Установка аккумулирования электроэнергии

 

Использование: в энергетике. Сущность изобретения: установка аккумулирования электроэнергии содержит генератор электрического тока, компрессор, газовую турбину и соединенный с последней резервуар сжатого воздуха, выполненный в виде эластичной герметичной оболочки и установленный в гидросреде на глубине, определяемой соотношением ряда параметров, в том числе: суммарная площадь поперечного сечения входного отверстия турбины и суммарная площадь поперечного сечения выпускных отверстий резервуара. 1 с.п., 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к устройствам аккумулирования электроэнергии.

Режим работы энергосистемы отличается значительной неравномерностью в зимнее время за счет возрастания бытовой составляющей общая нагрузка энергосистемы выше, чем летняя. В свою очередь в течение суток возможны перепады нагрузки с превосходством максимальной над среднесуточной в 1,9-2,0 раза, а над минимальной в 2,4-2,5 раза. В этих условиях особое значение приобретают устройства и установки, способные запасать избыточную энергию в любой форме и затем отдавать ее в период пика нагрузки энергосистемы.

Известно устройство аккумулирования электроэнергии в виде гидроаккумулирующих электростанций ГАЭС /см. Н.С.Непорожний, В.И.Обрезков. Введение в специальность. Гидроэлектроэнергетика. М. Энергоиздат, 1982. - 304 с. ил./. ГАЭС содержит верхний и нижний водные бассейны. Процесс гидравлического аккумулирования энергии сводится к следующему. В ночное время, когда нагрузка энергосистемы сильно снижается, включаются электродвигатели насосов ГАЭС, перекачивающие воду из нижнего бассейна в верхний. В период пиков нагрузки энергосистемы вода, запасенная в верхнем бассейне, пропускается через турбины ГАЭС и находящиеся на одном валу с ними генераторы выpабатывают электроэнергию.

Однако известное устройство аккумулирования электроэнергии имеет сравнительно невысокий КПД, равный 0,70-0,75. Это значит, что из каждых 100 кВтч, забираемых ГАЭС, назад возвращается примерно 75 кВтч. Кроме того, при сооружении ГАЭС требуется большой объем капитальных затрат. Такие ГАЭС, как правило, требуют создания обширных искусственных водоемов, водоразделов, высоконапорных водоводов с возможно большим перепадом высот. При этом очень часто под водохранилища отводятся плодородные земли. Между тем, массы воды на равнинной части подпирают грунтовые воды, вызывая заболачивание и засоление окружающих земель, подтопление сооружений и населенных пунктов, ухудшение санитарных условий местности. Сооружение водохранилищ в горной местности на большой высоте, там, где это наиболее эффективно, чревато катастрофическими последствиями при проявлении сейсмической активности недр.

Известна также установка аккумулирования электроэнергии, содержащая генератор электрического тока, компрессор, газовую турбину, резервуаp сжатого воздуха, соединенный воздуховодом с газовой турбиной, выбранная в качестве прототипа /П.Тоттен, Дж.Фьор, Р.Шальж. Электричество из воздуха. - "Гражданское строительство", N 8, 1989, российское издание журнала "Civil Engeenering", N 7, 1989, США/. Отличительной особенностью этой установки является наличие резервуара сжатого воздуха в виде подземной бутылкообразной полости, вырабатываемой в соляном пласте, в которую нагнетается сжатый воздух из атмосферы и хранится там под избыточным давлением. В часы повышенной энергонагрузки сжатый воздух извлекается из полости, подогревается и пропускается через газовую турбину и генератор, где вырабатывается электрический ток.

Наличие подземного резервуара требует, как правило, его сооружение искусственно и только в грунтах, обладающих газо-, водонепроницаемостью, т.е. в скалистых грунтах с дополнительной герметизацией внутренних поверхностей подземной полости, что требует значительных капитальных затрат и ограничивает возможности ее использования. Использование естественных подземных полостей в качестве накопителя сжатого воздуха практически невозможно, так как породный контур таких полостей обычно отличается высокой трещиноватостью и пористостью, что должно приводить к значительной утечке воздуха и жидкости через породу и, как следствие, к резкому снижению давления воздуха в резервуаре.

Таким образом, в основу изобретения положена задача создать установку аккумулирования электроэнергии, в которой путем усовершенствования резервуара сжатого воздуха и места его расположения обеспечивалось бы постоянное силовое взаимодействие корпуса резервуара с окружающей средой, что позволило бы хранить в нем сжатый воздух без сооружения специальных несущих конструкций и обеспечило бы снижение затрат на создание установки.

Поставленная задача решена тем, что в установке аккумулирования электроэнергии, содержащей генератор электрического тока, компрессор, газовую турбину резервуар, сжатого воздуха, соединенный воздуховодом с газовой турбиной, согласно изобретению, резервуар сжатого воздуха выполнен в виде эластичной герметичной оболочки и помещен в гидросреду.

Целесообразно также, чтобы резервуар сжатого воздуха был установлен в гидросреду на глубину погружения, определяемую из соотношения: , где h глубина погружения резервуара; P_o атмосферное давление воздуха, равное 101325 Па; P_т давление сжатого воздуха на входе в газовую турбину; A_рез. суммарная площадь поперечного сечения выпускных отверстий резервуара сжатого воздуха; А_т площадь поперечного сечения входного отверстия газовой турбины генератора электpического тока; плотность гидросферы; g ускорение свободного падения.

Выполнение резервуара сжатого воздуха в виде эластичной герметичной оболочки позволяет использовать резервуар сжатого воздуха для установки аккумулирования электроэнергии в любой водной среде. При этом объем резервуара, в отличие от прототипа, можно выбирать произвольно, в зависимости от требуемой мощности установки. При необходимости можно устанавливать ряд резервуаров, расположенных по горизонтали или по вертикали в соответствии с размерами водоема. В гидросреде под воздействием гидростатического давления воздух всегда занимает меньший объем, чем над водой, и его величина определяется по формуле:
где V_рез. объем воздуха в резервуаре в гидросреде;
V_o исходный объем воздуха;
P_рез. давление воздуха в резервуаре в гидросреде.

Известно также, что гидростатическое давление Р_рез. на глубине h можно определять с помощью выражения:
P_рез.= gh+P_o (2)
При совместном рассмотрении выражений /1 и 2/ получаем:

Таким образом, при расположении резервуара сжатого воздуха на глубине 1 м объем закаченного воздуха уменьшается вдвое, а при глубине 90 м в 10 раз. Соответственно повышается давление. Так, на глубине 990 м можно достичь давления в 100 атмосфер, необходимое для эффективной работы газовой турбины в установке.

Однако требуемая величина глубины погружения резервуаров сжатого воздуха может быть значительно уменьшена за счет использования разницы между значениями площади выпускного отверстия резервуара /или суммы площадей таких отверстий A_рез. и площади впускного отверстия газовой турбины. Например, при сокращении A_т по отношению к A_рез. в 3,3 раза скорость истечения струи сжатого воздуха, эквивалентная скорости, соответствующей внутреннему давлению в 100 атм, может быть достигнута при размещении резервуаров на глубине не 990, а примерно 100 м. При этом выражение для определения нужной глубины погружения резервуаров сжатого воздуха примет вид:

где
Таким образом, рабочих давлений, необходимых для эффективной работы газовой турбины на чистом сжатом воздухе, можно достичь и при сравнительно небольшой глубине погружения резервуаров сжатого воздуха, являющихся его накопителями.

На чертеже представлена схема установки аккумулирования электроэнергии.

Установка содержит генератор электрического тока 1, компрессор 2, газовую турбину 3. Газовая турбина 3 связана воздуховодами 4 с подводными резервуарами 5 сжатого воздуха, расположенными на заданной глубине в водоеме /гидросреде/ 6. Подводные резервуары 5 сжатого воздуха выполнены из эластичных герметичных оболочек. Резервуары 5 сжатого воздуха прикреплены ко дну водоема расчалками 7. В качестве материала оболочки использован водостойкий и газонепроницаемый эластичный материал, обладающий способностью изменять свою форму под воздействием давления, например прорезиненная ткань или армированная пленка.

Установка работает следующим образом. В часы пониженной нагрузки на энергосистему воздух из атмосферы закачивается компрессором 2 по воздуховодам 4 в резервуар 5. С начала подачи воздуха давление внутри резервуара 5 устанавливается равным гидростатическому в соответствии с глубиной его погружения. При этом воздух сжимается и его объем уменьшается во столько раз, во сколько гидростатическое давление воды на заданной глубине превышает атмосферное давление воздуха. Таким образом, получается компактный, экологический чистый, не требующий больших затрат на сооружение аккумулятор электроэнергии в виде потенциальной энергии сжатого воздуха. При пиках нагрузки в энергосистеме сжатый воздух из резервуаров 5 поступает по воздуховодам 4 в газовую турбину 3 и электрогенератор 1 для выработки электроэнергии. Ввиду незначительной протяженности воздуховодов 4 и сравнительно небольших потерь на трение общие потери электроэнергии незначительны.

В качестве агента, находящегося в резервуаре, может быть также любой другой газ, подвергающийся сжатию. Принципиально возможно также использование в рамках этой же системы ветровых агрегатов вместо генераторов электрического тока с газовой турбиной. Естественно, что выходная мощность установки при этом будет уменьшена, то есть данный принцип аккумулирования электроэнергии может быть реализован в целой гамме аккумулирующих электростанций различной мощности. С одной стороны, это может быть сверхмощный мегакомплекс, смонтированный на глубоководной морской платформе /для этой цели могут быть использованы нефтедобывающие платформы/, с другой стороны, небольшой энергетический агрегат, выполняющий вспомогательные функции на какой-либо сельскохозяйственной ферме, расположенной вблизи более или менее глубокого озера. Причем представляющая известную техническую сложность задача крепления резервуара сжатого воздуха ко дну водоема с увеличением глубины его погружения упрощается, так как уменьшается объем воздуха и, соответственно, снижается подъемная сила. Прочностные свойства материала мягкой оболочки практически не имеют значения, так как, если давление внутри резервуара не будет превышать гидростатического, оболочка не будет напряжена.

Предлагаемая установка по отношению к экологии нейтральна, технически несложна, экономически выгодна.

Формула изобретения

1. Установка аккумулирования электроэнергии, содержащая генератор электрического тока, компрессор, газовую турбину, резервуар сжатого воздуха, соединенный воздуховодом с газовой турбиной, отличающаяся тем, что резервуар сжатого воздуха выполнен в виде эластичной герметичной оболочки и помещен в гидросреду.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что резервуар сжатого воздуха помещен в гидросреду на глубину погружения, определяемую из соотношения

где h глубина погружения резервуара;
P₀ атмосферное давление воздуха, равное 101325 Па;
P_т давление сжатого воздуха на входе в газовую турбину;
A_рез суммарная площадь поперечного сечения выпускных отверстий резервуара сжатого воздуха;
A_т площадь поперечного сечения входного отверстия газовой турбины генератора электрического тока;
плотность гидросреды;
g ускорение свободного падения.

РИСУНКИ

Рисунок 1