím, obr. 20 znázorňuje schéma hloubení jámy pomocí přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží jako vodního výtahu s vodním energetickým soustrojím, obr. 21 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s horní plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím, obr. 22 znázorňuje schéma běžného modulu plovoucí nádrže, obr. 23 znázorňuje schéma modulu s energetickým soustrojím, obr. 24 znázorňuje schéma uspořádání horního sběrného potrubí, obr. 25 znázorňuje schéma plavání modulu plovoucí nádrže s jednodílným plovákem, obr. 26 znázorňuje schéma plavání modulu plovoucí nádrže s trojdílným plovákem, obr. 27 znázorňuje schéma přečerpávací elektrárny s horní plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím a s různou stavební výškou modulů.

Příklady uskutečnění technického řešení

Na obr. 1 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží 7, kde je dolní plovoucí nádrž 7 umístěna v základní nádrži 2. Základní nádrž 2 slouží jako horní nádrž, plovoucí nádrž 7 slouží jako dolní nádrž. Základní nádrž 2 je vytvořena ve vyhloubené jámě 23, přičemž z vytěžené horniny je kolem jámy 23 vytvořen násep, který zvyšuje hloubku základní nádrže 2. Vnitřní vodní prostor plovoucí nádrže 7 a vodní prostor základní nádrže 2 jsou spojeny vodní cestou pro přenos energie, která obsahuje vodní potrubí 12, vodní energetické soustrojí 15 a vodní uzávěr 18. Dutý tubus 35 umožňuje přístup k vodnímu energetickému soustrojí 15 i v při zaplnění plovoucí nádrže 7 vodou. Pro jemnou regulaci ponoru je plovoucí nádrž 7 vybavena pomocné vodní energetické soustrojí 16. Vodní energetická soustrojí 15, 16 jsou umístěna naležato a vodní potrubí 12 je z nich vyvedeno bočně z plovoucí nádrže 7, je tedy nutno zachycovat nebo kompenzovat reakci od vodorovného proudu vody. Dno plovoucí nádrže 7_s přídavnou zátěží 9 je zaobleno, což má za následek, kromě zvýšení pevnosti a tvarové stability stěn plovoucí nádrže 7, také soustředění přídavného zatížení 9 ke svislé ose plovoucí nádrže 7 a tím zlepšení stability plovoucí nádrže 7 proti bočnímu vychýlení. Vnitřní vzduchový prostor plovoucí nádrže 7 je prostřednictvím odvětrávacího potrubí 21 volně spojen s atmosférou.

Na obr. 1a je znázorněna plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze, na obr. 1b je znázorněna plovoucí nádrž 7 spuštěná o provozní zdvih N, tj. v dolní provozní poloze. Rozdíl V mezi hladinou 11 vody v plovoucí nádrži 7 a hladinou 10 vody v základní nádrži 2 je roven výšce C vzduchového

- 20 CZ 36530 U1 prostoru ponořené části plovoucí nádrže 7 a je stejný v obou pozicích.

Spotřeba elektrické energie k akumulování polohové energie o ekvivalentu Ee = -V*N při zvedání plovoucí nádrže 7 odčerpáním vody vodním energetickým soustrojím 15, 16 z plovoucí nádrže 7 do základní nádrže 2 i výroba elektrické energie spotřebováním polohové energie o ekvivalentu Ee = V*N při spouštění plovoucí nádrže 7 přepouštěním vody vodním energetickým soustrojím 15, 16 ze základní nádrže 2 do plovoucí nádrže 7 může probíhat za stálého přetlaku a tím za stálého výkonu vodního energetického soustrojí 15,16.

Na obr. 2 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s tlakovzdušnou plovoucí nádrží 7, kde je tlakovzdušná plovoucí nádrž 7 vytvořena jako dolní nádrž, plovoucí v základní nádrži 2, která slouží jako horní nádrž. Plovoucí nádrž 7 je v dolní části otevřena do základní nádrže 2, přídavná zátěž 9 je umístěna v horní části plovoucí nádrže 7. Plovoucí nádrž 7 je nahoře uzavíratelná, čímž se v ní vytváří prostor pro stlačený vzduch, který umožňuje udržovat plovoucí nádrž 7 na hladině 10 vody v základní nádrži 2. Je opatřena tlakovým vzduchovým potrubím 20, vzduchovým uzávěrem 19 a vzduchovým energetickým soustrojím 17, obsahujícím kompresor a vzduchovou turbínu, k přečerpávání vzduchu. Strop plovoucí nádrže 7 je klenutý pro zvýšení pevnosti a tvarové stability. Základní nádrž 2 je vyhloubena pouze jako mezikruží pro umožnění nezbytného pohybu stěn plovoucí nádrže 7 ve vodě.

Na obr. 2a je znázorněna elektrárna s plovoucí nádrží 7 v horní provozní poloze - vzduch, nasátý z atmosféry a vtlačený pomocí vzduchového energetického soustrojí 17 do vnitřního prostoru plovoucí nádrže 7, vyzvednul plovoucí nádrž 7 ze základní nádrže 2. Na obr. 2b je znázorněna přečerpávací elektrárna s plovoucí nádrží 7 v dolní provozní poloze - vypuštěním, expanzí stlačeného vzduchu z vnitřního prostoru plovoucí nádrže 7 přes vzduchové energetické soustrojí 17 do atmosféry se plovoucí nádrž 7 zanořila do základní nádrže 2.

Na obr. 3 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s tlakovzdušnou plovoucí nádrží 7, která je umístěna v základní nádrži 2. Základní nádrž 2 slouží jako horní nádrž, plovoucí nádrž 7 slouží jako dolní nádrž. Vnitřní vodní prostor plovoucí nádrže 7 a vodní prostor základní nádrže 2 jsou spojeny vodní cestou pro přenos energie, která obsahuje vodní potrubí 12, vodní energetické soustrojí 15 a vodní uzávěr 18. Vnitřní vzduchový prostor plovoucí nádrže 7 a atmosféra jsou spojeny vzduchovou cestou pro přenos energie, která obsahuje tlakové vzduchové potrubí 20, vzduchové energetické soustrojí 17 a vzduchový uzávěr 19. Instalací vzduchového uzávěru 19 se plovoucí nádrž 7 stává tlakovzdušnou nádrží a je nutno k tomu přihlédnout při jejím dimenzování. Strop a dno plovoucí nádrže 7 jsou provedeny jako klenuté pro zvýšení pevnosti a stability.

Na obr. 3a je znázorněna plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze, na obr. 3b je znázorněna plovoucí nádrž 7 spuštěná o provozní zdvih N, tj. v dolní provozní poloze. Rozdíl V mezi hladinou 11 vody v plovoucí nádrži 7 a hladinou 10 vody v základní nádrži 2 je roven výšce C ponořeného vzduchového prostoru a je stejný v obou pozicích. Spotřeba i výroba elektrické energie může probíhat dle provozních potřeb pomocí vodního energetického soustrojí 15 a/nebo vzduchového energetického soustrojí 17.

Vzduchový uzávěr 19 při uzavření může sloužit také k akumulování tlakové energie vzduchu nad hladinou 11 vody v plovoucí nádrži 7. Např. přepouštěním vody přes vodní energetické soustrojí 15 do plovoucí nádrže 7 nebo i dalším čerpáním vody pomocí vodního energetického soustrojí 15 do plovoucí nádrže 7 se vzduch nad hladinou 11 vody v plovoucí nádrži 7 stlačuje a plovoucí nádrž 7 se zanořuje do vody v základní nádrži 2. Část polohové energie plovoucí nádrže 7 se nepřemění na elektrickou energii, ale transformuje se do tlakové energie vzduchu v plovoucí nádrži 7. Zpětným čerpáním vody z plovoucí nádrže 7 pomocí vodního energetického soustrojí 15 se objem vzduchu uvnitř plovoucí nádrže 7 zvětšuje a plovoucí nádrž 7 se vynořuje, přičemž se tlaková energie vzduchu uvolňuje a také se přeměňuje na polohovou energii plovoucí nádrže 7. Přeměnu tlakové energie vzduchu ve vzduchovém prostoru plovoucí nádrže 7 na elektrickou energii a opačně lze provádět také vzduchovým energetickým soustrojím 17.

- 21 CZ 36530 U1

Vzduchové energetické soustrojí 17 lze využít pro zvýšení tlaku a množství energie akumulované ve vzduchovém prostoru plovoucí nádrže 7 vtlačením vzduchu z atmosféry. Tím vzroste i tlak na vodní energetické soustrojí 15 a jeho výkon při čerpání i při přepouštění vody v souvislosti se změnou výškové polohy plovoucí nádrže 7. Vnitřním přetlakem vzduchu se může také částečně kompenzovat zatížení stěn plovoucí nádrže 7 od vnějšího hydrostatického tlaku vody.

Na obr. 4 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s dolní plovoucí nádrží, na obr. 5 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s horní plovoucí nádrží.

Z porovnání obou schémat je patrno, že při stejných výkonových parametrech V, N dolní plovoucí nádrž 7 na obr. 4 vyžaduje větší stavební výšku pod hladinou 10 základní nádrže 2, horní plovoucí nádrž 7 na obr. 5 vyžaduje větší stavební výšku nad hladinou 10 základní nádrže 2. Dolní plovoucí nádrž 7 na obr. 4 má těžiště dole, a proto se stabilizuje víceméně sama, horní plovoucí nádrž 7 na obr. 5 má těžiště ve své horní části, proto je nutno zajišťovat její stabilitu proti převrácení. Výškový rozdíl V mezi hladinou 10 vody v základní nádrži 2 a hladinou 11 vody v plovoucí nádrži 7 je na obou obrázcích 4, 5 roven pracovnímu zdvihu N.

Na obr. 4a se prázdná plovoucí nádrž 7 nachází v horní provozní poloze. Odčerpáním vody z plovoucí nádrže 7 přes vodní energetické soustrojí 15 do základní nádrže 2 se poloha plovoucí nádrže 7 působením vztlaku zvýšila z dolní provozní polohy na obr. 4b a v důsledku toho se potenciální energie plovoucí nádrže 7 zvýšila, přičemž byla spotřebována elektrická energie o ekvivalentu Ee = V*N.

Na obr. 4b se poloha plovoucí nádrže 7 snížila do dolní provozní polohy z horní provozní polohy na obr. 4a proti působení vztlaku po zvýšení náplně přepuštěním vody ze základní nádrže 2 do plovoucí nádrže 7 přes vodní energetické soustrojí 15, přičemž byla vyrobena elektrická energie o ekvivalentu Ee = V*N.

Na obr. 5a, tj. s ponorem B1, se prázdná plovoucí nádrž 7 nachází v horní provozní poloze. Vypuštěním vody z horní části plovoucí nádrže 7 přes vodní energetické soustrojí 15 se poloha plovoucí nádrže 7 působením vztlaku zvýšila z dolní provozní polohy na obr. 5b a byla vyrobena elektrická energie o ekvivalentu Ee = V*N.

Na obr. 5b, tj. s ponorem B2, se plovoucí nádrž 7 po naplnění její horní části vodou pomocí vodního energetického soustrojí 15 zanořila proti působení vztlaku z horní provozní polohy na obr. 5a do dolní provozní polohy a v důsledku toho se potenciální energie plovoucí nádrže 7 zvýšila, přičemž byla spotřebována elektrická energie o ekvivalentu Ee = V*N.

Na obr. 6 je znázorněna elektrárna s univerzální plovoucí nádrží, kde menší část N1 maximálního přípustného provozního zdvihu plovoucí nádrže 7 je využita pro zvýšení její celkové hmotnosti načerpáním přídavné zátěže vody s rozdílem hladin V1 pomocí vodního energetického soustrojí 15 do horní části plovoucí nádrže 7 a hlavní část N2 provozního zdvihu plovoucí nádrže 7 je k dispozici pro běžné přečerpávání vody s rozdílem hladin V2 při využití prostoru v dolní části plovoucí nádrže 7 pomocí pomocného vodního energetického soustrojí 16. Horní i dolní část plovoucí nádrže 7 jsou tedy plněny vodou samostatně a mají také společné propojení s atmosférou pomocí odvětrávacího potrubí 21.

Na obr. 6a je plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze, na obr. 6b je plovoucí nádrž 7 v dolní provozní poloze.

Tato elektrárna může být provozována přečerpáváním vody mezi základní nádrží 2 a kapalinovým prostorem v dolní a/nebo horní části plovoucí nádrže 7 v závislosti na povětrnostních podmínkách, zejména na aktuální rychlosti větru, a na aktuální hloubce vody v základní nádrži 2.

- 22 CZ 36530 U1

Na obr. 7 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží s různým provedením přídavné zátěže. Základní nádrž 2 slouží jako horní nádrž, plovoucí nádrž 7 slouží jako dolní nádrž. Provedení dle obr. 7a znázorňuje plovoucí nádrž 7 s přídavnou zátěží 9 umístěnou v dolní části plovoucí nádrže 7, provedení dle obr. 7b, 7c znázorňují plovoucí nádrž 7 s přídavnou zátěží 9 umístěnou v horní části plovoucí nádrže 7.

V provedeních dle obr. 7a, 7b je přídavná zátěž 9 zhotovena z materiálu hustšího než voda, proto v plovoucí nádrži 7 zaujímá poměrně malý objem, čili výšku A. V provedení dle obr. 7c je jako přídavná zátěž 9 použita voda ze základní nádrže 2, proto je pro ni v plovoucí nádrži 7 vytvořen větší prostor, tj. výška A.

Výška P prostoru pro umístění energetického soustrojí 15 v provedení dle obr. 7b, obr. 7c je rovna výšce A přídavné zátěže 9 v provedení dle obr. 7a.

Každé provedení dle obr. 7a, 7b, 7c je znázorněno v horní provozní poloze, viz. obr. 7a.1, 7b.1, 7c.1, a v dolní provozní poloze, viz. obr. 7a.2, 7b.2, 7c.2.

Na obr. 7a.1, 7b.1, 7c.1 se plovoucí nádrž 7 nachází v horní provozní poloze. Odčerpáním vody z plovoucí nádrže 7 přes vodní energetické soustrojí 15 do základní nádrže 2 se poloha plovoucí nádrže 7 působením vztlaku zvýšila a v důsledku toho se potenciální energie plovoucí nádrže 7 zvýšila, přičemž byla spotřebována elektrická energie o ekvivalentu Ee = V*N.

Na obr. 7a.2, 7b.2, 7c.2 se poloha plovoucí nádrže 7 snížila do dolní provozní polohy proti působení vztlaku po zvýšení náplně přepuštěním vody ze základní nádrže 2 do plovoucí nádrže 7 přes vodní energetické soustrojí 15, přičemž byla vyrobena elektrická energie o ekvivalentu Ee = V*N.

Stěny plovoucí nádrže 7 v ponořené části B1, B2 jsou namáhány výsledným vnějším přetlakem, který je dán rozdílem hydrostatického tlaku vody vně a uvnitř plovoucí nádrže 7.

Na obr. 8 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží podobné jako na obr. 7, ale s omezeným kapalinovým prostorem. Rozdíl je v tom, že vzduchové prostory v plovoucích nádržích 7, které nejsou využívány pro ukládání vody v průběhu přečerpávání, jsou odděleny tak, aby je bylo možno naplnit stlačeným vzduchem k vyvážení vnějšího hydrostatického tlaku vody a v důsledku toho, aby bylo zatížení těchto vzduchových prostorů příznivější z hlediska dimenzování plovoucí nádrže 7 ve srovnání s provedením plovoucích nádrží 7 dle obr. 7. U provedení dle obr. 8a se jedná o vzduchový prostor nad hladinou 11 vody v plovoucí nádrži 7 až po strop plovoucí nádrže 7. U provedení dle obr. 8b, 8c se jedná o vzduchový prostor nad hladinou 11 vody v plovoucí nádrži 7 až po přídavnou zátěž 9 a dále o vzduchový prostor u dna plovoucí nádrže 7, ve kterém je umístěno energetické soustrojí 15. Jelikož zde mají kapalinové prostory omezený objem, omezí se riziko přetížení plovoucí nádrže 7.

Na obr. 9 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s dolní plovoucí nádrží 7 umístěnou v uzavřené základní nádrži 2, kde kapalinové energetické soustrojí 15 a přídavná zátěž 9 jsou umístěny v dolní části plovoucí nádrže 7. Na obr. 9a je plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze, na obr. 9b je plovoucí nádrž 7 v dolní provozní poloze.

Na obr. 10 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s dolní tlakovou plovoucí nádrží 7 umístěnou v uzavřené základní nádrži 2, kde vzduchové energetické soustrojí 17 je umístěno v horní části plovoucí nádrže 7 a přídavná zátěž 9 v dolní části plovoucí nádrže 7. Na obr. 10a je plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze, na obr. 10b je plovoucí nádrž 7 v dolní provozní poloze.

Na obr. 11 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s tlakovzdušnou dolní plovoucí nádrží umístěnou v uzavřené základní nádrži, přičemž přídavná zátěž 9 je umístěna v dolní části plovoucí nádrže 7. Vzduchové energetické soustrojí 17 je umístěno stabilně vně základní nádrže 2 a propojuje vzduchové prostory základní nádrže 2 a plovoucí nádrže 7 pomocí pevného tlakového

- 23 CZ 36530 U1 vzduchového potrubí 20, které volně prochází otvorem 25 v dolní části plovoucí nádrže 7. Na obr. 11a je plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze, na obr. 11b je plovoucí nádrž 7 v dolní provozní poloze. Přetlak ve vzduchovém energetickém soustrojí 17 je v pozici na obr. 11a i v pozici na obr. 11b stejný.

Na obr. 12 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s tlakovzdušnou dolní plovoucí nádrží umístěnou v uzavřené základní nádrži, přičemž přídavná zátěž 9 je umístěna v horní části plovoucí nádrže 7. Základní nádrž 2 je opatřena vnitřní dutinou 26, která odpovídá tvaru vnitřního prostoru plovoucí nádrže 7 a umožňuje značně redukovat potřebný objem nejen vodní, ale i vzduchové náplně elektrárny. Tlakové vzduchové potrubí 20, které spojuje vzduchové prostory uvnitř a vně plovoucí nádrže 7, prochází vnitřní dutinou 26 základní nádrže 2 a je umístěno zcela mimo vodní prostory základní nádrže 2 a plovoucí nádrže 7. Vzduchové energetické soustrojí 17 je umístěno stabilně vně základní nádrže 2. Na obr. 12a je plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze, na obr. 12b je plovoucí nádrž 7 v dolní provozní poloze.

Na obr. 13 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny, kde je horní plovoucí nádrž 7 umístěna v otevřené základní nádrži 2, přičemž vodní energetické soustrojí 15 je umístěno vně plovoucí nádrže 7 na samostatném pontonu 24 v základní nádrži 2 a je s plovoucí nádrží 7 spojeno pomocí ohebného vodního potrubí 12. Na obr. 13a je plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze, na obr. 13b je plovoucí nádrž 7 v dolní provozní poloze.

Na obr. 14 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny, kde je dolní plovoucí nádrž 7 umístěna v otevřené základní nádrži 2, přičemž vodní energetické soustrojí 15 je umístěno vně plovoucí nádrže 7 a je s plovoucí nádrží 7 spojeno pomocí ohebného vodního potrubí 12. Vodní energetické soustrojí 15 je umístěno v samostatném dutém sloupu 22, který je ukotven v základní nádrži 2. Dutý sloup 22 v horní části umožňuje přístup k vodnímu energetickému soustrojí 15, v dolní části může být zaplněn pevným materiálem nebo vodou pro zvýšení stability. Na obr. 14a je plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze, na obr. 14b je plovoucí nádrž 7 v dolní provozní poloze.

Na obr. 15 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny, kde je dolní plovoucí nádrž 7 umístěna v otevřené základní nádrži 2, přičemž vodní energetické soustrojí 15 je s plovoucí nádrží 7 taktéž spojeno pomocí ohebného vodního potrubí 12, je však umístěno v jámě 23 vedle základní nádrže 2, takže je velmi dobře přístupné pro údržbu. Na obr. 15a je plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze, na obr. 15b je plovoucí nádrž 7 v dolní provozní poloze.

Na obr. 16 je znázorněno schéma variant provozu vodní přečerpávací elektrárny se stabilizovatelnou plovoucí nádrží 7 umístěnou v základní nádrži 2 a vedenou vodicím rámem 14. Mezi pozicemi na obr. 16a a obr. 16b je plovoucí nádrž 7 po zajištění zarážkami 13 provozována jako stabilní dolní a může být prováděna akumulace polohové energie vody jejím odčerpáním z plovoucí nádrže 7 do základní nádrže 2 a výroba elektrické energie přepouštěním vody ze základní nádrže 2 zpět do plovoucí nádrže 7. Mezi pozicemi na obr. 16c a obr. 16d je plovoucí nádrž 7 provozována jako plovoucí a může být prováděna akumulace polohové energie plovoucí nádrže 7 zvednutím plovoucí nádrže 7 pomocí odčerpání vody z plovoucí nádrže 7 do základní nádrže 2 a výroba elektrické energie spouštěním plovoucí nádrže 7 pomocí přepouštění vody ze základní nádrže 2 zpět do plovoucí nádrže 7. Mezi pozicemi na obr. 16d a obr. 16e je plovoucí nádrž 7 po zakotvení zarážkami 13 provozována jako stabilní dolní a může být prováděna akumulace polohové energie vody jejím vyčerpáním z plovoucí nádrže 7 do základní nádrže 2 a výroba elektrické energie přepouštěním vody ze základní nádrže 2 zpět do plovoucí nádrže 7. Mezi pozicemi na obr. 16e a obr. 16f je plovoucí nádrž 7 při zakotvení na zarážkách 13 provozována jako stabilní horní a může být prováděna akumulace polohové energie vody jejím čerpáním ze základní nádrže 2 do plovoucí nádrže 7 a výroba elektrické energie vypouštěním vody zpět z plovoucí nádrže 7 do základní nádrže 2.

Na obr. 17 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny se stabilizovatelnou plovoucí nádrží a s minimalizovaným množstvím vody.

- 24 CZ 36530 U1

Na obr. 17a je v základní nádrži 2 naplněné vodou umístěna plovoucí nádrž 7 s výtlačnou výškou V, která se nachází v dolní provozní poloze, je rovněž naplněna vodou. Pomocný vodní uzávěr 18a v dolní části plovoucí nádrže 7 je uzavřen.

V pozici na obr. 17b je plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze po odčerpání vody z jejího vnitřního prostoru do základní nádrže 2 pomocí vodního energetického soustrojí 15 (akumulace polohové energie plovoucí nádrže 7). Pomocný vodní uzávěr 18a je při tom uzavřen. Hydrodynamické tlumiče 33 jsou vysunuty a tlumí houpání plovoucí nádrže 7 na hladině 10 vody v základní nádrži 2.

Na obr. 17c je plovoucí nádrž 7 stabilizována zarážkami 13, pomocný vodní uzávěr 18a je připojen k vodnímu potrubí 12, je otevřen a voda ze základní nádrže 2 je přečerpána do plovoucí nádrže 7 (akumulace polohové energie vody) pomocným vodním energetickým soustrojím 16 umístěným vedle základní nádrže 2 v úrovni dna 6 této základní nádrže 2.

Při zpětném přepouštění vody ze stabilizované plovoucí nádrže 7 do základní nádrže 2 do pozice na obr. 17b je v pomocném vodním energetickém soustrojí 16 vyráběna elektrická energie. Po odpojení a uzavření pomocného vodního uzávěru 18a a uvolnění zarážek 13 a při následném spouštění plovoucí nádrže 7 ke dnu 6 základní nádrže 2 přepouštěním vody ze základní nádrže 2 do plovoucí nádrže 7 do pozice na obr. 17a je ve vodním energetickém soustrojí 15 rovněž vyráběna elektrická energie.

Na obr. 18 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží, která je částečně využívána jako vodní výtah, těžní zařízení, kde je dolní plovoucí nádrž 7 umístěna v základní nádrži 2 vytvořené ve svislé jámě 23 naplněné vodou pod úroveň důlního patra 4. Tato jáma 23 slouží jako horní nádrž, její stěny jsou tvořeny jámovou výztuží 3. U dna plovoucí nádrže 7 je umístěno vodní energetické soustrojí 15, které je prostřednictvím vodního potrubí 12 spojeno s vnitřním prostorem plovoucí nádrže 7 a s vodou v základní nádrži 2. V dolní části plovoucí nádrže 7 je umístěna také přídavná zátěž 9. Plovoucí nádrž 7 je nahoře opatřena odvětrávacím otvorem 21 a je svisle vedena v prostoru jámové výztuže 3. Plovoucí nádrž 7 má horní plošinu 5 upravenu k odtěžení nákladu 27 horniny z podzemního patra 4 na povrch 1.

Na obr. 18a je znázorněna plovoucí nádrž 7 v dolní provozní poloze po přepuštění vody ze základní nádrže 2 přes vodní energetické soustrojí 15 do plovoucí nádrže 7. Na obr. 18a je znázorněna plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze, a tedy s vyšší polohovou energií, po odčerpání vody z plovoucí nádrže 7 vodním energetickým soustrojím 15 do základní nádrže 2. Oproti energii získané při spouštění plovoucí nádrže 7 je energie spotřebovaná při zvedání plovoucí nádrže 7 vyšší o energii potřebnou pro zvedání nákladu 27. Pod plovoucí nádrží 7 jsou znázorněny vysunuté hydrodynamické tlumiče 33, které tlumí houpání plovoucí nádrže 7 na hladině vody v základní nádrži 2 při naložení či odebrání nákladu 27.

Na obr. 19 je znázorněno schéma tlakovzdušné přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží, která je částečně využívána jako vodní výtah, těžní zařízení. Plovoucí dolní nádrž 7, která slouží jako dolní nádrž, je umístěna ve svislé jámě 23, která je základní nádrží 2 a slouží jako horní nádrž. U dna plovoucí nádrže 7 je umístěno vodní potrubí 12 s uzavíracím vodním uzávěrem 18 k vedení vody mezi vnitřním vodním prostorem plovoucí nádrže 7 a vodním prostorem základní nádrže 2. Plovoucí nádrž 7 je nahoře opatřena tlakovým vzduchovým potrubím 20, vzduchovým uzávěrem 19 a vzduchovým energetickým soustrojím 17, obsahujícím kompresor a vzduchovou turbínu. Vodní potrubí 12 je běžně otevřeno, vodní uzávěr 18 slouží jako pojistka proti potopení plovoucí nádrže 7 např. při poruše nebo údržbě vzduchového energetického soustrojí 17 a vzduchového uzávěru 19. Plovoucí nádrž 7 má pod stropem 5 plošinu upravenou k odtěžení nákladu 27 horniny z podzemního patra 4 na povrch 1.

Na obr. 19a je znázorněna elektrárna s plovoucí nádrží 7 v dolní provozní poloze po přepuštění

- 25 CZ 36530 U1 vody ze základní nádrže 2 do plovoucí nádrže 7 vypuštěním stlačeného vzduchu z plovoucí nádrže 7 přes vzduchové energetické soustrojí 17 do atmosféry. Na obr. 19b je znázorněna tatáž elektrárna s plovoucí nádrží 7 v horní provozní poloze po vytlačení vody zpět do základní nádrže 2 doplněním vzduchu z atmosféry do plovoucí nádrže 7 pomocí vzduchového energetického soustrojí 17.

Na obr. 20 je znázorněno schéma hloubení jámy, například povrchového lomu, s odtěžením pomocí přečerpávací elektrárny s plovoucí nádrží, použité částí výkonu jako těžní zařízení. Hloubící zařízení 28 shrnuje horninu do centra hloubené jámy 29 k plovoucí nádrži 7 umístěné v základní nádrži 2 s vodou. Odčerpáním vody z plovoucí nádrže 7 pomocí vodního energetického soustrojí 15 se spotřebuje elektrická energie, plovoucí nádrž 7 se zvedá i s nákladem 27 a akumuluje se potenciální energie plovoucí nádrže 7 a nákladu 27. Náklad 27 je dopravován na povrch 1 hloubené jámy 29, kde se přes výsypky 31 vysypává na dopravní pásy 32, umístěné na odtěžovacím mostu 30. V hloubicím zařízení 28 a u zařízení 30, 31, 32 na povrchu 1 je ponechán volný profil 34 pro průjezd plovoucí nádrže 7 na povrch 1. Přepouštěním vody ze základní nádrže 2 přes vodní energetické soustrojí 15 do plovoucí nádrže 7 se tato plovoucí nádrž 7 spustí do dolní provozní polohy, přičemž se spotřebuje potenciální energie plovoucí nádrže 7 a vyrábí se elektrické energie. Přetlak ve vodním energetickém soustrojí 15 odpovídá rozdílu mezi hladinou 10 vody v základní nádrži 2 a hladinou 11 vody v plovoucí nádrži 7.

Na obr. 21 je znázorněno schéma přečerpávací elektrárny s horní plovoucí nádrží s vodním energetickým soustrojím. Na obr. 21a a 21b je zobrazen nárys přečerpávací elektrárny, na obr. 21c je zobrazen její půdorys.

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

- horní část - nádrž 7a na vodu,

- střední část - mezikus 7b,

- dolní část - plovák 7c.

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

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

Spotřebováním elektrické energie o ekvivalentu Ee = -V*N ze sítě se akumuluje polohová energie vody jejím čerpáním ze základní nádrže 2 vodním potrubím pomocí vodních energetických soustrojí do nádrží 7a na vodu. Plovoucí nádrž 7 klesá, přičemž její plováky 7c se ponořují do základní nádrže 2. Na obr. 21a je zobrazena plovoucí nádrž 7 v dolní provozní poloze.

Vypouštěním vody z nádrží 7a na vodu vodním potrubím přes vodní energetická soustrojí do základní nádrže 2 se spotřebováním polohové energie vody vyrábí elektrická energie o ekvivalentu Ee = V*N a dodává se do sítě. Plovoucí nádrž 7 se zvedá, přičemž její plováky 7c se vynořují ze základní nádrže 2. Na obr. 21b je zobrazena plovoucí nádrž 7 v horní provozní poloze.

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

- 26 CZ 36530 U1

Na obr. 22 je znázorněno schéma běžného modulu plovoucí nádrže.

Běžný modul plovoucí nádrže 7 má tři základní části:

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

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

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

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

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

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

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

Na obr. 23 je znázorněno schéma modulu plovoucí nádrže s vodním energetickým soustrojím. Tento modul disponuje některými úpravami oproti běžnému modulu, k němuž je připevněn.

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

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

Reverzní turbína 15a je situována v takové výši, aby její vodorovná osa byla vždy pod úrovní hladiny 10 vody v základní nádrži 2, tj. i v horní provozní poloze plovoucí nádrže 7. Má tak trvale zajištěnu negativní sací výšku.

Motorgenerátor 15b je umístěn nad reverzní turbínou 15a nad úrovní hladiny 10 vody v základní nádrži 2.

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

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

Na obr. 24 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

- 27 CZ 36530 U1 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 y vody při provozování různého počtu vodních energetických soustrojí.

Obr. 25 znázorňuje schéma plavání modulu plovoucí nádrže s jednodílným plovákem. Modul obsahuje nádrž 7a na vodu, mezikus 7b a jednodílný plovák 7 a, které jsou zhotoveny z tenkého plechu a jejich vodorovný průřez má kruhový tvar. Mezikus 7b má tloušťku stěny t.

Na obr. 25a je modul v horní provozní poloze s prázdnou nádrží 7a na vodu, na obr. 25b je modul 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. 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 stejný.

Obr. 26 znázorňuje schéma plavání modulu plovoucí nádrže s trojdílným plovákem. Modul obsahuje horní nádrž 7 a, mezikus 7b a trojdílný plovák. Plovák 7c obsahuje oddíly 7c1, 7c2, 7c3 (segmenty) které jsou zhotoveny z tenkého plechu tloušťky t a jejich vodorovný průřez má kruhový tvar.

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

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

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

Na obr. 26a je modul v horní provozní poloze, na obr. 26b je modul 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. 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 stejný.

Na obr. 27 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 s různou stavební výškou.

Běžné moduly jsou vybaveny

- plováky 7c s různou hloubkou ponoru podle hloubkového profilu základní nádrže 2,

- mezikusy 7b s odpovídající různou výškou a

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

- 28 CZ 36530 U1

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

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

Plnění a vyprazdňování všech nádrží 7a na vodu lze provádět současně a proporcionálně, aby se minimalizovalo smykové napětí ve výztuhách zejména mezi běžnými moduly s různou stavební 10 výškou.

Na obr. 27a je zobrazena plovoucí nádrž 7 s prázdnými nádržemi 7a na vodu v horní provozní poloze. Na obr. 27b je zobrazena plovoucí nádrž 7 s naplněnými nádržemi 7a na vodu v dolní provozní poloze.

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

- 29 CZ 36530 U1

Claims (10)

1. Přečerpávací elektrárna, která obsahuje plovoucí nádrž umístěnou v základní nádrži (2) v prostředí dvou tekutin s rozdílnou hustotou, přičemž jedna z nádrží je dolní nádrží a druhá nádrž je horní nádrží, a dále obsahuje potrubí (12) a energetické soustrojí (15) k přečerpávání tekutiny mezi dolní nádrží a horní nádrží, vyznačená tím, že prostory plovoucí nádrže (7) obsahující přečerpávanou tekutinu jsou s prostory základní nádrže (2) obsahujícími přečerpávanou tekutinu spojeny prostřednictvím energetického soustrojí (15) pomocí pevného a/nebo ohebného potrubí (12), které v základní nádrži (2) i v plovoucí nádrži (7) ústí do přečerpávané tekutiny, přičemž energetické soustrojí (15) pro přečerpávání hustší tekutiny je pomocí potrubí (12) připojeno výtlačnou stranou k horní nádrži a sací stranou k dolní nádrži tak, že výtlačná výška je vyšší než sací výška.

2. Přečerpávací elektrárna podle nároku 1, vyznačená tím, že plovoucí nádrž (7) obsahuje plovák (7c) k vytvoření vztlaku pro nesení plovoucí nádrže (7) v základní nádrži (2).

3. Přečerpávací elektrárna podle nároku 1 nebo 2, vyznačená tím, že plovoucí nádrž (7) obsahuje nádrž (7a) na hustší tekutinu.

4. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 3, vyznačená tím, že plovoucí nádrž (7) obsahuje mezikus (7b) pro nesení nádrže (7a) na hustší tekutinu.

5. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 4, vyznačená tím, že plovoucí nádrž (7) je tvořena množinou vzájemně spojených modulů (7.1).

6. Přečerpávací elektrárna podle nároků 2 až 5, vyznačená tím, že vnější vodorovný průřez plováků (7c) je roven vnitřnímu vodorovnému průřezu nádrží (7a) na hustší tekutinu pro udržení stálé výškové úrovně hladiny (10) hustší tekutiny v základní nádrži (2) a stálé výškové úrovně hladiny (11) hustší tekutiny v plovoucí nádrži (7).

7. Přečerpávací elektrárna podle nároků 2 až 6, vyznačená tím, že plovák (7 c) je naplněn plynem, jehož vnitřní přetlak je stejný nebo větší než vnější přetlak hustší tekutiny odpovídající největší hloubce ponoření plováku (7c) v základní nádrži (2).

8. Přečerpávací elektrárna podle nároků 2 až 7, vyznačená tím, že plovák (7c) je výškově rozdělen na více oddílů (7c1, 7c2, 7c3), které jsou mezi sebou odděleny tlakovou přepážkou, přičemž každý oddíl (7c1, 7c2, 7c3) je naplněn plynem, jehož vnitřní přetlak v každém oddílu (7c1, 7c2, 7c3) je stejný nebo větší než vnější přetlak hustší tekutiny odpovídající největší hloubce ponoření příslušného oddílu (7c1, 7c2, 7c3) v základní nádrži (2).

9. Přečerpávací elektrárna podle nároků 5 až 8, vyznačená tím, že plovoucí nádrž (7) je tvořena moduly (7.1) s různou hloubkou ponoru podle hloubkového profilu základní nádrže (2).

10. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 9, vyznačená tím, že obsahuje vodicí rám (14) pro zajištění plovoucí nádrže (7) proti vodorovnému pohybu v základní nádrži (2).

11. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 10, vyznačená tím, že plovoucí nádrž (7) je vytvořena se souvislým dnem.

12. Přečerpávací elektrárna podle nároku 1 až 11, vyznačená tím, že základní nádrž (2) je tvořena uzavřenou tlakovou nádobou pro možnost zvýšení přetlaku přečerpávaných tekutin a zvýšení množství akumulované energie.

13. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 12, vyznačená tím, že plovoucí nádrž (7) je vybavena přídavnou zátěží (9) pro možnost zvýšení ponoru plovoucí nádrže (7).

- 30 CZ 36530 U1

14. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 13, vyznačená tím, že obsahuje převodový mechanismus a/nebo pomocné energetické soustrojí (16), kterými je přídavná zátěž (9) spojena se základní nádrží (2), k regulaci hmotnosti přídavné zátěže (9).

15. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 14, vyznačená tím, že potrubí (14) je umístěno uvnitř 5 a/nebo vně plovoucí nádrže (7).

16. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 15, vyznačená tím, že energetické soustrojí (15) je umístěno uvnitř nebo vně plovoucí nádrže (7).

17. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 16, vyznačená tím, že obsahuje plošinu k dopravě materiálu a/nebo osob umístěnou v horní části nebo v plynové části plovoucí nádrže (7).

10 18. Přečerpávací elektrárna podle nároků 1 až 17, vyznačená tím, že obsahuje blokovací zařízení (13) pro stabilizování plovoucí nádrže (7).