專(zhuān)利名稱(chēng)：用于絕熱壓縮空氣能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的熱能存儲(chǔ)裝置以及形成此系統(tǒng)的壓縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例總體涉及壓縮空氣能量存儲(chǔ)(CAES)系統(tǒng)，且更具體地，涉及絕熱CAES系統(tǒng)中的熱能存儲(chǔ)(TES)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
CAES系統(tǒng)允許不產(chǎn)生大量的排放物和/或消耗大量的自然資源而存儲(chǔ)電能。CAES系統(tǒng)典型地包括具有一個(gè)或更多壓縮機(jī)的壓縮組。該一個(gè)或更多壓縮機(jī)在壓縮階段中壓縮進(jìn)氣以存儲(chǔ)在洞穴、多孔巖層、廢棄天然氣/油田或其他壓縮空氣存放場(chǎng)中。壓縮空氣則以后在能量發(fā)生階段用于驅(qū)動(dòng)渦輪以產(chǎn)生電能，電能又可提供給公用電網(wǎng)。如果在壓縮階段期間公用電能用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮組，則壓縮組常在公用設(shè)備的非高峰時(shí)間操作。CAES的能量發(fā)生階段又典型地在高功率需求時(shí)間操作。備選地，來(lái)自可再生源的能量，諸如來(lái)自風(fēng)力渦輪機(jī)或太陽(yáng)能電池板陣列的能量，可用于在壓縮階段期間驅(qū)動(dòng)該壓縮組以壓縮空氣并將空氣 輸送至壓縮空氣存儲(chǔ)位置(例如洞穴)。這樣，壓縮組可在非高峰時(shí)間之外的時(shí)間操作，并且可以保存現(xiàn)有的公用電能。一種類(lèi)型的CAES系統(tǒng)已知為非絕熱CAES系統(tǒng)。在非絕熱CAES系統(tǒng)中，由壓縮組產(chǎn)生的熱量典型地?fù)p失至周?chē)h(huán)境。就是說(shuō)，壓縮的熱量可以損失至中間冷卻器中的環(huán)境，而在進(jìn)入洞穴或其他壓縮空氣存放場(chǎng)時(shí)留下的熱量在壓縮空氣與洞穴空氣混合時(shí)減少，并在存儲(chǔ)期間進(jìn)一步冷卻至環(huán)境溫度。因此，當(dāng)存儲(chǔ)在洞穴或壓縮空氣存放場(chǎng)中的壓縮空氣被用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多渦輪以產(chǎn)生電能時(shí)，壓縮空氣典型地在進(jìn)入渦輪前被再加熱。此再加熱步驟典型地使用位于壓縮空氣存放場(chǎng)和該一個(gè)或更多渦輪之間的燃燒天然氣的燃燒器和回流換熱器執(zhí)行。由于此再加熱步驟，非絕熱CAES系統(tǒng)的整體效率降低，并且使用天然氣來(lái)給燃燒器提供燃料導(dǎo)致碳排放和自然資源消耗。絕熱CAES或ACAES系統(tǒng)能夠通過(guò)捕獲并存儲(chǔ)壓縮的熱量用于以后使用而改善系統(tǒng)效率。在此類(lèi)系統(tǒng)中，一個(gè)或更多熱能存儲(chǔ)(TES)單元定位在壓縮機(jī)和洞穴之間。典型地，TES單元在其中包含用于熱量存儲(chǔ)的介質(zhì)，諸如混凝土、巖石、流體(例如油)、熔鹽或相變材料。來(lái)自壓縮階段的熱空氣通過(guò)TES單元，從而在該過(guò)程中將其壓縮熱量傳遞至介質(zhì)。因此，不同于非絕熱CAES系統(tǒng)，ACAES系統(tǒng)不損失由壓縮組產(chǎn)生的全部熱量，而是將熱量的一些存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)TES單元內(nèi)。壓縮空氣然后進(jìn)入處于或接近環(huán)境溫度的洞穴。當(dāng)存儲(chǔ)在洞穴或其他壓縮空氣存儲(chǔ)單元內(nèi)的壓縮空氣要被抽出以驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多渦輪來(lái)產(chǎn)生電能時(shí)，壓縮空氣往回通過(guò)TES單元，從而在進(jìn)入該一個(gè)或更多渦輪之前再加熱該壓縮空氣。這樣，ACAES系統(tǒng)不需要另外的天然氣來(lái)再加熱離開(kāi)洞穴或其他壓縮空氣存放場(chǎng)的壓縮空氣。因此，ACAES系統(tǒng)相對(duì)于非絕熱CAES系統(tǒng)提供了改善的效率，具有較少(如果有的話(huà))的碳排放并且極少甚至沒(méi)有自然資源消耗。構(gòu)造成有效地存儲(chǔ)在壓縮組的壓縮循環(huán)期間生成的熱量的TES單元建造成承受與ACAES系統(tǒng)相關(guān)的高熱量波動(dòng)和高壓力。例如，離開(kāi)壓縮組的壓縮空氣溫度可從250°C到750°C變化，而從洞穴進(jìn)入TES單元的壓縮空氣的溫度接近環(huán)境溫度。同樣，TES單元設(shè)計(jì)成承受65-85巴的壓力。為了承受此類(lèi)高溫和壓力，對(duì)于TES單元的當(dāng)前建議包括建造填充有用于熱量存儲(chǔ)的介質(zhì)的大型混凝土圓柱體。由于它們的大直徑，這些TES單元形成為具有厚的、預(yù)加應(yīng)力的且鋼增強(qiáng)的混凝土壁，其使得TES單元能夠承受壁中由其中的壓力所產(chǎn)生的高張力。然而，此類(lèi)厚混凝土壁的建造導(dǎo)致極大的工程困難和高成本，從而降低了實(shí)施與較低效的非絕熱CAES系統(tǒng)相對(duì)的ACAES系統(tǒng)的可行性。此外，高操作溫度以及溫度循環(huán)導(dǎo)致破壞性的熱應(yīng)力進(jìn)入該混凝土壁，并且這些應(yīng)力隨著混凝土壁變厚而被放大。因此，設(shè)計(jì)克服與TES單元建造相關(guān)的前述缺點(diǎn)的裝置和方法將是期望的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多個(gè)方面提供了用于TES系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法，該TES系統(tǒng)具有配置成承、受高溫和高壓的至少一個(gè)TES單元。該至少一個(gè)TES單元建造并布置成使得該至少一個(gè)TES單元的壁具有最小的厚度。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開(kāi)了一種熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，該熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)包括布置成彼此緊鄰的多個(gè)壓力容器，各壓力容器均具有包括外表面和內(nèi)表面的壁，該內(nèi)表面與該外表面由相應(yīng)的壁厚度隔開(kāi)，并且包圍該壓力容器的內(nèi)部容積。該內(nèi)部容積具有與一個(gè)或更多壓縮機(jī)以及一個(gè)或更多渦輪成流體連通的第一端，以及與一個(gè)或更多附加的壓縮機(jī)、一個(gè)或更多附加的渦輪以及至少一個(gè)壓縮空氣存放場(chǎng)的至少其中一個(gè)成流體連通的第二端。該熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)還包括定位在該多個(gè)壓力容器的每一個(gè)的內(nèi)部容積中的熱存儲(chǔ)介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，公開(kāi)了一種形成熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)的方法，該方法包括形成第一壓力容器和形成第二壓力容器，該第一壓力容器具有建造成具有預(yù)定高度和厚度的壁，其中該第一壓力容器的壁的內(nèi)表面限制其中的內(nèi)部容積，該第二壓力容器建造成具有預(yù)定高度和厚度的壁，其中該第二壓力容器的壁的內(nèi)表面限制其中的內(nèi)部容積。該方法還包括將多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)設(shè)置在第一壓力容器和第二壓力容器的每一個(gè)的內(nèi)部容積內(nèi)，并且將第一壓力容器和第二壓力容器布置成彼此緊鄰。同樣，該方法包括將第一和第二壓力容器的每一個(gè)的第一端連接到一個(gè)或更多壓縮機(jī)上并連接到一個(gè)或更多渦輪上，使得第一和第二壓力容器的每一個(gè)與該一個(gè)或更多壓縮機(jī)以及該一個(gè)或更多渦輪成流體連通，以及將第一和第二容器的第二端連接到一個(gè)或更多附加的壓縮機(jī)、一個(gè)或更多附加的渦輪以及一個(gè)或更多壓縮空氣存放場(chǎng)的至少其中一個(gè)上，使得第一和第二壓力容器的每一個(gè)均與該一個(gè)或更多附加的壓縮機(jī)、該一個(gè)或更多附加的渦輪以及該一個(gè)或更多壓縮空氣存放場(chǎng)的至少其中一個(gè)成流體連通。根據(jù)本發(fā)明的又另一個(gè)方面，公開(kāi)了一種熱能存儲(chǔ)裝置，該熱能存儲(chǔ)裝置包括限制第一內(nèi)部容積的第一混凝土圓柱形壁和限制第二內(nèi)部容積的第二混凝土圓柱形壁，其中該第二混凝土圓柱形壁布置在該第一混凝土圓柱形壁的第一內(nèi)部容積內(nèi)，使得第一混凝土圓柱形壁和第二混凝土圓柱形壁是共軸的。該熱能存儲(chǔ)裝置還包括設(shè)置在第一混凝土圓柱形壁的第一內(nèi)部容積內(nèi)以及第二混凝土圓柱形壁的第二內(nèi)部容積內(nèi)的多孔熱基質(zhì)材料。由以下詳細(xì)描述和圖形將使各種其他特征和優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)。


了當(dāng)前設(shè)想用來(lái)執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式。在附圖中
圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的ACAES系統(tǒng)的示意性布置。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的TES系統(tǒng)的橫截視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的TES系統(tǒng)的橫截視圖。圖4是根據(jù)圖3的實(shí)施例的TES系統(tǒng)的俯視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的TES系統(tǒng)的橫截視圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的放置在洞穴的井道內(nèi)的TES系統(tǒng)的橫截視圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種包括至少一個(gè)TES單元的系統(tǒng)，其配置成允許該至少一個(gè)TES單元承受高壓和高溫波動(dòng)，同時(shí)維持最小的壁厚。首先，參看圖1，顯示了 ACAES系統(tǒng)的主要要素的示意性布置。ACAES系統(tǒng)100包括聯(lián)接到低壓壓縮機(jī)104上的電動(dòng)馬達(dá)102。電動(dòng)馬達(dá)102可經(jīng)由常規(guī)手段即公用電網(wǎng)在非高峰公用時(shí)間期間電力地驅(qū)動(dòng)。備選地，電動(dòng)馬達(dá)102可由經(jīng)由風(fēng)電廠(chǎng)、太陽(yáng)能陣列或其他可再生源提供的電力驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)馬達(dá)102驅(qū)動(dòng)低壓壓縮機(jī)104，使得低壓壓縮機(jī)104給進(jìn)氣106加壓。來(lái)自低壓壓縮機(jī)104的加壓空氣108然后被提供給高壓壓縮機(jī)112，以使空氣能夠經(jīng)受進(jìn)一步壓縮。類(lèi)似于低壓壓縮機(jī)104，高壓壓縮機(jī)112由電動(dòng)馬達(dá)110驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)馬達(dá)110也可通過(guò)公用電網(wǎng)或者通過(guò)諸如風(fēng)電廠(chǎng)和太陽(yáng)能陣列的可再生源驅(qū)動(dòng)。雖然ACAES系統(tǒng)100顯示在“壓縮組”中使用兩個(gè)壓縮機(jī)，但應(yīng)該理解的是可以使用更多或更少的壓縮機(jī)。當(dāng)空氣經(jīng)過(guò)相應(yīng)的低壓壓縮機(jī)104和高壓壓縮機(jī)112時(shí)，空氣被加壓到65 — 85巴的水平并隨后被加熱到高達(dá)650°C的溫度。此加壓、加熱的空氣114然后進(jìn)入至少一個(gè)熱能存儲(chǔ)(TES)單元116。該至少一個(gè)TES單元116典型地包括設(shè)置在其中的多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)，該多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)能夠在空氣通過(guò)該至少一個(gè)TES單元116時(shí)保留由空氣114發(fā)出的大量熱量。多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)可為多種固體材料，諸如天然巖石(例如片裂巖和/或卵石)、陶瓷、混凝土、鑄鐵或陶瓷和鹽的組合物。備選地，該多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)可為液體材料，諸如硝酸鹽和礦物油的組合物。然而，使用諸如片裂巖和/或卵石的自然存在的熱存儲(chǔ)介質(zhì)材料的優(yōu)點(diǎn)在于可以極大地降低材料成本，并且可以節(jié)省制造/運(yùn)輸能量，假定此類(lèi)自然存在的材料容易獲得的話(huà)。如果自然巖石被用作多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)，則片裂巖和/或卵石應(yīng)該具有適當(dāng)?shù)某叽纾跃哂懈弑砻鎸?duì)容積比率以及耐熱性。在加熱的空氣114通過(guò)至少一個(gè)TES單元116后，壓縮的空氣118在降低的溫度下離開(kāi)該至少一個(gè)TES單元116，以使得壓縮的空氣118能夠存儲(chǔ)在洞穴122或其他壓縮空氣存放場(chǎng)中。然而，在進(jìn)入洞穴122之前，壓縮的空氣118可能需要由可選的中間冷卻器120進(jìn)一步冷卻，使得壓縮的空氣118在例如大約50°C的最大溫度下進(jìn)入洞穴122。洞穴122使得空氣能夠被加壓至大約60-80巴的水平，以存儲(chǔ)延長(zhǎng)的時(shí)段而沒(méi)有明顯的壓縮損失。依然參見(jiàn)圖1，當(dāng)希望使用存儲(chǔ)的空氣來(lái)產(chǎn)生電力時(shí)，壓縮的空氣124可從洞穴122排放。壓縮空氣124離開(kāi)洞穴122并在大約20-50°C的溫度下重新進(jìn)入該至少一個(gè)TES單元116。當(dāng)壓縮空氣通過(guò)該至少一個(gè)TES單元116的多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)時(shí)，其被再加熱到高達(dá)600°C的溫度，該溫度接近加熱的空氣114之前從高壓壓縮機(jī)112排放的溫度。在此階段被加壓至大約55 - 75巴的水平的此再加熱的壓縮空氣126然后進(jìn)入渦輪128，渦輪128由再加熱的壓縮空氣126驅(qū)動(dòng)?？墒褂枚嘤谝粋€(gè)渦輪128，從而形成“膨脹組”。與非絕熱CAES系統(tǒng)不同，壓縮空氣126已經(jīng)在該至少一個(gè)TES單元116內(nèi)被再加熱，并且因此不需要在蒸汽渦輪處的附加熱量回收或氣體燃燒以再加熱該壓縮空氣。當(dāng)渦輪128操作時(shí)，排放空氣130由其排出，并且蒸汽渦輪128驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)132。由發(fā)電機(jī)132產(chǎn)生的電能之后可提供給公用電網(wǎng)用于消耗。如可以輕易理解的那樣，ACAES系統(tǒng)100表現(xiàn)了一種產(chǎn)生電力的方法，該方法即便不是消除，也可以極大地減少電能生產(chǎn)中的自然資源消耗和/或碳排放。備選地，在稱(chēng)為多級(jí)ACAES系統(tǒng)中，可采用多于一個(gè)TES單元116，使得僅一個(gè)TES單元流體地連接到洞穴或其他壓縮空氣存放場(chǎng)上，而一個(gè)或更多中間TES單元設(shè)置在壓縮組和/或膨脹組之間，且TES單元流體地連接到壓縮空氣存放場(chǎng)上。這些中間TES單元不是在一端處流體地連接到該一個(gè)或更多壓縮機(jī)以及一個(gè)或更多渦輪上并在另一端處連接到壓縮空氣存放場(chǎng)上，而是在其每一端處都流體地連接到該一個(gè)或更多壓縮機(jī)以及一個(gè)或 更多渦輪上。如以上關(guān)于圖I所討論的，該至少一個(gè)TES單元116在ACAES系統(tǒng)100的操作期間可能受極大的壓力(65-85巴)和溫度(高達(dá)650°C )影響。結(jié)果，該至少一個(gè)TES單元116應(yīng)建造成承受這樣的高壓和高溫水平。參看圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的TES系統(tǒng)216。應(yīng)該理解的是TES系統(tǒng)216可用作圖I中所示的該至少一個(gè)TES單元116，從而TES系統(tǒng)216能夠承受與ACAES系統(tǒng)的操作相關(guān)的極大的壓力和溫度。圖2圖示了 TES系統(tǒng)216的橫截面視圖。TES系統(tǒng)216包括兩個(gè)分離的同軸圓柱形壓力容器218，220。壓力容器218包括具有預(yù)定長(zhǎng)度和直徑的壁222，其中壁222的長(zhǎng)度可從10 - 30米變化，而直徑可從3 - 6米變化。然而，壓力容器218不限于這樣的長(zhǎng)度和直徑范圍，并且在長(zhǎng)度和直徑兩者上都可更大或更小。另一方面，壓力容器220包括具有預(yù)定長(zhǎng)度和直徑的壁224，其中壁224的長(zhǎng)度可從10 — 30米變化，而直徑可從5 — 12米變化。然而，如同壓力容器218—樣，壓力容器220的長(zhǎng)度和直徑不限于上述范圍。壓力容器218,220通常使用增強(qiáng)混凝土形成，但是可使用任何合適的材料包括鋼來(lái)形成。同樣，壓力容器218、220不限于在形狀上為圓柱形，而是可形成為具有任何合適的形狀。如圖2中清楚圖示的，壓力容器218設(shè)置在壓力容器220的內(nèi)部容積的界限內(nèi)。壓力容器218的內(nèi)部容積在其中包含了多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)226，而壓力容器220的內(nèi)部容積在其中包含了多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)228。多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)226、228可由相同的熱存儲(chǔ)材料構(gòu)成，或者備選地，可由不同的熱存儲(chǔ)材料構(gòu)成。如以上關(guān)于圖I類(lèi)似地討論的那樣，TES系統(tǒng)216構(gòu)造成從至少一個(gè)壓縮機(jī)接納壓縮空氣，從而壓縮空氣在第一端230處進(jìn)入相應(yīng)的壓力容器218、220，并在第二端232處離開(kāi)相應(yīng)的壓力容器218、220，使得壓縮空氣能夠被存儲(chǔ)在壓縮空氣存儲(chǔ)單元中，或者備選地，可以提供給附加的壓縮機(jī)和/或渦輪(在多級(jí)ACAES系統(tǒng)的情況下)。來(lái)自從該至少一個(gè)壓縮機(jī)接收的壓縮空氣的熱量可存儲(chǔ)在相應(yīng)的多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)226、228中。在存儲(chǔ)的壓縮空氣用于發(fā)電的情況下，存儲(chǔ)的壓縮空氣在第二端232處重新進(jìn)入相應(yīng)的壓力容器218、220，并且當(dāng)其通過(guò)相應(yīng)的多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)226、228時(shí)被再加熱。再加熱的空氣然后在第一端230處離開(kāi)相應(yīng)的壓力容器218、220，在這里其被提供給一個(gè)或更多蒸汽渦輪以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。不同于具有單個(gè)壓力容器的常規(guī)TES系統(tǒng)，TES系統(tǒng)216使得壓力容器218、220能夠接納具有不同相應(yīng)壓力水平的壓縮空氣。就是說(shuō)，壓力容器218可構(gòu)造成從該一個(gè)或更多壓縮機(jī)以及壓縮空氣存儲(chǔ)單元兩者接收高壓壓縮空氣輸入，而壓力容器220可構(gòu)造成從該一個(gè)或更多壓縮機(jī)以及壓縮空氣存儲(chǔ)單元接收低壓壓縮空氣輸入。在一個(gè)實(shí)施例中，壓力容器218構(gòu)造成接納(并承受)40 — 80巴的壓力，而壓力容器220構(gòu)造成接納(并承受)5 — 20巴的壓力。由于壓力容器218具有比壓力容器220小的直徑(以及因此較低的張力)，壓力容器218能夠承受更高的壓力，即使壁222的厚度可能小于壁224的厚度。并且，由于壓力容器218設(shè)置在壓力容器220的內(nèi)部容積內(nèi)，通過(guò)多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)228的低壓壓縮空氣用來(lái)減少通過(guò)壓力容器218的壓縮空氣與壓力容器218的外部空氣之間的壓力差。典型的單個(gè)壓力容器的壁會(huì)由周?chē)諝鈮毫Π鼑?，而由于壓力容?18被通過(guò)壓力容器220的低壓壓縮空氣包圍，壁222中的張力被減小，并且因而壁222可以建造成與用在常規(guī)TES系統(tǒng)中的壓力容器相比具有極大減小的厚度。此外，因?yàn)閴毫θ萜?20受低壓壓縮空氣影響，壁224的厚度也可以比常規(guī)TES壓力容器的厚度小得多。 此外，當(dāng)與常規(guī)TES系統(tǒng)比較時(shí)，來(lái)自壓力容器218的熱量損失也被減少，因?yàn)橥ㄟ^(guò)壓力容器218的壓縮空氣與通過(guò)壓力容器220的壓縮空氣之間的溫度差比通過(guò)常規(guī)TES單元的壓縮空氣與包圍的周?chē)諝庵g的溫度差小得多。因此，雖然壁222比常規(guī)壓力容器壁薄，但由于TES系統(tǒng)216的壓力容器218、220的同軸整體式構(gòu)造，熱量損失被減少。如圖2中所示，由于TES系統(tǒng)216由壓力容器218和壓力容器220的組合構(gòu)成，相應(yīng)的壓力容器218、220可以建造成承受整體的高壓和高溫，但具有減少的壁厚度。因而，建造和運(yùn)輸TES系統(tǒng)216的成本和復(fù)雜性比典型TES系統(tǒng)的小得多，且具有更小的壓力容器的附加優(yōu)點(diǎn)，以及因此總體TES系統(tǒng)基座更小?，F(xiàn)在參看圖3，圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。圖3示意性地顯示了 TES系統(tǒng)316，其包括并列流體地布置的三個(gè)分離的壓力容器318、320、322。第一壓力容器318具有包圍熱存儲(chǔ)介質(zhì)334的壁324，第二壓力容器320具有包圍熱存儲(chǔ)介質(zhì)336的壁326，而第三壓力容器322具有包圍熱存儲(chǔ)介質(zhì)338的壁328。設(shè)想相應(yīng)的壓力容器318、320、322可同樣地建造，但本發(fā)明的實(shí)施例不限于如此。壓力容器318、320、322緊密地布置成使得來(lái)自至少一個(gè)壓縮機(jī)的壓縮空氣能夠在壓力容器318、320、322的第一端330處進(jìn)入相應(yīng)的壓力容器。壓縮空氣穿過(guò)壓力容器318、320、322，從而來(lái)自壓縮空氣的熱量被捕獲并存儲(chǔ)在相應(yīng)的熱存儲(chǔ)介質(zhì)334、336、338中。壓縮空氣然后在壓力容器318、320、322的第二端332處離開(kāi)相應(yīng)的壓力容器，此處其被存儲(chǔ)在洞穴或其他壓縮空氣存儲(chǔ)裝置中，或者備選地，被提供給附加的壓縮機(jī)和/或渦輪，如以上關(guān)于圖2類(lèi)似地描述的那樣。在存儲(chǔ)的壓縮空氣用于發(fā)電的情況下，存儲(chǔ)的壓縮空氣在第二端332處重新進(jìn)入相應(yīng)的壓力容器318、320、322，并且當(dāng)其通過(guò)相應(yīng)的多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)334、336、338時(shí)被再加熱。再加熱的空氣然后在第一端330處離開(kāi)相應(yīng)的壓力容器318、320、322，在這里其被提供給一個(gè)或更多蒸汽渦輪以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。盡管圖3顯示了三個(gè)分離的壓力容器318、320、322，但本發(fā)明不限于壓力容器的具體數(shù)量，并且可包括任何數(shù)量的緊密布置或組合的壓力容器。優(yōu)選地，壓力容器318、320、322布置成三角形陣列，使得壓力容器318、320、322的相應(yīng)的壁324、326、328定位成彼此緊鄰(例如，分開(kāi)幾厘米內(nèi)，并且不超過(guò)一米)，如圖4中圖示的那樣。如果存在更多或更少的壓力容器，可使用其他的幾何布置如六角形陣列，以確保壓力容器被緊密地定位。通過(guò)這樣的布置，可將絕熱層340僅圍繞緊密組合的壓力容器318、320、322的周邊設(shè)置，并且因而可以最小化相應(yīng)壁324、326、328內(nèi)的熱量損失、熱應(yīng)力和/或熱梯度。以此方式，簡(jiǎn)化了 TES系統(tǒng)316的設(shè)計(jì)和建造，因?yàn)楸苊饬藝@各壓力容器318、320、322設(shè)置的單獨(dú)的絕熱層。通過(guò)利用多個(gè)緊密組合的壓力容器，TES系統(tǒng)316能夠有效地承受高溫和高壓而不需要使單個(gè)TES單元既具有大直徑又具有極大壁厚度要求。因而，TES系統(tǒng)316允許在具有減小的系統(tǒng)尺寸和重量的ACAES系統(tǒng)中高效的熱能存儲(chǔ)，從而消除了可能與常規(guī)TES系統(tǒng)相關(guān)的許多建造和運(yùn)輸問(wèn)題。圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。TES單元416包括具有圓柱形壁418的壓力容器，圓柱形壁418環(huán)繞設(shè)置在其中的熱存儲(chǔ)介質(zhì)420。TES單元416類(lèi)似于以上關(guān)于圖2和3描述的TES系統(tǒng)216和361操作，從而來(lái)自至少一個(gè)壓縮機(jī)的壓縮空氣在第一端422處進(jìn)入TES單元416。壓縮空氣通過(guò)熱存儲(chǔ)介質(zhì)420以允許來(lái)自壓縮空氣的熱量被捕 獲并存儲(chǔ)在TES單元416內(nèi)。壓縮空氣然后在第二端424處離開(kāi)TES單元416，此處其被存儲(chǔ)在洞穴或其他壓縮空氣存儲(chǔ)單元中，用于以后用來(lái)發(fā)電。圓柱形壁418優(yōu)選地使用具有低厚度的堅(jiān)固材料(例如鋼)建造成具有高長(zhǎng)度對(duì)直徑比。通過(guò)這樣的小直徑，圓柱形壁418的厚度可以小于常規(guī)TES單元的增強(qiáng)混凝土壁，而圓柱形壁418的增加的長(zhǎng)度仍然使得足夠量的熱存儲(chǔ)介質(zhì)420能夠設(shè)置在其中，以有效地捕獲并存儲(chǔ)對(duì)于在ACAES系統(tǒng)中使用所需的熱量。此外，雖然圖5僅顯示了單個(gè)TES單元416，但設(shè)想可以將多個(gè)此類(lèi)TES單元平行布置以形成緊密組合的TES單元的組，如相對(duì)于圖3 — 4類(lèi)似地顯示和討論的那樣。因而，可通過(guò)多個(gè)TES單元416處理增加的壓縮空氣量，而各單個(gè)TES單元416的減小的系統(tǒng)尺寸和重量又一次消除了可能與常規(guī)TES系統(tǒng)相關(guān)的許多建造和運(yùn)輸問(wèn)題?，F(xiàn)在參看圖6，圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。盡管常規(guī)TES單元建造成通過(guò)導(dǎo)管/管道的網(wǎng)絡(luò)流體地連接到洞穴或其他壓縮空氣存儲(chǔ)單元上的地上熱存儲(chǔ)單元，但圖6中圖示的TES系統(tǒng)516包括構(gòu)造成設(shè)置在地平面以下的TES單元518。具體而言，TES單元518包括壁520，壁520在其中包圍多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)522。TES單元518的操作類(lèi)似于以上關(guān)于圖2 - 5所述的TES單元的操作，并且因而操作的細(xì)節(jié)將不再重復(fù)。雖然TES單元518顯示為單個(gè)單元，但應(yīng)該理解的是TES單元518可以以多種方式構(gòu)造，包括以上關(guān)于圖
2— 5所述的布置。TES單元518結(jié)合到洞穴526的井道524中，從而將TES單元518的壁520包圍在巖床/ 土壤528中，使得TES單元518設(shè)置在地平面530下。來(lái)自至少一個(gè)壓縮機(jī)的壓縮空氣在第一端532處進(jìn)入TES單元518，并在第二端534處離開(kāi)TES單元518。壓縮空氣然后存儲(chǔ)在洞穴526中，用來(lái)最后用在電力發(fā)生中，如以上所述的那樣。由于TES系統(tǒng)516的TES單元518定位在地平面530下，且壁520由巖床/ 土壤528包圍，壁520的厚度(以及包圍壁520的任何隔熱層(未示出)的厚度)可以極大地減小。巖床/ 土壤528對(duì)由壁520中的高壓帶來(lái)的壁520中的高張力提供了天然的反作用，并且?guī)r床/ 土壤528還提供了天然隔熱以減少系統(tǒng)中的熱量損失。此外，TES單元518結(jié)合在洞穴526的井道524中可減小ACAES設(shè)備的地面上的基座。另外，TES系統(tǒng)516克服了與一些常規(guī)TES系統(tǒng)相關(guān)的制造和運(yùn)輸難題，從而降低了成本并簡(jiǎn)化了在ACAES系統(tǒng)中TES單元的實(shí)施。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，公開(kāi)了一種熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，該熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)包括布置成彼此緊鄰的多個(gè)壓力容器，各壓力容器均具有包括外表面和內(nèi)表面的壁，該內(nèi)表面與該外表面由相應(yīng)的壁厚度隔開(kāi)，并且包圍該壓力容器的內(nèi)部容積。該內(nèi)部容積具有與一個(gè)或更多壓縮機(jī)以及一個(gè)或更多渦輪成流體連通的第一端，以及與一個(gè)或更多附加的壓縮機(jī)、一個(gè)或更多附加的渦輪以及至少一個(gè)壓縮空氣存放場(chǎng)的至少其中一個(gè)成流體連通的第二端。該熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)還包括定位在該多個(gè)壓力容器的每一個(gè)的內(nèi)部容積中的熱存儲(chǔ)介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，公開(kāi)了一種形成熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)的方法，該方法包括形成第一壓力容器和形成第二壓力容器，該第一壓力容器具有建造成具有預(yù)定高度和厚度、的壁，其中該第一壓力容器的壁的內(nèi)表面限制其中的內(nèi)部容積，該第二壓力容器建造成具有預(yù)定高度和厚度的壁，其中該第二壓力容器的壁的內(nèi)表面限制其中的內(nèi)部容積。該方法還包括將多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)設(shè)置在第一壓力容器和第二壓力容器的每一個(gè)的內(nèi)部容積內(nèi)，并且將第一壓力容器和第二壓力容器布置成彼此緊鄰。同樣，該方法包括將第一和第二壓力容器的每一個(gè)的第一端連接到一個(gè)或更多壓縮機(jī)上并連接到一個(gè)或更多渦輪上，使得第一和第二壓力容器的每一個(gè)與該一個(gè)或更多壓縮機(jī)以及該一個(gè)或更多渦輪成流體連通，以及將第一和第二壓力容器的每一個(gè)的第二端連接到一個(gè)或更多附加的壓縮機(jī)、一個(gè)或更多附加的渦輪以及一個(gè)或更多壓縮空氣存放場(chǎng)的至少其中一個(gè)上，使得第一和第二壓力容器的每一個(gè)均與該一個(gè)或更多附加的壓縮機(jī)、該一個(gè)或更多附加的渦輪以及該一個(gè)或更多壓縮空氣存放場(chǎng)的至少其中一個(gè)成流體連通。根據(jù)本發(fā)明的又另一個(gè)實(shí)施例，公開(kāi)了一種熱能存儲(chǔ)裝置，該熱能存儲(chǔ)裝置包括限制第一內(nèi)部容積的第一混凝土圓柱形壁和限制第二內(nèi)部容積的第二混凝土圓柱形壁，其中該第二混凝土圓柱形壁布置在該第一混凝土圓柱形壁的第一內(nèi)部容積內(nèi)，使得第一混凝土圓柱形壁和第二混凝土圓柱形壁是共軸的。該熱能存儲(chǔ)裝置還包括設(shè)置在第一混凝土圓柱形壁的第一內(nèi)部容積內(nèi)以及第二混凝土圓柱形壁的第二內(nèi)部容積內(nèi)的多孔熱基質(zhì)材料。此書(shū)面描述使用示例來(lái)公開(kāi)本發(fā)明，包括最佳模式，并且也使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明可獲專(zhuān)利的范圍由權(quán)利要求限定，并可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他示例。如果此類(lèi)其他范例的結(jié)構(gòu)要件與權(quán)利要求的書(shū)面語(yǔ)言描述沒(méi)有差異，或如果它們包括的等價(jià)性結(jié)構(gòu)要件與權(quán)利要求書(shū)面語(yǔ)言描述沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的差異，則此類(lèi)其他范例應(yīng)屬于權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括 布置成彼此緊鄰的多個(gè)壓力容器，各所述壓力容器均具有壁，所述壁包括 外表面；以及 內(nèi)表面，其由相應(yīng)的壁厚從所述外表面隔開(kāi)，并且包圍所述壓力容器的內(nèi)部容積，所述內(nèi)部容積具有 與一個(gè)或更多壓縮機(jī)以及一個(gè)或更多渦輪成流體連通的第一端；以及 與一個(gè)或更多附加的壓縮機(jī)、一個(gè)或更多附加的渦輪以及至少一個(gè)壓縮空氣存放場(chǎng)的至少其中一個(gè)成流體連通的第二端；以及 定位在各所述多個(gè)壓力容器的所述內(nèi)部容積中的熱存儲(chǔ)介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)壓力容器包括第一壓力容器和第二壓力容器，所述第一壓力容器布置在所述第二壓力容器的內(nèi)部容積內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一壓力容器的壁具有第一壁厚和第一直徑，而其中所述第二壓力容器的壁具有第二壁厚和第二直徑，其中所述第一直徑小于所述第二直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一壓力容器構(gòu)造成承受比所述第二壓力容器高的壓力水平。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，布置成彼此緊鄰的所述多個(gè)壓力容器根據(jù)圖案布置，所述圖案包括三角形圖案和六角形圖案的其中一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在所述多個(gè)壓力容器的所述圖案的周邊周?chē)慕^熱層。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，各所述多個(gè)壓力容器的所述壁由鋼或混凝土形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱存儲(chǔ)介質(zhì)是設(shè)置在各所述多個(gè)壓力容器的所述內(nèi)部容積內(nèi)的多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)包括至少一種天然巖石材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述多個(gè)壓力容器設(shè)置在洞穴井道內(nèi)，并且其中所述洞穴井道與所述至少一個(gè)壓縮空氣存放場(chǎng)成流體連通，并定位在地平面下。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，各所述多個(gè)壓力容器在形狀上為圓柱形。
12.—種形成熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)的方法，所述方法包括 形成第一壓力容器，所述第一壓力容器具有建造成具有預(yù)定高度和厚度的壁，其中所述第一壓力容器的所述壁的內(nèi)表面在其中限制內(nèi)部容積； 形成第二壓力容器，所述第二壓力容器建造成具有壁，所述壁有預(yù)定高度和厚度，其中所述第二壓力容器的所述壁的內(nèi)表面在其中限制內(nèi)部容積； 將多孔熱存儲(chǔ)介質(zhì)設(shè)置在所述第一和第二壓力容器的每一個(gè)的內(nèi)部容積內(nèi)； 將所述第一壓力容器和所述第二壓力容器布置成彼此緊鄰； 將所述第一和第二壓力容器的每一個(gè)的第一端連接到一個(gè)或更多壓縮機(jī)上并連接到一個(gè)或更多渦輪上，使得所述第一和第二壓力容器的每一個(gè)與所述一個(gè)或更多壓縮機(jī)以及所述一個(gè)或更多渦輪成流體連通；以及 將所述第一和第二壓力容器的每一個(gè)的第二端連接到一個(gè)或更多附加的壓縮機(jī)、一個(gè)或更多附加的渦輪以及一個(gè)或更多壓縮空氣存放場(chǎng)的至少其中一個(gè)上，使得所述第一和第二壓力容器的每一個(gè)與所述一個(gè)或更多附加的壓縮機(jī)、所述一個(gè)或更多附加的渦輪以及所述一個(gè)或更多壓縮空氣存放場(chǎng)的至少其中一個(gè)成流體連通。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括將所述第一壓力容器布置成設(shè)置在所述第二壓力容器的內(nèi)部容積內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括形成至少一個(gè)附加的壓力容器，其中所述第一壓力容器、所述第二壓力容器以及所述至少一個(gè)附加的壓力容器布置成彼此緊鄰，以形成壓力容器的組。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括將絕熱材料設(shè)置在所述壓力容器的組的周邊周?chē)?br> 16.一種熱能存儲(chǔ)裝置，包括 限制第一內(nèi)部容積的第一混凝土圓柱形壁； 限制第二內(nèi)部容積的第二混凝土圓柱形壁，其中所述第二混凝土圓柱形壁布置在所述第一混凝土圓柱形壁的所述第一內(nèi)部容積內(nèi)，使得所述第一混凝土圓柱形壁和所述第二混凝土圓柱形壁是同軸的；以及 設(shè)置在所述第一混凝土圓柱形壁的所述第一內(nèi)部容積內(nèi)以及所述第二混凝土圓柱形壁的所述第二內(nèi)部容積內(nèi)的多孔熱基質(zhì)材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述第二混凝土圓柱形壁的直徑小于所述第一混凝土圓柱形壁的直徑。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述第一混凝土圓柱形壁和所述第二混凝土圓柱形壁兩者都具有第一端和第二端，其中所述第一端與一個(gè)或更多壓縮機(jī)以及一個(gè)或更多渦輪成流體連通，而所述第二端與一個(gè)或更多壓縮空氣存放場(chǎng)、一個(gè)或更多附加的壓縮機(jī)以及一個(gè)或更多附加的渦輪的至少其中一個(gè)成流體連通。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述第二混凝土圓柱形壁的第一端從所述一個(gè)或更多壓縮機(jī)接收比所述第一混凝土圓柱形壁的第一端更高的壓力輸入，而所述第二混凝土圓柱形壁的第二端從所述至少一個(gè)壓縮空氣存放場(chǎng)接收比所述第一混凝土圓柱形壁的第二端更高的壓力輸入。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其特征在于，所述多孔熱基質(zhì)材料包括至少一種天然巖石材料。
全文摘要
公開(kāi)了用于熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)的系統(tǒng)(100)和方法，該熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)(100)包括布置成彼此緊鄰的多個(gè)壓力容器(218,220)，各壓力容器(218,220)均具有包括外表面和內(nèi)表面的壁，該內(nèi)表面與該外表面由相應(yīng)的壁厚度隔開(kāi)，并且包圍該壓力容器的內(nèi)部容積。該內(nèi)部容積具有與一個(gè)或更多壓縮機(jī)(104,112)以及一個(gè)或更多渦輪成流體連通的第一端(230)，以及與一個(gè)或更多附加的壓縮機(jī)(104,112)、一個(gè)或更多附加的渦輪(128)以及至少一個(gè)壓縮空氣存放場(chǎng)(122)的至少其中一個(gè)成流體連通的第二端(230)。該熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)(100)還包括定位在該多個(gè)壓力容器(218,220)的每一個(gè)的內(nèi)部容積中的熱存儲(chǔ)介質(zhì)(226)。
文檔編號(hào)F17C1/00GK102741524SQ201080062743
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2010年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者C.S.K.貝羅尼, C.博特羅, M.A.岡薩雷斯薩拉扎, M.芬肯拉特, S.M-N.霍夫曼, S.W.弗羅伊恩德 申請(qǐng)人:通用電氣公司