SI24772A - Stisljiva cisterna za hrambo plina pod tlakom in uporaba le-te - Google Patents

Abstract

Izum sodi v področje priprav in naprav za izkoriščanje energije tlaka plina in hranjenje plina. Stisljiva cisterna za hrambo plina pod tlakom je značilna po tem, da ima tankoslojno tlačno posodo (3) obdano z armirno mrežo (1), ki je s pomočjo obtežilnih elementov (5) ter sider (6) pritrjena na dno bazena; da je posoda (3) okrogle oblike z odprtino za tlačno cev (7), katere drugi konec štrli iz gladine vode (8) in je nameščena na ventil, ki omogoča praznjenje ali polnjenje tlačne posode (3); da mora biti tlak v tlačni posodi (3) enak ali večji kot je hidrostatičen tlak vode (9) na zunanje stene posode (3); da se tlačne posode (3) lahko stisnejo na minimalni volumen in napihnejo do nazivnega volumna. Tlačno posodo po izumu je možno uporabiti za povečanje energije hidro elektrarn ter za dvigovanje in spuščanje gladine vode dveh sosednjih jezer ali umetno zaprtih zalivov v morju.

Description

Stisljiva cisterna za hrambo plina pod tlakom in uporaba le-te

Področje tehnike

Izum sodi v področje priprav in naprav za izkoriščanje energije tlaka plina in hranjenje plina.

Tehnični problem

Tehnični problem je konstrukcijska zasnova velikih cistern in/ali posod za hranjenje plina pod velikim tlakom, pri čemer naj bi bile stene relativno tanke, stisljive in navkljub temu vzdržljive. Cisterne in/ali posode za hrambo plina bi služile za deponiranje velikih količin plina, ki bi bil hitro na voljo, ko se pokaže potreba po tem. Cisterne so predvidene ter namenjene uporabi v globini vode na dnu, kar omogoča izkoriščanje posebnih pogojev, to je velikega hidrostatičnega tlaka na stene cisterne. S konstrukcijsko zasnovo cisterne naj bo izkoriščeno fizikalno dejstvo, da se stiskanjem posod vzpostavi tlačno ravnotežje med zunanjim hidrostatičnim tlakom in notranjim tlakom plina v tlačni posodi.

Racionalizacija izgradnje velikih cistern ali tlačnih posod za plin pod pritiskom bi omogočala izgradnjo velikega števila takih posod, kjer bi bila hramba plina varna in ekonomsko sprejemljiva. Običajne cisterne in/ali posode zahtevajo pri izgradnji uporabo debelih sten, ki so toge in imajo stalno isto obliko. Naloga in cilj izuma je konstrukcija cisterne in/ali posode, ki bo omogočala spreminjanje volumna glede na volumen plina.

Cisterne naj omogočajo hrambo velikih količin plina zraka, ki je pridobljen z energijo iz sonca, plime, valov ter drugih izvorov, ki je ni mogoče shraniti v velikih količinah zaradi omejenosti tlačnih posod akumulatorjev in cene.

Znano stanje tehnike

V do sedaj znanih rešitvah cistern ali tlačnih posod za hranjenje plina so znane klasične cisterne, ki so primerne za omejene količine plina. Te so uporabljene za deponiranje in prevoz plina v klasični obliki s trdnimi stenami. Uporaba tankoslojnih stisljivih posod za hrambo plina do sedaj ni znana, čeprav so znane narobe obrnjene vreče, ki jih koristijo potapljači za dvigovanje bremen iz morskega dna. Potapljaške zvonove uporabljajo potapljači za podvodna dela, na podmornicah pa uporabljajo za vstope v podmornico sistem zvona. Vse ostale znane rešitve koristijo tank s trdimi nestisljivimi stenami, ki jih ob zmanjšanju pritiska v notranjosti stisne in deformira. Pri takih rešitvah je že pojav talne vode uničujoč za prazno v zemljo pokopano cisterno, še večji problem pa je globoka voda.

Opis rešitve tehničnega problema

Bistvo stisljive cisterne za hrambo plina pod tlakom je v tem, da je tankoslojna stisljiva tlačna posoda potopljena v vodo in je obdana z armirno mrežo, ki je s pomočjo obtežilnih elementov ter sider pritrjena na dno bazena. Bazen je lahko naraven prostor, kjer se nahaja voda (na primer reka, morje, naravno jezero) ali namenoma zgrajen prostor za vodo (na primer umetno jezero, opuščeni rudniki in/ali druge z vodo zalite jame). Stisljiva posoda ima še tri variante.

Stisljiva cisterna za hrambo plina pod tlakom bo v nadaljevanju podrobneje opisana s pomočjo slik, ki prikazujejo:

Slika 1a - stisljiva cisterna po izumu, ko je cisterna polna

Slika 1b - stisljiva cisterna po izumu, ko je cisterna prazna

Slika 2a - stisljiva cisterna po varianti I, ko je cisterna polna

Slika 2b - stisljiva cisterna po varianti I, ko je cisterna prazna

Slika 3a - stisljiva cisterna po varianti II, ko je cisterna polna

Slika 3b - stisljiva cisterna po varianti II, ko je cisterna prazna

Slika 4a - stisljiva cisterna po varianti lil, ko je cisterna polna

Slika 4b - stisljiva cisterna po varianti III, ko je cisterna prazna

Slika 5 - sistem s stisljivimi cisternami

Slika 6 - krmilni mehanizem sistema s stisljivimi cisternami

Stisljiva cisterna za hrambo plina pod tlakom ima tankoslojno tlačno posodo 3 obdano z armirno mrežo 1, ki je s pomočjo obtežilnih elementov 5 ter sider 6 pritrjena na dno bazena. Posoda 3 je okrogle oblike z odprtino za tlačno cev 7, katere drugi konec štrli iz gladine vode 8 in je nameščena na ventil, ki omogoča praznjenje ali polnjenje tlačne posode 3. Tlak v tlačni posodi 3 mora biti enak ali večji kot je hidrostatičen tlak vode 9 na zunanje stene posode 3. Tlačne posode 3 se lahko stisnejo na minimalni volumen in napihnejo do nazivnega volumna, kot to prikazujeta sliki 1a in 1b.

V vsako tlačno posodo je iz obrežja - obale morja, naravnega ali umetnega jezera, akumulacijskega jezera, potopljenega rudnika, naravne potopljene jame ali podobnih zajetij vode napeljana tlačna cev. Skozi cev se tlačne posode polnijo ali praznijo. Tlačne posode morajo biti obtežene ali pritrjene na dno, da premagajo silo vzgona. Stene zaprtih tlačnih posod so lahko narejene iz plastičnih, elastičnih ali kovinskih materialov v takih oblikah, da omogočajo stiskanje volumna skoraj na nič in raztezanje do nazivnega volumna.

Stisljiva cisterna po varianti I ima tankoslojno tlačno polodprto posodo 31 obdano z armirno mrežo 11, ki je s pomočjo obtežilnih elementov 51 ter sider 61 pritrjena na dno globokega bazena. Posoda 31 je oblikovana tako, da ima obliko votlega ter zgoraj zaobljenega valja, v katerega je napeljana tlačna cev 71, katere drugi konec štrli iz gladine vode 81 in je nameščena na ventil, ki omogoča praznjenje ali polnjenje tlačne posode 31. Spodnji del plina je zaprt z nivojem vode 41 v posodi 31, ki je lahko narejena kot vreča. Tlak v tlačni posodi 31 mora biti enak ali večji kot je tlak vode 91 na zunanje stene posode 31. Tlačne posode 31 se lahko stisnejo na minimalni volumen in napihnejo do nazivnega volumna, kot to prikazujeta sliki 2a in

2b. Tlak plina izriva vodo iz posode 31, ki je lahko poleg vreče tudi v obliki lonca, dokler ne začne uhajati izpod posode 31. V primeru, da plin in voda povzročata neželene reakcije, se vstavi pod posodo 31 tlačno posodo zaprtega tipa. Polodprte tlačne posode v obliki obrnjenega lonca ali drugih oblik kot so na primer piramida, stožec, valj, ki imajo odprto dno, so lahko iz togih materialov kot so na primer železo, beton, jeklo, plastika in podobno.

Stisljiva cisterna po varianti II ima kovinsko ali betonsko tlačno polodprto posodo 32, ki je s pomočjo obtežilnih elementov 52 ter sider 62 pritrjena na dno bazena. Posoda 32 je oblikovana tako, da ima obliko votlega ter zgoraj zaobljenega valja, v katerega je napeljana tlačna cev 72, katere drugi konec štrli iz gladine vode 82 in je nameščena na ventil, ki omogoča praznjenje ali polnjenje tlačne posode 32. Spodnji nivo plina je zaprt s nivojem vode 42 v posodi 32. Tlak v tlačni posodi 32 mora biti enak ali večji kot je hidrostatičen tlak vode 92 na zunanje stene posode 32. Tlačne posode 32 se lahko stisnejo na minimalni volumen in napihnejo do nazivnega volumna, kot to prikazujeta sliki 3a in 3b. Tlak plina izriva vodo iz posode 32, dokler ne začne uhajati izpod posode 32. V primeru, da plin in voda povzročata neželene reakcije, se vstavi pod posodo 32 tlačno posodo zaprtega tipa.

Stisljiva cisterna po varianti III ima tankoslojno tlačno posodo 33 obdano z zgornjim obtežilnikom 13, ki ima dva stranska obtežilnika 13a. Posoda 33 je lahko narejena iz tankoslojnega materiala pločevina, gumirano platno, plastificirano platno, plastična folija ali nepremočljive tehnične tekstilije v obliki stisljivega meha, ki je spodaj zaprt s pomočjo obtežilnega elementa 53 ter s pomočjo sider 63 pritrjena na dno bazena. Posoda 33 je lahko tudi spodaj odprta, če je na elementu 53 narejena odprtina. V posodo 33 je napeljana tlačna cev 73, katere drugi konec štrli iz gladine vode 83 in je nameščena na ventil, ki omogoča praznjenje ali polnjenje tlačne posode 33. Tlak v tlačni posodi 33 mora biti enak ali večji kot je hidrostatičen tlak vode 93 na zunanje stene posode 33. Tlačne posode 33 se lahko stisnejo na minimalni volumen in se napihnejo do nazivnega volumna, kot to prikazujeta sliki 4a in 4b.

Tlačne posode po izumu so lahko uporabljene za povečanje energije hidro elektrarn (slika 5), tako da se skupine tlačnih posod 25 namestijo na dno akumulacijskega jezera 75, druge skupine tlačnih posod 15 pa pod površino vode 85. Zgornje tlačne posode 15 so pritrjene z vrvmi na sidra in uteži na dno, spodnje tlačne posode 25 pa so pritrjene na uteži in sidra. Vse tlačne posode 15, 25 so povezane na krmilno postajo 125 s cevmi 95. Krmilni mehanizem 125 sistema s stisljivimi cisternami je priklopljen na zunanji vir plina 115 pod tlakom. V času velikih pretokov ali poceni energije se polni tlak plina preko krmilne postaje 125 ali zraka v tlačne posode 25 na dnu. Zgornje tlačne posode 15 so takrat prazne. V času malih pretokov ali drage energije pa se iz spodnjih tlačnih posod 25 napolni zgornje tlačne posode 15 preko krmilnega mehanizma 125. Krmilni mehanizem je sestavljen iz tlačnih ventilov 96, 106, 166, 176 redukcijskih ventilov 126 ali motorjev na komprimirani plin 136 ali tlačnih turbin 146 ali drugih pnevmatskih strojev 196, ki imajo lastnost, da pretvarjajo tlačno energijo v mehansko energijo, pri čemer reducirajo tlak plina na želeno vrednost potrebno za tlačne posode 15 pod površino vode. Pnevmatski stroji 136, 146, 196 so lahko reverzibilni, kar pomeni, da ob dovajanju mehanske energije komprimirajo plin, pri dovajanju tlak plina pa pretvarjajo tlačno energijo plina v mehansko energijo. Izvori mehanske energije so lahko različni: elektromotorji, toplotna energija, sončna energija, vetrna energija potencialna in kinetična vodna energija. Za zgornje tlačne posode 15 je potreben bistveno manjši tlak, da se napolnijo na nazivni volumen in izrinejo vodo. Tlačne posode 15 v treh nivojih pod površino vode so priključene na skupine ventilov 66, 76, 86, saj je vsaka posoda priklopljena na svoj ventil. Polne tlačne posode 15 dvignejo nivo vode 85 do vrha jezu in s tem se energija vode poveča ob istem pretoku. Spodnje tlačne posode 25 v treh nivojih na dnu so priklopljene na skupine ventilov 26, 36, 46 .Tlačne posode 25 so lahko vložene v umetno izkopane globlje z vodo zalite jame kot je dno oziroma globina akumulacijskega jezera. Večja je globina vode, večja je shranjena energija ali tlak plina na dnu. Nivojev tlačnih posod 15, 25 je lahko poljubno.

Tlačne posode so lahko uporabljene tudi pri dvigovanju in spuščanju gladine 85 dveh sosednjih jezer ali umetno zaprtih zalivov v morju. Jezera sta povezana s cevjo 35, v kateri je pretočna dvosmerna turbina 45, ki je povezana z električnim generatorjem

65. Vse tlačne posode 15, 25 so povezane na krmilno postajo 125 s cevmi 95. Krmilna postaja 125 je priklopljena na zunanji vir plina 115 pod tlakom. Obe krmilni postaji 125 sta povezani med sabo s cevmi 105. V krmilnih postajah so tlačni ventili za plin, ki lahko povezujejo dovod plina 115 na tlačne posode 15, 25 in cevi 105 oziroma poljubna kombinacija povezav cevi. Prelivanje vode med jezeroma ali izven morskega zaliva se izkorišča za pogon vodnih turbin 45 povezanih na električni generator 65. V trenutku maksimalnega dvignjenega nivoja vode prvega jezera in minimalno spuščenega nivoja vode drugega jezera se odpre zapornico 55, da voda iz prvega jezera lahko steče v drugo jezero. Dvigovanje nivoja 85 v prvem jezeru se lahko doseže z napihovanjem zgornjih tlačnih posod 15. Spuščanje nivoja vode 85 pa s spuščanjem tlaka iz zgornjih posod 15 v drugem jezeru. S postopnim napihovanjem zgornjih tlačnih posod 15 se ohranja maksimalni nivo vode 85, kljub temu da voda neprestano odteka skozi cev 35 v drugo jezero. Potem, ko se napolni zgornja tlačna posoda 15 v prvem jezeru na maksimalni volumen in bo odtekla vsa voda, se zapre vodna zapornica 55 v cevi 35. Tlak plina se postopoma spušča v gornje tlačne posode 15 drugega jezera, ki so bile prazne in se jih napolni s tlakom plina iz polnih zgornjih posod prvega jezera skozi cevi 105. Najprej se polni s plinom iz posod 15 na istem nivoju v vodi. Preostanek pa se spušča v tlačne posode 15, vendar en nivo bližje površini. Tako je možno optimalno izkoristiti tlačno energijo. Voda v drugem jezeru se dvigne in po odprtju zapore 55 se voda preliva po cevi 35 nazaj v prvo jezero. Polnijo se tlačne posode na istem nivoju ali en nivo višje skozi cevi 105. Razliko med izpuščenim tlakom zraka skozi ventile 166, 186 se dopolni iz tlačnih posod 25 na dnu jezera. Razliko tlakov v posodah 25 in tlačnih posodah 15 se izkoristi za pogone pnevmatskih strojev 136, 146, 196. Brez pretoka vode skozi vodno elektrarno se vrača energija v omrežja preko pretvorbe tlačne energije v mehansko in naprej v električno ali katero drugo obliko. V primeru shranjevanja gorljivih plinov pa je za izkoriščanje poleg tlačne energije na voljo tudi toplotna energija plina.

Claims (8)

1. Patentni zahtevki

   1. Stisljiva cisterna za hrambo plina pod tlakom, značilna po tem, da ima tankoslojno tlačno posodo (3) obdano z armirno mrežo (1), ki je s pomočjo obtežilnih elementov (5) ter sider (6) pritrjena na dno bazena; da je posoda (3) okrogle oblike z odprtino za tlačno cev (7), katere drugi konec štrli iz gladine vode (8) in je nameščena na ventil, ki omogoča praznjenje ali polnjenje tlačne posode (3); da mora biti tlak v tlačni posodi (3) enak ali večji kot je hidrostatičen tlak vode (9) na zunanje stene posode (3); in da se tlačne posode (3) lahko stisnejo na minimalni volumen ter napihnejo do nazivnega volumna.
2. 2. Stisljiva cisterna po zahtevku 1, značilna po tem, da je posoda (31) oblikovana tako, da ima obliko votlega ter zgoraj zaobljenega valja oziroma zgoraj zaprte posode, v katero je napeljana tlačna cev (71), katere drugi konec štrli iz gladine vode (81) in je nameščena na ventil, ki omogoča praznjenje ali polnjenje tlačne posode (31); in da je spodnji del plina zaprt s nivojem vode (41) v posodi (31).
3. 3. Stisljiva cisterna po zahtevku 1 in 2, značilna po tem, da je posoda (31) oblikovana kot obrnjeni lonec, obrnjena vreča, piramida, stožec in/ali valj, ki imajo odprto dno ter so lahko iz togih materialov kot so na primer železo, beton, jeklo, plastika ali podobno.
4. 4. Stisljiva cisterna po zahtevku 2, značilna po tem, da je tlačna polodprta posoda (31 ali 32) kovinska, plastična ali betonska.
5. 5. Stisljiva cisterna po zahtevku 1, značilna po tem, da ima tankoslojno tlačno posodo (33) obdano z zgornjim obtežilnikom (13), ki ima stranske obtežilnike (13a); da je posoda (33) lahko narejena iz tankoslojnega materiala kot je pločevina, gumirano platno, plastificirano platno, plastična folija in nepredušna tehnična tekstilija v obliki stisljivega meha, ki je spodaj zaprt s pomočjo obtežilnega elementa (53) ter s pomočjo sider (63) pritrjena na dno bazena.
6. 6. Stisljiva cisterna po zahtevku 1, značilna po tem, da je posoda (33) spodaj odprta s pomočjo odprtine v elementu (53).
7. 7. Uporaba tlačne posode po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, značilna po tem, da je za povečanje energije hidro elektrarne postavljena skupina tlačnih posod (25) nameščena na dno akumulacijskega jezera (75), druga skupina tlačnih posod (15) pa pod površino vode (85); da so zgornje tlačne posode pritrjene z vrvmi na sidra in uteži na dno, spodnje pa so pritrjene na uteži in sidra; da so vse tlačne posode (15 in 25) povezane na krmilno postajo (125) s cevmi (95); da je krmilna postaja (125) priklopljena na zunanji vir plina (115) pod tlakom; da se v času velikih pretokov ali poceni energije polni plin (125) ali zraka v tlačne posode (25) na dnu; da so zgornje tlačne posode (15) takrat prazne; da se v času malih pretokov ali drage energije iz spodnjih tlačnih posod (25) napolni zgornje tlačne posode (15); da je za zgornje tlačne posode (15) potreben bistveno manjši tlak, da se napolnijo na nazivni volumen in izrinejo vodo; da se nivo vode (85) dvigne do vrha jezu in s tem se energija vode poveča ob istem pretoku; da so spodnje tlačne posode (25) lahko vložene v umetno izkopane globlje z vodo zalite jame kot je dno oziroma globina akumulacijskega jezera.
8. 8. Uporaba tlačne posode po kateremkoli od prejšnjih zahtevkov, značilna po tem, da je omogočeno dvigovanje in spuščanje gladine vode (85) dveh sosednjih jezer ali umetno zaprtih zalivov v morju; da so jezera povezana s cevjo (35), ki je opremljena s pretočno dvosmerno turbino (45) skupaj z električnim generatorjem (65); da se s pomočjo krmilnega mehanizma (125) omogoča izbiranje režima delovanja.