專利名稱：具有多級熱能存儲的絕熱壓縮空氣能量存儲系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例總體上涉及壓縮空氣能量存儲(CAES)系統(tǒng)，且更具體地涉及絕熱CAES系統(tǒng)中的多級熱能存儲(TES)系統(tǒng)。
背景技術：
空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)在大量行業(yè)中用于各種應用。例如，一種這樣的應用是使用空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)來存儲能量。壓縮空氣能量存儲(CAES)系統(tǒng)典型地包括壓縮組(compression train),該壓縮組具有壓縮進氣的多個壓縮機并且向洞穴、地下倉庫或其它壓縮空氣存放場提供經壓縮的進氣。然后，壓縮空氣在以后用于驅動渦輪以產生電能。在CAES系統(tǒng)的壓縮階段的操作期間，經壓縮的進氣典型地被冷卻。在膨脹級 的操作期間，空氣從地下倉庫經加熱器和渦輪排放并且膨脹使得空氣在環(huán)境壓力下離開渦輪。典型地，CAES系統(tǒng)中的壓縮機和渦輪每一個均通過相應的離合器連接到發(fā)電機/電動機裝置上，從而在適當選擇的時間段期間僅容許壓縮機操作或僅容許渦輪操作。在電網(wǎng)中的非電力需求高峰時段期間(即晚上和周末)，壓縮機組由發(fā)電機/電動機通過其離合器驅動。在這種方案中，發(fā)電機/電動機充當電動機，從電網(wǎng)抽取功率。壓縮空氣然后被冷卻并輸送到地下倉庫。在高峰需求時段期間，在渦輪離合器接合的情況下，空氣從倉庫被抽出，然后通過渦輪組加熱并膨脹，以通過驅動發(fā)電機/電動機而提供功率。在這種方案中，發(fā)電機/電動機充當發(fā)電機，例如向電網(wǎng)提供電力。已提出的CAES系統(tǒng)的一種特定類型是絕熱壓縮空氣能量存儲系統(tǒng)(ACAES)，其中采用熱能存儲(TES)單元來在存儲于洞穴中前冷卻壓縮空氣并且當壓縮空氣從洞穴抽出并供給到渦輪組時對空氣進行再熱。因此，ACAES系統(tǒng)允許以高于非絕熱系統(tǒng)的效率存儲能量，因為在空氣壓縮期間生成的熱未被扔棄，而是隨后用于在經渦輪排放期間對壓縮空氣進行預熱。當前提出的ACAESA系統(tǒng)設計典型地結合單個TES單元。單個TES單元的使用導致TES單元被迫在高溫和高壓下操作。例如，單個TES單元可達到高達650°C的操作溫度并且在60巴的壓力下操作。TES單元的高溫度、高壓力和大負荷在材料、熱膨脹、熱損失、尺寸和機械應力方面提出了工程學挑戰(zhàn)。解決這些工程學挑戰(zhàn)的需要導致成本上升和開發(fā)時間長，并且存在極大的市場壁壘。此外，單個TES單元的使用還導致ACAES系統(tǒng)的效率降低。亦即，與在較低的溫度與壓力比下操作的渦輪機械相比，被迫在高溫和高壓力比下操作的渦輪機械(即壓縮機和渦輪)具有較低的效率。其中在壓縮機和渦輪的級之間增加另外的TES單元的布置用于降低溫度與壓力比，因此有助于提高ACAES系統(tǒng)中的渦輪機械的效率。以前提出過采用兩個TES單元的ACAES系統(tǒng)；然而，這種兩個TES單元的布置仍未徹底解決溫度和壓力問題。亦即，即便有通過使用兩個TES單元而提供的溫度和壓力的降低，TES單元也依然被迫在500°C左右的溫度下操作。這種高操作溫度的存在仍然是在商業(yè)運作中實施ACAES系統(tǒng)的主要障礙。
因此，希望設計一種克服了前述缺點的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例提供了一種用于冷卻和加熱絕熱壓縮空氣能量存儲(ACAES)系統(tǒng)中的空氣的多級熱能存儲(TES)系統(tǒng)。該多級TES系統(tǒng)包括多個TES單元，多個TES單元的操作狀態(tài)能夠在ACAES系統(tǒng)在壓縮模式與膨脹模式中的操作之間切換或反轉。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種可在用以壓縮空氣的壓縮模式中以及在用以使空氣膨脹的膨脹模式中操作的絕熱壓縮空氣能量存儲(ACAES)系統(tǒng)。該ACAES系統(tǒng)包括構造成壓縮向其供給的空氣的壓縮機系統(tǒng)，且該壓縮機系統(tǒng)還包括多個壓縮機以及將多個壓縮機流體地連接在一起并且具有空氣進口和空氣出口的壓縮機管道。該ACAES系統(tǒng)還包括空氣存儲單元和渦輪系統(tǒng)，該空氣存儲單元連接到壓縮機管道的空氣出口上并且構造成存儲從壓縮機系統(tǒng)接收的壓縮空氣，該渦輪系統(tǒng)構造成使從空氣存儲單元向其供給的壓縮空氣膨脹，且該渦輪系統(tǒng)還包括多個渦輪以及將多個渦輪流體地連接在一起并且具有空氣進口和空氣出口的渦輪管道。該ACAES系統(tǒng)還包括構造成從經過壓縮機管道的壓縮空氣去除 熱能并且使熱能返回經過渦輪管道的空氣的多個熱能存儲(TES)單元，且多個TES單元中的每一個TES單元均沿其在壓縮機管道的空氣進口與空氣出口之間的長度定位在壓縮機管道上并且沿其在渦輪管道的空氣進口與空氣出口之間的長度定位在渦輪管道上。壓縮機管道和渦輪管道布置成使得多個TES單元的至少一部分在操作的壓縮模式期間在第一壓力狀態(tài)操作并且在操作的膨脹模式期間在不同于第一壓力狀態(tài)的第二壓力狀態(tài)操作。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于絕熱壓縮空氣能量存儲(ACAES)的方法包括向壓縮機系統(tǒng)供給空氣的步驟，該壓縮機系統(tǒng)包括通過壓縮機管道流體地連接并且在壓縮階段期間壓縮壓縮機系統(tǒng)中的空氣的多個壓縮機單元。該方法還包括以下步驟將壓縮空氣存儲在壓縮空氣存儲單元中；將壓縮空氣從壓縮空氣存儲單元供給到包括通過渦輪管道流體地連接的多個渦輪單元的渦輪系統(tǒng)；以及在膨脹階段期間使渦輪系統(tǒng)中的空氣膨脹。該方法還包括以下步驟使空氣在壓縮階段和膨脹階段中的每一個階段期間經過連接到壓縮機管道和渦輪管道的每一個上的多個熱能存儲(TES)單元，多個TES單元在多個壓縮機單元和多個渦輪單元當中間歇地隔開，以在空氣經過相應的壓縮機管道和渦輪管道時冷卻和加熱空氣?？諝獗粋魉屯ㄟ^多個TES單元，以使得多個TES單元的至少一部分在壓縮階段期間在第一壓力狀態(tài)操作并且在膨脹階段期間在不同于第一壓力狀態(tài)的第二壓力狀態(tài)操作。根據(jù)本發(fā)明的又另一方面，一種ACAES系統(tǒng)包括壓縮機系統(tǒng)，該壓縮機系統(tǒng)構造成壓縮向其供給的空氣并且具有多個壓縮機以及連接多個壓縮機并且具有空氣進口和空氣出口的壓縮路徑。該ACAES系統(tǒng)還包括空氣存儲單元和渦輪系統(tǒng)，該空氣存儲單元連接到壓縮路徑的空氣出口上并且構造成存儲從壓縮機系統(tǒng)接收的壓縮空氣，該渦輪系統(tǒng)構造成使從空氣存儲單元向其供給的壓縮空氣膨脹，且該渦輪系統(tǒng)具有多個渦輪以及連接多個渦輪并且具有空氣進口和空氣出口的膨脹路徑。該ACAES系統(tǒng)還包括構造成在充入階段期間冷卻經過壓縮路徑的空氣并且在排放階段期間加熱經過膨脹路徑的空氣的多級熱能存儲(TES)系統(tǒng)，且該多級TES系統(tǒng)包括多個TES單元，每個TES單元均構造成在不同的壓力狀態(tài)下操作。壓縮路徑和膨脹路徑的路線設定為使得多個TES單元的至少一部分在充入階段期間在第一壓力狀態(tài)操作并且在排放階段期間在不同于第一壓力狀態(tài)的第二壓力狀態(tài)操作。各種其它特征和優(yōu)點將從以下詳細描述和附圖變得明顯。


附圖示出了當前為實施本發(fā)明而構想的優(yōu)選實施例。在附圖中
圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的絕熱壓縮空氣能量存儲(ACAES)系統(tǒng)的方框示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的ACAES系統(tǒng)的方框不意圖。 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的熱能存儲(TES)單元的方框示意圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供多級熱能存儲(TES)系統(tǒng)來冷卻和加熱絕熱壓縮空氣能量存儲(ACAES)系統(tǒng)中的空氣。多級TES系統(tǒng)包括多個TES單元，多個TES單元的操作狀態(tài)可以在ACAES系統(tǒng)在壓縮模式與膨脹模式中的操作之間切換或反轉。參照圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的絕熱壓縮空氣能量存儲(ACAES)系統(tǒng)10的方框示意圖。ACAES系統(tǒng)10包括電動機-發(fā)電機單元12 (其可以是組合的單元或分離的單元)、驅動軸14、壓縮系統(tǒng)或組16、壓縮空氣存儲空間或洞穴18和渦輪系統(tǒng)或組20。電動機-發(fā)電機單元12電氣地連接到例如基本負載發(fā)電設備(未示出)上，以從其接收功率。電動機-發(fā)電機單元12和驅動軸14經離合器(未示出)選擇性地聯(lián)接到壓縮機系統(tǒng)16和渦輪系統(tǒng)20上。壓縮機系統(tǒng)16在操作的壓縮模式期間聯(lián)接到電動機-發(fā)電機單元12和驅動軸14上，而渦輪系統(tǒng)20與電動機-發(fā)電機單元12和驅動軸14脫開。在操作的膨脹模式期間，渦輪系統(tǒng)20聯(lián)接到電動機-發(fā)電機單元12和驅動軸14上，而壓縮機系統(tǒng)16與電動機-發(fā)電機單元12和驅動軸14脫開。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，電動機-發(fā)電機單元12在操作的壓縮模式(即壓縮階段)期間驅動驅動軸14。驅動軸14又驅動包括低壓壓縮機22和高壓壓縮機24的壓縮機系統(tǒng)16，使得一定量的環(huán)境空氣進入環(huán)境空氣吸氣口 26 (即進口)并且由壓縮機系統(tǒng)16壓縮。低壓壓縮機22經由壓縮路徑28 (即壓縮機管道)聯(lián)接到高壓壓縮機24。根據(jù)本實施例，低壓壓縮機22壓縮環(huán)境空氣。經壓縮的環(huán)境空氣然后沿壓縮路徑28傳至高壓壓縮機24，在這里環(huán)境空氣在壓縮機路徑出口 30處離開壓縮路徑28之前被進一步壓縮并且被轉移到洞穴18。在壓縮空氣被存儲在洞穴18中之后，可允許壓縮空氣在操作的膨脹模式(即膨脹階段)期間進入膨脹路徑34(即渦輪管道)的進口 32。壓縮空氣順著膨脹路徑34下行至渦輪系統(tǒng)20，該渦輪系統(tǒng)20包括低壓渦輪36和高壓渦輪38。由于渦輪系統(tǒng)20的構造，允許壓縮空氣在它經過渦輪系統(tǒng)20時膨脹；因此，使渦輪系統(tǒng)20的渦輪36、38旋轉以便有利于發(fā)電。渦輪系統(tǒng)20的旋轉使驅動軸14旋轉。驅動軸14又驅動電動機-發(fā)電機單元12，從而使該單元充當發(fā)電機以產生電力。如圖I中所示，ACAES系統(tǒng)10還包括構造成在經過壓縮路徑28和膨脹路徑34的空氣由壓縮機系統(tǒng)16和渦輪系統(tǒng)20壓縮/膨脹時冷卻和加熱該空氣的多級熱能存儲(TES)系統(tǒng)40。多級TES系統(tǒng)40包括可以采取各種形式的多個單獨的TES單元42、44。每個TES單元均通常具有兩個主元件，即熱填料46和收容容器48。熱填料46是用以存儲在壓縮循環(huán)期間生成的壓縮熱的足量的蓄熱材料。熱填充材料46典型地一天循環(huán)至少一次。收容容器48支承熱填料46，并且視設計而定，包含操作壓力。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，TES單元42、44可以為間接型，其中循環(huán)的空氣通過利用熱交換器(未示出)在不直接接觸的狀態(tài)下向熱填料46傳熱和從熱填料46傳熱。這種裝置容許使用各種各樣的熱填充材料，諸如熱油或熔鹽。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，TES單元42、44可以為直接型，其中諸如卵石之類的固體材料在壓縮空氣循環(huán)時與壓縮空氣直接接觸，諸如卵石床。在操作中，多級TES系統(tǒng)40用于在ACAES系統(tǒng)10的操作的壓縮或“充入”階段/ 模式期間從壓縮空氣去除熱量。隨著空氣由壓縮機系統(tǒng)16壓縮并且沿壓縮路徑28傳至洞穴18，多級TES系統(tǒng)40冷卻壓縮空氣。亦即，在壓縮空氣被存儲在洞穴18中之前，壓縮空氣經過多級TES系統(tǒng)40以在存儲在洞穴中前從壓縮空氣去除熱量，以便保護其完整性。熱由多級TES系統(tǒng)40存儲，并且以后在ACAES系統(tǒng)10的操作的膨脹或“排放”階段/模式期間被傳回到壓縮空氣。隨著壓縮空氣從洞穴18被釋放并且經過膨脹路徑34而被渦輪系統(tǒng)20膨脹，空氣在它返回經過多級TES系統(tǒng)40時被加熱。根據(jù)圖I的實施例，多級TES系統(tǒng)40包括沿壓縮路徑28和膨脹路徑34間歇地定位以向經過其中的空氣提供冷卻/加熱的第一 TES單元42和第二 TES單元44。根據(jù)一個示例性實施例，壓縮路徑28布置或路線設置為使得空氣首先被引導到第一 TES單元42，然后繼而被引導到第二 TES單元44。空氣經進口 26進入壓縮路徑28并且被提供給低壓壓縮機22。低壓壓縮機22將空氣壓縮到第一壓力水平(即“低”壓)，然后空氣經壓縮路徑28被傳送到第一 TES單元42，在這里對空氣進行冷卻。然后，空氣繼續(xù)經壓縮路徑28傳至高壓壓縮機24，在這里空氣被壓縮到第二壓力水平(即“高”壓)。然后，空氣經壓縮路徑28被傳送到第二 TES單元44，在這里空氣在經出口 30離開壓縮路徑28之前再次被冷卻，以存儲在洞穴18中。因此，壓縮路徑28因而路線設置為使得第一 TES單元42在壓縮路徑28上定位在低壓壓縮機22與高壓壓縮機24之間并且使得第二 TES單元44在壓縮路徑28上定位在高壓壓縮機24的下游，以冷卻由高壓壓縮機壓縮的空氣。根據(jù)一個示例性實施例，膨脹路徑34路線設置為使得空氣首先被引導到第一 TES單元42，然后繼而被引導到第二 TES單元44?？諝饨涍M口 32進入膨脹路徑34并且被提供給第一 TES單元42，在這里空氣被加熱。經加熱的空氣然后經膨脹路徑34傳至高壓渦輪38，該高壓渦輪38使空氣膨脹。然后，空氣繼續(xù)通過膨脹路徑34并且被引導到第二 TES單元44，在這里空氣在沿膨脹路徑34傳至低壓渦輪36之前再次被加熱。然后，空氣在低壓渦輪36中再次膨脹并且例如向環(huán)境排放。根據(jù)圖I中所示的ACAES系統(tǒng)10的實施例，膨脹路徑34因此路線設置/布置成以便“反轉”第一 TES單元42和第二 TES單元44的操作或功能。亦即，基于壓縮路徑28的路線，在操作的壓縮/充入模式期間，第一 TES單元42充當“低壓TES單元”并且第二 TES單元44充當“高壓TES單元”。在操作的膨脹/排放模式期間，基于膨脹路徑34的路線，第一 TES單元42充當“高壓TES單元”并且第二 TES單元44充當“低壓TES單元”。第一 TES單元42和第二 TES單元44的操作/功能在充入和排放操作模式之間的反轉使得TES單元的峰值操作溫度降低。例如，與不反轉兩個TES單元的功能的500°C的溫度或使用單個TES單元的650°C的溫度相比，第一 TES單元42的操作溫度可以是大約325°C且第二 TES單元44的操作溫度可以是大約310°C。第一 TES單元42和第二 TES單元44的操作/功能在操作的充入與排出模式之間的反轉也使得壓縮機系統(tǒng)16中的操作壓力降低。與單級壓縮機系統(tǒng)中的60巴相比，例如，低壓壓縮機22和聞壓壓縮機24的操作壓力可以是12巴和5巴?，F(xiàn)參照圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的ACAES系統(tǒng)50。ACAES系統(tǒng)50包括電動機-發(fā)電機單元52 (其可以是組合的單元或分離的單元)、驅動軸54、壓縮機系統(tǒng)或組56、壓縮空氣存儲空間58和渦輪系統(tǒng)或組60。壓縮機系統(tǒng)56包括低壓壓縮機62、中壓壓縮機64和聞壓壓縮機66,以及聯(lián)接這些壓縮機并且包括進口 70和出口 72的壓縮路徑68。根據(jù)本實施例，低壓壓縮機62壓縮經 進口 70進入的環(huán)境空氣。然后，經壓縮的環(huán)境空氣沿壓縮路徑68傳至中壓壓縮機64，在這里環(huán)境空氣在沿壓縮路徑68進一步傳至高壓壓縮機66之前被進一步壓縮，以在出口 72處離開壓縮路徑68并且被轉移到洞穴58之前進行進一步的壓縮。在壓縮空氣存儲在洞穴58中之后，可允許壓縮空氣在操作的膨脹模式(即膨脹階段)期間進入膨脹路徑76的進口 74。壓縮空氣順著膨脹路徑76下行至渦輪系統(tǒng)60，該渦輪系統(tǒng)60包括低壓渦輪78、中壓渦輪80和高壓渦輪82。由于渦輪系統(tǒng)60的構造，允許壓縮空氣在它經過渦輪系統(tǒng)60時膨脹；因此，使渦輪系統(tǒng)60的渦輪78、80、82旋轉以便有利于發(fā)電。渦輪系統(tǒng)60的旋轉使驅動軸54旋轉。驅動軸54又驅動電動機-發(fā)電機單元52，從而使該單元充當發(fā)電機以產生電力。如圖2中所示，ACAES系統(tǒng)50還包括構造成在經過壓縮機路徑68和膨脹路徑76的空氣由壓縮機系統(tǒng)56和渦輪系統(tǒng)60壓縮/膨脹時冷卻和加熱該空氣的多級熱能存儲(TES)系統(tǒng)84。多級TES系統(tǒng)84包括可以采取如上文參照圖2所述的各種構造/形式的多個單獨的TES單元86、88、90。在操作中，多級TES系統(tǒng)84用于在ACAES系統(tǒng)50操作的壓縮或“充入”階段/模式期間從壓縮空氣去除熱量。隨著空氣由壓縮機系統(tǒng)56壓縮并且沿壓縮路徑68傳至洞穴58，多級TES系統(tǒng)84冷卻壓縮空氣。亦即，在壓縮空氣被存儲在洞穴58中之前，壓縮空氣經過多級TES系統(tǒng)84以在存儲在洞穴中前從壓縮空氣去除熱量，以便保護其完整性。熱由多級TES系統(tǒng)84存儲，并且以后在ACAES系統(tǒng)50操作的膨脹或“排放”階段/模式期間被傳回到壓縮空氣。隨著壓縮空氣從洞穴58被釋放并且經過膨脹路徑76而被渦輪系統(tǒng)60膨脹，空氣在它返回經過多級TES系統(tǒng)84時被加熱。根據(jù)圖2的實施例，多級TES系統(tǒng)84包括沿壓縮路徑68和膨脹路徑76間歇地定位以向經過其中的空氣提供冷卻/加熱的第一 TES單元86、第二 TES單元88和第三TES單元90。根據(jù)一個示例性實施例，壓縮路徑68布置或路線設置為使得空氣首先被引導到第一TES單元86，隨后被弓I導到第二 TES單元88，然后繼而被弓I導到第三TES單元90?？諝饨涍M口 70進入壓縮路徑68并且被提供給低壓壓縮機62。低壓壓縮機62將空氣壓縮到第一壓力水平(即“低”壓)，然后空氣經壓縮路徑68被傳送到第一 TES單元86，在這里空氣被冷卻。然后，空氣繼續(xù)經壓縮路徑68傳至中壓壓縮機64，在這里空氣被壓縮到第二壓力水平(即“中”壓)，然后經壓縮路徑68被傳送到第二 TES單元88，在這里空氣再次被冷卻?？諝庾罱K沿壓縮路徑68傳至高壓壓縮機66，在這里空氣在經壓縮路徑68被傳送到第三TES單元90以便在經出口 72離開壓縮機68以存儲在洞穴58中之前進行最終冷卻之前被壓縮到第三壓力水平(即“高”壓)。因此，壓縮路徑68路線設置為使得第一 TES單元86在壓縮路徑68上定位在低壓壓縮機62與中壓壓縮機64之間，使得第二 TES單元88在壓縮路徑68上定位在中壓壓縮機64與高壓壓縮機66之間，并且使得第三TES單元90在壓縮路徑68上定位在高壓壓縮機66的下游。根據(jù)一個示例性實施例，膨脹路徑76路線設置為使得空氣首先被引導到第三TES單元90，隨后被引導到第一 TES單元86，然后繼而被引導到第二 TES單元88?？諝鈴亩囱?8經進口 74進入膨脹路徑76并且被提供給第三TES單元90，在這里空氣被加熱。經加熱的空氣然后經膨脹路徑76傳至高壓渦輪82，該高壓渦輪82使空氣膨脹。然后，空氣繼續(xù) 通過膨脹路徑76并且被引導到第一 TES單元86，在這里空氣在沿膨脹路徑76流動以在中壓渦輪80中膨脹之前被再次加熱。在中壓渦輪80中膨脹后，空氣沿膨脹路徑76傳至第二TES單元88，在這里空氣在沿膨脹路徑76傳送以在低壓渦輪78中膨脹之前再次被加熱。因此，膨脹路徑76路線設置/布置成“切換”第一 TES單元86和第二 TES單元88的操作或功能。亦即，基于壓縮路徑68的路線，在操作的壓縮/充入模式期間，第一 TES單元86充當“低壓TES單元”并且第二 TES單元88充當“中壓TES單元”。在操作的膨脹/排放模式期間，基于膨脹路徑76的路線，第一 TES單元86充當“中壓TES單元”并且第二TES單元88充當“低壓TES單元”。多級TES系統(tǒng)84中三個TES單元86、88、90的結合，以及第一 TES單元86和第二TES單元88的操作/功能在操作的充入模式與排放模式之間的切換，使得TES單元86、88、90的峰值操作溫度降低。例如，與未反轉三個TES單元的功能的420°C的溫度或使用單個TES單元的650°C的溫度相比，第一 TES單元86的操作溫度可以是大約230°C，第二 TES單元88的操作溫度可以是大約280°C，且第三TES單元90的操作溫度可以是大約265°C。多級TES系統(tǒng)84中三個TES單元86、88、90的結合以及第一 TES單元86和第二TES單元88的操作/功能在操作的充入模式與排放模式之間的切換也使得壓縮機系統(tǒng)56中的操作壓力降低。與單級壓縮機系統(tǒng)中的60巴相比，低壓壓縮機62、中壓壓縮機64和高壓壓縮機66的操作壓力可以是例如6巴、3. 3巴和3巴。雖然將ACAES系統(tǒng)50中的膨脹路徑76的路線顯示和描述為將空氣依次傳送通過第三TES單元90、第一 TES單元86和第二 TES單元88 (即高壓到低壓到中壓)，但應認識至IJ，膨脹路徑76的其它路線也在本發(fā)明的范圍內。因此，例如，根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，膨脹路徑76可以路線設置為使空氣依次經過第一 TES單元86、第二 TES單元88和第三TES單元90 (即高壓到中壓到低壓)。 現(xiàn)參照圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的諸如結合在多級TES系統(tǒng)40、84中的TES單元92的構造。TES單元92由三個單獨的TES子單元94、96、98構成，各TES子單元均連接到壓縮路徑28、68和膨脹路徑34、76上。TES子單元94、96、98并列布置成使得來自壓縮路徑28、68和膨脹路徑34、76的空氣等量地流入各TES子單元中。與由單個外殼和填料形成的TES單元相比，TES單元92的構造來自多個TES子單元94、96、98用于進一步降低TES子單元94、96、98中的溫度。雖然將TES單元92顯示為由三個TES子單元94、96,98形成，但應認識到，根據(jù)本發(fā)明的實施例，TES單元92中可以包括更大或更小數(shù)量的子單元。應該認識到，本發(fā)明的實施例并不限于上述實例。亦即，根據(jù)本發(fā)明的實施例，ACAES系統(tǒng)中可以采用更大數(shù)量的壓縮機和渦輪以及更大數(shù)量的TES單元。將空氣有效地壓縮到要求的操作和存儲壓力所需的壓縮機的數(shù)量可以變化，因為此類壓力高度取決于空氣存儲裝置/洞穴18、58的類型和深度。例如，已發(fā)現(xiàn)對于位于大約1500英尺的深度處的鹽穹和蓄水層,大約400psi至IOOOpsi的壓力范圍是足夠的。壓縮機系統(tǒng)16、56中要求的壓縮機的數(shù)量取決于空氣壓力以及洞穴18、58的類型和深度，以及其它因素。因此，TES單元的數(shù)量也將根據(jù)所采用的壓縮機/渦輪的數(shù)量而變化。例如，四個或更多TES單元可以結合到ACAES系統(tǒng)中，以充當系統(tǒng)中的每一個壓縮階段與膨脹階段之間的中冷器和再熱器。有益地，所設置的多個TES單元將降低各個TES單元的峰值操作溫度，使得TES單元的操作溫度范圍將理想地落入200°C至360°C之間。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了可在用以壓縮空氣的壓縮模式中以及在 用以使空氣膨脹的膨脹模式中操作的絕熱壓縮空氣能量存儲(ACAES)系統(tǒng)。該ACAES系統(tǒng)包括構造成壓縮向其供給的空氣的壓縮機系統(tǒng)，且該壓縮機系統(tǒng)還包括多個壓縮機以及將多個壓縮機流體地連接在一起并且具有空氣進口和空氣出口的壓縮機管道。該ACAES系統(tǒng)還包括空氣存儲單元和渦輪系統(tǒng)，該空氣存儲單元連接到壓縮機管道的空氣出口并且構造成存儲從壓縮機系統(tǒng)接收的壓縮空氣，該渦輪系統(tǒng)構造成使從空氣存儲單元向其供給的壓縮空氣膨脹，且該渦輪系統(tǒng)還包括多個渦輪以及將多個渦輪流體地連接在一起并且具有空氣進口和空氣出口的渦輪管道。該ACAES系統(tǒng)還包括構造成從經過壓縮機管道的壓縮空氣去除熱能并且使熱能返回經過渦輪管道的空氣的多個熱能存儲(TES)單元，且多個TES單元中的每一個TES單元均沿其在壓縮機管道的空氣進口與空氣出口之間的長度定位在壓縮機管道上并且沿其在渦輪管道的空氣進口與空氣出口之間的長度定位在渦輪管道上。壓縮機管道和渦輪管道布置成使得多個TES單元的至少一部分在操作的壓縮模式期間在第一壓力狀態(tài)操作并且在操作的膨脹模式期間在不同于第一壓力狀態(tài)的第二壓力狀態(tài)操作。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種用于絕熱壓縮空氣能量存儲(ACAES)的方法包括向壓縮機系統(tǒng)供給空氣的步驟，該壓縮機系統(tǒng)包括通過壓縮機管道流體地連接并且在壓縮階段期間壓縮壓縮機系統(tǒng)中的空氣的多個壓縮機單元。該方法還包括以下步驟將壓縮空氣存儲在壓縮空氣存儲單元中；將壓縮空氣從壓縮空氣存儲單元供給到包括通過渦輪管道流體地連接的多個渦輪單元的渦輪系統(tǒng)；以及在膨脹階段期間使渦輪系統(tǒng)中的空氣膨脹。該方法還包括以下步驟使空氣在壓縮階段和膨脹階段中的每一個階段期間經過連接到壓縮機管道和渦輪管道的每一個上的多個熱能存儲(TES)單元，多個TES單元在多個壓縮機單元和多個渦輪單元當中間歇地隔開，以在空氣經過相應的壓縮機管道和渦輪管道時冷卻和加熱該空氣。空氣被傳送通過多個TES單元，以使得多個TES單元的至少一部分在壓縮階段期間在第一壓力狀態(tài)操作并且在膨脹階段期間在不同于第一壓力狀態(tài)的第二壓力狀態(tài)操作。根據(jù)本發(fā)明的又另一實施例，一種ACAES系統(tǒng)包括壓縮機系統(tǒng),該壓縮機系統(tǒng)構造成壓縮向其供給的空氣并且具有多個壓縮機以及連接多個壓縮機并且具有空氣進口和空氣出口的壓縮路徑。該ACAES系統(tǒng)還包括空氣存儲單元和渦輪系統(tǒng)，該空氣存儲單元連接到壓縮路徑的空氣出口上并且構造成存儲從壓縮機系統(tǒng)接收的壓縮空氣，該渦輪系統(tǒng)構造成使從空氣存儲單元向其供給的壓縮空氣膨脹，且該渦輪系統(tǒng)具有多個渦輪以及連接多個渦輪并且具有空氣進口和空氣出口的膨脹路徑。該ACAES系統(tǒng)還包括構造成在充入階段期間冷卻經過壓縮路徑的空氣并且在排放階段期間加熱經過膨脹路徑的空氣的多級熱能存儲(TES)系統(tǒng)，且該多級TES系統(tǒng)包括多個TES單元，每個TES單元均構造成在不同的壓力狀態(tài)下操作。壓縮路徑和膨脹路徑路線設置為使得多個TES單元的至少一部分在充入階 段期間在第一壓力狀態(tài)操作并且在排放階段期間在不同于第一壓力狀態(tài)的第二壓力狀態(tài)操作。此書面描述使用了包括最佳模式在內的實例來公開本發(fā)明，并且還使本領域的任何技術人員能夠實施本發(fā)明，包括制造并利用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何所結合的方法。本發(fā)明可取得專利權的范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它 實例。如果此類其它實例沒有不同于權利要求的文字語言所描述的結構元件，或者它們包括與權利要求的文字語言無實質性區(qū)別的等同結構元件，則認為此類其它實例包含在權利要求的保護范圍內。
權利要求
1.一種可在用以壓縮空氣的壓縮模式中以及在用以使空氣膨脹的膨脹模式中操作的絕熱壓縮空氣能量存儲(ACAES)系統(tǒng)，所述ACAES系統(tǒng)包括 構造成壓縮向其供給的空氣的壓縮機系統(tǒng)，所述壓縮機系統(tǒng)包括 多個壓縮機；以及 壓縮機管道，其將所述多個壓縮機流體地連接在一起并且具有空氣進口和空氣出口 ；空氣存儲單元，其連接到所述壓縮機管道的所述空氣出口上并且構造成存儲從所述壓縮機系統(tǒng)接收的壓縮空氣； 渦輪系統(tǒng)，其構造成使從所述空氣存儲單元向其供給的壓縮空氣膨脹，所述渦輪系統(tǒng)包括 多個渦輪；以及渦輪管道，其將所述多個渦輪流體地連接在一起并且具有空氣進口和空氣出口 ；以及構造成從經過所述壓縮機管道的壓縮空氣去除熱能并且使熱能返回經過所述渦輪管道的空氣的多個熱能存儲(TES)單元，所述多個TES單元中的每一個TES單元均沿其在所述壓縮機管道的空氣進口與空氣出口之間的長度定位在所述壓縮機管道上，并且沿其在所述渦輪管道的空氣進口與空氣出口之間的長度定位在所述渦輪管道上； 其中，所述壓縮機管道和所述渦輪管道布置成使得所述多個TES單元的至少一部分在操作的壓縮模式期間在第一壓力狀態(tài)操作并且在操作的膨脹模式期間在不同于所述第一壓力狀態(tài)的第二壓力狀態(tài)操作。
2.根據(jù)權利要求I所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于 所述多個壓縮機包括低壓壓縮機和高壓壓縮機； 所述多個渦輪包括低壓渦輪和高壓渦輪；并且 所述多個TES單元包括定位在所述壓縮機管道和所述渦輪管道上的第一 TES單元以及定位在所述壓縮機管道和所述渦輪管道上的第二 TES單元。
3.根據(jù)權利要求2所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮機管道布置成使處于第一壓力下的空氣經過所述第一 TES單元并且隨后使處于第二壓力下的空氣經過所述第二TES單元；并且 其中，所述渦輪管道布置成使處于所述第二壓力下的空氣經過所述第一 TES單元并且隨后使處于所述第一壓力下的空氣經過所述第二 TES單元。
4.根據(jù)權利要求3所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于，處于所述第一壓力下的空氣包括低壓空氣并且處于所述第二壓力下的空氣包括高壓空氣，使得所述第一 TES單元接收來自所述壓縮機管道的低壓空氣和來自所述渦輪管道的高壓空氣，并且使得所述第二 TES單元接收來自所述壓縮機管道的高壓空氣和來自所述渦輪管道的低壓空氣。
5.根據(jù)權利要求I所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于 所述多個壓縮機包括低壓壓縮機、中壓壓縮機和高壓壓縮機； 所述多個渦輪包括低壓渦輪、中壓渦輪和高壓渦輪；并且 所述多個TES單元包括定位在所述壓縮機管道和所述渦輪管道上的第一 TES單元、定位在所述壓縮機管道和所述渦輪管道上的第二 TES單元以及定位在所述壓縮機管道和所述渦輪管道上的第三TES單元。
6.根據(jù)權利要求5所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮機管道布置成使處于第一壓力下的空氣經過所述第一 TES單元，隨后使處于第二壓力下的空氣經過所述第二 TES單元，并且隨后使處于第三壓力下的空氣經過所述第三TES單元；并且 其中，所述渦輪管道布置成使處于所述第三壓力下的空氣經過所述第三TES單元，隨后使處于所述第二壓力的空氣經過所述第一 TES單元，并且隨后使處于所述第一壓力下的空氣經過所述第二 TES單元。
7.根據(jù)權利要求6所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于，處于所述第一壓力下的空氣包括低壓空氣，處于所述第二壓力下的空氣包括中壓空氣，并且處于所述第三壓力下的空氣包括高壓空氣，使得所述第一 TES單元接收來自所述壓縮機管道的低壓空氣和來自所述渦輪管道的中壓空氣，使得所述第二 TES單元接收來自所述壓縮機管道的中壓空氣和來自所述渦輪管道的低壓空氣，并且使得所述第三TES單元接收來自所述壓縮機管道的高壓空氣和來自所述渦輪管道的高壓空氣。
8.根據(jù)權利要求I所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于，所述多個TES單元中的每一個TES單元均包括并列連接到所述壓縮機管道和所述渦輪管道兩者上的多個TES子單元。
9.根據(jù)權利要求I所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于，所述多個TES單元沿所述壓縮機管道和所述渦輪管道布置，以分別在每個壓縮階段后冷卻空氣并且在每個膨脹階段前加熱空氣。
10.根據(jù)權利要求I所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于，所述多個TES單元中的每一個TES單元均在200°C至360°C的溫度范圍內操作。
11.一種用于絕熱壓縮空氣能量存儲(ACAES)的方法，包括 向壓縮機系統(tǒng)供給空氣，所述壓縮機系統(tǒng)包括由壓縮機管道流體地連接的多個壓縮機單元； 在壓縮階段期間在所述壓縮機系統(tǒng)中壓縮空氣； 將壓縮空氣存儲在壓縮空氣存儲單元中； 將所述壓縮空氣從所述壓縮空氣存儲單元供給到渦輪系統(tǒng)，所述渦輪系統(tǒng)包括由渦輪管道流體地連接的多個渦輪單元； 在膨脹階段期間在所述渦輪系統(tǒng)中膨脹空氣；以及 在所述壓縮階段和所述膨脹階段的每一個階段期間，使空氣經過連接到所述壓縮機管道和所述渦輪管道的每一個上的多個熱能存儲(TES)單元，所述多個TES單元在所述多個壓縮機單元和所述多個渦輪單元當中間歇地隔開，以在空氣經過相應的所述壓縮機管道和所述渦輪管道時冷卻和加熱空氣； 其中，空氣被傳送通過所述多個TES單元，使得所述多個TES單元的至少一部分在所述壓縮階段期間在第一壓力狀態(tài)操作，并且在所述膨脹階段期間在不同于所述第一壓力狀態(tài)的第二壓力狀態(tài)操作。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其特征在于，使空氣經過所述多個TES單元包括 使空氣經過第一 TES單元并且隨后當使空氣經過所述壓縮機管道時使空氣經過第二TES單元，使得低壓空氣經過所述第一 TES單元并且高壓空氣經過所述第二 TES單元；以及使空氣經過所述第一 TES單元并且隨后當使空氣經過所述渦輪管道時使空氣經過所述第二 TES單元，使得高壓空氣經過所述第一 TES單元并且低壓空氣經過所述第二 TES單
13.根據(jù)權利要求11所述的方法，其特征在于，使空氣經過所述多個TES單元包括 當使空氣經過所述壓縮機管道時使空氣經過第一 TES單元，隨后使空氣經過第二 TES單元，并且隨后使空氣經過第三TES單元，使得低壓空氣經過所述第一 TES單元，中壓空氣經過所述第二 TES單元，并且高壓空氣經過所述第三TES單元；以及 當使空氣經過所述渦輪管道時使空氣經過所述第三TES單元，隨后使空氣經過所述第一 TES單元，并且隨后使空氣經過所述第二 TES單元，使得高壓空氣經過所述第三TES單元，中壓空氣經過所述第一 TES單元，并且低壓空氣經過所述第二 TES單元。
14.根據(jù)權利要求11所述的方法，其特征在于，壓縮所述空氣包括在兩級壓縮機系統(tǒng)和三級壓縮機系統(tǒng)的其中一個中壓縮空氣；并且 其中，使空氣膨脹包括使空氣在兩級渦輪系統(tǒng)和三級渦輪系統(tǒng)的其中一個中膨脹。
15.一種絕熱壓縮空氣能量存儲(ACAES)系統(tǒng)，包括 構造成壓縮向其供給的空氣的壓縮機系統(tǒng)，所述壓縮機系統(tǒng)包括 多個壓縮機；以及 壓縮路徑，其連接所述多個壓縮機并且具有空氣進口和空氣出口， 空氣存儲單元，其連接到所述壓縮路徑的所述空氣出口上并且構造成存儲從所述壓縮機系統(tǒng)接收的壓縮空氣； 渦輪系統(tǒng)，其構造成使從所述空氣存儲單元向其供給的壓縮空氣膨脹，所述渦輪系統(tǒng)包括 多個渦輪；以及 膨脹路徑，其連接所述多個渦輪并且具有空氣進口和空氣出口 ；以及構造成在充入階段期間冷卻經過所述壓縮路徑的空氣并且在排放階段期間加熱經過所述膨脹路徑的空氣的多級熱能存儲(TES)系統(tǒng)，所述多級TES系統(tǒng)包括多個TES單元，每一個TES單元均構造成在不同的壓力狀態(tài)下操作； 其中，所述壓縮路徑和所述膨脹路徑路線設置為使得所述多個TES單元的至少一部分在所述充入階段期間在第一壓力狀態(tài)操作，并且在所述排放階段期間在不同于所述第一壓力狀態(tài)的第二壓力狀態(tài)操作。
16.根據(jù)權利要求15所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于，所述多級TES系統(tǒng)包括 連接到所述壓縮路徑和所述膨脹路徑的每一個上的第一 TES單元；以及 連接到所述壓縮路徑和所述膨脹路徑的每一個上的第二 TES單元； 其中，所述第一 TES單元在所述充入階段期間在低壓狀態(tài)操作并且在排放階段期間在高壓狀態(tài)操作，并且其中所述第二 TES單元在所述充入階段期間在高壓狀態(tài)操作并且在所述排放階段期間在低壓狀態(tài)操作。
17.根據(jù)權利要求16所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮路徑路線設置為使低壓空氣經過所述第一 TES單元并且隨后使高壓空氣經過所述第二 TES單元；并且 其中，所述膨脹路徑路線設置為使高壓空氣經過所述第一 TES單元并且隨后使低壓空氣經過所述第二 TES單元。
18.根據(jù)權利要求15所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于，所述多級TES系統(tǒng)包括 連接到所述壓縮路徑和所述膨脹路徑的每一個上的第一 TES單元； 連接到所述壓縮路徑和所述膨脹路徑的每一個上的第二 TES單元；以及連接到所述壓縮路徑和所述膨脹路徑的每一個上的第三TES單元； 其中，所述第一 TES單元在所述充入階段期間在低壓狀態(tài)操作并且在所述排放階段期間在中壓狀態(tài)操作，其中所述第二 TES單元在所述充入階段期間在中壓狀態(tài)操作并且在所述排放階段期間在低壓狀態(tài)操作，并且其中所述第三TES單元在所述充入階段期間在高壓狀態(tài)操作并且在所述排放階段期間在高壓狀態(tài)操作。
19.根據(jù)權利要求18所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于，所述壓縮路徑路線設置為使低壓空氣經過所述第一 TES單元，使中壓空氣經過所述第二 TES單元，并且使高壓空氣經過所述第三TES單元；并且 其中，所述膨脹路徑路線設置為使高壓空氣經過所述第三TES單元，使中壓空氣經過所述第一 TES單元，并且使低壓空氣經過所述第二 TES單元。
20.根據(jù)權利要求15所述的ACAES系統(tǒng)，其特征在于，所述多個TES單元的每一個TES單元均包括并列連接到所述壓縮路徑和所述膨脹路徑兩者上的多個TES子單元。
全文摘要
公開了一種可在操作的壓縮模式和操作的膨脹模式中操作的ACAES系統(tǒng)，且其包括構造成壓縮向其供給的空氣的壓縮機系統(tǒng)和使向其供給的空氣膨脹的渦輪系統(tǒng)，且該壓縮機系統(tǒng)包括壓縮機管道并且該渦輪系統(tǒng)包括渦輪管道。該ACAES系統(tǒng)還包括定位在壓縮機管道和渦輪管道上并且構造成從經過壓縮機管道的壓縮空氣去除熱能并且使熱能返回經過渦輪管道的空氣的多個熱能存儲(TES)單元。壓縮機管道和渦輪管道布置成使得多個TES單元的至少一部分在操作的壓縮模式期間在第一壓力狀態(tài)操作并且在操作的膨脹模式期間在不同于第一壓力狀態(tài)的第二壓力狀態(tài)操作。
文檔編號F02C1/02GK102686851SQ201080059619
公開日2012年9月19日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權日2009年10月28日
發(fā)明者S.W.弗羅伊恩德 申請人:通用電氣公司