Systém zberu a prenosu veternej energie

m) SK ÚŽITKOVÝ VZOR 8 3(22) Dátum podania prihlášky 5. 2. 2014 (3) Druh dokumentu yl(32) Dátum podania prioritnej prihlášky (51) ĺľłt C 1- (2014-01)(43) Dátum zverejnenia prihlášky 2. 7. 2014 Vestník UPV SR č 07/2014ÚRAD úžitkového vzom 4. 12. 2014 PRIEMYSELNÉHO Vestník ÚPV SR č. 12/2014 VLASTNÍCTVA (47) Dátum zápisu a spristupnenia SLOVENSKEJ REPUBLÍKY úžitkového vzoru verejnosti 15. 10. 2014(62) Číslo pôvodnej prihlášky V pripade vylúčenej prihlášky(67) Číslo pôvodnej patentovej prihlášky v prípade odbočenia(86) Číslo podania medzinárodnej prihlášky podľa PCT(87) Číslo zverejnenia medzinárodnej prihlášky podľa PCT(96) Člslo podania európskej patentovej prihlášky(54) Názov Systém zberu a prenosu veternej energieSystém rieši zachytávanie vetemej energie vetemým kolektorom z množiny aerodynamických rotorov, jej premenu na kmitavý pohyb, transmisiu z veľkých výšok na zem. Veterný kolektor z aerodynamických rotorov (l) je zavesený optimálne pod dvojicou aerodynamických aerostatorov (4). Súčinnosťou kmitania lineárneho mechanizmu (7) a zmeny uhla nastavenia listov aerodynamických rotorov (l) dochádza ku kmitom vetemého kolektora ak prenosu ziskanej energie vetra na zem, kde sa mení na iné formy. Pneumatická energia sa ukladá do pneumatického akumulátoraTechnické riešenie sa týka systému zberu a prenosu veternej energie a jej následnej premeny, akumulácie a distribúcie a hybridných elektrární s kombinovanými zdrojmi vstupnej energie.Veternoenergeticke systémy sa v súčasnosti uplatňujú formou vetemých fariem zložených prevažne z troj- alebo dvojlistových vetemých turbín, ktoré priamo alebo cez mechanickú prevodovku poháňajú elektrické generátory synchrónne alebo asynchrónne.Vetemé farmy sú napojené na rozvodnú sieť priamo, bez akumulácie. Ich projektovanie zohľadňuje možnosti celokontinentálnej siete akumulovať a distribuovať prebytky energie. Stavba vetemých fariem na pevnine je limitovaná terénom, zástavbou, kvalitou vetemých podmienok. stavanie vetemých fariem v pobrežných vodách (off shore systémy) zvyšuje kapacitu využitia vetra vo svete, ale súčasne zvyšuje náklady na inštalovaný kilowatt asi o 30 . Ešte lepšie vetemé podmienky a oveľa väčšie plošné kapacity poskytujú hlbokovodné vetemé systémy na plávajúcich plošinách kotvených lanami na dne. Plošiny sú intenzívne namáhané momentom sily, musia byť robustné a dobre kotvené. Rozvoj tohto trendu si vyžaduje inovácie konštrukčných prevedení s cieľom znížiť náklady na jednotky, ako aj transport energie, ktorý je cenovo závislý na prenosovom výkone.Technické riešenie umožňuje inovovať veternoenergetické systémy na ich ďalší kapacitný rozvoj znížením nevýhod doterajšieho stavu techniky hlavne v oblasti horských vetemých fariem off shore a hlbokovodných systémov tým, že vetemé kolektory pozostávajú z množiny aerodynamických rotorov s meniteľným uhlom nastavenia listov podľa smeru axiálneho pohybu a aerodynamické rotory sú zavesené lankami pod aspoň jedným aerodynamicky tvarovaným aerostatom, je výhodnejšie, ak sú vedľa seba dva pre prípad poškodenia jedného z nich a zdola sú prichytené do jedného uzla dolnými lankami na nehybné časti osi, ktoré sú navzájom prepojené tenkostennými uhlíkovými profilmi hlavného rámu veterného kolektora, pričom dolné lanká sú vjednom uzle spojené s ťažným lanom, ktoré je v spodnej časti prichytené na lineámy mechanizmus pre vratné kmity a zber vibračnej energie multirotorového systému.Z lineárneho mechanizmu vo funkcii kompresora je tlakovým vzduchom plnený pneumatický akumulátor,ktorý môže byť umiestnený v tlakovom prostredí, ako je dno mora, resp. oceánu. Pneumatický akumulátor tak pozostáva z tlakových nádob s relatívne tenkou stenou a náklady na jeho zostavenie aj vo veľkých objemoch sú prijateľné. Pneumatický akumulátor je predradený elektrární, ktorá má aspoň pneumatický vstup alebo má aj hybridné vstupy tepelnej energie z palív alebo slnka. Pri takomto umiestnení je lineárny mechanizmus polohovaný na plošine, ktorá na hladine napína kotevné laná svojím vztlakom alebo je kotvená priamo na zemi.Plošina môže byť kotvená tiež pod hladinou alebo priamo na dne mora. Ťažné lano svojou dĺžkou vychádza nad hladinu a siaha až do výšky vznášajúceho sa uhla pod vetemým kolektorom pod množinou rotorov. V každom prípade nároky na plošinu a jej hmotnosť sú minimalizované.V okolí plošiny na zemi alebo na vodnej hladine sú rozmiestnené tmavé plochy na absorpciu slnečného žiarenia. Absorpčné plochy a prípadne ďalšie zdroje termických stúpavých prúdov sú tepelná elektráreň strechy, južné svahy a umelý teplý prúd na indukčné nasávanie okolitého teplého vzduchu z vytvorenia stúpavého termického stlpu. Vodorovný vietor a vertikálny stúpavý prúd sa vektorovo sčítavajú a zvyšujú výkon. V čase bezvetria pri slnečnom žiarení vzniká stúpavý termický prúd bez nákladnej veže a predlžuje sa produkcia systému so zvýšeným koeñcientom spôsobilosti. Ťažné lano je vtedy vo zvislej polohe.Elektráreň postavená na plávajúcej plošine na mori môže mať charakter tepelnej hybrídnej so stálou prevádzkou pri využívaní tepla povrchovej vody oceánu, zvýšeného ohrevom od ponorených slnečných absorpčných plôch, pričom chladenie tepelného cyklu je studenou hlbkovou vodou, ktorej prísun sa uskutočňuje využitím vznosných bubliniek tlakového vzduchu z pneumatického akumulátora plneného prevažne veterno solámou energiou vodorovného a vertíkálneho prúdenia vzduchu. Charakter akumulačnej hybrídnej elektrárne na odber v špičke vzniká kombinovanými vstupmi z prebytkov v rozvodnej sieti a dodávkou rôznych foriem tepelnej energie lineámym koncentrátorom, palivami, geotermálnou vodou. Takýto typ je vhodný pre rôzne pozemné lokality, ako sú púšte, stepi, hory alebo doplnok existujúcich elektrámí.Plávajúca plošina môže byť upútaná pod vodou a Výkyvné rameno lineárneho mechanizmu spojene s bójkami na hladine mora tak vytvára hybridný vstup z energie morských vĺn v kombinácii s vetemým vstupom. Frekvencia kmitov udávajú vlny, ktorých zdúvanie je sprevodované na rotačný pohyb cez voľnobežky do vyšších otáčok, nežje frekvencia vĺn a ojnica lineámeho vratného člena kmitá s vetemým kolektorom.Prehľad obrázkov na výkreseNa obrázku je bočný pohľad na schému systému obsahujúcu všetky hlavné prvky systému pre všetky varianty vyhotovenia.Vyhotovenie hybridnej hlbokovodnej vetemo-solárnej elektráme. Elektráreň je postavená na plávajúcej plošine 13, kde sa centrálne koncentruje pneumatická energia pneumatíckých akumulátorov Q do súčtovéhc výkonu rádovo 100 MW pre ekonomický transport vysokonapäťovćho elektrického vedenia dnom mora na pevninu alebo je stlačený vzduch transportovaný dnom mora s tlakom zhodným s tlakom vody ľahkým potrubím na pobrežie do hybridnej vzduchovo-tepelnej elektrárne Q, pričom zdroj tepla je volený podľa lokálnych dispozícií (slnko, biomasa, plyn a pod.). Tlakový vzduch produkuje pole vetemých kolektorov zložených z aerodynamických rotorov 1 spojených ľahkými uhlíkovými profilmi g a zavesenými pod dvoma aerostatmi i vedľa seba umiestnenými pomocou laniek ą, ktoré sú pružné.Aerodynamické rotory l majú analógovo ovládané uhly nastavenia listov a ich osky sú dolnými lanami Q prichytené do uzla spojenia s ťažným lanom Q, ktoré prenáša axiálne kmity do lineámeho mechanizmu 7,ktorý má funkciu kompresora. Piestnica je tlačená a ťahaná výkyvným ramenom. Tlačenie piestu spôsobuje ťah ťažnćho lana Q celým vetemým kolektorom s kladným uhlom nastavenia listov aerodynamických rotorov 1 V smere vetra. Vratný pohyb konajú vratné prvky ako pružina a pomocná zotrvačná kľuka, pričom sa prekonáva odpor listov so zapomým uhlom nastavenia. Vztlaková sila je nižšia, ale obvodová zložka roztáča aerodynamické rotory l do vyššej zotrvačnosti a vyššej obvodovej rýchlosti a je vyššia než v opačnom výkmite. Energia zotrvačnosti získaná protipohybom vyplýva z exponenciálneho nárastu vztlaku na list V zložke do nárastu obvodovej rýchlosti. Celkové využitie kinetickej energie prierezu obtekajúceho vzduchu vyplýva zo spomalenía prierezu, ktoré je intenzívnejšie a indukčne s väčším priemerom než axiálne statickej vrtule. Tým narastá účinnosť využitia kinetickej energie vetra na prierez vetemého kolektora. Významnejší je však vysoký špecifický výkon vetemého poľa na kmz, čo vyplýva z využívanej výšky jednotiek, resp. jednotkového charakteristického rozmeru. Pri výške 250 m aerodynamického ťažiska plochy vetemého kolektora je možné vo vhodnej vetemej lokalite dosiahnuť 25 MW na 1 kmz alebo 40 kmz na 1000 MW. V snahe využiť nižšie priememé rýchlosti vetra a zvýšiť koeficient spôsobilosti možno uvažovať o hodnote 10 MW na 1 km pri zvýšenej plošnosti a znížení hmotnosti. Keďže malorozmerné aerodynamické rotory 1 priemeru 3 m sú v súčte integrovanej plochy 30-krát ľahšie ako veľkorozmemý rotor priemeru 90 m so stožiarom, nárast špecifického výkonu aj jednotkových výkonov je pri súčasnej významnej redukcii hmotnosti a materiálových nákladov, takže celá vetemá farma včítane protitlakových pneumatíckých akumulátorov 12 s výkonom l 000 MW na ploche mora 100 kmz bude dodávať energiu izotermickým stlačovaním vzduchu a sekundáme takmer plynule zo zásobníkov o výkone takmer 500 MW. Primámy koeficient spôsobilosti samotných vetemých kolektorov sa zvyšuje na 45 termickými vzostupnými prúdmi zo slnka a pomocou slnečných absorpčných plôch g. Koeficient spôsobilosti akumulačnej dodávky bude asi 60 , zvyšok z iných lokalít v jednotnej sieti kontinentu s uplatnením vysokovoltovej modernizácie.Výrobná cena 1 MWh vyplynie z nákladov na l inštalovaný MW systému (tis. E)Ultraľahký kolektor 10 ooo m 2 aerostaty g zoo Plošina a absorpčné plochy 200 Lineáme mechanizmy 1 200 Pneumatický akumulátor Q a pneumatické rozvody tenkostenné protitlakové 500 Elektropneumatický agregát g g 500 Spolu l 600Pri 5000 hodinách práce výstupu s priamou a akumulačnou výrobou ročne pri IO-ročnej návratnosti je výrobná cena 1 kWh podielom sumy 1600000 6 a 50000 hodín plus ostatne náklady (rezerva, opravy, mzdy,doprava, montáž) čo predstavuje súčet 32 6 8 G, čiže 40 6 na MWh.Dopravné a stavebné náklady sú nízke vzhľadom na nízku hmotnosť celého systému a predvýrobu vo výrobnom závode.Na základe uvedenej základnej technickej a ekonomickej úvahy vyplýva možnosť riešiť nárast energetických kapacít vo svete hybrídnýmí systémami prevažne z obnoviteľných zdrojov. Opísané vyhotovenie navrhnutého technického riešenia spĺňa bezo zvyšku všetky atribúty potrebné na neobmedzený rozvoj energetiky navrhnutým systémom (dostatočnosť kapacít, obnoviteľnosť, plynulosť dodávok, príp. špičkovosť, efektivita, ekonomickosť, čistota).Ostatné varianty vyhotovenia sú obdobné ako uvedený variant a z dôvodu ľahkej dopraviteľnosti a osa 10denia sú umiestniteľné kdekoľvek inde ako napr. na hrebeňoch hôr, v púšťach, stepiach alebo nad existujúcimi tepelnými elektrárňami s využitím termiky vzostupných prúdov z odpadového tepla. Pneumatické akumulátory 12 uplatnené inde než na dne mora bez protitlaku môžu byť modifikované napr. v pozemných dutinách po šachtách a pod.Hybridné vyhotovenie kombinované s tepelnou elektrárňou využíva izotermicky stlačený a akumulovaný studený vzduch, takže tepelný vstup môže byť ako nízkoteplotný, tak aj vysokoteplotný podľa umiestnenia systému a dispozičných zdrojov.Jedným z variantov je použitie alcumulovaného trecieho tepla z lineámeho trenia dosiek vratne lqnitajúcich od lineámeho mechanizmu Z. Akumulované trecie teplo je uplatniteľné tiež v teplárenstve ako nenákladný a akumulovateľný zdroj tepla pre centrálne aj lokálne tepelné zdroje. Na rozdiel od solárnych doplnkových systémov má najvyšší koeficient spôsobilosti v jesermom a zimnom období. Tepelné zdroje tým ušetria plyn, elektrickú energiu alebo iné problematické palivo spaľované najmä v menších a lokálnych spaľovniach s dôsledkami na prostredie.Kombinácia veterného systému s tepelným cyklom na využitie teplej oceánskej vody zvyšuje účinnosť obidvoch systémov proti sebe účinkom vyššieho teplotného rozdielu privodom prehriatej vody spod vetemého systému, zatiaľ čo prebytok hlbinnej chladiacej vody celkovo ochladzuje hladinu, znižuje riziká hurikánov a zvýrazňuje tepelné prúdenie v smere na pobrežie a výkon vetemých fariem.1. Systém zberu a prenosu vetemej energie, ktorý využíva multirotorové systémy na zachytávanie vzdušných horizontálnych a vertikálnych prúdov a na svoje výškové umiestnenie používa aerostat, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že množina aerodynamických rotorov s meniteľným uhlom nastavenia listov podľa smeru axiálneho pohybu je zavesená pod aspoň jedným aerodynamicky tvarovaným aerostatom lankami(3) a zdola je prichytená do jedného uzla dolnými lankami (5) na nehybné časti osi, ktoré sú navzájom prepojené profilmi (2) hlavného rámu - vetemého kolektora multirotorového systému, pričom dolné lanká (5) sú v jednom uzle spojené s ťažným lanom (6), ktoré je prichytené na lineárny mechanizmus (7) pre vratné kmity a zber vibračnej energie.2. Systém zberu a prenosu vetemej energie podľa nároku l, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že lineárny mechanizmus (7 ) je pneumatický kompresný valec na vzduch alebo hydrauliku s piestom a piestnicou napojenou na Výkyvné rameno (9) spojené s ťažným lanom (6) a vratným členom (8) V podobe kľuky, pružiny alebo iného lineámeho vratného mechanizmu, ktorý akumuluje ťažnú silu zotn/ačne alebo silovým potenciálom.3. Systém zberu a prenosu vetemej energie podľa nároku l a 2, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že lineámy mechanizmus (7) vo funkcii kompresora je pneumatický prepojený s pneumatickým akumulátorom(12), ktorý je umiestnený v tlakovom vodnom prostredí, ako je dno mora, jazera alebo oceána, a pred aspoň pneumatický napájanou elektrárňou (13) s možnými ďalšími energetickými vstupmi vo forme tepelnej energie z palív, slnka, z fresnelových kolektorov alebo povrchovej teplej morskej vody, pričom v tomto pripade je lineámy mechanizmus (7) vo forme kompresora umiestnený na plošine (l l) kotvenej lanami (10).4. Systém zberu a prenosu vetemej energie podľa nároku l, 2 a 3, v y z n a č u j ú c i s a t ý m ,že plošina (l l)je umiestnená pod vodou alebo na dne bez hydrostatického vztlaku pri priamom ukotvení.5. Systém zberu a prenosu veternej energie podľa nároku l, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že v okolí plošiny (l l) sú zdroje termiky, ako sú slnečné absorpčné plochy (14), tepelná elektráreň (13) alebo umelý iniciačný zdroj vertikálneho teplého prúdu, prípadne návetemé ajužné sklony terénu.6. Systém zberu a prenosu energie podľa nárokov 1, 2, 3, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že elektráreň (13) je tepelná hybridná a okrem napojenia na pneumatický zdroj z pneumatického akumulátora (12) obsahuje tepelný cyklus, ktorý je napájaný aspoň tepelnou energiou z hladiny vody alebo nepriamo zo slnečných absorpčných plôch (14), pričom chladenie cyklu je hĺbkovou studenou vodou, ktorá je v kontakte s pneumatickým akumulátorom (12) a prúdom vzduchu v tvare vznosných bubliniek z akumulovanej tlakovej energie, prevažne z vetra.7. Systém zberu a prenosu vetemej energie podľa nárokov l a 2, v y z n a č u j ú c i s a t ý m , že lineámy mechanizmus (7) je zvislými ťahadlami spojený s bójami na hladine mora alebo oceána, pričom plávajúca plošina (ll) je upútaná pod hladinou aspoň spodnou časťou lineámeho mechanizmu (7) v mieste vratného člena (8), ktorý má rotačnú časť spojenú so zvislými ťahadlami bóji, a spolu tvoria prevod lineámeho zdvihu na rotačný do rýchla pomocou voľnobežky.