PL248946B1 - Układ generujący i magazynujący energię z pionowych ruchów cieczy - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest układ generujący i magazynujący energię z pionowych ruchów cieczy, zawierający siłownik (2) połączony na jego wejściu z rurowymi przewodami wlotowymi, na wyjściu natomiast z rurowymi przewodami wylotowymi (12), przy czym rurowe przewody wylotowe połączone są z rurą główną, która z kolei połączona jest ze zbiornikiem (14) ze sprężonym płynem, a tłok siłownika jest połączony z co najmniej jednym pływakiem (5) konstrukcją (4). Zgłoszenie to charakteryzuje się tym, że wewnątrz zbiornika (14) znajduje się membrana kompresująca, rozdzielająca zbiornik (14) na komorę sprężania płynów oraz komorę akumulującą energię, przy czym zbiornik (14) zawiera również zawór z szybkozłączką do podłączenia zbiornika mobilnego (15).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ generujący i magazynujący energię z pionowych ruchów cieczy, zwłaszcza z pływów morskich.

Znane są różnego rodzaju układy do generowania i/lub magazynowania energii, wykorzystujące pionowy ruch cieczy, np. przedstawione w amerykańskim patencie US6711897B2, w którym prz edstawiono instalację do wykorzystania energii oceanicznej do wytwarzania energii elektrycznej. Pływak i ciężarek do niego przymocowany poruszają się w górę i w dół wraz z ruchem fali i napędzają mechanizm składający się z szeregu dźwigni, które wprawiają w ruch koło zamachowe, które obracając się umożliwia pracę generatora i dostarczanie energii elektrycznej. Jednakże w przedstawionym rozwiązaniu nie opisano zastosowania zbiornika do magazynowania ciśnienia, co uniemożliwia magazynowanie ciśnienia i jego późniejsze wykorzystanie, w związku z czym energia może być wykorzystywana jedynie w czasie rzeczywistym.

Z kolei w hiszpańskim patencie ES2304904B1 opisano przedmiot wynalazku, który składa się z pewnej liczby pływaków, które unoszą się i opadają pod wpływem ruchu fal morskich. Wewnątrz każdego pływaka znajduje się linka, która schodzi do rolki przymocowanej do dna morskiego. Linka ta ciągnie tłok pompy tłoczącej w pozycji poziomej. Ta pompa posiada zawór wlotowy i drugi zawór wyrzutowy, przez który woda wpływa i wypływa. Woda spływa do turbiny, której obrotem porusza się generator wytwarzający energię elektryczną. Jednak rozwiązanie to mimo zastosowania zbiornika do magazynowania ciśnienia, nie opisuje wykorzystania membrany kompresującej do zwiększenia wydajności rozwiązania oraz możliwości podłączenia zbiorników mobilnych do transportu i przechowywania. W związku z tym rozwiązanie to ma ograniczoną wydajność i nie zapewnia mobilności/transportu zmagazynowanej energii.

Natomiast w międzynarodowym zgłoszeniu patentowym WO0075506A1 opisano wynalazek, który dotyczy przetwarzania energii ze źródeł odnawialnych. Opisana w nim metoda polega na umieszczeniu na powierzchni wody sztywnej trójwymiarowej ramy w postaci modułów z pływakami połączonymi elementami elastycznymi oraz sprzęgłami z wałem roboczym. Energia obracającego się wału jest wykorzystywana poprzez mechanizmy sprzęgające i skrzynie rozdzielcze do uruchamiania m.in. agregatów prądotwórczych. Opisane rozwiązanie charakteryzuje się wysokim stopniem zaawanso wania technicznego, może generować wysokie koszty oraz nie wykorzystuje zbiornika do magazynowania ciśnienia z membraną kompresującą, co eliminuje możliwość wysokowydajnego wykorzystania skumulowanej energii.

Z przedstawionego stanu techniki wynika, że nie jest znany układ generujący i magazynujący energię z pionowych ruchów cieczy, zwłaszcza z pływów morskich, taki, że w jednej zintegrowanej konfiguracji wykorzystuje dwustronny siłownik zdolny sprężać medium podczas obu faz ruchu pływaka, prowadzi strumienie wylotowe poprzez trójnik z zaworem zwrotnym do wspólnego kolektora w celu wygładzenia pulsacji, gromadzi sprężone medium w zbiorniku z membraną kompresującą umożliwiającą bezpieczne podniesienie ciśnienia roboczego, a jednocześnie pozwala przenieść to m edium do zbiornika mobilnego przy użyciu szybkozłączki bez konieczności dekompresji układu.

Celem wynalazku było opracowanie układu generującego i magazynującego energię z pionowych ruchów cieczy, w którym energia kinetyczno-potencjalna fali przetwarzana jest w sposób ciągły na ciśnienie robocze w obu fazach ruchu pływaka, pulsacje ciśnienia są tłumione dzięki zbieżnemu prowadzeniu przewodów wylotowych do wspólnego kolektora z zaworem zwrotnym, a wytworzone sprężone medium gromadzi się w zbiorniku wyposażonym w membranę kompresującą i może być - bez konieczności dekompresji układu - przekazywane do zbiorników mobilnych przeznaczonych do transportu i dalszego wykorzystania.

Istotą wynalazku jest układ generujący i magazynujący energię z pionowych ruchów cieczy, zawierający siłownik połączony na jego wejściu z rurowymi przewodami wlotowymi, a na wyjściu z rurowymi przewodami wylotowymi łączącymi się z rurą główną, przy czym rura główna jest połączona ze zbiornikiem ze sprężonym płynem, zbiornik zawiera zawór z szybkozłączką do podłączenia zbiornika mobilnego, a tłok siłownika jest połączony z co najmniej jednym pływakiem za pośrednictwem konstrukcji. Układ ten charakteryzuje się tym, że siłownik jest dwustronnego działania, rurowe przewody wylotowe łączą się z rurą główną (poprzez trójnik z zaworem zwrotnym, a wewnątrz zbiornika znajduje się membrana kompresująca rozdzielająca zbiornik na komorę sprężania płynów oraz komorę akumulującą energię.

Dobrze jest, gdy membraną kompresującą jest platforma stykająca się z wewnętrznymi ścianami zbiornika, przy czym platforma jest połączona z materiałem sprężynującym umocowanym do górnej wewnętrznej ściany zbiornika.

Korzystnie jest, gdy membraną kompresującą jest elastyczny, zamknięty objętościowo pojemnik, zawierający wentyl wejściowy oraz wentyl wyjściowy.

Dobrze, jeśli materiałem sprężynującym jest sprężyna.

Korzystnie jest, gdy połączenie platformy z wewnętrznymi ścianami zbiornika jest zabezpieczone uszczelką.

Dobrze, gdy zbiornik zawiera zawór bezpieczeństwa na wypadek wystąpienia zbyt wysokiego ciśnienia w zbiorniku.

Dobrze, jeśli zbiornik mobilny, tożsamy konstrukcyjnie ze zbiornikiem, stanowi jego mniejszą wersję.

Korzystnie jest, gdy zbiornik oraz zbiornik mobilny mają izolację chroniącą przed zmianami ciśnienia wewnątrz zbiornika na skutek zmian temperatury zewnętrznej oraz przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Korzystnym skutkiem układu generującego i magazynującego energię z pionowych ruchów cieczy według wynalazku jest jednoczesne podwojenie liczby impulsów sprężania - dzięki siłownikowi dwustronnego działania wykorzystującemu zarówno fazę wznoszenia, jak i opadania pływaka - oraz wyraźne wygładzenie przebiegu ciśnienia roboczego. Wygładzenie to osiąga się poprzez zbieżne prowadzenie obu przewodów wylotowych do jednego kolektora z trójnikiem i zaworem zwrotnym, a następnie przez równomierne rozkładanie obciążeń na ścianki zbiornika za pomocą membrany kompresującej, co pozwala bezpiecznie podnieść maksymalny poziom ciśnienia. Dodatkową korzyścią pozostaje możliwość odłączania lub podłączania zbiornika mobilnego bez dekompresji zbiornika głównego, co tworzy elastyczny bufor energii sprężonego płynu i umożliwia jego transport oraz wykorzystanie w dowolnym miejscu i czasie, bez przerywania pracy układu.

Przykład realizacji wynalazku został zobrazowany rysunkiem, na którym poszczególne figury przedstawiają:

Fig. 1, fig. 2 schemat układu generującego i magazynującego energię z pionowych ruchów cieczy;

Fig. 3, fig. 4, fig. 5 schemat zbiornika do magazynowania sprężonego ciśnienia z zastosowaniem membrany kompresującej w postaci platformy;

Fig. 6 schemat zbiornika do magazynowania sprężonego ciśnienia z zastosowaniem membrany kompresującej w postaci elastycznego, zamkniętego objętościowo pojemnika;

Fig. 7, fig. 8 schemat siłownika wraz z rurami wlotowymi i wylotowymi;

Fig. 9 schemat filtra przepływowego z wymiennym wkładem filtracyjnym.

W przykładzie realizacji układ generujący i magazynujący energię z pionowych ruchów cieczy umieszczony jest na brzegu morskim 1 i składa się z siłownika 2 dwustronnego działania, a czynnikiem sprężanym przez siłownik 2 jest powietrze. W innym przykładzie realizacji zastosowano sprężanie hydrauliczne. Obudowa 2a siłownika 2 wykonana jest z wysokostopowej austenitycznej stali nierdzewnej typu 1.4547 (254SMO), która zapewnia wysoką odporność na korozję w środowisku morskim. Siłownik 2 dwustronnego działania zawiera poziomy tłok 2b, do którego jednostronnie zamocowana jest poprzez stalowy pręt 3 połączeniem przegubowym konstrukcja 4 w postaci kratownicy, a do niej stalowym prętem 3 dryfujący pływak 5 umieszczony na powierzchni zbiornika wodnego 6, w przykładzie realizacji powierzchni morza. Dryfujący pływak 5 zawiera stalowy uchwyt 5a do zamocowania stalowego pręta 3. Konstrukcja 4 w postaci kratownicy jest zamocowana do brzegu morskiego stalowym obrotowym walcem 4a, który ma na celu swobodny ruch konstrukcji 4 wymuszony obniżaniem lub podwyższaniem poziomu wody. Obudowa 2a siłownika 2 dwustronnego działania na jego drugim końcu 2c zespolona jest połączeniem spawanym ze stalowym wspornikiem 7, który z kolei jest połączony z klifem 8 połączeniem przegubowym. Na wejściu 2d siłownika 2 dwustronnego działania zamocowane są połączeniem spawanym dwa rurowe przewody wlotowe 9, z wysokostopowej austenitycznej stali nierdzewnej typu 1.4547 (254SMO). Rurowe przewody wlotowe 9 zawierają po jednym filtrze przepływowym 10, do oczyszczenia powietrza przepływającego przez rurowe przewody wlotowe 9 z zanieczyszczeń, przy czym w przykładzie realizacji wymienny wkład filtracyjny 10a filtra przepływowego 10 stanowi włóknina filtracyjna w kształcie stożka o grubości ścianki 9 mm, klasy G2/EU2, wykonana z włókien poliestrowych, a obudowa filtra przepływowego 10b wykonana jest z wysokostopowej austenitycznej stali nierdzewnej typu 1.4547 (254SMO). Filtry przepływowe 10 montowane są poprzez połączenie gwintowane 10c do rurowych przewodów wlotowych 9, natomiast wymiana wkładu filtracyjnego 10a odbywa się poprzez wykręcenie podstawy filtra 10d. Pomiędzy filtrem przepływowym 10 a siłownikiem 2 dwustronnego działania, na obu rurowych przewodach wlotowych 9, umieszczony jest zawór zwrotny 11 z wysokostopowej austenitycznej stali nierdzewnej typu 1.4547 (254SMO), do zapewnienia przepływu powietrza w kierunku siłownika 2 dwustronnego działania, blokujące przepływ powietrza w kierunku odwrotnym. Układ generujący i magazynujący energię z pionowych ruchów cieczy zawiera także rurowe przewody wylotowe 12 umieszczone na wyjściu 2e siłownika 2 dwustronnego działania, wykonane z wysokostopowe j austenitycznej stali nierdzewnej typu 1.4547 (254SMO). Rurowe przewody wylotowe 12 zawierają po jednym zaworze zwrotnym 11 do zapewnienia przepływu powietrza z siłownika 2 dwustronnego działania, blokujący przepływ powietrza z powrotem do siłownika 2 dwustronnego działania. Rurowe przewody wylotowe 12 są połączone z rurą główną 13 połączeniem gwintowanym. W przypadku pierwszej 12a z rurowych przewodów wylotowych 12 zastosowano trójnik z zaworem zwrotnym 12b wykonany z wysokostopowej austenitycznej stali nierdzewnej typu 1.4547 (254SMO). Trójnik z zaworem zwrotnym 12b blokuje przepływ powietrza w kierunku pierwszego 12a z rurowych przewodów wylotowych 12, z drugiego 12b rurowego przewodu wylotowego 12. Rura główna 13 wykonana jest z wysokostopowej austenitycznej stali nierdzewnej typu 1.4547 (254SMO) i jest połączona ze zbiornikiem 14 wykonanym z tego samego materiału, a pojemność zbiornika wynosi 1000 I i znajduje się on na brzegu morskim 1. Rura główna 13 przy wejściu 14a do zbiornika 14 zawiera zawór zwrotny 11 z wysokostopowej austenitycznej stali nierdzewnej typu 1.4547 (254SMO), do zapewnienia przepływu powietrza w kierunku zbiornika 14, przy czym ten zawór zwrotny 11 blokuje przepływ powietrza w kierunku powrotnym - ze zbiornika 14 do układu. Zbiornik 14 zawiera ponadto zawór bezpieczeństwa 14b, który uruchamia się w przypadku wystąpienia zbyt wysokiego ciśnienia w zbiorniku 14. Zbiornik 14 zawiera ponadto membranę kompresującą w postaci stalowej platformy 14c stykającej się z wewnętrznymi ścianami 14d zbiornika 14, przy czym połączenie to jest uszczelnione poprzez gumową uszczelkę 14e. Zbiornik zawiera także materiał sprężynujący 14f - w przykładzie realizacji w postaci sprężyny umieszczonej na górnej, wewnętrznej ścianie 14g zbiornika 14. Membrana kompresująca w postaci stalowej platformy 14c dzieli zbiornik 14 na dwie komory 14h, 14i, z których pierwsza - komora akumulująca energię 14h wypełniona jest sprężonym powietrzem pompowanym z układu, a druga - komora sprężania płynów 14i pozwala na dodatkowe zwiększenie ciśnienia wewnątrz zbiornika 14, w przykładzie realizacji poprzez ściskanie materiału sprężynującego 14f w postaci sprężyny. W innym przykładzie realizacji komora sprężania płynów 14i była wypełniona wodą morską. W kolejnym przykładzie realizacji komora sprężania płynów 14i była wypełniona powietrzem. W następnym przykładzie realizacji jako materiał sprężynujący 14f zastosowano sprężysty materiał kompozytowy w postaci kompozytu polimerowego wzmacnianego włóknami węglowymi. W przykładzie realizacji na wyjściu zbiornika 14j znajduje się zawór z szybkozłączką 14k, do podłączenia zbiornika mobilnego 15, w celu napełnienia go sprężonym powietrzem ze zbiornika 14, transportu sprężonego powietrza, jego magazynowania i wykorzystania np. w klimatyzatorach jako czynnik chłodniczy/grzejny, napędu prądnicy, pojazdów lub innych silników. Zbiorniki mobilne 15 charakteryzują się taką samą zasadą działania i budową jak zbiornik 14 główny, natomiast mogą różnić się wielkością, w celu ułatwienia transportu i przechowywania. Zbiornik 14 oraz zbiornik mobilny 15 mają izolację 14l, w przykładzie realizacji w postaci warstwy okleiny kauczukowej, a izolacja ta chroni przed zmianami ciśnienia wewnątrz zbiornika 14 na skutek zmian temperatury zewnętrznej oraz uszkodzeniami mechanicznymi. W innym przykładzie realizacji zastosowano membranę kompresującą w postaci elastycznego, wykonanego z gumy wysokiej twardości, zamkniętego objętościowo pojemnika 14m, zawierającego wentyl wejściowy 14n oraz wentyl wyjściowy 14o. Wentyl wejśc iowy 14n jest połączony z zaworem zwrotnym 11 zbiornika 14, zaś wentyl wyjściowy 14o jest połączony z zaworem z szybkozłączką 14k. Zamknięty objętościowo pojemnik 14m jest umieszczony w zbiorniku 14 tak, że pod wpływem wtłaczania ciśnienia, zamknięty objętościowo pojemnik 14m styka się z wewnętrznymi ścianami 14d zbiornika 14. Zawór bezpieczeństwa 14b zaś jest połączony z zamkniętym objętościowo pojemnikiem 14m i uruchamia się w przypadku wystąpienia zbyt wysokiego ciśnienia. Pomiar ciśnienia oraz jego wskazanie zarówno w zbiorniku 14 jak i zbiorniku mobilnym 15, we wszystkich przykładach realizacji odbywa się za pomocą manometru 14p.

Układ generujący i magazynujący energię z pionowych ruchów cieczy jest niezależny, pracuje bez dodatkowej energii z zewnątrz potrzebnej do zasilania układów sterowania, wykonuje pracę zarówno przy ruchu dryfującego pływaka 5 w górę i w dół, część uzyskanej energii można wykorzystać do ogrzewania/chłodzenia/suszenia całego układu, a zatem utrzymywania optymalnych warunków pracy, do minimum obniżone są straty energii z tytułu transportu i przechowywania. Ponadto, zmagazynowane w zbiorniku 14 ciśnienie można dystrybuować do zbiorników mobilnych 15, które można przechowywać i/lub transportować w dowolnym czasie i na dowolną odległość. Zastosowanie membrany kompresują cej pozwala na zwiększenie ciśnienia wewnątrz zbiornika 14 powyżej możliwości sprężania płynów znajdujących się w zbiorniku 14. Oprócz powietrza, istnieje możliwość wykorzystania zarówno szerokiego spektrum innych gazów dostarczanych z zewnątrz, jak i cieczy, w tym wody morskiej. Zgromadzone w zbiorniku 14 ciśnienie może być zamienione na energię wykorzystaną do napędu urządzeń, maszyn, pojazdów, wytwarzania energii elektrycznej, ogrzewania, chłodzenia, czy suszenia. Układ generujący i magazynujący energię z pionowych ruchów cieczy może być wykorzystany również w podestach/trapach do pomostów pływających, zasilając media na tych pomostach. Oprócz zastosowania w środowisku morskim, może być stosowany również w elektrowniach szczytowo-pompowych, w których zamienia się energię elektryczną na energię potencjalną grawitacji poprzez wpompowanie wody ze zbiornika dolnego do górnego w okresie nadwyżki produkcji nad zapotrzebowaniem na energię elektryczną (np. w nocy), a następnie, w godzinach szczytu, następuje odwrócenie procesu. Zmiana poziomu wody we wspomnianych zbiornikach może napędzać omawiany układ generujący i magazynujący energię z pionowych ruchów cieczy. Istnieje szeroki wachlarz możliwości zastosowania opisanego układu, również do produkcji energii elektrycznej, którą można magazynować w akumulatorach celem późniejszego wykorzystania. Ponadto, opisany układ może mieć zastosowanie wszędzie tam, gdzie obserwuje się cykliczne obniżanie i podwyższanie poziomu wody morskiej lub innych cieczy, np. w odnawialnych źródłach energii wykorzystujących zbiorniki do magazynowania energii. Opisane rozwiązanie umożliwia magazynowanie energii w ciałach stałych, płynach, gazach oraz odzysk energii w dowolnym terminie. Istnieje możliwość zastosowania rozwiązań mechanicznych, pneumatycznych, hydraulicznych oraz hybrydowych do sprężania i rozprężania. Ogólna zasada działania opisanego układu opiera się na pionowym ruchu cieczy poprzez siłę wyporu lub siłę grawitacji, co powoduje przemieszczenie elementu wypornościowego w postaci dryfującego pływaka, który przez element konstrukcyjny przekazuje energię do ciała stałego, płynu lub gazu sprężając lub rozprężając je. Zgromadzona energia może być odzyskiwana w dowolnym czasie poprzez rozprężanie lub sprężanie ciała stałego, płynu lub gazu, w którym została zgromadzona.

Claims (8)

1. Układ generujący i magazynujący energię z pionowych ruchów cieczy, zawierający siłownik (2) połączony na jego wejściu (2d) z rurowymi przewodami wlotowymi (9), a na wyjściu (2e) z rurowymi przewodami wylotowymi (12) łączącymi się z rurą główną (13), przy czym rura główna (13) jest połączona ze zbiornikiem (14) ze sprężonym płynem, zbiornik (14) zawiera zawór z szybkozłączką (14k) do podłączenia zbiornika mobilnego (15), a tłok (2b) siłownika (2) jest połączony z co najmniej jednym pływakiem (5) za pośrednictwem konstrukcji (4), znamienny tym, że siłownik (2) jest dwustronnego działania, rurowe przewody wylotowe (12) łączą się z rurą główną (13) poprzez trójnik z zaworem zwrotnym (12b), a wewnątrz zbiornika (14) znajduje się membrana kompresująca rozdzielająca zbiornik (14) na komorę sprężania płynów (14i) oraz komorę akumulującą energię (14h).

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że membraną kompresującą jest platforma (14c) stykająca się z wewnętrznymi ścianami (14d) zbiornika (14), przy czym platforma (14c) jest połączona z materiałem sprężynującym (14f) umocowanym do górnej wewnętrznej ściany (14g) zbiornika (14).

3. Układ według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że membraną kompresującą jest elastyczny, zamknięty objętościowo pojemnik (14m), zawierający wentyl wejściowy (14n) oraz wentyl wyjściowy (14o).

4. Układ według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że materiałem sprężynującym (14f) jest sprężyna.

5. Układ według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że połączenie platformy (14c) z wewnętrznymi ścianami (14d) zbiornika (14) jest zabezpieczone uszczelką (14e).

6. Układ według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że zbiornik (14) zawiera zawór bezpieczeństwa (14b) na wypadek wystąpienia zbyt wysokiego ciśnienia w zbiorniku (14).

7. Układ według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 6, znamienny tym, że zbiornik mobilny (15), tożsamy konstrukcyjnie ze zbiornikiem (14), stanowi jego (14) mniejszą wersję.

8. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że zbiornik (14) oraz zbiornik mobilny (15) mają izolację (14l) chroniącą przed zmianami ciśnienia wewnątrz zbiornika (14) na skutek zmian temperatury zewnętrznej oraz przed uszkodzeniami mechanicznymi.