Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидропневмоаккумулирующая электростанция

Целесообразность строительства гидроаккумулирующих электростанций подтверждена практически, их число в мире постоянно растёт. Потребность в них возрастает в связи с развитием альтернативных источников энергии (солнце не всегда открыто, оно "работает" только половину суток; не всегда дует ветер достаточной силы).

Для создания гидроаккумулирующей электростанции (апробированный вариант) нужна возвышенность большой высоты и большой площади для создания верхнего бассейна; верхний и нижний бассейны занимают большую площадь (сотни гектаров); этих недостатков практически лишена, предлагаемая к рассмотрению, гидропневмоаккумулирующая электростанция.

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ Верхний и нижний бассейны аккумулирующей электростанции располагаются под слоем грунта на разных глубинах; над водной поверхностью обеих бассейнов расположен слой воздуха повышенного давления (давление воздуха компенсирует вес грунта, расположенного над полостями, в которых располагаются бассейны; над верхним бассейном расположена естественная или искусственная возвышенность из грунта); при перемещении воды из одного бассейна в другой синхронно происходит перемещение воздуха, который занимает место убывшей воды, так что давление воздуха практически не изменяется. Подземные полости для водохранилищ предполагается изготавливать путём выдавливания пласта почвы сжатым воздухом на поверхность земли (предварительно отделив его от основного массива почвы и заполнив вертикальные полости разрезов запирающим вязким раствором большой плотности; при поднятии пласта грунта, под слой сжатого воздуха закачивается под давлением вода).

На рис. 1 показана принципиальная схема, более простой, гидропневмоаккумулирующей электростанции: (1) - верхний бассейн; (2) - нижний бассейн; (3) - слой воды в бассейнах; (4) - воздуховод, соединяющий воздушные полости обеих бассейнов; (5) - вертикальный цилиндр (составная часть устройства, обеспечивающего постоянство давления воздуха над бассейнами); (6) - горизонтальный поршень, перекрывающий сечение цилиндра (5); (7) - слой жидкости с большой плотностью над поршнем (6) (8) - труба, по которой вода подаётся в верхний бассейн (1); (9) - труба, по которой вода подаётся в нижний бассейн (2); (10) - труба, по которой вода забирается (подаётся) из трубы (8); (11) - турбина; (12) - грунт; (13) - возвышенность из грунта над верхним бассейном; (14) - атмосферный воздух; (15) - камера, в которую сбрасывается вода, после прохождения турбины (в ней поддерживается высокое давление воздуха).

Принцип работы данной гидропневмоаккумулирующей электростанции аналогичен 2 принципу работы "традиционной" гидроаккумулирующей электростанции: в ночное время турбина (11) закачивает воду из нижнего бассейна (2) в верхний бассейн (1); при пиковом потреблении электроэнергии вода из верхнего бассейна (1) (выдавливается сжатым воздухом) вращает турбину (11); камера (15) с повышенным давлением воздуха, компенсирует разность давления воздуха в подземных камерах и давлением столба воды, создаваемого за счёт разности уровней положения обеих бассейнов (создаётся из-за разности плотностей почвы и воды; воду можно заменить соляным раствором, имеющим более высокую плотность).

гидропневмоаккумулирующая станция аккумулирование энергия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1

Устройство, обеспечивающее постоянство давления воздуха в бассейнах (1) и (2), действует так: поршень (6) находится в равновесии, если давление воздуха равно давлению слоя жидкости (7) и давления атмосферного воздуха (14); так как эти величины не меняются, то поршень займёт положение, при котором давление воздуха будет равно первоначальному (давление воздуха уравновешивает постоянное давление грунта).

На рис. 2 показана схема другой (более эффективной) гидропневмоаккумулирующей установки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2

На рис. 2 показано: 1 - верхняя камера и соответственно слой воздуха в ней; 2 - нижняя камера; 3-водохранилище, расположенное на земной поверхности; 4 - объём воды в камере (1); 5 - объём воды в камере (2); 6 - объём воды в водохранилище (3); 7 - турбина; 8 - труба, по которой вода через турбину (7) перемещается между камерой (1) и водохранилищем (3); 9 - компрессор, перемещающий воздух между воздушной полостью в камере (1) и воздушной полостью в камере (2); 10 - труба, по которой вода перетекает между объёмом воды (4) и объёмом воды (5); 11 - грунт, в котором располагается аккумулирующая электростанция; 12 - возвышенность из грунта над камерой (1); 13 - атмосферный воздух.

Для упрощения последующих пояснений, введём следующие обозначения:

А - высота возвышенности над камерой (1);

В - дополнительный слой грунта под возвышенностью над камерой (1);

С - высота разностей уровней водных поверхностей над водоёмами (4) и (5);

Грунты имеют плотность, которая значительно превышает плотность воды (глины имеют плотность 1,8-2,6 г/см3, а это наиболее распространённые осадочные породы), обозначим отношение плотностей грунта и воды - " к".

Атмосферное давление примем равным 10м. в. ст. (метры водяного столба).

Р1= [к* (А + В) + 10] м. в. ст. (давление воздуха в камере (1); уравновешивает вес грунта и атмосферное давление).

Р2= [к* (А + В) + С + 10] м. в. ст. (давление воздуха в камере (2)).

Камера (2) располагается на такой глубине (Д), на которой выполняются условия: давление воздуха уравновешивает вес грунта над ним и атмосферное давление воздуха; в определённой точке (С=Со) для этого давления выполняется соотношение Р2 = Р1 + Со. Д~ (к/к-1) А + В (расчёт).

При аккумулировании энергии закачивается вода из водохранилища (3) в камеру (1); при этом нужно преодолеть давление [к*А + (к-1) * В +10] м. в. ст. (камера (1) находится ниже турбины на В (м.) и давление столба воды в трубе (8) уменьшает давление, которое нужно приложить, чтобы преодолеть давление Р1; то есть это равносильно закачиванию воды на высоту [к*А + (к-1) * В] (м.), (если расположить водохранилище на возвышенности (традиционная ГАЭС), то создаётся напор в А (м.)). Чтобы давление Р1 не изменялось, нужно, с поступлением воды, удалять из камеры (1) такой же объём воздуха; это достигается при помощи компрессора (9), который перекачивает воздух из камеры (1) в камеру (2) (эти камеры соединены снизу трубой (10), происходит перетекание воды с уровня водной поверхности в камере (2) на водную поверхность в камере (1), этот объём воды компенсируется дополнительным объёмом перекачиваемого воздуха). Таким образом, дополнительно аккумулируется энергия: происходит сжатие воздуха (эта энергия частично возвращается при вращении воздушной турбины при перетекании воздуха в камеру (1) при выдавливании воды через турбину (7) при отборе энергии) и перемещение воды на более высокий уровень (из камеры (2) в камеру (1)).

При заполнении камеры (1) водой, уровень водной поверхности в камере повышается, а в камере (2) понижается, это приводит к увеличению величины С, соответственно увеличивается Р2 (оно становится больше давления пласта грунта над камерой (2)), но предполагается, что большая толщина пласта грунта и ограниченное изменение величины С (сумма величин срабатывания водохранилищ в камерах (1) и (2)), не позволят возникнуть необратимым деформациям (камера (2) располагается на значительно большей глубине, чем камера (1), и на этой глубине, возможно, более прочные горные породы).

При срабатывании запасённого в камере (1) воды, перетекает часть воды в водохранилище (3), часть в камеру (2); перетекание в водохранилище (3) происходит быстрее, то есть с более высокого уровня; при заполнении камеры (1) вода из водохранилища (3) заполняет более низкий уровень, затем состояние равновесия наступает за счёт перетекания воды из камеры (2).

Чем больше В, тем устойчивее конструкция, но это приводит к уменьшению сжатия воздуха, а соответственно к большей доле перемещаемой жидкости из камеры (2) (так, при сжатии воздуха в 1,5раза, на 1м3 воды, перемещенный из водохранилища (3), приходится 2м3 воды из камеры (2)).

Большой объём камеры (1) потребует выдавливания большого объёма грунта на верхнюю поверхность возвышенности (12), что улучшает характеристики конструкции (увеличивается высота возвышенности (12)).

Площадь камеры (1) примерно в два раза больше камеры (2) (пропорционально объёму), над камерой (1) нужно сформировать возвышенность (12), часть грунта будет получена при удалении возвышенности, которая образуется в результате выдавливания пласта грунта при сооружении камеры (2) (необходимо будет снять плодородный слой грунта и вернуть его на прежнее место после удаления возвышенности), но возможно будет складировать сотни тысяч тонн отходов с расположенных в округе свалок (привлечение муниципальных средств на строительство ГАЭС; чем больше будет давление возвышенности (12), тем эффективнее сооружение; ГАЭС будет работать по замкнутому циклу и вредные вещества практически не будут распространяться за пределы электростанции).

Применение для аккумулирования энергии сжатия воздуха в данном случае оправдано: сжатие незначительно (менее, чем в два раза (небольшое увеличение температуры)); сжатый воздух находится глубоко под грунтом (теплоизоляция); сжимается, уже сжатый до значительного давления, воздух (энергия пропорциональна массе сжимаемого воздуха). Потери тепловой энергии можно компенсировать при помощи парогенератора (сжигая топливо (газ, уголь) получать водяной пар высокого давления и вводить его в воздушную среду камеры (2)).

Отбор и закачивание воды в ёмкостях (1) и (2) осуществляется ниже водной поверхности, поэтому на ней можно поместить слой лёгкой жидкости, уменьшая растворение воздуха в воде.

При реализации проекта можно использовать опыт создания газохранилищ (оценка грунта на непроницаемость для воздуха, допустимые предельные давления газа).

Целью данной статьи является желание обратить внимание на предложенный способ аккумулирования энергии (более эффективно используется возвышенность высотой А (количество аккумулированной энергии при перекачивании 1м3 воды) по сравнению с традиционной схемой гидроаккумулирующей электростанции; к тому же основной объём воды расположен под землёй (земная поверхность используется, например, для сельскохозяйственных работ; летом меньше испаряется воды, зимой меньше проблем с замерзанием воды).).

При эксплуатации реальной гидроаккумулирующей электростанции перемещаются миллионы кубометров воды, создать камеры такого объёма традиционными методами нереально. Предлагается создавать подземные выемки большого объёма путём выдавливания сжатым воздухом (под слой воздуха закачивается под давлением вода) пласта грунта большой площади в воздушную среду, предварительно отделив пласт от основного массива грунта (подобно айсбергу большой площади и большого объёма, который выдавливается на водную поверхность давлением воды; чем больше площадь выдавливаемого пласта грунта, тем нужно меньшее избыточное давление воздуха: площадь увеличивается пропорционально квадрату радиуса, а величина боковой поверхности, которая препятствует движению, зависит от радиуса линейно).

Предполагается, что если подземную выемку заполнить сжатым воздухом, давление которого уравновешивает вес пласта грунта над подземной выемкой, то конструкция будет устойчивой для подземной выемки большой площади (над воздушной средой должен быть непроницаемый грунт нужной толщины; глубину расположения выемок грунта можно задавать (параметр "В"), поэтому этим фактором можно воспользоваться для подбора соответствующего слоя грунта).

Предложенную технологию можно использовать для создания открытого глубоководного, большого объёма, водоёма: по мере подъёма пласта грунта, верхний слой грунта снимается и используется для отсыпки дамбы водохранилища (соответственно уменьшается давление воздуха; так как грунт нужно перемещать на небольшое расстояние (несколько километров) по горизонтальной поверхности, целесообразно разработать технологию по "отрезанию" кусков грунта большого объёма и их перемещения, складывая дамбу из "кубиков" (не разрушать, уплотнённый за тысячелетия, грунт)).

Возможно, использовать образовавшийся водоём как нижний бассейн гидроаккумулирующей электростанции (верхний бассейн располагается на уровне земной поверхности), но можно применять водоём для сбора паводковых вод и использовать образовавшийся запас воды в летний период.

Для реализации данного проекта необходимо провести большой объём работ:

выработать методику оценки участка земли на пригодность для реализации проекта;

подготовка участка земли к подземным работам (например, откачка грунтовых вод);

разработка и изготовление соответствующего оборудования, способного работать дистанционно;

разработка, непосредственно, технологии создания гидропневмоаккумулирующей электростанции.

На рис. 3 показаны некоторые элементы, позволяющие реализовать технологию.

1 - выемка, заполненная сжатым воздухом; 2 - вертикальная труба (используется для связи с выемкой (1)), заполненная жидкостью с большой плотностью (3) (давление столба жидкости уравновешивает давление воздуха в выемке (1)); (4) - углубление, которое создаётся перед заполнением выемки (1) сжатым воздухом (служит для складирования грунта, который образуется при проведении работ по отделению пласта по горизонтальной плоскости): 5-8 - элементы конструкции, обеспечивающей постоянное давление воздуха в выемке (1) (описано ранее; 5 - вертикальная труба; 6 - горизонтальный поршень, движущийся вдоль вертикальной трубы (5); (7) - жидкость с большой плотностью, вес которой уравновешивает давление воздуха снизу на поршень (6); (8) - сужение в верхней части трубы (5) (используется при повышении давления воздуха при выдавливании пласта)); (9) - грунт, в котором создаётся подземная выемка; показано устройство, которое по периметру, предполагаемой площади пласта, делает вертикальный разрез (10 - движущийся вдоль периметра площади механизм, который приводит в движение, погружённое в грунт, режущее устройство (11)).

Оборудование, при помощи которого будут проводиться работы по горизонтальному отделению пласта от массива, должно управляться дистанционно, его помещают в первоначальную выемку (1) перед заполнением выемки сжатым воздухом; после выполнения работ его можно переместить на поверхность земли через трубу (2). ГАЭС создаются годами, можно использовать маломощное, компактное оборудование и проводить работы месяцами; для работы оборудования используется электроэнергия, которая подаётся по проложенному в первоначальную выемку кабелю; для отделения пласта достаточно миллиметрового, заполненного воздухом, разреза (трещины), поэтому, видимо, не потребуется перемещение больших объёмов грунта.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3

Режущее устройство (11) имеет большую длину (десятки метров), но так как оно занимает вертикальное положение, то под действием веса не "провисает"; управляющее устройство (10) движется по земной поверхности, поэтому (нет ограничений по размеру и подводимой мощности) можно создать механизм, который будет воздействовать на режущее устройство (11) с усилием, позволяющим вращать и колебать вертикально это устройство (возможно, не потребуется делать разрез на всю толщину пласта, достаточно будет только ослабить боковую поверхность, а остальную работу "сделает" повышение давления воздуха под пластом).

При благоприятных условиях (над пластом полезного ископаемого расположен воздухонепроницаемый грунт) можно применить этот способ для добычи этого полезного ископаемого без снятия слоя пустой породы; добываемый продукт транспортируется на поверхность по трубе (2), освободившееся пространство занимается закачиваемой водой (уголь будет сам всплывать, выдавливаемый более плотной жидкостью (3)). После перемещения на земную поверхность заданного объёма полезного ископаемого, в результате от основного массива грунта отделяется (параллельно) пласт грунта большой площади и при постепенном уменьшении давления воздуха, предполагается, что произойдёт опускание пласта по периметру выемки.

На рис. 4 показана реализация процесса подъёма, отделённого от основного массива, пласта грунта. 1 - поднимаемый вверх, пласт грунта; 2 - заполненный запирающим раствором, вертикальный разрез по периметру пласта; 3 - основной массив грунта; 4 - слой воздуха под сдвигаемым пластом грунта; 5 - объём воды, которая заполняет, освобождаемое после сдвига пласта грунта (1), пространство; 6 - труба, по которой сначала подавался воздух (слой воздуха (4)), а затем под давлением подаётся вода (объём воды (5)); 7 - насос, закачивающий в трубу (6) воду; 8 - объём грунта, который после поднятия пласта (1), нужно выбрать и опустить на дно, заполненной водой, полости (формируется водохранилище с пологим дном, уменьшается высота срабатывания водохранилища (первоначально полость имеет форму вертикального цилиндра)).

Подъём пласта (1) будет происходить медленно, так при площади сечения пласта (1) в 100000 м2 для смещения на 0,001 м необходимо закачать в ёмкость (5) 100 м3 воды.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4

В реальных условиях практически нельзя создать таким способом (выдавливание в воздушную среду пласта грунта) непроницаемую полость большой площади, придётся подкачивать воздух (затраты энергии), чтобы поддерживать заданное давление. Из-за наличия слоя воздуха под нижней плоскостью перемещаемого пласта грунта, при осуществлении поднятия пласта, существует угроза через боковую трещину неконтролируемого вытекания воздуха, это вызовет резкое уменьшение давления воздуха, что приведёт к обрушению конструкции.

Слой воздуха нужен для отделения грунта от поверхности воды (пресыщение водой глины приведёт к её обрушению), можно покрыть низ поднимаемого пласта грунта слоем водонепроницаемого вещества, что позволит перемещать пласт грунта непосредственно давлением воды. Принципиальная схема показана на рисунке 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. 1 - поднимаемый вверх, пласт грунта; 2 - заполненный запирающим раствором, вертикальный разрез по периметру пласта; 3 - основной массив грунта; 4 - слой воздуха под сдвигаемым пластом грунта; 5 - объём воды, которая заполняет, освобождаемое после сдвига пласта грунта (1), пространство; 6 - слой водонепроницаемого вещества, который отделяет массу воды (5) от нижней поверхности пласта (1) после удаления слоя воздуха (4); 7 - скважина в пласте (1), по которой сначала закачивается (удаляется) воздух (4), а затем подаётся расплавленное вещество (6); 8 - запирающее скважину (7) устройство; 9 - труба, по которой под давлением подаётся вода (5); 10 - насос, закачивающий в трубу (9) воду.

Вещество, из которого формируется слой (6), должно удовлетворять следующим требованиям: при температуре (>30*С) оно должно быть в твёрдом агрегатном состоянии и быть водонепроницаемым; плотность его должна быть близкой к 1000кг/м3; оно должно быть в жидком агрегатном состоянии при относительно невысокой температуре (порядка 100*С) и в жидком агрегатном состоянии не перемешиваться с водой (таким требованиям удовлетворяют, например, продукты после перегонки нефти: гудроны, вязкая мальта).

На первом этапе под отделённый от основного массива (3) пласт грунта (1) закачивается под давлением воздух (4), в результате пласт поднимается на небольшую высоту; на втором этапе на дно образовавшейся, заполненной воздухом камеры, подаётся через трубу (9) раствор соли (его плотность значительно больше 1000кг/м3), образуется горизонтальная поверхность соляного раствора; на следующем этапе в камеру подаётся через скважину (7) жидкое вещество (6) и растекается по горизонтальной поверхности соляного раствора (камера находится на значительной глубине в грунте, который обеспечивает хорошие теплоизоляционные условия, что позволит поддерживать в камере температуру, при которой вещество (6) находится в жидком состоянии; для поддержания температуры в камере можно использовать парогенератор: подавать в соляной раствор под давлением водяной пар (добавляемая в соляной раствор вода существенно не изменит его плотность); повышенная температура в камере приведёт к повышению в воздухе (4) концентрации водяных паров, но глина становится пластичной и практически непроницаемой для газов, если в ней содержится определённое количество воды, поэтому целесообразно увеличить влажность воздушной среды (4) (по мере перемещения воздуха происходит конденсация воды и запирание пор)).

После образования слоя (6) нужной толщины, под него подаётся соляной раствор (синхронно с подачей в камеру соляного раствора и жидкого вещества (6), предусмотрено удаление из камеры воздуха (4), таким образом, что давление воздуха остаётся практически неизменным, а пласт (1) остаётся неподвижным). Процесс продолжается до тех пор, пока из камеры будет удалён практически весь воздух (4), а слой (6) не "упрётся" в низ пласта (1).

На следующем этапе можно дождаться понижения температуры в камере и затвердевания вещества (6), или сразу начать подъём пласта (1), закачивая под слой (6) воду (зависит от применяемого вещества (6), производные нефти загустеют без растрескивания и при быстром охлаждении).

Созданный защитный слой обеспечивает герметичность нижней поверхности пласта (1) после повторного закачивания воздуха под эту поверхность (при создании гидропневмоаккумулирующей электростанции).

Сжатый воздух можно использовать для увеличения объёма воды, который прокачивается через турбину, у уже существующей гидроаккумулирующей электростанции (используется объём воды, расположенный ниже уровня мёртвого объёма). Принципиальная схема показана на рис. 6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. 1 - объём воды в верхнем бассейне; 2 - объём воды в нижнем бассейне; 3 - уровень водной поверхности в верхнем бассейне; 4 - уровень водной поверхности в нижнем бассейне; 5 - углубление на дне нижнего бассейна; 6 - воздухонепроницаемая прочная оболочка, накрывающая углубление (5); 7 - уровень воды в углублении (5); 8 - труба, соединяющая объём воды (2) и объём воды в углублении (5); 9 - углубление на дне верхнего бассейна; 10 - воздухонепроницаемая прочная оболочка, накрывающая углубление (9); 11 - уровень воды в углублении (9); 12 - труба, соединяющая объём воды (1) и объём воды в углублении (9); 13 - воздуховод, соединяющий объём воздуха в верхней части оболочки (6) с объёмом воздуха в верхней части оболочки (10); 14 - диапазон изменения уровня (4); 15 - диапазон изменения уровня (3); 16 - грунт, в котором расположена гидроаккумулирующая электростанция.

Обозначим давление воздуха под оболочками (6) и (10) через Ро. Для верхнего бассейна: Ро равно сумме Ратм. (атмосферное давление) и разности уровней (3) и (11) (сообщающиеся сосуды); для нижнего бассейна Ро равно сумме Ратм. и разность уровней (4) и (7). При заполнении водой верхнего бассейна повышается уровень (3), соответственно повышается уровень (11) (то есть заполняется водой углубление (9)); в нижнем бассейне понижается уровень (4), соответственно понижается уровень (7) (то есть вода выдавливается из углубления (5), перетекающим испод оболочки (10) по воздуховоду (13) воздухом, в объём (2)).

При срабатывании запасённого в верхнем бассейне объёма воды, процесс проходит в обратном порядке (объём воды из углубления (9) добавляется к срабатываемому объёму воды).

Преимущества применения сжатого воздуха при создании гидроаккумулирующей электростанции убедительны, но осуществление проекта требует преодолеть очень большие трудности реализации…

Размещено на Allbest.ru