專利名稱：絕熱的壓縮空氣能量儲存器系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓縮空氣能量儲存器(CAES)系統(tǒng)的領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及絕熱的CAES (ACAES)系統(tǒng)的能量平衡。
背景技術(shù)：
CAES系統(tǒng)能夠用于儲存大量的能量。在運行的“填充”階段期間，當電力需求低時，例如在夜間，在可用的在線發(fā)電能力超過需求時，空氣使用電動泵或壓縮機被壓縮到高壓并且儲存到一個或多個大的腔室或空腔中。在CAES系統(tǒng)運行的“釋放”階段期間，在存在電力需求有超過電網(wǎng)供給能力的危險的期間，所述儲存的壓縮空氣用于驅(qū)動被連接到發(fā)電機的渦輪機，藉此將電能供給到實用電網(wǎng)。這種應用的一個非常相關(guān)的實例出現(xiàn)在使用可更新的能源(例如風和太陽能)發(fā)電的領(lǐng)域中，其中，缺少在它們工作時儲存它們的能量并且在它們不工作或產(chǎn)生低功率水平時釋放的裝置，不可能保證使用這些資源發(fā)電保持持·續(xù)時間的穩(wěn)定水平。在用于所述實用電網(wǎng)的發(fā)電的背景下，所述實用電網(wǎng)必須滿足在日常循環(huán)中電力需求的峰值要求，這種缺少穩(wěn)定性和可預測性使可更新能源發(fā)電系統(tǒng)與全化石燃料和核燃料的電站相比處于極其不利的境地。CAES系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)的實例，參見例如美國專利No. 4，100, 745; 3, 985，493; 3, 988，897。如上所述，CAES系統(tǒng)提供一種提供這種能量儲存的裝置?，F(xiàn)在已知兩種形式的CAES :非絕熱的和絕熱的。第一代CAES系統(tǒng)是非絕熱的(DCAES)，包括使用例如天燃氣的燃料與壓縮的空氣混合和燃料以在較高效率運轉(zhuǎn)所述渦輪機。另一方面，絕熱的CAES(ACAES)系統(tǒng)儲存作為所述空氣的初始壓縮結(jié)果產(chǎn)生的熱能到分離的熱能儲存器中。然后這個熱能后來用于在釋放的空氣流過所述渦輪機以前升高它的溫度，能夠使所述渦輪機在較高水平的效率下運行(參見例如美國專利NO. 3，677，088和4，147，204)。因此，不像DCAES系統(tǒng)，ACAES系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計成不需要燃料增加。在ACAES系統(tǒng)中壓縮使空氣加熱到高溫，并且通過提取和儲存壓縮熱的熱能，熱能儲存單元(TES)用于冷卻這個被壓縮的空氣。絕熱壓縮給定體積的空氣例如從I到100巴將使空氣從25°C升溫到約837°C，這出現(xiàn)了問題。然而，能夠承受這種高出口溫度的壓縮機在商業(yè)上是不可得到的或者在成本適宜的價格方面是不可得到的。因此，使用商業(yè)上可得到的壓縮機，所述壓縮使用多級中間冷卻的軸向和徑向式壓縮機來執(zhí)行以降低最大釋放溫度。然而，這個裝置導致的缺陷是例如因存在換熱器和附加熱能儲存單元而增加了基本費用；因多級壓縮和膨脹而增加了壓力損失；增加了系統(tǒng)的復雜度；和因受限的額定功率而限制所述系統(tǒng)的能量密度。而且，在高壓低溫時，根據(jù)環(huán)境條件，所述空氣中的濕氣可能在(每個)熱能儲存單元中凝結(jié)。這個凝結(jié)導致因而發(fā)生所述TES被冷卻和它的熱能的一部分被損失
發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一方面中，本發(fā)明提出一種絕熱的壓縮空氣能量儲存器(ACAES)系統(tǒng)，包括壓縮空氣儲存器；空氣壓縮裝置，其用壓縮空氣填充所述壓縮空氣儲存器；熱能儲存器(TES);渦輪機裝置，其用于在從所述壓縮空氣儲存器釋放壓縮空氣期間從所述壓縮空氣提取有用功；以及能量平衡裝置，其用于矯正在所述TES和在一旦從所述壓縮空氣儲存器釋放給定體積的壓縮空氣將所述給定體積的壓縮空氣的溫度升高到希望的溫度所需要的熱能需要量之間的能量不平衡； 所述能量平衡裝置包括能量輸入裝置，所述能量輸入裝置選擇性地運行以在所述給定體積的壓縮空氣從所述TES接收熱能之后并且在它通過所述渦輪機裝置膨脹之前供給附加熱能到所述給定體積的壓縮空氣，所述附加熱能從所述ACAES系統(tǒng)外部的源供給，在所述給定體積的壓縮空氣已經(jīng)從TES接收熱能之后添加到所述給定體積的壓縮空氣的熱能的量小于從所述給定體積的壓縮空氣通過所述渦輪機裝置獲得的有用功的量。所述熱能輸入裝置可以布置成將熱能直接添加到所述壓縮空氣。例如，所述熱能輸入裝置可以包括下述中的至少ー種(a)燃燒器，它可運行以燃燒在所述壓縮空氣流中的燃料；(b)電加熱元件，它位于所述壓縮空氣流中；(c)太陽能源，當所述壓縮空氣流過封閉地密封的太陽能接收器時，所述太陽能源輸入熱能到所述壓縮空氣流。替代地，所述熱能輸入裝置可以布置成將熱能經(jīng)換熱裝置添加到所述壓縮空氣。例如，中間換熱介質(zhì)，例如水或熔鹽，可以循環(huán)通過從所述熱能輸入裝置接收熱的換熱器的第一側(cè)，然后循環(huán)通過將所述熱量給予所述壓縮空氣的換熱器的第二側(cè)。在這種情況下，所述能量輸入裝置可以包括下述中的至少ー種(a)燃燒器，它可運行以燃燒所述ACAES系統(tǒng)的增壓部分外部的燃料并且輸入所述燃燒熱到所述中間換熱介質(zhì)；(b)電加熱元件，它布置成將熱量輸入到所述中間換熱介質(zhì)；(c)太陽能源，它輸入熱能到封閉地密封的太陽能接收器，所述太陽能接收器輸入熱量到所述中間換熱介質(zhì)并且用作所述換熱器的第一側(cè)；(d)地熱能源，它布置成將熱量輸入到所述中間換熱介質(zhì)。反直覺的是，已經(jīng)設(shè)計出ACAES系統(tǒng)以便消除所述將熱能添加到所述從所述空腔釋放的壓縮空氣的需求，燃燒燃料的再次引入或使用其他外部能量能夠提議作為對ACAES系統(tǒng)的改善。然而，在這里解釋這種改善怎樣能夠通過明智的熱能輸入以輔助ACAES系統(tǒng)恢復熱能平衡的。值得注意的是，在所述釋放的壓縮空氣已經(jīng)在所述熱儲存器中被加熱后，所述燃燒器或其他熱源在更高溫度提供熱量，因而降低炯損。所述系統(tǒng)能量定義為在將所述系統(tǒng)達到蓄熱器平衡的處理過程中可能的最大有用功。在所述ACAES系統(tǒng)中，引起上述能量不平衡的可能原因可以是下述中的一個或多個a)從ACAES系統(tǒng)的TES的熱能損失，例如通過其內(nèi)水蒸氣的凝結(jié)；b)在所述壓縮空氣壓縮后，熱能不充分地傳遞到所述TES ；c)因為壓縮空氣從壓縮空氣儲存器泄漏，來自所述壓縮空氣儲存器的壓縮空氣的損失；d)由于其內(nèi)的水蒸氣凝結(jié)，在所述壓縮空氣儲存器中的壓縮空氣的質(zhì)量損失。
已經(jīng)考慮所述ACAES系統(tǒng)可以還包括用于平衡所述ACAES系統(tǒng)的熱儲存器和空氣儲存部件之間的能量的輔助裝置，例如下述中的一個或多個用于在所述壓縮空氣儲存器的填充過程中暫時中斷所述TES中熱能儲存的裝置；用于在從所述壓縮空氣儲存器釋放空氣過程中節(jié)流壓縮空氣輸入到所述TES的裝置；以及用于從所述壓縮空氣儲存器排放壓縮空氣代替通過所述TES釋放所述壓縮空氣的裝置。在第二方面中，本發(fā)明提出一種用于矯正在一個絕熱的壓縮空氣能量儲存器(ACAES)系統(tǒng)的熱能儲存器(TES)與在所述空氣已經(jīng)從所述ACAES系統(tǒng)的壓縮空氣儲存器釋放后將給定體積的壓縮的溫度升高到希望的溫度所需要的熱能的需求水平之間的能量不平衡的方法，所述方法的步驟包括在所述給定體積的空氣已經(jīng)從所述TES接收熱能之后 且在通過所述ACAES系統(tǒng)的渦輪機裝置膨脹之前選擇性地將附加熱能供給到所述給定體積的壓縮空氣，所述附加熱能從所述ACAES系統(tǒng)外部的源供給，在所述給定體積的壓縮空氣已經(jīng)從所述TES接收熱能之后添加到所述給定體積的壓縮空氣的熱能的量小于從所述給定體積的壓縮空氣通過所述渦輪機裝置獲得的有用功的量。通過研討下面的描述和所附的權(quán)利要求書將使本發(fā)明的其他方面變得顯而易見。


下面將參考附圖描述優(yōu)選實施例，其中圖I以示意性略圖的形式顯示當前非絕熱的壓縮空氣儲存器系統(tǒng)；圖2以示意性略圖的形式顯示當前絕熱的壓縮空氣儲存器系統(tǒng)；以及圖3以示意性略圖的形式顯示改進的絕熱的壓縮空氣儲存器系統(tǒng)。
具體實施例方式在絕熱的壓縮空氣能量儲存器(ACAES)系統(tǒng)中，因為各種原因，即使與儲存在所述熱能儲存器(TES)中的熱能相結(jié)合，儲存在所述空腔中的空氣的勢能可能不足以驅(qū)動渦輪機以高效率發(fā)電。為了克服這個問題，或者至少改善這個問題，本發(fā)明提出一種改進的ACAES系統(tǒng)，它包括選擇地運行以平衡儲存在所述TES中的熱能與加熱給定體積的壓縮空氣到希望的且優(yōu)選的最佳溫度以驅(qū)動渦輪機從而例如發(fā)電的能量需求的裝置。在優(yōu)選實施例中，所述ACAES系統(tǒng)包括用于提高被儲存在所述ACAES系統(tǒng)的熱能儲存單元(TES )中的熱能水平的加熱裝置。各種這樣的裝置被考慮，并且除其他裝置外，包括燃燒器，例如氣體燃燒器或固體燃料燃燒器，電阻加熱器、地熱能或太陽能。而且，可能便利的是提供可在所述循環(huán)的填充部分過程中運行的裝置以控制從所述壓縮空氣傳遞到所述TES的熱能的量；例如通過選擇性地使所述空氣旁通(by-pass)所述TES。替代地或附加地，可提供在所述循環(huán)的釋放部分可運行的裝置以便選擇性地控制從所述TES傳遞到所述壓縮空氣的熱能的量，例如通過節(jié)流流過所述TES的流速，或通過從所述空腔排放過量的空氣。參照圖I和2，下面的描述闡明當前非絕熱的和絕熱的CAES系統(tǒng)的特征和操作。然后，接下來的描述參照圖3，討論本方面的改進和它的特征與操作是怎樣基于當前系統(tǒng)獲得有利的效果的。參照圖1，簡單類型的DCAES系統(tǒng)1包括壓縮機2和貯存器6，其中，壓縮機2可操作地壓縮空氣3的輸入流，所述壓縮空氣直接通過單向閥VI進入貯存器6并且保留在貯存器6中，貯存器6包括壓カ密封容器，例如適當?shù)剡m配的空腔。壓縮機2通過驅(qū)動軸9a利用驅(qū)動裝置驅(qū)動，所述驅(qū)動裝置例如是電動機，如馬達/發(fā)電機4。所述馬達從例如實用電網(wǎng)或可更新能源發(fā)電站(如風力農(nóng)場)供給電能。所述空氣的壓縮增加它的熱能和勢能。在DCAES系統(tǒng)中，所述增加的熱能從所述壓縮空氣使用熱傳遞裝置提取，例如中間冷卻器5a和/或后壓縮換熱器5b，但是所述提取的熱量不能被儲存。所述空氣一旦被壓縮和冷卻，在降低的溫度下傳遞到空腔6中。儲存在DCAES系統(tǒng)中的能量因此主要只有所述空氣的勢能(壓力)。當希望所述勢能轉(zhuǎn)換成有用功，例如用于發(fā)電時，空腔6中希望部分的壓縮體積的空氣通過閥門V2釋放并且輸送到渦輪機8。為了發(fā)電，渦輪機8通過驅(qū)動軸9b機械聯(lián)接發(fā)電機，在這種情況下是馬達/發(fā)電機4，也可操作地驅(qū)動壓縮機2。
渦輪機8將儲存在壓縮空氣中的勢能轉(zhuǎn)換成輸入驅(qū)動軸9b中的カ矩。渦輪機8的效率隨著輸入溫度的增加而升高，并且因此有利的是，所述壓縮空氣被加熱到優(yōu)選的最佳溫度以使所述渦輪機的效率最高。所述壓縮空氣的溫度利用加熱裝置7，例如氣體燃燒器供給。所述熱量傳遞到所述壓縮空氣以藉此升高它的溫度和提高所述渦輪機的效率。DCAES系統(tǒng)1因此內(nèi)在地需要附加能量輸入的“制造費用”以便將它儲存的勢能有效地轉(zhuǎn)換成有用功。如果從用來壓縮所述空氣的總功率與在發(fā)電機4產(chǎn)生的總功率相比的角度考慮，這個制造費用增加了成本并且降低了整個系統(tǒng)的效率。圖2顯示簡單的ACAES系統(tǒng)11，它用于減輕上述缺陷，其中，壓縮機12利用馬達14經(jīng)驅(qū)動軸15驅(qū)動以壓縮輸入空氣3。壓縮空氣13然后流過熱能儲存器(TES)20內(nèi)的熱能儲存材料中的換熱通道。TES20中的熱儲存材料包括固體或液體材料，例如除其他材料夕卜(amongst others)包括石頭、水泥和熔鹽。對于在600°C區(qū)域中的高空氣流溫度,熔鹽是TES材料的優(yōu)選材料。圖2的ACAES系統(tǒng)11還包括形式為裝配有中間冷卻器16的壓縮機23的第二級壓縮。壓縮機23用與壓縮機12相同的軸15驅(qū)動，并且還壓縮來自壓縮機12的空氣以在TES20冷卻所述空氣后達到儲存器所需要的壓力。而且，由于中間冷卻器16的動作，所述進一歩被壓縮的空氣在壓縮機23的出口也處于儲存器所需要的溫度，并允許通過單向閥VI進入到空腔16中。當需要將所述儲存的空氣的勢能轉(zhuǎn)換成有用功時，儲存的壓縮空氣24從空腔16通過閥門V2釋放。然而，代替燃燒燃料，ACAES系統(tǒng)11使用儲存在TES20中的熱能升高流過它的內(nèi)部通道的壓縮空氣24的溫度。然后，再次加熱的壓縮空氣26通過渦輪機18膨脹以在發(fā)電機21中發(fā)電，發(fā)電機21通過軸22受到渦輪機18的驅(qū)動。因而，在這種情況下，不需要附加燃料或其他能源輔助空腔16中的壓縮空氣發(fā)電。然而，這種ACAES系統(tǒng)11易于損失來自所述系統(tǒng)的能量，例如通過因不完善的絕緣而損失來自TES20的熱能，或者通過從空腔16逸出一部分壓縮空氣，或者因為所述壓縮空氣的水蒸氣凝結(jié)在所述空腔的壁上。這些損失引起在TES20中可用熱能的量和使空腔16中壓縮空氣達到需要的溫度以在希望的效率水平下通過發(fā)電渦輪機18所需要的能量的量之間產(chǎn)生不平衡。
圖3顯示改進的ACAES50系統(tǒng)，它包括用于克服或至少減輕這個問題的裝置。根據(jù)優(yōu)選實施例，ACAES系統(tǒng)50提供第一壓縮機52，第一壓縮機52可以運行以壓縮空氣3的輸入流到例如30至35巴的壓力。在這個壓縮過程中，所述空氣升高到大約550-600°C的溫度。這個第一壓縮機52軸向式壓縮機或徑向式壓縮機，但是為了實現(xiàn)最大壓縮和溫度性能，壓縮機52優(yōu)選是耐用的軸向式壓縮機，所述耐用的軸向式壓縮機源于發(fā)電站所用類型的重型氣體渦輪機的壓縮機，例如ALSTOM GT26，因此具有在高溫、壓力下長期運行的能力。優(yōu)選地，所述壓縮機利用馬達14經(jīng)驅(qū)動軸15驅(qū)動。馬達14可以是能夠運行以在驅(qū)動軸15中產(chǎn)生力矩的使任意形式的馬達，但優(yōu)選是電動機。熱壓縮空氣13從第一壓縮機52的出口流過TES60，在這里儲存所述壓縮熱，如同已經(jīng)聯(lián)系圖2所描述的。 有時可能發(fā)生在ACAES50的填充和釋放循環(huán)過程中，與空腔62中儲存的空氣的能量相比，TES60可以積累過量的熱能。在所述循環(huán)的填充部分過程中通過選擇地使用TES60的旁通管路59，藉此暫時中斷熱能儲存，這能夠便利地進行處理。在到達進行第二級壓縮的第二壓縮機54之前，在TES60的出口設(shè)置例如溫度控制裝置53。這個溫度控制裝置53可運行以調(diào)整進入到第二壓縮機的入口溫度到可變的最佳溫度，能夠使所述第二壓縮機在希望的溫度下輸送壓縮空氣到空腔62。這個希望的溫度能夠是從20°C到150°C的范圍內(nèi)，并且取決于所述空腔中的壓力、以及環(huán)境空氣溫度和工作條件(額定或部分負荷)。優(yōu)選地，利用這個溫度控制裝置53從所述壓縮空氣提取的任意熱能例如用熱泵61傳遞到TES60中，在圖中以虛線示意性地顯示。一旦達到第二壓縮機54的適當?shù)娜肟跍囟?，所述壓縮空氣進入第二壓縮機54以進行另一級壓縮。第二壓縮機54在結(jié)構(gòu)上可以不同于第一壓縮機52。例如，可以設(shè)想所述第二壓縮機可以是化學或石油天燃氣工業(yè)在商業(yè)上可得到的類型的徑向式或軸向式壓縮機，目的是實現(xiàn)適于輸入到所述空腔的預定輸出壓力和溫度，但也與所述壓縮機的長期工作能力相兼容，第二壓縮機54或者用驅(qū)動軸15由馬達14驅(qū)動，或者替代地，由第二、分離的發(fā)動機和驅(qū)動軸(未顯示)驅(qū)動?！┧鰤嚎s空氣由第二壓縮機壓縮到優(yōu)選60到80巴的壓力，所述壓縮空氣然后流過第二溫度控制裝置，例如中間冷卻器55，或者其他形式的換熱器。通過這個中間冷卻器55的運行，所述壓縮空氣的溫度被調(diào)整到儲存到空腔62所需要的溫度。優(yōu)選地，利用中間冷卻器55從所述壓縮空氣提取的任意熱能利用例如熱泵61傳遞到TES60。所述壓縮空氣通過單向閥Vl進入空腔62，并且儲存根據(jù)所述實用電網(wǎng)的要求水平確定的一段時間?？涨?2通常是地下空間，例如適當?shù)剡m配的石灰石洞穴、廢棄的礦井或鹽洞?？商娲兀軌蚴抢绺邏簹庀涞娜萜?，或者例如配置在湖泊或海洋中水下的塑料容器的壓力容器。當希望儲存在空腔62中的壓力空氣的一部分能量和TES60中的熱能轉(zhuǎn)變成有用功，例如發(fā)電時，空腔62的出口閥門V2打開以從中釋放一部分壓縮空氣64流過TES60。儲存在TES60中的熱能將所述壓縮空氣加熱到優(yōu)選盡可能接近理想運行溫度的溫度，在理想運行溫度時，渦輪機58的效率達到最大。如上所述，儲存在TES60中的熱能損失，或者空腔62中的空氣的勢能損失可能導致在TES60中可得到的熱能與充分加熱從空腔62釋放的所有空氣到需要溫度所需要的熱能的需要量之間出現(xiàn)不平衡。校正因TES中不能充分得到熱能的簡陋方法將是從所述空腔中排放部分空氣。例如，如果與保持在TES60中的熱能相比所述儲存的空氣的勢能過量10%，通過在所述填充階段將已經(jīng)注射到空腔62中的空氣排放10%能夠?qū)Υ诉M行校正。假設(shè)ACAES系統(tǒng)能夠儲存1. 5Gffh,空氣損失10%對應大約10%的能量損失，即150MWh。讀者應理解例如減小空腔62中的空氣質(zhì)量，由它的水分的凝結(jié)或者TES60中的溫度分布的去層理作用產(chǎn)生的，這些問題也可以包括ACAES系統(tǒng)50的效率。如果在ACAES系統(tǒng)50運行過程中，在TES60中可得到的熱能與在給定體積的壓縮空氣已經(jīng)從壓縮儲存器釋放后將所述給定體積的壓縮空氣的溫度升高到希望的溫度所需要的熱能需要量之間出現(xiàn)不平衡，本發(fā)明提出通過提供包括熱能輸入裝置的能量平衡裝置以便除TES60給予所述能量外選擇性地給予有限的熱能到所述壓縮空氣，至少部分地恢復ACAES系統(tǒng)50的能量平衡。 所述ACAES系統(tǒng)可以通過用于從空腔62排放一部分所述壓縮空氣的裝置和/或用于在所述壓縮空氣進入渦輪機58以前節(jié)流所述壓縮空氣的裝置進ー步補充。所述用于排放一部分所述壓縮空氣的裝置可以包括開關(guān)閥63，所述用于節(jié)流所述壓縮空氣的裝置可以包括降壓閥65。上述熱能輸入裝置是熱源，尤其是燃燒器，例如氣體燃燒器56，它設(shè)置在TES60和渦輪機58之間。燃燒器56可運行以燃燒氣體燃料，例如天燃氣，從而在所述壓縮空氣離開TES60以后將熱能添加到所述壓縮空氣。已經(jīng)考慮燃燒器56能夠在ACAES系統(tǒng)50的增壓回路外側(cè)運行，并且因此能夠在大氣壓下運行。所述燃燒器將輸入熱量到循環(huán)通過換熱器(未顯示)的第一側(cè)的中間換熱介質(zhì)。所述換熱介質(zhì)將循環(huán)到所述換熱器的第二側(cè)，所述換熱器的第二側(cè)布置成將燃燒熱量給予所述壓縮空氣流。來自這個燃燒器的熱能藉此將經(jīng)由換熱器在所述空氣進入渦輪機58的入口之前的點上傳遞到ACAES系統(tǒng)50內(nèi)側(cè)的壓縮空氣。替代地，燃燒器56可以被增壓并且配置在所述壓縮空氣流通過的溝道中，以便將燃料直接輸送到空氣流中。然而，這個實施例需要燃燒控制単元(如本領(lǐng)域技術(shù)人員所已知的)，所述燃燒控制單元能夠適應已知的燃燒過程參數(shù)(例如燃料/空氣比和后燃燒稀釋)以便克服空氣流的壓カ隨時間的變化，否則將有害地影響來自所述燃燒過程的排氣。這種控制單元還將感測所述系統(tǒng)中的溫度，如下面所描述的，并且適當?shù)貕埣踊驕p少燃料燃燒。雖然所述熱能輸入裝置在上面指定為燃燒器，所述燃燒器能夠用布置在壓縮空氣流中以直接將熱量輸入到所述壓縮空氣中的電加熱元件或太陽能源替換或補充。替代地，所述燃燒器能夠用布置在所述ACAES系統(tǒng)的增壓部分外部以將熱量經(jīng)由換熱裝置間接輸入到所述壓縮空氣中的電加熱元件或太陽能源替換或補充。在從太陽能源輸入熱量的情況下，所述熱量輸入能夠用密閉地密封的太陽能接收器提供，所述太陽能接收器將在壓縮空氣通過所述接收器時將熱能直接輸入到壓縮空氣流，或者間接地經(jīng)由所述換熱裝置，通過中間換熱介質(zhì)循環(huán)通過用作所述換熱器第一側(cè)的接收器，將熱能輸入到所述壓縮空氣流。熱量輸入的另一可能熱源可以是地熱熱源。在這種情況下，所述熱輸入到所述壓縮空氣將是間接的，其中所述地熱熱源用于加熱在所述換熱器的第一側(cè)中的中間換熱介質(zhì)。應理解，如上面概述的，添加到所述系統(tǒng)的熱能的量限制到恢復在所述壓縮空氣的儲存的熱能與所述壓縮空氣的儲存的勢能之間的能量平衡所必需的量，因此希望在所述給定體積的壓縮空氣流過TES60之后且在它流過渦輪機58之前添加到所述給定體積的壓縮空氣的熱能的量將顯著小于通過所述渦輪機從所述給定體積的壓縮空氣獲得的有用功的量。在下面的實例中闡明在如圖3所示的系統(tǒng)中使用燃燒器校正能量不平衡的三種情景。對于每種情景，計算在缺少這里所述的改進措施時將要損失的能量并且與所述改進措施的運行所需要的附加熱能相比較。應理解在所有三種情景下，天燃氣的使用代表增加了的運行靈活性運行人可以在分析排放一部分所述壓縮空氣的成本與減小工廠可用性的結(jié)果后選擇排放一部分所述壓縮空氣，或者使用天燃氣。這個選擇可能受到多個因素影響包括燃料成本、CO2排放成本(這里設(shè)想如果CO2排放限值在燃料燃燒的短期內(nèi)是適當?shù)?·，工廠可用性和電力價格。情況I :這種情景在TES60中的熱儲存器使用液體時最可能出現(xiàn)。在開始釋放階段時，空腔62中儲存的空氣的壓力是80巴。TES60的熱液體在不充分的溫度下保證所述空氣渦輪機入口溫度高于充分運行所需要的某要求值。在缺少用于克服熱能虧損的裝置時，所述壓力需要被降低以增加渦輪機58的出口溫度，藉此阻止這個溫度降低到可接受的溫度以下例如10°C。假設(shè)空氣沒有被從所述空腔中排放，而是通過節(jié)流使其壓力降低，所述空氣溫度在渦輪機入口只比最低允許水平低10°C，即TES60的溫度已經(jīng)損失了至少10°C，需要的壓力降低能夠量化為在低于所述需要的溫度下方每攝氏度O. 5巴。(注意在實際運行中，當所述TES —般在530°C運行時，在所述TES中的溫度損失將可能達到40°C )在所述TES中損失10°C的實例中，所述空氣的壓力應在節(jié)流閥65中降低5巴，即從80到75巴。這意味著在所述填充階段，為增加空腔62中的空氣壓力從75巴到80巴所完成的工作將被浪費。這等于在所述壓縮機中大約每公斤空氣125千焦在壓縮機源于ALSTOM GT26氣體渦輪機的情況下，它是大約75MW。另一方面，如果所述空氣的溫度在它到達所述渦輪機的入口時使用附加的天燃氣的燃燒，從500°C增加到510°C，所需要的附加熱能將僅僅是10. 93kJ/kg空氣。因此，更顯著有效地供給這個附加熱能和提高所述空氣的溫度以補償所述損失而不是浪費已經(jīng)儲存在空氣中的勢能。類似地，如果TES60的溫度在所需要的溫度下方50°C(極端情況)，所述相同的分析將給出160kJ/kg空氣的潛在浪費，而矯正所述熱能虧損所需要的熱能將是大約54kJ/kg空氣。情況2 :這個情景在TES60包括固體材料微?；颉奥咽钡奶畛浯矔r更可能出現(xiàn)。在這種情況下，當所述空腔壓力降低時，所述空氣溫度在渦輪機58的入口常常降低。在這種情景下，空腔62將在“η”小時后釋放，并且在“m”小時后，TES60的維持溫度對渦輪機58的有效運行而言太低了。對于所述維持“n-m”小時，所述選擇是或者從所述空腔排放氣體或者向它添加熱能。在第一近似下，很顯然，例如通過燃燒天燃氣添加熱能的收益與排放壓縮空氣相比處于情況I的相同范圍內(nèi)。情況3 :在第三情景下，相對于TES60的熱能，所述壓縮空氣的能量過量10%，也就是說，在TES60用完有用熱能后，在空腔62中將留下10%的空氣。在沒有當前的提議時，這種狀況涉及在所述填充操作中排放已經(jīng)注射到空降62中的10%的空氣。假設(shè)ACAES系統(tǒng)能夠儲存I. 5GWh，損失10%的空氣對應該能量損失大約10%，即150MWh。假設(shè)空腔62具有300000m3的體積和50到80巴的壓力范圍，將要釋放的空氣的總量是大約10*106kg，因而10%是10*105kg，它將要從大約40°C (在所述空腔中)加熱到510°C (渦輪機入口)。這將需要來自天燃氣的大約140MWh (熱能)。因而能量的總體節(jié)約將由在渦輪機入口前燃料天燃氣加熱所述釋放的空氣引起。如上所述，燃燒器56或其他能量輸入裝置，優(yōu)選用控制單元57控制。為了能夠精細地控制所述能量輸入，這種控制単元能夠?qū)觽鞲衅饕源_定在任意給定時間在所述系統(tǒng)中一點或多點的溫度。例如，如附圖標記 \所表示的，傳感器能夠有利地放置在渦輪機58的入口，使得所述控制単元能夠偵測在那里的不充分溫度并且通過燃燒燃料或其他方式升高所述溫度。另ー傳感器TQ可以例如置于渦輪機58的出口，使得渦輪機58的效率能夠通過調(diào)整所述入口溫度進行優(yōu)化。例如，如果所述渦輪機出ロ溫度太低，這意味著所述控制單元將運行以通過增加燃料燃燒器56的熱量輸出來増加渦輪機58的入口溫度。應理解ACAES系統(tǒng)50的上述描述僅涉及優(yōu)選實施例，可以設(shè)想它的各種特征在不偏離所附權(quán)利要求書的保護范圍的情況下可以進行改變。例如，所述壓縮級的確切數(shù)量可以在所述空腔中需要獲得希望的壓カ時或者響應壓縮機的商業(yè)可用性或壓縮機的類型時·進行改換。還可以設(shè)想多TES単元也是可以使用的，一個在每個壓縮級之間，或者TES単元能夠設(shè)置成少于壓縮級的數(shù)量。在這種情況下設(shè)想熱泵可以有利地用來從ー個或多個壓縮級捕獲熱而TES單元不位于該壓縮級的出口，捕獲在該壓縮級的出口的壓縮空氣的熱能，和將它傳遞到所述TES單元中的ー個或多個。本發(fā)明不提倡在ACAES系統(tǒng)運行過程中常規(guī)使用燃料燃燒或其他熱能輸入裝置。這些措施應只是選擇性地、明智地使用，作為在所述系統(tǒng)中存在實質(zhì)能量不平衡時改善儲存的能量浪費的ー種方法，如上面所解釋的那樣。上面的實施例已經(jīng)單純作為實例進行了描述，在所附權(quán)利要求書的保護范圍內(nèi)能夠做出它的改型。因而，所述權(quán)利要求書的寬度和保護范圍不應局限于上述示例性實施例。在說明書中(包括權(quán)利要求書和附圖)公開的每個特征可以用實現(xiàn)相同、等同或類似目的的替代特征替換，除非明確說明。除非在上下文中明確需要，在整個描述和權(quán)利要求書中，措辭“包括”、“包含”等應解釋為與排他的或徹底的意義相對的包括……在內(nèi)；也就是說，從“包括但不限干”的意義上講。
權(quán)利要求
1.一種絕熱的壓縮空氣能量儲存器(ACAES)系統(tǒng)，包括 壓縮空氣儲存器； 用于用壓縮空氣填充所述壓縮空氣儲存器的空氣壓縮裝置； 熱能儲存器(TES)； 用于在所述壓縮空氣從所述壓縮空氣儲存器中釋放過程中從所述壓縮空氣提取有用功的渦輪機裝置；以及 能量平衡裝置，所述能量平衡裝置用于矯正在所述TES和在一旦從所述壓縮空氣儲存器釋放給定體積的壓縮空氣時將所述給定體積的壓縮空氣的溫度升高到希望的溫度所需要的熱能的需要量之間的能量不平衡； 所述能量平衡裝置包括熱能輸入裝置，所述熱能輸入裝置可選擇性地運行以在所述給定體積的壓縮空氣已經(jīng)從所述TES接收熱能之后并且在所述給定體積的壓縮空氣通過所述渦輪機裝置膨脹之前供給附加熱能到所述給定體積的壓縮空氣，所述附加熱能從所述ACAES系統(tǒng)外部源供給，在所述給定體積的壓縮空氣已經(jīng)從所述TES接收熱能之后添加到所述給定體積的壓縮空氣的熱能的量小于從所述給定體積的壓縮空氣通過所述渦輪機裝置得到的有用功的量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于， 所述熱能輸入裝置布置成將熱能直接添加到所述壓縮空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于， 所述熱能輸入裝置布置成將熱能經(jīng)換熱裝置添加到所述壓縮空氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于， 所述熱能輸入裝置包括下述中的至少一個(a)燃燒器，其可運行以燃燒所述壓縮空氣中的燃料；(b)電加熱元件；(c)太陽能源。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于， 所述熱能輸入裝置包括下述中的至少一個(a)燃燒器，其可運行以燃燒所述ACAES系統(tǒng)的增壓部分外部的燃料；(b)電加熱元件；(c)太陽能源；(d)地熱能源。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于， 所述ACAES系統(tǒng)還包括用于在所述壓縮空氣儲存器的填充過程中暫時中斷所述TES中熱能儲存的裝置。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于， 所述ACAES系統(tǒng)還包括用于在空氣從所述壓縮空氣儲存器釋放過程中節(jié)流壓縮空氣輸入到所述TES的裝置。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于， 所述ACAES系統(tǒng)還包括用于從所述壓縮空氣儲存器排放壓縮空氣代替通過所述TES釋放它的裝置。
9.一種矯正在絕熱的壓縮空氣能量儲存器(ACAES)系統(tǒng)的熱能儲存器(TES)與在所述空氣已經(jīng)從所述ACAES系統(tǒng)的壓縮空氣儲存器釋放之后將給定體積的壓縮空氣的溫度升高到希望的溫度所需要的熱能的需要水平之間的能量不平衡的方法，所述方法包括在所述給定體積的壓縮空氣已經(jīng)從所述TES接收熱能之后且在它通過所述ACAES系統(tǒng)的渦輪機裝置膨脹之前選擇地供給附加熱能到所述給定體積的壓縮空氣的步驟，所述附加熱能從所述ACAES系統(tǒng)外部的源供給，在所述給定體積的壓縮空氣已經(jīng)從所述TES接收熱能之后添加到所述給定體積的壓縮空氣的熱能的量小于通過所述渦輪機裝置從所述給定體積的壓縮空氣得到的有用功的量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于， 所述選擇性地供給附加熱能到所述給定體積的壓縮空氣的步驟包括將熱能直接添加到所述壓縮空氣。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于， 所述選擇性地供給附加熱能到所述給定體積的壓縮空氣的步驟包括將附加熱能經(jīng)換熱過程添加到所述壓縮空氣。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于， 通過下述中的至少一種方法添加熱能(a)燃燒所述壓縮空氣中的燃料；(b)電加熱所述壓縮空氣；(C)用太陽能加熱所述壓縮空氣。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于， 通過下述中的至少一種方法添加熱能(a)燃燒所述ACAES系統(tǒng)的增壓部分外部的燃料以加熱中間換熱介質(zhì)；(b)電加熱中間換熱介質(zhì)；(C)太陽能加熱中間換熱介質(zhì)。
14.一種ACAES系統(tǒng)，其基本上如在這里參照圖3所述的和/或如圖3所示的。
15.一種矯正在ACAES系統(tǒng)的熱能儲存器與升高從所述ACAES系統(tǒng)中的儲存器釋放的給定體積的壓縮空氣的溫度所需要的熱能的需要水平之間的不平衡的方法，所述ACAES系統(tǒng)基本上如參照圖3在這里所述的和/或如圖3所示的。
全文摘要
在一種絕熱的壓縮空氣儲存器(ACAES)系統(tǒng)50運行過程中，在所述(ACAES)系統(tǒng)中的熱能儲存器(TES)60與在所述空氣已經(jīng)從所述ACAES系統(tǒng)50的壓縮空氣儲存器62釋放之后將給定體積的壓縮空氣的溫度升高到希望的渦輪機進入溫度Ti所需要的熱能的量之間可能出現(xiàn)不平衡。為至少部分地矯正這種能量不平衡，本發(fā)明提議在所述給定體積的壓縮空氣已經(jīng)從所述TES60接收熱能之后且在它通過渦輪機58膨脹之前選擇性地供給附加熱能到所述給定體積的壓縮空氣。所述附加熱能從所述ACAES系統(tǒng)外部的源供給，例如在燃燒器56中燃燒燃料。在所述給定體積的壓縮空氣已經(jīng)從所述TES接收熱能之后添加到所述給定體積的壓縮空氣的熱能的量遠遠小于通過所述渦輪機58從所述給定體積的壓縮空氣得到的有用功的量。
文檔編號F02C6/16GK102953823SQ20121029249
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月16日
發(fā)明者R·博韋, M·科勒 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司