專利名稱：電能/加壓空氣轉換技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的領域為通過加壓空氣的能量儲存，其方式在于，能量在產量高而需求低 時作為加壓空氣儲存，而在需求高時作為電力輸送。
背景技術：
公知的是，可在高峰消耗時供給的能量的經濟價值非常高。在所有類型的可再生 能量系統(tǒng)的高額投資的時期，能夠儲存產生的能量是十分重要的，因為可再生能量與需求 并不關聯(lián)。例如，可在白天發(fā)電的太陽能主要是在夜間需要。已經研發(fā)了用于能量儲存的 一些系統(tǒng)和方法。這些系統(tǒng)中的一些為將水泵送到較高的高架水槽中，然后釋放水經過水 力發(fā)電機；以及將加壓空氣引導至廢棄的礦井或海底上的可潛入水中的可充氣式罐中，且 釋放加壓空氣通過驅動發(fā)電機的水力發(fā)動機或渦輪機。這些系統(tǒng)及其它系統(tǒng)具有缺點，如 在轉換過程中的能量損失，以及水槽占據(jù)大量土地，以及它們的建造很昂貴。其它系統(tǒng)在它 們可儲存的能量總量上很有限，且儲存的能量會在一定時間內耗散。加壓空氣系統(tǒng)是最有 前景的能量儲存系統(tǒng)之一，然而，用于壓縮空氣的現(xiàn)有工藝效率很低。另外，使用現(xiàn)有的系 統(tǒng)和方法將加壓空氣轉換回電力是很復雜和低效的過程。對可在所有地面條件的位置處將 電力轉換成加壓空氣和將加壓空氣轉換成電力的系統(tǒng)和方法的需求是十分清楚且存在的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種系統(tǒng)和方法，用于在非常高的效率下以非常高的壓縮 容量壓縮空氣，以便將其儲存在高容積高壓力的儲存器中。本發(fā)明的另一目的在于實現(xiàn)上 述目的，同時使壓縮空氣系統(tǒng)緊湊、易于構建、安裝和維護。本發(fā)明的另一目的在于提供一種空氣壓縮系統(tǒng)，其可轉變成且可用作在非常高的 效率下將加壓空氣能量轉換成電力的發(fā)電機。本發(fā)明的另一目的在于提供一種將加壓空氣 能量以高效率水平轉換成電力、易于構建和維護、即刻連接到電網上且供送所需的電功率 的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明包括加壓空氣儲存器、能夠以比加壓空氣儲存器中的壓力高的壓力容納加 壓空氣的兩個罐、以及高容積高壓力可逆式水力發(fā)電機泵類Francis型泵，可逆式水力發(fā) 電機泵單元在電力供送給馬達組時將作為電動泵工作，而在高壓水流過水力渦輪機(泵) 組時作為水力發(fā)電機工作。這些類型的單元是本行業(yè)中公知的，且GE Francis可逆式水力 發(fā)電機僅為它們的一個實例。這些單元的效率大于90%。系統(tǒng)還包括閥，閥使各罐的內部 容積與泵的入口和出口獨立地連接和斷開，以便通向大氣和加壓空氣儲存器。在工作的開始階段，第二罐裝滿水，且通向外部大氣，而該第二罐的下部連接到泵 的入口，第一罐相對于大氣密封，且該第一罐的下部連接到泵的出口上。泵開始將水泵送到 第一罐，以便使水填充第一罐，同時水上方的空氣在水流入第一罐中時被加壓。在某一工作 點時，第一罐中的空氣壓力達到加壓空氣儲存器的相同壓力水平，此時，閥開啟且將第一罐 中的加壓空氣與儲存體中的加壓空氣相連，當泵繼續(xù)用水填充第一罐時，加壓空氣從第一罐傳送到加壓空氣儲存體中。當?shù)谝还迬缀跹b滿水時，曾在該第一罐中的所有空氣現(xiàn)在在 加壓空氣儲存器中被加壓。在此階段，將加壓空氣儲存器與第一罐相連的閥斷開，且第一罐 通向大氣，而也在此階段，現(xiàn)在幾乎沒有水的第二罐將與開放的大氣斷開，泵的入口將聯(lián)接 到第一罐的下部，而泵的出口將聯(lián)接到第二罐的下部，且上文所述的循環(huán)將在兩個罐具有 相反作用的情況下重復。加壓空氣可在需求較高的任何時間在燃氣輪機中使用，以便依靠其自身或結合與 加壓空氣混合的燃料天然氣來驅動燃氣輪機和發(fā)電機，燃氣輪機可驅動發(fā)電機。這些可能 性是本行業(yè)中公知的，且它們具有缺點。燃氣輪機的構建和維護是昂貴的，發(fā)電能力的瓶頸 通常是燃氣輪機的容量。如前文所述，本發(fā)明的一個目的在于提供一種以高功率容量高效地將來自于加壓 空氣能量儲存體中的加壓空氣轉換成電力的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)將易于構建和維護，且該 系統(tǒng)可立即連接到電網上，并對環(huán)境友好。該方法是通過將上述用于壓縮空氣的系統(tǒng)作為往復式水力發(fā)電機操作來進行的。在本發(fā)明的此部分中，上述可逆式水力發(fā)電機泵中的泵將用作水力渦輪機，而先 前驅動泵的電動馬達現(xiàn)在將用作發(fā)電機。泵和馬達分別在水力渦輪機和發(fā)電機之間的作用 的改變是本行業(yè)中所公知，且可安排為標準子系統(tǒng)。但是，有可能在此過程中使用獨立的水 力發(fā)電渦輪機來替代使用可逆式水力發(fā)電機泵。使用可逆式單元的優(yōu)點在于節(jié)省所需的投 資，但在遠離空氣壓縮機的較遠區(qū)域需要水力發(fā)電機時，就沒有理由使用可逆型水力發(fā)電 機泵，而將使用常規(guī)水力渦輪發(fā)電機。在該工作的初始階段，第二罐填充有水，與大氣斷開；且該第二罐的下部連接到渦 輪機的入口。第一罐填充有空氣，且連接至開放的大氣；且第一罐的下部連接到渦輪機的出 口。該工作在將加壓空氣儲存器連接到第二罐上的閥開啟且加壓空氣開始流入第二罐上部 時開始，加壓空氣壓縮該槽中的水，且加壓水驅動水力渦輪發(fā)電機，水力渦輪發(fā)電機通過使 發(fā)電機旋轉來將水的能量轉換成電力。在該工作的此階段，處于大氣壓力的水從水力渦輪 機的出口流入第一罐中。當?shù)诙薜拇蠹s10%容積填充加壓空氣時，將加壓空氣儲存器連 接到第二罐上的閥斷開。處于第二罐的密封內部容積中的加壓空氣繼續(xù)膨脹，且壓縮第二 罐內部容積中的水；水繼續(xù)流過水力渦輪發(fā)電機進入第一罐中。當?shù)诙迬缀鯖]有水時， 閥開啟，且將第二罐的內部容積連接至開放的大氣。在此時間點，一些加壓空氣從第二罐釋 放到大氣中，在此情況下，該釋放的加壓空氣包含從加壓空氣儲存器中獲得的能量的大約 10%;應當注意的是，能量的另外90%已經從加壓空氣儲存器中獲得，且已經用于驅動渦輪 機和發(fā)電機?，F(xiàn)在，第一罐填充有水，且將與開放的大氣斷開，第一罐的下部將通過改變閥的位 置來連接到水力渦輪機的入口。第二罐通向大氣，且第二罐的下部將連接到水力渦輪機的 出口。在此階段，加壓空氣出口連接到第二罐的上部，且該工作在罐的作用相反的情況下重 復。重要的是理解以下要點加壓空氣儲存器的容積比兩個其它罐大，因此在工作循環(huán)期間，加壓空氣儲存器 中的壓力幾乎是恒定的。該系統(tǒng)的第一罐和第二罐的容積相對于泵的容量而言較大，因此，每個循環(huán)的時 間較長。
例如，如果兩個罐的容積分別為10，000立方米，且泵的容量為100立方米/秒，而 加壓空氣儲存器的壓力為32bar，在此情況下，空氣壓縮循環(huán)的時間將為大約100秒。由于水泵的效率較高，且事實上系統(tǒng)依靠相同的水容積往復地工作，且每個循環(huán) 的較長時間導致相對較低的空氣溫度升高，且事實上在壓縮循環(huán)中，閥只在壓力幾乎等于 壓縮空氣罐和加壓空氣儲存器時才通向加壓空氣儲存體，故該過程十分高效。本發(fā)明的系統(tǒng)的空氣壓縮總效率可好于90%。通過本發(fā)明的系統(tǒng)由加壓空氣產生 的電力的總效率可好于80 %。


圖1、圖2、圖3和圖4示出了空氣壓縮模式的四個階段中的本發(fā)明的系統(tǒng)。圖5和圖6示出了在發(fā)電模式的兩個階段中的本發(fā)明的系統(tǒng)。圖7示出了包括多個子系統(tǒng)的系統(tǒng)，以便功率從系統(tǒng)中較高且較平穩(wěn)的輸出。圖8示出了在系統(tǒng)的發(fā)電模式中各個子系統(tǒng)的功率與時間的關系，以及組合系統(tǒng) 的功率與時間的關系的圖表。
具體實施例方式在圖1中，附圖標記1 為填充有加壓空氣的加壓空氣儲存器。附圖標記121和 122為可經受內部容積壓力的罐，該內部容積壓力高于儲存器1 中的加壓空氣的壓力。附 圖標記103和104為可分別使罐121和122的內部容積與開放的大氣連接和斷開的兩個 閥。附圖標記101和102為可分別使加壓空氣儲存器1 與罐121和122的內部容積連接 和斷開的兩個閥。附圖標記128為將兩個罐121、122連接到儲存器129上的引導管路。附 圖標記123為高容積高壓水泵，該泵由電動馬達(附圖中未示出)驅動，泵-馬達組件可作 為水力渦輪機和發(fā)電機工作，對本領域的技術人員而言已知的是，將此類組件當作可逆式 泵-水力發(fā)電機-渦輪機。附圖標記124為泵的出口，附圖標記125為泵的入口，附圖標記 105和106為分別將泵的出口與罐121和122的內部容積連接和斷開的閥。附圖標記107 和108為分別使泵的入口與罐121和122的內部容積連接和斷開的閥。附圖標記1 和 127分別為罐121和122中的水位。對本發(fā)明的系統(tǒng)的空氣壓縮方法的描述圖1中示出了第一階段，在此階段，罐122填充有水，閥104對大氣開放，閥102關 閉，閥106關閉，在罐122的下部處的閥108開啟并將罐122中的水連接到泵123的入口， 閥107關閉，閥105開啟并將泵123的出口連接到罐121的下部。泵123由電動馬達操作， 將來自于罐122的水泵送到罐121中，當閥107、103和101關閉時，罐121內部容積中的空 氣體積隨升高的水位126而減少，且罐121中的空氣壓力增大(此循環(huán)階段將繼續(xù)，直到罐 121中的空氣壓力等于加壓空氣儲存器129中的空氣壓力)。圖2中示出了第二階段，在此階段，除閥101外的所有閥仍處于第一階段中的位 置，閥101開啟并使加壓空氣繼續(xù)從罐121經由引導管路1 進入加壓空氣儲存器129中。 該第二循環(huán)階段將繼續(xù)，直到罐121內部容積中的大致所有空氣都已經進入加壓空氣儲存 器1 中。圖3中示出了第三階段。該階段實際上與第一階段相同，而罐121和122的作用相反。在此階段中，閥103對大氣開放，罐121填充有水，泵將水從121經由閥107和106 泵送至122，閥102和104關閉，且罐122內部容積中的空氣壓力隨罐122中空氣體積減少 升高的水位127而增大，該階段將繼續(xù)，直到122的內部容積中的空氣壓力等于儲存器1 中的空氣壓力。圖4中示出了第四階段，除閥102外的所有閥都仍處于第三階段中的位置，閥102 現(xiàn)在開啟并使空氣131從罐122經由引導管路1 進入加壓空氣儲存器129中。該階段將 繼續(xù)，直到來自于罐122的大致所有空氣都進入儲存器129中。以上描述涉及的要點為·階段2和階段4中加壓空氣儲存器和壓縮空氣的罐中的兩個空氣體之間的連接 在這兩個空氣體的壓力幾乎相等時進行，使得結果為，避免空氣的突然膨脹，以及改善系統(tǒng) 的效率； 本發(fā)明的系統(tǒng)連續(xù)地使用相同體積的水，通過這樣，壓縮空氣所形成的大量熱量 傳遞至系統(tǒng)的水和下一循環(huán)的空氣，從而改善了系統(tǒng)效率。這種熱傳遞可通過使引導管路 128中的空氣穿過罐122和121中的水來改善?！ど鲜鱿到y(tǒng)的水可由其它液體、諸如油的介質等來替代。·盡管本發(fā)明的系統(tǒng)意在主要解決壓縮較高體積的空氣來儲存能量的問題，但相 同的發(fā)明也可用于需要較高體積的加壓空氣的情況?！ぜ訅嚎諝鈨Υ嫫? 可為任何密封容積，如人工鋼筋混凝土儲存器、鋼儲存器、 如廢棄鹽礦的地下空間，當水壓可對內部壓力給予壓力支承時，其可為可潛入水中的柔性 儲存器。圖5和圖6為示出本發(fā)明的系統(tǒng)處于將加壓空氣能轉換成電力的模式的示圖。在此模式中，泵123轉變成水力渦輪機，在前述模式中驅動泵的電動馬達轉變成發(fā)電機。附圖標記124為此模式中的渦輪機入口，而附圖標記125為此模式中的渦輪機出□。此模式的第一階段在圖5中示出，罐122幾乎填滿水，而罐121幾乎是空的，閥102 開啟并允許加壓空氣141從能量儲存體1 進入罐122中，閥103開啟并將罐121的內部 容積連接至開放的大氣，閥101、104、105和108關閉。由空氣141加壓的罐122中的水從 122的下部經由閥106流入水力渦輪機123的入口 IM中，由加壓水驅動的渦輪機旋轉并驅 動發(fā)電機，該發(fā)電機發(fā)電，水經由渦輪機125的出口且經由閥107流入罐121的下部中。該 階段將繼續(xù)，直到罐122的大約10%的容積填充有加壓空氣。圖6示出了該模式的第二階段，閥102關閉，且罐122內的加壓空氣繼續(xù)膨脹，同 時其壓力減小，且其體積增大，直到罐122中大致所有水都穿過水力渦輪機123進入罐121 中，在此時，閥104將開啟并使罐122中多余的加壓空氣釋放到大氣中。此時，系統(tǒng)準備開 始分別與第一階段和第二階段相同的第三階段和隨后的第四階段，在第三階段和第四階段 中，罐121和122的作用相反。以上描述涉及的要點為 儲存在加壓空氣中的大約10%的能量通過將剩余的加壓空氣釋放到開放的大氣 中而浪費掉，但相比于其它方法，其仍然是很有效的。將空氣釋放到大氣中的壓力可通過調 整加壓空氣的體積來調整，其中，閥102如上文所述那樣在第一階段結束時關閉，例如，如7果閥102在122的5%的內部容積填充有加壓空氣時關閉，則能量總量將浪費5%，但系統(tǒng) 的平均輸出功率將下降?！け煤碗妱玉R達單元可與水力渦輪發(fā)電機單元完全獨立，使用可逆式水力發(fā)電機 泵作為一個單元的原因在于系統(tǒng)的成本，可通過使用上述組合來降低系統(tǒng)成本。圖7為用于將加壓空氣能量轉變成電力的本發(fā)明系統(tǒng)另一版本的示圖。在圖7中，附圖標記129為加壓空氣儲存器，其公共地連接到三個子系統(tǒng)A、B和C， 它們中的每一個均與上文在圖5和圖6中所述的渦輪發(fā)電機和罐組相同。附圖標記200A、200B和200C分別為各系統(tǒng)的發(fā)電機電路出口。附圖標記201為 轉變單元，其將各子系統(tǒng)的獨立電力輸出轉變成公共電力輸出202(A+B+C)。該布置的優(yōu)點在于，當多個子系統(tǒng)相連且同步工作時，可產生更為連續(xù)且均勻的 電力輸出。圖8示出了圖7中所示的各子系統(tǒng)在200A、200B和200C處的功率輸出與時間關 系的三個圖表。下方的圖表示出了總的組合功率輸出202 (A+B+C)，其代表所有三個子系統(tǒng)的電 功率總和與時間的關系。應當理解的是，本發(fā)明不限于上述實施例，而是包括在本發(fā)明的權利要求書和構 思的范圍內的任何和所有實施例。盡管參照具體的設備和具體的方法實施方式描述了本發(fā)明，但應當清楚的是，可 進行各種修改和改變，且一個實施例的各種特征可包括在本發(fā)明范圍內的其它實施例中。
權利要求
1.一種用于將電能轉換成能夠儲存的加壓空氣的系統(tǒng)，包括 泵-馬達組，所述泵-馬達組包括具有入口和出口的泵；以及 電動馬達； 加壓空氣儲存器；具有大致相同的內部容積的第一罐和第二罐；以及可控閥，所述可控閥使所述第一罐和所述第二罐與所述泵的入口和出口、開放的大氣 和所述加壓空氣儲存器獨立地連接或斷開；所述第一罐和所述第二罐一起包含液體的總體積，所述液體的總體積大致等于所述第 一罐和所述第二罐中的一個罐的內部容積；所述系統(tǒng)工作，使得當所述泵工作時，液體被從所述第一罐泵送至所述第二罐中，并促 使所述第二罐中的空氣壓力升高至與所述加壓空氣儲存器內的壓力大致相等的點，并且其中，在此平衡壓力狀態(tài)下，所述閥中的一個開啟，并允許加壓空氣從所述第二罐流入 所述加壓空氣儲存器中；當所述第二罐中的大致所有空氣已傳送至所述加壓空氣儲存器中并且所述第二罐大 致充滿液體時，所述閥的位置變?yōu)樗龅谝还藓退龅诙薜淖饔孟喾吹奈恢茫纱?，所述系統(tǒng)能夠往復且連續(xù)地工作，以便將電能轉換成能夠儲存在所述加壓空氣 儲存器中的加壓空氣，同時所述第一罐和所述第二罐的作用改變且在每個循環(huán)中相反。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述液體為油。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一罐和所述第二罐與其周圍環(huán)境熱隔離。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括驅動所述泵的非電動馬達。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述泵-馬達組中的所述泵能夠轉變成水力渦輪 機，而所述泵-馬達組中的所述馬達能夠轉變成水力發(fā)電機。
6.一種用于由加壓空氣發(fā)電的方法，包括提供泵-馬達組，所述泵-馬達組能夠轉變成水力渦輪機和由所述水力渦輪機驅動的 水力發(fā)電機，所述水力渦輪機包括入口和出口 ； 提供加壓空氣儲存器；提供具有大致相同的內部容積的第一罐和第二罐；以及提供可控閥，所述可控閥使所述第一罐和所述第二罐與所述水力渦輪機的入口和出 口、開放的大氣和所述加壓空氣儲存器獨立地連接和斷開；所述第一罐和所述第二罐一起包含液體的總體積，所述液體的總體積大致等于所述第 一罐和所述第二罐中的一個罐的內部容積；通過將液體引入所述第一罐中來開始將加壓空氣轉換成電力的工作過程，直到所述第 一罐大致充滿液體，然后開啟將所述第一罐連接到所述加壓空氣儲存器和將所述第一罐連 接到所述渦輪機的入口的閥，使得所述加壓空氣將所述第一罐中的所述液體推入所述渦輪 機的入口中，促使所述水力渦輪機旋轉并驅動所述發(fā)電機發(fā)電，所述液體從所述渦輪機的 出口流入所述第二罐中，所述第二罐的內部容積連接至開放的大氣；當所述第一罐的一部分內部容積充滿加壓空氣時，使所述第一罐與所述加壓空氣儲存 器斷開，所述第一罐中的加壓空氣膨脹，直到所述第一罐大致充滿空氣且所述第二罐大致充滿液體；以及在此時，將所述可控閥的位置變成所述第一罐和所述第二罐的作用相反的位置，且所 述工作往復、連續(xù)地繼續(xù)，同時所述可控閥的位置在每個循環(huán)中改變所述第一罐和所述第 二罐的作用。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，當所述第一罐的大致10%的內部容積充滿加壓 空氣時，所述第一罐與所述加壓空氣儲存器斷開。
8.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，當所述第一罐的小于10%的內部容積充滿加壓 空氣時，所述第一罐與所述加壓空氣儲存器斷開。
9.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，所述渦輪機和所述發(fā)電機彼此獨立。
10.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，所述液體為油或為不是水的另一液體。
11.一種用于將加壓空氣的能量轉換成電力的方法，包括提供多個如權利要求6中所 述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括所述泵-馬達組、第一罐和第二罐、以及可控閥；以及，將所述加壓 空氣儲存器聯(lián)接到每個系統(tǒng)的所述第一罐和所述第二罐，使得所述加壓空氣儲存器是所有 所述系統(tǒng)共用的。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所有所述系統(tǒng)都同時工作，以便產生較高且更 均勻的電力。
13.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述液體為水。
14.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述液體為除水之外的任何液體。
15.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述泵-馬達組中的所述泵不能夠轉變成水力 渦輪機，所述泵-馬達組中的所述馬達不能夠轉變成水力發(fā)電機。
16.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，所述液體為水。
全文摘要
一種用于將電力轉換成加壓空氣和將加壓空氣轉換成電力的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括加壓空氣儲存器(129)；兩個高壓罐(121、122)；泵(123)和可轉變成水力渦輪機和發(fā)電機的電動馬達；體積等于罐的容積的水；用于使每個罐(121、122)與大氣、泵的入口和出口、以及空氣儲存器(129)獨立地連接和斷開的一組可控閥(101、102、103、104、105、106、107、108)。在使用中，第一罐(121)中的一定體積的水被泵送到第二罐(122)中，第二罐(122)中的空氣受到壓縮且流入空氣儲存器(129)中。通過改變閥(101、102、103、104、105、106、107)的狀態(tài)，使工作重復，而罐(121、122)的作用相反。在發(fā)電模式中，通過將加壓空氣從空氣儲存器(129)傳送至充滿水的第一罐(121)中而使系統(tǒng)工作，加壓的水流過水力渦輪發(fā)電機從而發(fā)電。
文檔編號F03B17/02GK102046970SQ200980119798
公開日2011年5月4日 申請日期2009年5月20日 優(yōu)先權日2008年5月28日
發(fā)明者摩西·米勒 申請人:摩西·米勒