RU2577433C2

RU2577433C2 - Power generation and accumulation process

Info

Publication number: RU2577433C2
Application number: RU2014126772/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Миронов; Владимир Николаевич Никифоров; Дмитрий Викторович Миронов; Юрий Андреевич Иванюшин
Original assignee: Виктор Владимирович Миронов
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2016-03-20
Also published as: RU2014126772A

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: claimed process comprises water flow energy conversion with application of water ram in the pressure water duct, accumulation and storage of converted energy in sealed pressurized air vessels. For process implementation, said pressure water duct is provided with radially displacing parts of the walls and hemispherical covers are arranged there above. Said covers are rigidly and tightly connected with pressure water duct fixed walls. The pipes to be connected to the suction and delivery air lines are arranged at said covers. Said delivery lines are connected with vessels. Pressure water duct walls moving parts are radially reciprocated to suck atmospheric air into the space under said covers and compressed at constant temperature therein to displace the vessel air at the pressure initiated by intermitted water ram in said pressure water duct.

EFFECT: simple, non-polluting generation, accumulation and storage.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к способам генерации энергии, в частности преобразованию энергии потока воды в пневматическую энергию, ее накоплению, хранению и, в зависимости от потребности, последующему преобразованию в полезную мощность (механическую, электрическую, тепловую или мощность для производства холода).The invention relates to methods for generating energy, in particular, converting the energy of a water stream into pneumatic energy, storing it, storing it, and, depending on the need, subsequently converting it into useful power (mechanical, electrical, thermal or power for producing cold).

Известен способ генерации пневматической энергии путем сжатия атмосферного воздуха компрессорами, приводимыми в движение электрическими двигателями или двигателями внутреннего сгорания, и аккумулирования пневматической энергии в воздушных ресиверах. Смотри, например, [Насосы, вентиляторы, компрессоры. В.М. Черкасский, М., Энергоатомиздат, 1984, с. 296-388].A known method of generating pneumatic energy by compressing atmospheric air by compressors driven by electric motors or internal combustion engines, and accumulating pneumatic energy in air receivers. See, for example, [Pumps, fans, compressors. V.M. Cherkassky, M., Energoatomizdat, 1984, p. 296-388].

Недостатком этого технического решения является необходимость использования электрического двигателя или двигателя внутреннего сгорания для реализации способа, а также дополнительные затраты энергии на охлаждение воздуха при его сжатии.The disadvantage of this technical solution is the need to use an electric motor or internal combustion engine to implement the method, as well as additional energy costs for cooling the air when it is compressed.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при этом результату является способ преобразования энергии потока воды с использованием явления гидравлического удара, аккумулирования ее в виде гидравлической энергии, с последующим преобразованием накопленной энергии в полезную электрическую мощность [Патент Японии: JP 57181976(A), Hydraulic generator, 09.11.1982 г. ].The closest to the proposed technical solution (prototype) for the greatest number of similar features and the achieved result is a method of converting the energy of a water stream using the phenomenon of water hammer, accumulating it in the form of hydraulic energy, followed by converting the stored energy into useful electrical power [Japan Patent : JP 57181976 (A), Hydraulic generator, 11/09/1982].

Недостатком прототипа является то, что в процессе преобразования кинетической энергии потока воды в полезную мощность путем использования явления гидравлического удара применяют пневмогидравлические накопители энергии воды. Накопить таким способом значительное количество энергии крайне проблематично. Вода практически несжимаемая среда, ее требуется очень много для накопления энергии, что приводит к внушительным размерам пневмогидравлических аккумуляторов или использованию большого их количества. Это обстоятельство существенно удорожает себестоимость получаемой конечной полезной электрической энергии.The disadvantage of the prototype is that in the process of converting the kinetic energy of the water flow into useful power by using the phenomenon of hydraulic shock, pneumohydraulic energy storage devices are used. Accumulating a significant amount of energy in this way is extremely problematic. Water is practically an incompressible medium, it requires a lot of energy to store energy, which leads to the impressive size of pneumohydraulic accumulators or the use of a large number of them. This circumstance significantly increases the cost of the resulting final useful electrical energy.

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является создание простого, экологически чистого способа генерации, накопления и хранения энергии, которая в последующем может быть преобразована в любой вид полезной энергии (механической, электрической, тепловой или энергии для производства холода) с достаточно низкой себестоимостью.The technical challenge facing the invention is the creation of a simple, environmentally friendly method for generating, storing and storing energy, which subsequently can be converted into any type of useful energy (mechanical, electrical, thermal or energy for the production of cold) with a fairly low cost.

Согласно изобретению техническая задача решается следующим образом. Способ генерации и аккумулирования энергии включает преобразование энергии потока воды с использованием явления гидравлического удара в напорном водоводе, накопление и хранение преобразованной энергии в герметичных воздушных емкостях под давлением. Для этого снабжают напорный водовод, подвижными в радиальном направлении частями стенок (гибкими мембранами), устанавливают над подвижными стенками напорного водовода полусферические крышки, герметично соединяют полусферические крышки с неподвижными стенками водовода, устанавливают на крышках патрубки с всасывающими и нагнетательными воздушными клапанами, соединяют патрубки с всасывающими и нагнетательными воздушными линиями, соединяют нагнетательные линии с герметичными воздушными емкостями, приводят в радиальное возвратно-поступательное движение подвижные части стенок напорного водовода, которые всасывают в пространство под полусферическими крышками атмосферный воздух, сжимают его в этом пространстве и перемещают воздух в герметичные воздушные емкости под давлением путем инициирования в напорном водоводе периодического гидравлического удара.According to the invention, the technical problem is solved as follows. A method for generating and storing energy includes converting the energy of a water stream using the phenomenon of water hammer in a pressure pipe, storing and storing the converted energy in pressurized air tanks. To do this, supply the pressure pipe with radially movable parts of the walls (flexible membranes), install hemispherical covers over the movable walls of the pressure pipe, tightly connect the hemispherical covers to the fixed walls of the water pipe, install nozzles with suction and discharge air valves on the covers, connect the nozzles with the suction and discharge air lines, connect the discharge lines with sealed air tanks, lead to a radial return upatelnoe movement of the movable wall part penstocks, which is sucked into the space below the hemispherical caps atmospheric air, it is compressed in this space and move air into the air tight pressure vessel by initiating a penstock periodic hydraulic impact.

Кроме того, герметичные воздушные емкости выполняют в виде эластичных оболочек, способных сжиматься под давлением, помещают оболочки под уровень воды на заданную глубину, обеспечивают, таким образом, постоянный во времени отбор накопленной пневматической энергии, вплоть до полного опорожнения герметичных воздушных емкостей, за счет действия снаружи на эластичные оболочки постоянного во времени гидростатического давления воды на заданной глубине, вытесняя тем самым воздух из герметичных воздушных емкостей. В указанном способе устанавливают над подвижными в радиальном направлении частями стенок напорного водовода пневматические цилиндры одностороннего действия с коротким ходом, приводят их в действие совершаемой водой механической работой по возвратно-поступательному радиальному перемещению подвижных частей стенок напорного водовода, соединенных с поршнями пневматических цилиндров.In addition, sealed air containers are made in the form of elastic shells capable of being compressed under pressure, they place the shells under the water level to a predetermined depth, thus ensuring a constant selection of the accumulated pneumatic energy in time, up to the complete emptying of the sealed air containers, due to the action from the outside to the elastic shells of the hydrostatic pressure of the water, constant in time, at a given depth, thereby displacing air from airtight containers. In this method, single-acting pneumatic cylinders with short stroke are mounted above the radially moving parts of the walls of the pressure line, they are actuated by mechanical work performed by water to reciprocate the radial movement of the moving parts of the walls of the pressure line connected to the pistons of the pneumatic cylinders.

В предложенном способе кинетическая энергия объема воды, движущейся в напорном водоводе с первоначальной скоростью (до инициирования гидравлического удара), преобразуется при срабатывании ударных клапанов в потенциальную энергию упругой деформации воды, стенок напорного водовода и механическую работу по возвратно-поступательному перемещению гибких мембран. Под действием выполняемой водой механической работы совершается всасывание атмосферного воздуха через всасывающие клапаны, его сжатие в полостях между мембранами и полусферическими крышками и перемещение воздуха через нагнетательные клапаны по нагнетательной линии в герметичные воздушные емкости (аккумуляторы пневматической энергии). Сжатие воздуха происходит практически при изотермическом процессе, так как гибкие мембраны, имеющие значительную площадь поверхности, постоянно омываются с обратной стороны потоком воды в напорном водоводе и охлаждают сжимаемый воздух, значительно повышая эффективность процесса сжатия газа. Сжатие воздуха можно производить в пневматических цилиндрах одностороннего действия с коротким ходом, установленных над подвижными частями стенок напорного водовода и приводимых в действие возвратно-поступательным радиальным перемещением подвижных частей стенок напорного водовода (гибких мембран), соединенных с поршнями пневматических цилиндров штоками. При этом для охлаждения сжимаемого воздуха пневматические цилиндры должны омываться снаружи потоком воды, т.е. напорный водовод должен находиться под уровнем воды в природном или техногенном водотоке.In the proposed method, the kinetic energy of the volume of water moving in the pressure pipe with the initial speed (before the initiation of the water hammer) is converted when the shock valves are triggered into the potential energy of the elastic deformation of the water, the walls of the pressure pipe and the mechanical work of the reciprocating movement of flexible membranes. Under the action of mechanical work performed by water, atmospheric air is sucked through the suction valves, compressed in the cavities between the membranes and hemispherical covers, and air is moved through the discharge valves along the discharge line into sealed air containers (pneumatic energy accumulators). Air compression occurs almost during an isothermal process, since flexible membranes with a significant surface area are constantly washed from the back by a stream of water in a pressure water conduit and cool the compressed air, significantly increasing the efficiency of the gas compression process. Air can be compressed in short-stroke single-acting pneumatic cylinders mounted above the moving parts of the walls of the pressure pipe and driven by reciprocating radial movement of the moving parts of the walls of the pressure pipe (flexible membranes) connected to the pistons of the pneumatic cylinders by rods. In order to cool the compressed air, the pneumatic cylinders must be washed externally with a stream of water, i.e. the pressure conduit must be below the water level in a natural or technogenic watercourse.

Способ генерации и аккумулирования энергии реализуется следующим образом (Фиг. 1). Генераторы энергии сооружают в виде напорных водоводов (1) с ударными клапанами (2), часть стенок которых (3) способны к радиальным перемещениям под действием изменяющегося в водоводах давления, вызванного периодическим гидравлическим ударом, герметично прикрепляют к неподвижным стенкам напорных водоводов над подвижными частями его стенок (гибкими мембранами) полусферические крышки (4), снабженные патрубками с всасывающими и нагнетательными воздушными клапанами, соединенными с всасывающими и нагнетательными воздушными линиями, соединяют нагнетательные линии с герметичными емкостями (5), создают в напорных водоводах гидравлический удар с использованием гидротаранов [Гидравлика. Н.Н. Кременецкий, Д.В. Штеренлихт, В.М. Алышев, Л. В. Яковлева, М., Энергия, 1973, с. 215-217]. Гидравлический удар, инициируемый ударными клапанами (2), приводит к колебаниям давления в напорном водоводе (1) и радиальным перемещениям подвижных частей стенок водовода (гибких мембран) (3), сжимающих воздух, находящийся в полусферических крышках (4), и выталкивающих его в нагнетательные воздушные линии, соединенные с герметичными воздушными емкостями (5). При проходе в напорном водоводе обратной волны давления (волны разрежения), вызванной высвобождением энергии упругой деформации воды и стенок напорного водовода, полученной при повышении ударного давления, подвижные стенки водовода (гибкие мембраны) (3) совершают обратное радиальное перемещение в другую сторону, забирая через всасывающие линии и всасывающие клапаны атмосферный воздух, заполняют пространство между гибкими мембранами (3) и полусферическими крышками (4). Далее процесс всасывания и нагнетания воздуха циклически повторяется. Воздух из нагнетательной линии под высоким давлением поступает в герметичные воздушные емкости (аккумуляторы пневматической энергии) (5) с последующей раздачей воздуха потребителям (6). Аккумулятором пневматической энергии (ресивером) может являться герметичная емкость, способная выдерживать высокие давления, герметичная соляная или другая горная выработка, эластичные оболочки, способные изменять свою форму под действием давления и помещенные под уровень воды на заданную глубину. Чем глубже находятся эластичные, герметичные оболочки под уровнем воды, тем большую пневматическую энергию они могут накопить и сохранить. Аккумулятором пневматической энергии может быть отслуживший свой срок по прямому назначению, не прошедший диагностику отрезок магистрального трубопровода (водовода, нефтепровода или газопровода) длиной в несколько километров или десятков километров, но способный еще долгое время выдерживать меньшие давления по сравнению с рабочими (до 10 атм.).The method of generating and storing energy is implemented as follows (Fig. 1). Energy generators are constructed in the form of pressure pipelines (1) with shock valves (2), part of the walls of which (3) are capable of radial displacements under the influence of pressure changing in the pipelines caused by periodic hydraulic shock, hermetically attached to the fixed walls of the pressure pipelines over its moving parts walls (flexible membranes) hemispherical caps (4), equipped with nozzles with suction and discharge air valves, connected to the suction and discharge air lines, connect t discharge lines with pressurized containers (5) create a hydraulic shock in pressure water conduits using hydraulic rams [Hydraulics. N.N. Kremenetsky, D.V. Shterenlikht, V.M. Alyshev, L.V. Yakovleva, M., Energy, 1973, p. 215-217]. Water hammer, initiated by shock valves (2), leads to pressure fluctuations in the pressure pipe (1) and radial movements of the moving parts of the walls of the water pipe (flexible membranes) (3), compressing the air in the hemispherical covers (4) and pushing it into discharge air lines connected to airtight containers (5). When a backward pressure wave (rarefaction wave) passes through the pressure conduit caused by the release of the energy of elastic deformation of the water and the walls of the pressure conduit obtained by increasing the shock pressure, the movable conduit walls (flexible membranes) (3) reverse radial movement to the other side, taking through suction lines and air intake valves fill the space between the flexible membranes (3) and hemispherical covers (4). Further, the process of suction and discharge of air is cyclically repeated. Air from the discharge line at high pressure enters airtight air containers (pneumatic energy accumulators) (5) with the subsequent distribution of air to consumers (6). The pneumatic energy accumulator (receiver) can be a sealed container that can withstand high pressures, a sealed salt or other mine, elastic shells that can change their shape under pressure and placed under the water level to a predetermined depth. The deeper the elastic, hermetic shells are under the water level, the more pneumatic energy they can accumulate and store. A pneumatic energy accumulator can be a one that has served its intended purpose, which has not passed diagnostics and a length of several kilometers or tens of kilometers of a main pipeline (water, oil or gas pipelines), but which can withstand lower pressures for a long time compared to working ones (up to 10 atm. )

Возможна реализация способа генерации и аккумулирования энергии следующим образом (Фиг. 2). Генераторы энергии сооружают в виде напорных водоводов (1) с ударными клапанами (2), часть стенок которых (3) способны к радиальным перемещениям под действием изменяющегося в водоводах давления, вызванного периодическим гидравлическим ударом, устанавливают над подвижными частями его стенок (гибкими мембранами) (3) пневматические цилиндры с коротким ходом поршня (4), снабженные патрубками с всасывающими и нагнетательными воздушными клапанами, соединенными с всасывающими и нагнетательными воздушными линиями, соединяют нагнетательные линии с герметичными емкостями (5), с последующей раздачей пневматической энергии потребителям (6), создают в напорных водоводах (1) гидравлический удар при помощи ударных клапанов (2).A possible implementation of the method of generation and storage of energy as follows (Fig. 2). Energy generators are constructed in the form of pressure pipelines (1) with shock valves (2), part of the walls of which (3) are capable of radial movements under the action of pressure changing in the pipelines caused by periodic hydraulic shock, and are installed over the moving parts of its walls (flexible membranes) ( 3) pneumatic cylinders with a short piston stroke (4), equipped with nozzles with suction and discharge air valves connected to the suction and discharge air lines, connect the discharge lines sealed containers (5), followed by distribution of pneumatic energy consumers (6) creates pressure in conduits (1) by means of hydraulic shock shock valve (2).

Использование заявленного технического решения обеспечивает выработку, накопление и хранение достаточного для практического использования количества экологически чистой пневматической энергии, с малой себестоимостью, для автономного энергоснабжения жилых и производственных зданий, расположенных на удаленных от централизованного энергоснабжения территориях. Сохраненную пневматическую энергию в отличие от гидравлической энергии прототипа можно транспортировать по воздуховодам на достаточно большие расстояния (до 20 км) без значительных потерь. Способ генерации и аккумулирования пневматической энергии предусматривает использование стандартной, хорошо известной системы подготовки воздуха, его очистки и обезвоживания.The use of the claimed technical solution ensures the generation, accumulation and storage of a sufficient amount of environmentally friendly pneumatic energy for practical use, with low cost, for autonomous energy supply of residential and industrial buildings located in areas remote from centralized energy supply. The stored pneumatic energy, unlike the hydraulic energy of the prototype, can be transported through ducts over fairly large distances (up to 20 km) without significant losses. A method for generating and storing pneumatic energy involves the use of a standard, well-known system for preparing air, for cleaning and dehydrating it.

Claims

1. A method of generating and storing energy, including converting the energy of a water stream using the phenomenon of water hammer in a pressurized water conduit, storing and storing the converted energy in a sealed air tank under pressure, characterized in that the pressure water conduit is provided with radially movable wall parts that are mounted above the hemispherical covers are connected by the movable walls of the pressure conduit; the hemispherical caps are sealed with the fixed walls of the pressure conduit by installing they fit nozzles with suction and discharge air valves on the covers, connect the nozzles to the suction and discharge air lines, connect the discharge lines to sealed air tanks, and move the moving parts of the walls of the pressure pipe that are sucked into the space under the hemispherical caps with a hydraulic shock atmospheric air, compress it in this space and move the air into sealed air containers.

2. The method according to p. 1, characterized in that the sealed air containers are made in the form of elastic shells that can change their shape under pressure, place the shell under the water level to a predetermined depth, thus ensuring a constant selection of accumulated pneumatic energy over time up to the complete emptying of airtight containers, due to the external action on the elastic shells of the hydrostatic pressure of water that is constant over time at a given depth, thereby displacing the air from the airtight stuffy containers.

3. The method according to p. 1, characterized in that the air is compressed by installing short-stroke pneumatic cylinders of single-acting pneumatic cylinders above the parts of the walls of the pressurized water duct, and they are driven by the mechanical work of the reciprocating radial movement of the moving parts walls of the pressure pipe connected to the pistons of the pneumatic cylinders.