PL217936B1 - Elektrownia hydro-powietrzna - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest elektrownia hydro-powietrzna wykorzystująca energię potencjalną wody.

Znany jest z opublikowanego opisu europejskiego zgłoszenia wynalazku nr CN 201246283 układ do przekształcania energii wiatru w energię wody. Układ składa się ze zbiornika-basenu, pompy wodnej napędzanej wirnikiem wiatrowym, wodnego zbiornika wysokociśnieniowego, turbiny wodnej generatora elektrycznego. Pompa wodna, napędzana wałem napędowym sprzęgniętym z wirnikiem wiatrowym poprzez przekładnię, wynosi wodę do zbiornika wysokociśnieniowego. Zbiornik wysokociśnieniowy ma otwór wypływowy połączony za pośrednictwem rury z turbiną. Woda odpływająca z turbiny wpływa do zbiornika-basenu.

Znana jest także z rosyjskiego opisu patentowego nr RU 2 377 436 szczytowa hydroelektrownia posiadająca siłownię wiatrową napędzającą sprężarkę, zaś sprężone przez nią powietrze wprowadzone do podziemnego zbiornika wypycha wodę do zbiornika górnego, skąd przepływa wydrążonym otworem napędzając turbinę wodną połączoną z prądnicą.

Zgodnie z wynalazkiem elektrownia wyposażona w turbiny wodne połączone z generatorami prądu, posiadająca dolny i górny zbiornik, pomiędzy którymi jest turbina wodna, zaś do zbiornika dolnego jest przyłączona pompa zasilająca zbiornik górny, której wirnik jest sprzęgnięty z siłownią wiatrową, z którą jest połączona sprężarka powietrza i pompa wodna, charakteryzuje się tym, że posiada co najmniej dwa zbiorniki górne połączone kolektorem umieszczonym pod zbiornikami górnymi, mającym jeden króciec odpływowy do rynny. W dennej części zbiorników górnych są poduszki powietrzne połączone za pośrednictwem instalacji pneumatycznej ze zbiornikiem powietrza. Siłownię wiatrową stanowi co najmniej jedna kolumna zestawiona z co najmniej dwóch segmentów, z których każdy ma turbinę wiatrową pionowej osi obrotu, zaś osie wirników turbin wiatrowych są wyposażone w półsprzęgła. Nad zbiornikami górnymi jest drugi kolektor wyposażony w króćce wypływowe usytuowane nad każdym zbiornikiem górnym, które są wyposażone w elektrozawory połączone z czujnikami poziomu wody w zbiornikach górnych. Z wałem transmisyjnym siłowni wiatrowej napędzającym pompę jest połączona za pośrednictwem sprzęgła sterowanego elektrycznie sprężarka powietrza.

Zbiorniki górne są wyposażone także w co najmniej dwa czujniki poziomu wody, które są połączone z odpowiednimi elektrozaworami.

W przypadku dużej różnicy poziomów pomiędzy zbiornikami górnymi a zbiornikiem dolnym pomiędzy tymi zbiornikami jest zbiornik pośredni, który jest połączony z jednej strony, poprzez doprowadzający wodę odcinek rurociągu, z pompą umieszczoną w dolnym zbiorniku, a z drugiej strony zbiornik pośredni poprzez drugą pompę wodną i drugi odcinek rurociągu, jest połączony z kolektorem, umieszczonym nad zbiornikami górnymi. Każda z pomp jest sprzęgnięta z odrębną siłownią wiatrową.

Przy korzystnym ukształtowaniu terenu nad zbiornikami górnymi jest zbiornik retencyjny zaopatrzony w rury spustowe ulokowane nad zbiornikami górnymi, zaopatrzone w elektrozawory, połączone z czujnikami poziomu wody w zbiornikach górnych.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia podwójne wykorzystanie energii potencjalnej wody; raz jako siłę parcia słupa wody na poduszki powietrzne, a drugi raz w postaci energii kinetycznej napędzającej turbiny. Cykliczne napełnianie wodą kolejnych zbiorników górnych zapewnia ciągłość zasilania instalacji powietrznej przez poduszki powietrzne. Elektrownia może pracować w ruchu ciągłym ze względu na możliwość magazynowania energii w postaci wody i sprężonego powietrza. Przy silnym wietrze siłownie wiatrowe napędzają pompy podnoszące wodę na wyższy poziom, a równocześnie mogą napędzać sprężarki powietrza. W przypadku zaniku wiatru energia elektryczna jest wytwarzana z prądnicy poruszanej sprężonym powietrzem zgromadzonym poprzez poduszki powietrzne i sprężarki. Segmentowa konstrukcja kolumny wiatrowej umożliwia w nieskomplikowany sposób uzyskać konstrukcje o żądanej mocy w zależności od potrzeb i lokalizacji.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny układ zespołów elektrowni, fig. 2 - uproszczony schemat elektrowni z pośrednim zbiornikiem wody, bez instalacji powietrza, a fig. 3 - segment kolumny wiatrowej.

Trzy wodne zbiorniki górne 1 mają w dnach rury spustowe 2 z elektrozaworami 3, połączone z kolektorem 4, do którego jest przytwierdzona rynna 5, doprowadzająca wodę do turbiny 6 wodnej, sprzęgniętej z urządzeniem prądotwórczym 7. Poniżej turbiny 6 wodnej jest zbiornik 8 dolny, do którego jest wprowadzony przewód czerpalny 9 do pompy 10. Pompa 10 połączona jest poprzez rurociąg 11 z kolektorem 12 górnym, doprowadzającym poprzez króćce 13 wodę do każdego zbiornika 1

PL 217 936 B1 górnego. Króćce 13 są wyposażone w elektrozawory 14, sterowane co najmniej dwoma czujnikami 15 umieszczonymi w zbiornikach 1 górnych, wyznaczające minimalny i maksymalny poziom wody.

Pompa 10 jest napędzana przez wał 16 transmisyjny siłowni wiatrowej, którą stanowi segmentowa kolumna 17 zestawiona z dwóch segmentów 18, posiadających turbinę wiatrową 19 o pionowej osi obrotu, którego oś zaopatrzona jest na końcach w półsprzęgła 19a, umożliwiające zestawianie i połączenie segmentów 18. Szkielet 20 segmentu tworzy konstrukcja kratowa, posiadająca stopy 21 umożliwiające łączenie poszczególnych segmentów 18.

Na wale 16 transmisyjnym jest sprzęgło 22 sterowane elektrycznie, łączące przemiennie lub łącznie pompę 10 i sprężarkę 23 powietrza. Sprężarka 23 powietrza połączona jest poprzez zbiornik 24 sprężonego powietrza i turbinę 25 powietrzną z prądnicą 26. Do zbiornika 24 sprężonego powietrza jest podłączona, poprzez zawór 27 zwrotny, instalacja 28 powietrzna, do której poprzez zawory zwrotne 29 są podłączone poduszki 30 powietrzne zainstalowane w części dennej zbiorników 1 górnych. Powłoka poduszek 30 powietrznych jest wykonana z elastycznego materiału. Poduszki 30 powietrzne są wyposażone w elementy 31 rozprężne. Poza tym wewnętrzna przestrzeń poduszek 30 powietrznych jest połączona z powietrzem atmosferycznym za pośrednictwem syfonów 32 z zaworami 33 zwrotnymi.

Jeżeli w związku z warunkami terenowymi jest duża różnica poziomów pomiędzy zbiornikami 1 górnymi i zbiornikiem 8 dolnym, korzystne jest wprowadzenie zbiornika 34 pośredniego, który jest połączony z jednej strony, poprzez dolny odcinek rurociągu 35, z pompą 10, a z drugiej strony za pośrednictwem górnego odcinka rurociągu 36 doprowadzającego wodę do zbiorników 1 górnych. Górny odcinek rurociągu 36 ma odrębną pompę 37, a każda z pomp 10 i 37 jest połączona za pośrednictwem wału 16 transmisyjnego z odrębną segmentową kolumną 17.

W szczególnie korzystnych warunkach nad zbiornikami 1 górnymi jest umieszczony zbiornik 38 retencyjny, który ma rury 39 spustowe z zaworami 40 sterowanymi elektrycznie, których wyloty są nad zbiornikami 1 górnymi.

Pompa 10 napędzana siłownią wiatrową za pośrednictwem wału 16 transmisyjnego podaje wodę do kolektora 12 górnego, który ma króćce 13 umieszczone nad zbiornikami 1 górnymi, przez które wlewana jest woda do poszczególnych zbiorników 1 górnych. Z chwilą napełnienia jednego zbiornika 1 górnego elektrozawór 14 sterowany czujnikiem 15 maksymalnego poziomu pierwszego zbiornika 1 górnego odcina wypływ wody z tego króćca, a jednocześnie otwiera elektrozawór 14 nad kolejnym zbiornikiem 1 górnym. Cykl kolejnego napełniania zbiorników 1 górnych powtarza się i jest przerywany w przypadku ustania wiatru. Słup napełniającej zbiornik 1 górny wody naciska na poduszkę 30 powietrzną, która, spłaszczając się, wypycha powietrze zawarte wewnątrz jej. Sprężane powietrze naporem wody wprowadzane jest poprzez zawór 27 zwrotny do zbiornika 24 sprężonego powietrza, a wypychane z niego napędza turbinę 25 powietrzną, z którą połączona jest prądnica 26. Gdy ciśnienie słupa wody w zbiorniku 1 górnym jest małe, poduszka 30 powietrzna zwiększa swoją objętość pod wpływem elementów 31 rozprężnych napełniając się poprzez syfon 32 powietrzem atmosferycznym.

Z napełnionego zbiornika 1 górnego wypływa woda, aż do momentu osiągnięcia dolnego poziomu sygnalizowanego czujnikiem 15, z którego impuls powoduje zamknięcie elektrozaworu 3, odcinającego wypływ wody z tego zbiornika 1 i otwarcie elektrozaworu 3 kolejnego zbiornika 1 górnego, w którym aktualnie poziom wody jest najwyższy.

W przypadku osiągnięcia przez siłownię wiatrową nadwyżki mocy, przy pomocy sprzęgła zostaje załączona sprężarka zasilająca zbiornik sprężonego powietrza, które zmagazynowane, w razie potrzeby, może być użyte do wytwarzania energii elektrycznej.

Kolejność napełniania i opróżniania zbiorników górnych 1, załączanie i wyłączanie sprzęgła 22 sterowane są układami elektrycznymi, nie pokazanymi na rysunku.

Claims (4)

1. Elektrownia hydro-powietrzna wyposażona w turbiny wodne połączone z generatorami prądu, posiadająca dolny i górny zbiornik wody połączone rurociągiem wyposażonym w pompę, której wirnik jest sprzęgnięty z siłownią wiatrową, z którą jest połączona sprężarka powietrza i prądnica, znamienna tym, że posiada co najmniej dwa zbiorniki (1) górne połączone kolektorem (4) usytuowanym pod zbiornikami (1) górnymi, zaś w dennej części zbiorników (1) górnych są poduszki (30) powietrzne połączone za pośrednictwem instalacji (28) pneumatycznej ze zbiornikiem (24) powietrza, przy czym

PL 217 936 B1 siłownię wiatrową stanowi co najmniej jedna kolumna (17) zestawiona z co najmniej dwóch segmentów (18), z których każdy ma turbinę (25) wiatrową o pionowej osi obrotu, zaś oś każdego wirnika turbiny wiatrowej jest wyposażona w półsprzęgła (19a), a ponadto nad zbiornikami (1) górnymi jest kolektor (12) wyposażony w króćce (13) z elektrozaworami (14) usytuowane nad każdym zbiornikiem (1) górnym, natomiast sprężarka (23) powietrza jest połączona z wałem (16) transmisyjnym siłowni wiatrowej za pośrednictwem sprzęgła (22) sterowanego elektrycznie.

2. Elektrownia hydro-powietrzna według zastrz. 1, znamienna tym, że zbiorniki (1) górne są wyposażone w co najmniej dwa czujniki (15) poziomu wody, które połączone są z odpowiednimi elektrozaworami (14).

3. Elektrownia hydro-powietrzna według zastrz. 1, znamienna tym, że pomiędzy zbiornikami (1) górnymi a zbiornikiem (8) dolnym jest zamontowany zbiornik (34) pośredni, który jest połączony z jednej strony, poprzez dolny odcinek rurociągu (35), z pompą (10) umieszczoną w zbiorniku (8) dolnym, a z drugiej strony zbiornik (34) pośredni jest połączony za pośrednictwem górnego odcinka rurociągu (36) z kolektorem (12) doprowadzającym wodę do zbiorników (1) górnych, przy czym górny odcinek rurociągu (36) zasilany jest pompą (37), a każda z pomp (10) i (37) jest sprzęgnięta z odrębną siłownią wiatrową.

4. Elektrownia hydro-powietrzna według zastrz. 3, znamienna tym, że nad zbiornikami górnymi (1) jest zbiornik retencyjny (38), który ma rury spustowe (39) rozmieszczone nad każdym zbiornikiem górnym (1), przy czym rury spustowe (39) mają zawory (40) sterowane elektrycznie, połączone z czujnikami (15) poziomu wody w zbiornikach górnych (1).