專(zhuān)利名稱(chēng)：使用管道輸送和存儲(chǔ)風(fēng)生成的能量的改進(jìn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輸送和存儲(chǔ)風(fēng)生成的能量的方法，特別地，涉及 一種經(jīng)由管道輸送和存儲(chǔ)壓縮空氣形式的風(fēng)能的方法。
背景技術(shù)：
在過(guò)去的幾十年以來(lái)，利用諸如太陽(yáng)和風(fēng)的自然資源生成能量在 美國(guó)以及整個(gè)世界已經(jīng)是一個(gè)重要的目標(biāo)。降低對(duì)石油，諸如中東資 源的依賴(lài)已成為重要的世界性問(wèn)題。能量專(zhuān)家擔(dān)心包括油、氣和煤炭 這些資源在某一天將會(huì)用盡。由于這些關(guān)注，已經(jīng)試圖啟動(dòng)很多項(xiàng)目， 以利用來(lái)自經(jīng)常稱(chēng)為自然"可替代"資源的能量。
例如，已在風(fēng)自然吹動(dòng)的區(qū)域建造了風(fēng)電場(chǎng)。在很多地區(qū)，建造 了大量的風(fēng)輪機(jī)，"目的"就在于風(fēng)，在風(fēng)輪機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)能并用于 驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)又發(fā)電。風(fēng)電場(chǎng)在風(fēng)條件相對(duì)恒定和可預(yù)測(cè)時(shí) 最有效地運(yùn)行。這種條件使得通過(guò)風(fēng)生成的能量的供給和輸送穩(wěn)定， 從而避免了能不利地影響系統(tǒng)的電涌和擺幅。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)亟鉀Q這 些條件則可能會(huì)導(dǎo)致停電和發(fā)生故障，其中一個(gè)電網(wǎng)區(qū)域中的故障會(huì) 導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的故障，即可能出現(xiàn)整個(gè)地區(qū)的停電。
然而，運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)的困難在于風(fēng)就其特定本質(zhì)而言是不穩(wěn)定和不 可預(yù)測(cè)的。在很多情況下，風(fēng)速、頻率和持續(xù)時(shí)間變化顯著，g卩，風(fēng) 不會(huì)在一段時(shí)間以相同的速度吹動(dòng)，而是風(fēng)速會(huì)隨時(shí)顯著地變化。并 且，由于通過(guò)風(fēng)生成的能量的量在數(shù)學(xué)上是風(fēng)速的立方的函數(shù)，所以 即使風(fēng)速的最小起伏或波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)生成能量的不成比例的變化。
這些情況可能會(huì)引發(fā)問(wèn)題。例如，在風(fēng)電場(chǎng)向由大量較小網(wǎng)絡(luò)組成的巨大網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)輸送能量的情形中， 一個(gè)區(qū)域中的這些突然電涌 可能會(huì)擾亂其它區(qū)域，并且甚至可能會(huì)在一些情況下使整個(gè)系統(tǒng)崩潰。 而且，如果風(fēng)電場(chǎng)專(zhuān)門(mén)用于為社區(qū)或工廠提供能量，則同樣的電涌能 導(dǎo)致過(guò)載，該過(guò)載可能損壞連接到系統(tǒng)的部件。
與風(fēng)的起伏和波動(dòng)相關(guān)的另一問(wèn)題涉及傳輸線的峰值功率靈敏 度。當(dāng)風(fēng)速起伏明顯并出現(xiàn)明顯的風(fēng)能輸出起伏時(shí)，系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)具 有足夠的線路容量來(lái)承受這些情況。同時(shí)，如果對(duì)峰值功率輸出進(jìn)行 太多的考慮，則系統(tǒng)可能被過(guò)度設(shè)計(jì)，在這種情況下，在正常的運(yùn)行 狀態(tài)，系統(tǒng)可能不會(huì)有效率地運(yùn)行，從而增加了能量的成本。
另一相關(guān)問(wèn)題是一些情況下的與沒(méi)有風(fēng)或風(fēng)速很低的情況相關(guān)的 風(fēng)能損耗。當(dāng)出現(xiàn)這種情形時(shí)，可能出現(xiàn)風(fēng)能供給的缺口，這對(duì)總的 電網(wǎng)功率輸出是有害的。在高需求期期間，諸如通常在制熱和制冷需
求高的時(shí)期，這是特別重要的。
由于這些問(wèn)題，在過(guò)去已經(jīng)作出嘗試來(lái)存儲(chǔ)通過(guò)風(fēng)產(chǎn)生的能量， 從而風(fēng)生成的能量能夠在峰值需求期和/或風(fēng)小或沒(méi)有風(fēng)的時(shí)期使用。 在過(guò)去，公用事業(yè)公司和其它能量供應(yīng)商已實(shí)施某些時(shí)移方法，在所 述方法中，存儲(chǔ)可在低需求期得到的能量，然后在以后的峰值需求期 使用。這些方法通常包括存儲(chǔ)能量，然后在以后使用該能量以補(bǔ)充需 要以另外方式得到的能量。
過(guò)去已使用了幾種這樣的能量存儲(chǔ)方法，包括壓縮空氣能存儲(chǔ)系 統(tǒng)，諸如地下洞穴和儲(chǔ)罐。然而至今，這些系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)中的一個(gè) 在于相對(duì)而言它們是能量效率低的。例如，壓縮空氣能系統(tǒng)在將壓縮 空氣能轉(zhuǎn)換成電能時(shí)容易損耗大部分的存儲(chǔ)能量，其中，使用來(lái)自存 儲(chǔ)的能量的成本大于所存儲(chǔ)的能量的價(jià)值，即，只是將壓縮空氣能轉(zhuǎn) 換成電能就通常導(dǎo)致明顯的能量損耗。這些低效率可使得對(duì)它而言， 安裝這種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)所需的經(jīng)濟(jì)動(dòng)機(jī)明顯減小。過(guò)去的系統(tǒng)不能減小低效，以及上述的在使用風(fēng)作為能量源中固有的起伏和波動(dòng)。
與風(fēng)能相關(guān)的另一問(wèn)題是，即使風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置在風(fēng)更可預(yù)測(cè)和穩(wěn)定 的位置，即使建造存儲(chǔ)設(shè)備，但仍存在附加問(wèn)題，即，使能量達(dá)到需 要能量的地方。在很多情況下，風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置在遠(yuǎn)離現(xiàn)有電網(wǎng)以及遠(yuǎn)離 需要能量的社區(qū)和工廠的位置，g卩，風(fēng)電場(chǎng)的理想位置可能在小山頂 或山峰上，或在峽谷或沙漠中，或離岸區(qū)域等，所述位置可能距離需 要能量的地點(diǎn)很多英里。在這種情況下，建立僅僅為風(fēng)電場(chǎng)服務(wù)的輸 電線來(lái)傳輸通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)生成的電能，將是非常昂貴的。不僅與建造用 于如上所述存儲(chǔ)能量的儲(chǔ)罐相關(guān)的成本是巨大的，而且與建造必須長(zhǎng) 距離延伸的新傳輸線有關(guān)的成本甚至更大。通行權(quán)費(fèi)用也將產(chǎn)生，艮P， 通常必須獲得地方社區(qū)的許可，其中獲得批準(zhǔn)的過(guò)程可能是耗時(shí)和耗 費(fèi)巨大的。
當(dāng)包括傳統(tǒng)的輸電線，并使用其來(lái)長(zhǎng)距離地傳輸能量時(shí)，具有線 路損耗的附加問(wèn)題。這在整個(gè)美國(guó)已成為日益增加的問(wèn)題，并且可能 是世界性的問(wèn)題。例如，盡管過(guò)去的幾十年來(lái)已建立了數(shù)千英里的高 壓輸電線，建立新傳輸線的費(fèi)用實(shí)際上已經(jīng)減少了，而對(duì)于電的需求 仍繼續(xù)增加。事實(shí)上，根據(jù)一些統(tǒng)計(jì)，過(guò)去25年來(lái)，對(duì)于新傳輸設(shè)備 的年投資額已下降，這樣導(dǎo)致過(guò)度的電網(wǎng)擁塞和阻塞，艮P，由于用戶(hù) 不能使用低成本的電供給以及由于較高的線路損耗，導(dǎo)致更高的電成 本。
線路損耗通常涉及系統(tǒng)負(fù)載的輕重以及涉及與配線屬性和用于傳
輸能量的條件有關(guān)的固有特性。實(shí)際上，1970年在美國(guó)，傳輸和配電 損耗在大約5%，但由于能量需求增加而傳輸設(shè)備沒(méi)有足夠的增加，所 以在2001年傳輸和配電損耗已增加到大約9.5%。這些損耗由可影響電 網(wǎng)的各個(gè)方面的擁塞的傳輸路徑導(dǎo)致，其中估計(jì)停電和電力質(zhì)量擾動(dòng) 每年花費(fèi)美國(guó)經(jīng)濟(jì)多達(dá)1800億美元。另一相關(guān)問(wèn)題是，整個(gè)美國(guó)并且很可能在其它國(guó)家中，對(duì)于能量 的最高需求經(jīng)常出現(xiàn)在白天，因此，在最高需求期期間的對(duì)電能的需 求繼續(xù)增加。這些峰值需求能夠給供應(yīng)電能的公用電站和電網(wǎng)帶來(lái)了 沉重的負(fù)擔(dān)，其中，這些公用電站和電網(wǎng)通常必須被建造成滿(mǎn)足最高 的需求期，這意味著在低需求期期間，它們必將是低效的，即，低于 峰值效率和性能運(yùn)行。這意味著不僅必須建立傳輸線來(lái)承受最高的需 求期，而且公用電站本身必須設(shè)計(jì)成在峰值需求期產(chǎn)生充足的能量， 即使這些時(shí)期僅在每個(gè)月的一小部分時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)。這是因?yàn)閭鬏斁€本 身不存儲(chǔ)能量，S卩，它們僅僅是能量"管道"，因此，公用電站必須 能夠產(chǎn)生和供應(yīng)較高的能量量。如果不能適當(dāng)?shù)亟鉀Q此高需求期，諸 如通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行過(guò)度設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足峰值需求，則可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)頻繁 的停電和故障，并導(dǎo)致成本的增加。
這些需求也會(huì)給需要在峰值需求期使用能量的用戶(hù)，包括許多商 業(yè)和工業(yè)財(cái)產(chǎn)的擁有者和經(jīng)營(yíng)者帶來(lái)昂貴的負(fù)擔(dān)。公用事業(yè)公司經(jīng)常 對(duì)在峰值需求期消耗的能量收取大量的額外費(fèi)用。此慣例通?；谥?名的供需原理，例如當(dāng)需求高時(shí)，能量費(fèi)用較高，而當(dāng)需求低時(shí)，能 量費(fèi)用較低。并且因?yàn)榇蟛糠稚虡I(yè)和工業(yè)財(cái)產(chǎn)的擁有者被迫在白天運(yùn) 營(yíng)，所以它們最經(jīng)常被迫支付最高需求期期間的最高能量費(fèi)用。
通過(guò)根據(jù)在預(yù)定時(shí)期期間，諸如在一個(gè)月時(shí)期期間發(fā)生的能量消 耗的最大費(fèi)用來(lái)估計(jì)罰金和附加費(fèi)的價(jià)格(下文中"需求費(fèi)用")， 公用事業(yè)公司還收取峰值需求期的峰值能量使用費(fèi)。需求費(fèi)用可例如 基于在短峰值和電涌期間產(chǎn)生的消耗的最大"峰值"費(fèi)用來(lái)確定，其 中，可以在不管該時(shí)期期間"峰值"和"電涌"多短且不管峰值或電 涌之緊前和緊后可能適用的費(fèi)用是多少的情況下，對(duì)需求費(fèi)用進(jìn)行估 價(jià)。還可在不管該時(shí)期期間有效的平均消耗費(fèi)用的情況下對(duì)此需求費(fèi) 用進(jìn)行估價(jià)，而所述平均消耗費(fèi)用可能遠(yuǎn)比峰值更低。即使使用的總 平均費(fèi)用明顯較低，但需求費(fèi)用可能基于在此時(shí)期期間經(jīng)歷很短時(shí)間 的高得多的峰值或電涌。這些定價(jià)慣例被設(shè)計(jì)為有助于公用事業(yè)公司抵消和/或補(bǔ)償建造 如上所述的設(shè)計(jì)為滿(mǎn)足峰值需求期的公用事業(yè)電場(chǎng)和電網(wǎng)的高成本。 他們還鼓勵(lì)商業(yè)和工業(yè)財(cái)產(chǎn)擁有者和運(yùn)營(yíng)者減小在峰值期期間的能量 消耗，以及如果可能的話嘗試發(fā)現(xiàn)可替代能量源。然而，由于大多數(shù) 商業(yè)和工業(yè)財(cái)產(chǎn)擁有者和運(yùn)營(yíng)者必須在白天運(yùn)營(yíng)他們的商業(yè)，并且可 替代能量源不總是容易得到的，因此他們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己必須在最高費(fèi) 用期期間使用來(lái)自電網(wǎng)的能量。而且，因?yàn)槟芰肯穆士赡懿▌?dòng)，并 且可能在不同時(shí)期發(fā)生電涌和峰值，所以可能會(huì)涉及潛在的巨大需求 費(fèi)用。

發(fā)明內(nèi)容
盡管在美國(guó)以及其它國(guó)家的能量生產(chǎn)者具有很多良好意圖，他們 鼓勵(lì)使用可替代能源，但底線是，不包括政府補(bǔ)助，生產(chǎn)能量的成本 必須使得它產(chǎn)生長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益以建造所需的設(shè)施，來(lái)生產(chǎn)、向用戶(hù) 供給和輸送能量。
在這方面，美國(guó)的大部分居住區(qū)已充分接入了供應(yīng)由當(dāng)?shù)毓檬?業(yè)公司產(chǎn)生的能量的電網(wǎng)，并且還欣然支付接入現(xiàn)有電網(wǎng)的費(fèi)用。除 了那些可能發(fā)生停電的極少地方之外，大部分能量用戶(hù)期望他們能簡(jiǎn) 單地連接到最近的電網(wǎng)，并從該最近的電網(wǎng)獲得電力。
然而，在一些遙遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村地區(qū)，電能不總是容易得到的，并且必 須努力為這些區(qū)域供應(yīng)所需的電力。例如，可能需要高成本安裝的新 輸電線以使遠(yuǎn)離電網(wǎng)區(qū)域的設(shè)備和居住和/或工作在遠(yuǎn)離電網(wǎng)區(qū)域的 人能夠接收電能的入口。然而，建造從該地點(diǎn)到最近電網(wǎng)的輸電線的 成本可能驚人地高。更糟地是，這些成本必須經(jīng)常由終端用戶(hù)承擔(dān)， 諸如當(dāng)涉及私人的非政府開(kāi)發(fā)區(qū)和工廠時(shí)。并且，一旦連接，他們必 須繼續(xù)向公用事業(yè)公司支付費(fèi)用以使用能量。然而，由于土地的成本日益增加，并且需要銷(xiāo)售有競(jìng)爭(zhēng)力價(jià)格的 產(chǎn)品，所以很多工廠設(shè)法將他們的工廠和其它工業(yè)中心設(shè)置在遙遠(yuǎn)的 位置，這里擁有和/或租賃土地的費(fèi)用仍是擔(dān)負(fù)得起的，并且這里仍可 得到低價(jià)的技術(shù)勞動(dòng)力。盡管具有與建造這些類(lèi)型的工廠相關(guān)的附加 成本，包括往返于該位置的旅行成本，但是在很多情況下，建造和運(yùn) 行這種工廠的決定仍能夠產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。
然而，伴隨將工廠設(shè)置在距離電網(wǎng)如此遠(yuǎn)的位置的一個(gè)問(wèn)題是將 工廠連接到電網(wǎng)以獲得所需的能量從而以經(jīng)濟(jì)的方式使工廠運(yùn)行的成 本。在很多情況中，諸如當(dāng)建造新的工廠時(shí)，也必須建立新的輸電線， 以連接到電網(wǎng)，如上所述，這可能是驚人昂貴的。由于線路安裝的勞 動(dòng)密集型特性，在很多情況下，安裝低容量線路的成本幾乎與安裝中 到高容量線路的成本一樣高。當(dāng)工廠對(duì)能量的需求相對(duì)小，目卩，與線 路的容量相比相對(duì)小時(shí)(在這種情況下，通過(guò)該線路傳輸?shù)哪芰靠赡?從沒(méi)有達(dá)到它的容量)，這些成本可能是特殊的負(fù)擔(dān)。
這些問(wèn)題通過(guò)如下事實(shí)組合能量必須仍然從向電網(wǎng)供應(yīng)能量的 公用事業(yè)公司購(gòu)買(mǎi)。在這種情況下，根據(jù)工廠使用了多少能量，以及 何時(shí)使用，即在峰值需求期期間時(shí)，與使用來(lái)自電網(wǎng)的能量相關(guān)的成 本可能是顯著的。如上所述，工廠可能需要支付峰值能量費(fèi)用，所述 峰值能量費(fèi)用產(chǎn)生在能量需求最高時(shí)，即在峰值的白天時(shí)段期間。如 上所述，還可能承擔(dān)附加需求費(fèi)用。
歸因于連接到電網(wǎng)以及將傳輸線延伸長(zhǎng)距離的能量損耗也能減小 系統(tǒng)的效率并增加運(yùn)行的成本。通常，當(dāng)傳輸線能夠傳輸大量的電能 時(shí)，在傳輸期間會(huì)損失大量的能量，特別是當(dāng)涉及長(zhǎng)距離時(shí)。
在一方面，本發(fā)明涉及一種如下的改進(jìn)方法在風(fēng)能可自然利用 的位置，經(jīng)由管道以壓縮空氣的形式存儲(chǔ)風(fēng)生成的能量，然后經(jīng)由同 一管道將該壓縮空氣能輸送到需要能量的社區(qū)或工廠，無(wú)論該社區(qū)或工廠距離電網(wǎng)遠(yuǎn)還是近。它優(yōu)選包括一系列壓縮機(jī)和相對(duì)長(zhǎng)的管道， 并且一個(gè)或多個(gè)渦輪膨脹機(jī)和/或發(fā)電機(jī)服務(wù)于該社區(qū)或工廠，其中通 過(guò)管道供給的能量由此能夠成為專(zhuān)用的能量源，或者能夠補(bǔ)充來(lái)自電 網(wǎng)的電力。
在第一構(gòu)造中，管道中的壓縮空氣能用于驅(qū)動(dòng)連接到發(fā)電機(jī)的渦 輪膨脹機(jī)，從而能夠產(chǎn)生可被終端用戶(hù)社區(qū)或工廠使用的電。此外， 隨同電一起產(chǎn)生的廢冷氣副產(chǎn)品能夠用于其它目的。例如，在社區(qū)或 工廠，來(lái)自渦輪膨脹機(jī)的廢冷氣能用于制冷和空氣調(diào)節(jié)的目的，這當(dāng) 系統(tǒng)設(shè)置在溫暖氣候的地區(qū)時(shí)是特別有益的。在這種情況下，沒(méi)有設(shè) 置附加的熱源，從而系統(tǒng)能夠充分利用當(dāng)釋放壓縮空氣時(shí)同時(shí)產(chǎn)生的 廢冷氣。
在此實(shí)施例中，不僅發(fā)電，而且系統(tǒng)優(yōu)選產(chǎn)生最多的冷氣，所述 冷氣不僅能用于制冷和空氣調(diào)節(jié)的目的，而且還能用于淡化的目的。 預(yù)期與本發(fā)明結(jié)合使用的淡化系統(tǒng)是這樣的系統(tǒng)使用冷氣來(lái)冷凍水， 以有效地幫助將水中的雜質(zhì)與水分離并除去，從而生成淡的飲用水。 熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)也能用于將通過(guò)冷氣產(chǎn)生的冷卻水存儲(chǔ)在輔助的存儲(chǔ)單 元中，用于以后的使用。這些實(shí)施例特別適合于溫暖的氣候，諸如在 難以獲得淡飲用水的沙漠中。
與此第一實(shí)施例相關(guān)，可提供另一方案，在該方案中，使用特別 適于僅提供用于工廠冷卻的渦輪膨脹機(jī)來(lái)僅產(chǎn)生冷氣，目卩，不產(chǎn)生電。 這可用于，例如，可從電網(wǎng)得到用于工廠運(yùn)行的充足能量的地方，但 是工廠需要低成本源來(lái)驅(qū)動(dòng)空氣調(diào)節(jié)裝置。
在第二構(gòu)造中，在有限的基礎(chǔ)上設(shè)置加熱以改善電力生產(chǎn)。例如， 在此實(shí)施例中，優(yōu)選熱源是當(dāng)壓縮空氣時(shí)由壓縮機(jī)生成的廢熱，該廢 熱能分配回到管道中以加熱壓縮空氣。在此實(shí)施例中，盡管使用加熱 元件，但是作出努力以消除任何附加能量源的使用，所述附加的能量源將需要更多的能量來(lái)運(yùn)行。此實(shí)施例還具有如下優(yōu)點(diǎn)除了能夠產(chǎn) 生電能之外，還能夠產(chǎn)生一定量的冷氣作為副產(chǎn)品。類(lèi)似第一實(shí)施例， 此實(shí)施例優(yōu)選例如當(dāng)釋放壓縮空氣時(shí)，利用由渦輪膨脹機(jī)同時(shí)產(chǎn)生的 冷氣，以提供用于冷卻目的的冷氣，只是在此實(shí)施例中，由于來(lái)自壓 縮機(jī)的附加廢熱，冷氣沒(méi)有那么冷。
在第三構(gòu)造中，當(dāng)釋放壓縮空氣時(shí)，可提供各種熱源，包括來(lái)自 壓縮機(jī)的廢熱以及加熱器元件，從而使通過(guò)發(fā)電機(jī)的電生成最大化， 但以不產(chǎn)生冷氣為代價(jià)。在此實(shí)施例中，預(yù)期能夠使用三種不同類(lèi)型 的加熱系統(tǒng)中的至少一種來(lái)向壓縮空氣提供熱量，所述三種加熱系統(tǒng) 包括l)使用來(lái)自太陽(yáng)的能量的太陽(yáng)熱收集器，包括將管道涂成黑色并 將管道設(shè)置在直射的陽(yáng)光下，諸如設(shè)置在沙漠地面上，以利用太陽(yáng)的 熱量，2)廢熱收集器，以使通過(guò)壓縮機(jī)產(chǎn)生的廢熱循環(huán)到存儲(chǔ)在管道 中的壓縮空氣，以及3)諸如礦物燃料燃燒器的獨(dú)立加熱元件，以將熱 量引入到管道中，或者當(dāng)通過(guò)渦輪膨脹機(jī)釋放壓縮空氣時(shí)，將熱量增 加到渦輪膨脹機(jī)的輸入。如果需要，本發(fā)明還預(yù)期使用向壓縮空氣提 供熱量的其它方法，諸如燃燒室等。
在第四構(gòu)造中，除了或代替產(chǎn)生電能之外，系統(tǒng)還能適于提供壓 縮空氣能形式的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備，包括工具和機(jī)器等。在這方面， 管道能適于向通常運(yùn)行氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的工廠提供能量，其中管道中的 壓縮空氣能直接使用，無(wú)須首先將該壓縮空氣能轉(zhuǎn)換成電，從而提高 了系統(tǒng)的效率。在此實(shí)施例中，壓縮空氣能可用于補(bǔ)充可從電網(wǎng)得到 的電能，S卩，壓縮空氣能可用于運(yùn)行氣動(dòng)設(shè)備，而來(lái)自電網(wǎng)的電可用 于其它功能，在這種情況下，沒(méi)有從該壓縮空氣能中產(chǎn)生電。可選地， 除了驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備之外，系統(tǒng)可具有從壓縮空氣能中發(fā)電的裝置，從 而工廠將無(wú)需連接到電網(wǎng)。在這種情況下，系統(tǒng)能適于在一方面使用 壓縮空氣能發(fā)電與另一方面直接驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備之間進(jìn)行切換。它們也 能同時(shí)發(fā)生。在第五構(gòu)造中，除了或代替合并風(fēng)電場(chǎng)以產(chǎn)生用于管道的壓縮空 氣能之外，管道系統(tǒng)可連接到現(xiàn)有的能量源，諸如公用事業(yè)設(shè)施，即 地?zé)岚l(fā)電站、核電站、水電站等或電網(wǎng)，其中系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為在低需求 期，諸如在夜間壓縮空氣并存儲(chǔ)能量，而在高需求期，諸如在白天使 用所存儲(chǔ)的能量。這樣，公用事業(yè)設(shè)施能夠以其最有效的級(jí)別并在恒 定負(fù)載級(jí)別下持續(xù)運(yùn)行，并能夠存儲(chǔ)在夜間低需求時(shí)產(chǎn)生的能量，來(lái) 補(bǔ)充在高需求期所需的能量。
從能量生產(chǎn)的觀點(diǎn)看，利用此實(shí)施例，在高需求期，公用事業(yè)設(shè) 施能夠提供更多的能量，而不必建造更大和更高容量的發(fā)電站，因?yàn)?這樣做的成本將更高。而且，公用事業(yè)設(shè)施能夠在一致的高級(jí)別和恒 定的速率下夜以繼日地產(chǎn)生能量，從而使設(shè)備的效率最大化。系統(tǒng)優(yōu) 選能夠向終端用戶(hù)提供不間斷和穩(wěn)定的能量。此外，對(duì)于在高需求期 使用的能量，公用事業(yè)公司能夠更多地收費(fèi)，盡管該能量實(shí)際上是在 低需求、低成本期產(chǎn)生的。從用戶(hù)的觀點(diǎn)看，能夠開(kāi)發(fā)系統(tǒng)使得高需 求期的能量率較低，并且使得較少發(fā)生電涌、尖峰脈沖和停電。
在第六構(gòu)造中，可將上述與前五種構(gòu)造相關(guān)的特征的一個(gè)或多個(gè) 并入單一系統(tǒng)中，并能夠用于沿管道的長(zhǎng)度向多個(gè)社區(qū)和/或工廠提供
能量。例如，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置在熱沙漠中并為使用氣動(dòng)設(shè)備的工廠服務(wù)時(shí)， 可在沒(méi)有加熱元件的情況下安裝系統(tǒng)，從而系統(tǒng)能夠同時(shí)發(fā)電并產(chǎn)生 用于空氣調(diào)節(jié)目的的冷氣。系統(tǒng)還可設(shè)置成使用壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng) 設(shè)備，從而提高總效率。同樣地，系統(tǒng)能夠適于使得壓縮空氣能可既 通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)又通過(guò)公用事業(yè)設(shè)施產(chǎn)生一一由于與使用風(fēng)作為能量源相 關(guān)的不確定性，所以經(jīng)常有利的是提供第二能量源，諸如來(lái)自公用事 業(yè)設(shè)施或電網(wǎng)的能量。
本發(fā)明的一方面涉及管道系統(tǒng)的使用(在地面上或者在地下)， 來(lái)自風(fēng)輪機(jī)的壓縮空氣能分配到該管道系統(tǒng)中，其中管道不僅能用于 存儲(chǔ)壓縮空氣，而且能夠?qū)嚎s空氣能從一個(gè)遙遠(yuǎn)的位置(諸如風(fēng)條件理想的位置)輸送到需要能量的地方(需要能量的工廠或社區(qū))。 壓縮空氣以這種方式的存儲(chǔ)使得由風(fēng)而得到的能量能夠存儲(chǔ)一段時(shí) 間，直到需要它。管道還能夠用作輸送所存儲(chǔ)能量的裝置，諸如從風(fēng) 電場(chǎng)所處的位置輸送到需要能量的位置，其中管道本身能用作存儲(chǔ)和 輸送裝置。
使用此類(lèi)型系統(tǒng)的益處在于，傳輸裝置(在此情形中是管道)不 僅能夠?qū)⒛芰繌囊粋€(gè)位置輸送到另一位置，而且能夠存儲(chǔ)能量。這樣， 與僅能通過(guò)管道傳輸能量的傳統(tǒng)輸電線不同，預(yù)定量的能量能被存儲(chǔ)， 從而即使在能量源的能量變得暫時(shí)不可利用，g卩，風(fēng)停止吹動(dòng)或公用 事業(yè)設(shè)施停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，能量也將是可得到的。它還能夠存儲(chǔ)在低需求 期，諸如在夜間產(chǎn)生的能量，從而它可在能量費(fèi)用較高的高需求期分 配和使用。在這種情況下，系統(tǒng)將能夠在預(yù)定量的時(shí)間內(nèi)以較低的成 本向終端用戶(hù)持續(xù)供給能量。
申請(qǐng)人的發(fā)明的另一方面考慮如下當(dāng)確定風(fēng)電場(chǎng)的位置以及確 定將管道設(shè)置在何處時(shí)，該方法優(yōu)選考慮現(xiàn)有的道路、便利設(shè)施、地 下管道、鐵軌、線路、電纜等，以及它們所處的位置，從而能夠沿可 能的最經(jīng)濟(jì)和/或便利的路徑來(lái)鋪設(shè)管道。也就是說(shuō)，管道優(yōu)選沿直接 線路或路徑設(shè)置，所述線路或路徑沿著或至少緊靠著現(xiàn)有道路、鐵路、 便利設(shè)施、管路、管道、電纜等延伸，從而不需要建造新的道路、入 口和開(kāi)闊場(chǎng)地等，并且能使用或依靠現(xiàn)有的地役權(quán)、土地使用許可、 環(huán)境影響報(bào)告等來(lái)安裝管道。實(shí)際上，在具有廢棄的管路系統(tǒng)的地方， 諸如天然氣或下水管，本發(fā)明預(yù)期連接到或者全部或部分地使用現(xiàn)有 的管路，以及它們的便利設(shè)施、入口區(qū)、道路等，以更經(jīng)濟(jì)地安裝管 道系統(tǒng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明預(yù)期建造管道，使得通過(guò)將管道直接設(shè) 置和連接到鐵路枕木上或與其相鄰而鄰近或連接到現(xiàn)有鐵軌。也就是 說(shuō)，本發(fā)明預(yù)期利用已建成的遍及整個(gè)國(guó)家的經(jīng)常延伸到遙遠(yuǎn)位置的鐵軌的便利設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)來(lái)以減少成本并更有效的方式建造管道。本發(fā) 明優(yōu)選包括使用連接器將管道連接到諸如在地面上的鐵路枕木本身， 該管道平行于軌道延伸，從而通過(guò)沿著軌道行進(jìn)，能夠容易地對(duì)管道 執(zhí)行維護(hù)工作。這樣，將不需要把管道埋在地下，從而降低了安裝和 維護(hù)的成本。
本發(fā)明還預(yù)期沿暴露于烈日下的沙漠地面建造管道，從而由于太 陽(yáng)熱量，管道內(nèi)的壓力能夠有利地增加。在這方面，可以看到沿著也 通過(guò)沙漠延伸的現(xiàn)有鐵軌而設(shè)置管道的優(yōu)點(diǎn)，這使得烈日能夠有助于 增加管路內(nèi)的壓力，這樣當(dāng)釋放管路內(nèi)的壓力時(shí)能夠生成附加的能量。
在這方面，通過(guò)本發(fā)明預(yù)期的另一協(xié)同效應(yīng)是將工廠設(shè)置在沙漠 中，在這里，當(dāng)釋放壓縮空氣能時(shí)產(chǎn)生的冷氣能用于補(bǔ)充工廠的空氣 調(diào)節(jié)能力。這使得工廠能夠減小對(duì)電能的依靠，為空氣調(diào)節(jié)裝置提供 電力，從而有效地提高系統(tǒng)的總效率。


圖l顯示了設(shè)置在遙遠(yuǎn)位置的風(fēng)電場(chǎng)，其通過(guò)沿計(jì)劃路線，諸如沿 現(xiàn)有道路或便利設(shè)施而在風(fēng)電場(chǎng)與終端用戶(hù)之間延伸的管道系統(tǒng)被連 接，該終端用戶(hù)可以是社區(qū)、工廠或電網(wǎng)，由此能夠存儲(chǔ)來(lái)自風(fēng)電場(chǎng) 的壓縮空氣能并通過(guò)管道將其輸送到社區(qū)、工廠或電網(wǎng)；
圖2顯示了設(shè)置在遙遠(yuǎn)位置的兩個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，它們通過(guò)沿計(jì)劃路線， 諸如沿現(xiàn)有道路或便利設(shè)施而在風(fēng)電場(chǎng)與終端用戶(hù)之間延伸的管道系 統(tǒng)被連接，該終端用戶(hù)可以是社區(qū)、工廠或電網(wǎng)，其中沿計(jì)劃路線設(shè) 置了附加的風(fēng)電站來(lái)提供間歇的壓縮空氣能的源，以沿計(jì)劃路線保持 管道中的空氣壓力；
圖3顯示了風(fēng)輪機(jī)，示意性顯示了如何從風(fēng)輪機(jī)經(jīng)由電動(dòng)機(jī)和發(fā)電 機(jī)提取能量來(lái)驅(qū)動(dòng)將壓縮空氣能供給到管道系統(tǒng)中的壓縮機(jī)；
圖4顯示了幾個(gè)管道的實(shí)施例，包括設(shè)置在水下的管道系統(tǒng)、沿沙 漠地面設(shè)置的管道系統(tǒng)以及鄰近鐵軌(并連接到鐵路枕木)設(shè)置的管道系統(tǒng)，并提及了管路的優(yōu)選長(zhǎng)度，即100英里長(zhǎng)和優(yōu)選管路尺寸(3
到4英尺內(nèi)徑)；以及
圖5顯示了包括本發(fā)明的一些特征的可變應(yīng)用系統(tǒng)的示意圖，其中 來(lái)自存儲(chǔ)的壓縮空氣能可用于直接供給能量以運(yùn)行氣動(dòng)設(shè)備、經(jīng)由渦 輪膨脹機(jī)發(fā)電、以及提供當(dāng)產(chǎn)生電時(shí)同時(shí)產(chǎn)生的冷氣，用于冷卻，即 運(yùn)行空氣調(diào)節(jié)設(shè)備，其中廢熱和燃燒器被設(shè)置成為可選裝置，用于在 由渦輪膨脹機(jī)釋放壓縮空氣之前加熱該壓縮空氣；
圖6a顯示了一實(shí)施例的示意圖，在該實(shí)施例中，管道用于為具有 氣動(dòng)設(shè)備的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)，其中管道長(zhǎng)100英里，內(nèi)徑4英尺；能量 通過(guò)地?zé)岚l(fā)電站、柴油機(jī)發(fā)電站或核電站產(chǎn)生，并且在夜間存儲(chǔ)管道 中的壓縮空氣能，使得它能夠在白天使用；
圖6b顯示了一實(shí)施例的示意圖，在該實(shí)施例中，管道用于為具有 氣動(dòng)設(shè)備與電需求和空氣調(diào)節(jié)需求的組合的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)，其中管 道長(zhǎng)100英里，內(nèi)徑4英尺，具有各種能量源，但其中基于如圖ll中所 示的可歸因于能量使用的能量損耗量，具有電需求和空氣調(diào)節(jié)需求的 最遠(yuǎn)工業(yè)區(qū)距離能量源僅25英里，而具有氣動(dòng)設(shè)備的工業(yè)區(qū)可設(shè)置在 100英里遠(yuǎn)的位置。注意在這種情況下，如果利用3英尺的管路能夠 滿(mǎn)足工業(yè)區(qū)的氣動(dòng)設(shè)備需求，則剩余75英里管道的尺寸可較小，諸如3 英尺的內(nèi)徑，盡管這具有較大的壓力損耗；
圖6c顯示了一實(shí)施例的示意圖，在該實(shí)施例中，管道用于為具有 空氣調(diào)節(jié)需求的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)，其中管道長(zhǎng)100英里，內(nèi)徑4英尺； 能量通過(guò)地?zé)岚l(fā)電站、柴油機(jī)發(fā)電站或核電站產(chǎn)生，并且在夜間存儲(chǔ) 管道中的壓縮空氣能，使得它能夠在白天使用；
圖6d顯示了一實(shí)施例的示意圖，在該實(shí)施例中，管道用于為具有 淡化設(shè)施和空氣調(diào)節(jié)需求的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)，其中管道長(zhǎng)100英里，內(nèi) 徑4英尺；能量通過(guò)地?zé)岚l(fā)電站、柴油機(jī)發(fā)電站或核電站產(chǎn)生，并且在 夜間存儲(chǔ)在管道中的壓縮空氣能，使得它能夠在白天使用；終端用戶(hù) 安裝用于它們自己工業(yè)區(qū)的渦輪壓縮機(jī)、渦輪膨脹機(jī)以及淡化系統(tǒng)；
圖7a顯示了一實(shí)施例的示意圖，在該實(shí)施例中，管道用于為具有 氣動(dòng)設(shè)備的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)，其中管道長(zhǎng)100英里，內(nèi)徑4英尺；能量通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生并且來(lái)自風(fēng)的能量存儲(chǔ)在管道中；
圖7b顯示了一實(shí)施例的示意圖，在該實(shí)施例中，管道用于為具有 氣動(dòng)設(shè)備與電需求和空氣調(diào)節(jié)需求的組合的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)，其中管 道長(zhǎng)100英里，內(nèi)徑4英尺；能量通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生，但基于如圖ll中所 示的可歸因于能量使用的能量損耗量，具有電需求和空氣調(diào)節(jié)需求的 最遠(yuǎn)工業(yè)區(qū)距離風(fēng)電場(chǎng)僅25英里，而具有氣動(dòng)設(shè)備的工業(yè)區(qū)可設(shè)置在
ioo英里遠(yuǎn)的位置，并且終端用戶(hù)可安裝渦輪發(fā)電機(jī)以提供氣動(dòng)、電和
空氣調(diào)節(jié)。注意在這種情況下，如果利用3英尺的管路能夠滿(mǎn)足氣動(dòng)
設(shè)備需求，則剩余75英里管道的尺寸可較小，諸如3英尺的內(nèi)徑，盡管
這具有較大的壓力損耗；
圖7c顯示了一實(shí)施例的示意圖，在該實(shí)施例中，管道用于為具有 空氣調(diào)節(jié)需求的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)，其中管道長(zhǎng)100英里，內(nèi)徑4英尺； 能量通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生并存儲(chǔ)在管道中，并且終端用戶(hù)可安裝渦輪壓縮 機(jī)和渦輪膨脹機(jī)以提供空氣調(diào)節(jié)；
圖7d顯示了一實(shí)施例的示意圖，在該實(shí)施例中，管道用于為具有 淡化設(shè)施和空氣調(diào)節(jié)需求的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)，其中管道長(zhǎng)100英里，內(nèi)
徑4英尺；能量通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生并存儲(chǔ)在管道中；終端用戶(hù)安裝用于其 自己工業(yè)區(qū)的渦輪壓縮機(jī)、渦輪膨脹機(jī)以及淡化系統(tǒng)；
圖8顯示了100英里長(zhǎng)、4英尺內(nèi)徑并且其中具有1200磅/平方英寸 (psig)的壓力的管道的示意圖，管道連接有各種能量源，包括風(fēng)電場(chǎng)、 地?zé)岚l(fā)電站和核電站，并具有各種終端用戶(hù)，包括具有氣動(dòng)設(shè)備和淡 化裝置的工業(yè)區(qū)；
圖9顯示了具有用于產(chǎn)生冷氣的渦輪壓縮機(jī)和渦輪膨脹機(jī)的系統(tǒng) 的示意圖10顯示了曲線圖，圖示了隨著空氣溫度升高，渦輪膨脹機(jī)膨脹 和效率的級(jí)別；
圖ll顯示了曲線圖，圖示了作為管路直徑、管道內(nèi)的壓力以及壓 縮空氣的使用方式的函數(shù)的管道內(nèi)可能經(jīng)歷的壓力損耗量，所述使用 方式即為用于發(fā)電(這種情況壓力和流速相對(duì)高)或者用于驅(qū)動(dòng)氣動(dòng) 設(shè)備(這種情況壓力能夠相對(duì)低)；以及圖12顯示了圖11中圖示的發(fā)電系統(tǒng)與氣動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的比 較，其中100英里長(zhǎng)、3英尺內(nèi)徑并具有1200磅/平方英寸壓力的管道用 于比較當(dāng)沒(méi)有附加壓力增加到管道時(shí)，管道內(nèi)的壓力將能夠持續(xù)多久。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面涉及風(fēng)能生成和存儲(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)?風(fēng)生成的能量從風(fēng)條件理想的區(qū)域輸送到需要能量的區(qū)域，而無(wú)需延 展長(zhǎng)且昂貴的輸電線，并且無(wú)需建造昂貴的壓縮空氣儲(chǔ)罐等，如圖l和 圖2中所示。在此方面中，本系統(tǒng)優(yōu)選包括選擇風(fēng)條件很可能穩(wěn)定并可 預(yù)報(bào)的區(qū)域，或者至少比其它可利用的區(qū)域更穩(wěn)定和可預(yù)報(bào)的區(qū)域， 這將適合于產(chǎn)生風(fēng)能。就其特性而言，這些區(qū)域經(jīng)常位于距人們居住 的社區(qū)很多英里并且距離現(xiàn)有電網(wǎng)遙遠(yuǎn)的區(qū)域。它們可能例如位于沙 漠、峽谷、離岸地區(qū)中，以及位于遠(yuǎn)離文明的山峰或山頂上。它們還 經(jīng)常位于財(cái)產(chǎn)值相對(duì)低的地方。
本方法的另一優(yōu)選方面包括，通過(guò)在風(fēng)條件理想地適合產(chǎn)生穩(wěn)定 和可預(yù)報(bào)量的能量的位置處設(shè)置一個(gè)或多個(gè)風(fēng)輪機(jī)，而在優(yōu)選或理想 條件下利用風(fēng)能。盡管所有位置都遭受某種程度的不可預(yù)見(jiàn)性和不確 定性，但是存在明顯比其它位置更好的位置，而本方法優(yōu)選考慮這些 優(yōu)選位置的使用。
本發(fā)明的另一優(yōu)選方面涉及如圖3中所示的至少一種風(fēng)輪機(jī)的使 用，也就是，1)專(zhuān)門(mén)用于發(fā)電以運(yùn)轉(zhuǎn)至少一個(gè)壓縮機(jī)(下文"電風(fēng)輪 機(jī)"，或者2)專(zhuān)門(mén)用于產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)能以機(jī)械地驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)壓縮機(jī) (下文"機(jī)械風(fēng)輪機(jī)")。風(fēng)輪機(jī)類(lèi)型的每一個(gè)優(yōu)選專(zhuān)門(mén)用于產(chǎn)生可 存儲(chǔ)在管道系統(tǒng)中的壓縮空氣能。優(yōu)選地，基于終端用戶(hù)工廠和社區(qū) 所需的能源量以及基于將用于為遠(yuǎn)離風(fēng)電場(chǎng)的區(qū)域服務(wù)的管道尺寸和 長(zhǎng)度的確定，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為具有預(yù)定數(shù)量的風(fēng)輪機(jī)。優(yōu)選，在生成適 當(dāng)量的能量中，系統(tǒng)是既經(jīng)濟(jì)而又能量有效的。每個(gè)電風(fēng)輪機(jī)類(lèi)型優(yōu)選具有水平軸風(fēng)輪機(jī)(HAWT)和位于風(fēng)力 發(fā)動(dòng)機(jī)的短艙中的發(fā)電機(jī)，從而由風(fēng)引起的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)由電動(dòng)馬達(dá)和 發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)換成電能，如圖3中示意性所示。這可例如通過(guò)將發(fā)電機(jī) 直接連接到風(fēng)輪機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)軸而實(shí)現(xiàn)，從而從風(fēng)中獲得的機(jī)械能能 夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)又可用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮 空氣能，可將該壓縮空氣能存儲(chǔ)在管道中。
該機(jī)械風(fēng)輪機(jī)類(lèi)型在將機(jī)械旋轉(zhuǎn)能從高的地上短艙向下帶到地平 面作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能方面稍微更復(fù)雜。每個(gè)站的水平定向的風(fēng)輪機(jī)優(yōu)選 具有連接到第一齒輪箱的水平軸，該第一齒輪箱連接到向風(fēng)輪機(jī)塔下 延伸的垂直軸，該垂直軸又連接到與位于地面上的另一水平軸相連的 第二齒輪箱。然后下面的水平軸優(yōu)選連接到壓縮機(jī)，從而從風(fēng)獲得的 機(jī)械旋轉(zhuǎn)能可用于機(jī)械驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣能。
此機(jī)械能可用于直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，而無(wú)需首先將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電。 通過(guò)將壓縮機(jī)設(shè)置在位于軸上的齒輪箱下游，并通過(guò)直接使用風(fēng)輪機(jī) 的機(jī)械旋轉(zhuǎn)能，能避免通常由于其它類(lèi)型的配置所產(chǎn)生的能量損耗。 通過(guò)每個(gè)機(jī)械風(fēng)輪機(jī)生成的能量可用于直接為至少一個(gè)壓縮機(jī)提供動(dòng) 力，所述壓縮機(jī)可用于將空氣能壓縮至管道系統(tǒng)中。然而，具有與經(jīng) 由垂直軸傳輸風(fēng)能相關(guān)的固有問(wèn)題，該垂直軸容易由于沿長(zhǎng)軸的共振 而振動(dòng)，其中應(yīng)對(duì)所述振動(dòng)進(jìn)行控制，以使系統(tǒng)正常發(fā)揮作用。
通過(guò)每個(gè)風(fēng)輪機(jī)生成的壓縮空氣能優(yōu)選經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)分
配到管道中。壓縮空氣能的存儲(chǔ)使得從風(fēng)得來(lái)的能量能夠長(zhǎng)時(shí)段地存
儲(chǔ)。通過(guò)以這種方式存儲(chǔ)能量，能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，諸如當(dāng)風(fēng)小或沒(méi)有
風(fēng)時(shí)和/或在高峰需求期期間釋放壓縮空氣并使其膨脹。然后在"根據(jù)
需要"的基礎(chǔ)上，即當(dāng)實(shí)際需要能量時(shí)，該釋放和膨脹的壓縮空氣能
夠用于供給得自風(fēng)的能量以生成電能，這可與風(fēng)實(shí)際吹動(dòng)的時(shí)間一致 或者可以不一致。本發(fā)明使用管道系統(tǒng)，來(lái)自風(fēng)輪機(jī)的壓縮空氣優(yōu)選分配到該管道 系統(tǒng)中，并且該壓縮空氣能能夠在管道系統(tǒng)中存儲(chǔ)和輸送。壓縮空氣 能的存儲(chǔ)使得從風(fēng)得來(lái)的能量能夠長(zhǎng)時(shí)段地存儲(chǔ)，直至需要它。管道 還優(yōu)選用作一種將存儲(chǔ)的壓縮空氣能從風(fēng)電場(chǎng)輸送到需要能量的位置 的裝置。風(fēng)輪機(jī)和壓縮機(jī)優(yōu)選設(shè)置在管道的一端，而渦輪膨脹機(jī)、交 流發(fā)電機(jī)和/或氣動(dòng)設(shè)備等或釋放和使用壓縮空氣能的其它裝置優(yōu)選設(shè) 置在該管道的相對(duì)端，如圖5中所示，或者沿管道的長(zhǎng)度設(shè)置。
可以看到上述風(fēng)輪機(jī)能夠用于直接產(chǎn)生立即輸送到管道的壓縮空 氣能。還可以看到該壓縮空氣能能夠存儲(chǔ)在管道中以時(shí)移能量的輸送， 從而即使在與風(fēng)實(shí)際吹動(dòng)的時(shí)間不一致的時(shí)期，B卩，即使當(dāng)沒(méi)有風(fēng)吹 動(dòng)時(shí)，和/或在高峰需求期期間，也能夠在遙遠(yuǎn)的位置獲得風(fēng)生成的能 量。盡管存在風(fēng)速的起伏和波動(dòng)，但是通過(guò)協(xié)調(diào)和管理到達(dá)需要能量 的工廠和社區(qū)的能量輸送，這些要素的協(xié)調(diào)和使用使當(dāng)前系統(tǒng)能夠以 穩(wěn)定的方式為終端用戶(hù)提供連續(xù)和不間斷的能量。
在特定位置的風(fēng)的模式隨時(shí)間改變，即從一個(gè)季節(jié)到另一季節(jié)、 從一個(gè)月到另一個(gè)月、并且最重要地是每天、每小時(shí)以及每分鐘都改 變。通過(guò)當(dāng)最可利用時(shí)存儲(chǔ)能量，然后當(dāng)最需要時(shí)使用該能量，而與 能量的存儲(chǔ)結(jié)合地處理這些起伏和波動(dòng)，從而系統(tǒng)能夠以基本恒定的 速率、以減小的成本向公用事業(yè)公司提供連續(xù)的輸出。在這方面，本 發(fā)明預(yù)期運(yùn)行這樣的風(fēng)電場(chǎng)，該風(fēng)電場(chǎng)使用疾風(fēng)期覆蓋微風(fēng)期，并平 滑風(fēng)能的輸送。長(zhǎng)的傳輸管道能夠?qū)崿F(xiàn)在白天向終端用戶(hù)輸送恒定的 能量輸出級(jí)別，從而使得公用事業(yè)公司能夠?qū)τ谠谝归g以較低成本產(chǎn) 生的能量收取更多的費(fèi)用。
系統(tǒng)預(yù)期能夠監(jiān)控在任意給定時(shí)間管道內(nèi)壓縮空氣能的量一它優(yōu) 選測(cè)量在任意給定時(shí)間被壓縮進(jìn)入存儲(chǔ)和被釋放的壓力的量以及內(nèi)部 壓力的總量。這樣，通過(guò)控制多少能量被供給到管道中而多少能量被 釋放，系統(tǒng)能夠保持管道內(nèi)足夠的壓力量。對(duì)于保持管道中的適當(dāng)壓力級(jí)別所述控制是必須的，為了確保系統(tǒng)決不會(huì)用完壓縮空氣能，其 中優(yōu)選將壓力保持在至少200磅/平方英寸的級(jí)別。
管道可埋在地面下或設(shè)置在地面上并且在風(fēng)輪機(jī)與需要能量的社 區(qū)和/或工廠之間延伸，可以為幾英里的距離。通過(guò)以這種方式存儲(chǔ)能 量，優(yōu)選將壓縮空氣存儲(chǔ)在管道系統(tǒng)中并通過(guò)該管道系統(tǒng)沿計(jì)劃路線 輸送，如圖1和2中所示。這明顯不同于標(biāo)準(zhǔn)傳輸線，該標(biāo)準(zhǔn)傳輸線僅
僅傳輸能量，即，當(dāng)能量源不再能夠提供能量時(shí)，通過(guò)線路將不能得 到能量。使用本系統(tǒng)的益處在于傳輸裝置(即管道)能夠存儲(chǔ)能量。 這樣，與僅能夠傳輸能量的傳統(tǒng)輸電線不同，能存儲(chǔ)預(yù)定量的能量， 從而即使能量源暫時(shí)不可利用，即，風(fēng)停止吹動(dòng)，但能量也將是可得 到的。在這種情況下，盡管沒(méi)有風(fēng)，但是系統(tǒng)也將能夠在預(yù)定量的時(shí) 間內(nèi)繼續(xù)供給能量。
本發(fā)明的另一優(yōu)選方面包括使用與安裝管道系統(tǒng)相關(guān)的計(jì)劃路線 來(lái)將風(fēng)能從風(fēng)條件理想的遙遠(yuǎn)位置輸送到需要能量的位置。計(jì)劃路線 基本是從能量源延伸到終端用戶(hù)即工廠或社區(qū)的直接線路或路徑。例 如，在很多情況下，這種路徑優(yōu)選沿諸如維修設(shè)施用通道的現(xiàn)有道路 或在其附近延伸，所述道路允許沿已清理的路徑安裝管道，還提供到 達(dá)風(fēng)電場(chǎng)的更容易的通路。這還能夠更容易地安裝管道，以及更容易 地進(jìn)入以進(jìn)行修理和維修。
選擇的路徑也可沿現(xiàn)有的便利設(shè)施，諸如沿現(xiàn)有的地下管道，諸 如電線或氣體管線、下水管等來(lái)設(shè)定路線，這能夠減少安裝的成本。 這是因?yàn)榭梢允褂煤?或依靠安裝現(xiàn)有管道所獲得的現(xiàn)有地役權(quán)、土地 使用許可、通行權(quán)、環(huán)境影響報(bào)告等，這將能夠更快和以更低的成本 安裝管道。
在具有被廢棄的現(xiàn)有地下管路系統(tǒng)，諸如氣體管線或下水管的情 況下，本發(fā)明預(yù)期能夠全部或部分地使用該被廢棄的管路，來(lái)幫助形成新的管道系統(tǒng)，并減少其成本。在此方面，如果現(xiàn)有管道不具有合 適的尺寸，或者沒(méi)有延伸到全部的長(zhǎng)度，或者沒(méi)有被完全廢棄，則本 發(fā)明預(yù)期使用現(xiàn)有管路的至少一部分，即，能夠使用的任何部分。如 果必要的話，新管道還可鄰近現(xiàn)有管道設(shè)置。對(duì)于新管道系統(tǒng)，可使 用和/或依靠針對(duì)現(xiàn)有管道所獲得的所有地役權(quán)、土地使用許可和環(huán)境 影響報(bào)告。
在一個(gè)實(shí)施例中，如圖4中示意性所示，本發(fā)明預(yù)期建造管道，使 得通過(guò)將管道直接設(shè)置和連接到鐵路枕木上或與鐵路枕木相鄰，該管 道與現(xiàn)有的鐵軌相鄰或連接到現(xiàn)有的鐵軌。本發(fā)明預(yù)期利用己建成的 經(jīng)常從現(xiàn)有社區(qū)延伸到遙遠(yuǎn)位置的鐵軌的便利設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)，從而以減 少的成本并以更有效的方式建造管道。本發(fā)明優(yōu)選包括使用連接器將 管道連接到鐵路枕木本身，該管道平行于軌道延伸，從而通過(guò)沿著軌 道行進(jìn)，能夠容易地對(duì)管道執(zhí)行維護(hù)工作。這樣，將不需要把管道埋 在地下，從而降低了安裝和維護(hù)的成本。本發(fā)明還預(yù)期能夠沿著管道 間歇地設(shè)置某些出口點(diǎn)，在這些出口點(diǎn)中能夠釋放壓縮空氣以運(yùn)行諸 如修理鐵軌可能需要的設(shè)備。
在另一實(shí)施例中，也在圖4中示意性示出，本發(fā)明預(yù)期沿暴露于烈 日下的沙漠地面建造管道，從而由于該熱量，管道內(nèi)的壓力能夠有利 地增加。外部可涂成黑色或其它的深顏色以增強(qiáng)能量的吸收。管道壁 厚的熱慣性能夠提供一種吸收能用于增加管道內(nèi)壓力的熱量的有用方 法，并防止系統(tǒng)在膨脹期間凍結(jié)。在這方面，可以看到沿沙漠地面設(shè) 置管道具有優(yōu)點(diǎn)，使得烈日能夠有助于增加管路內(nèi)的壓力，當(dāng)該壓力 釋放時(shí)在管路中能夠生成附加的能量。本發(fā)明預(yù)期管道和/或相關(guān)部件 以及它們的質(zhì)量可設(shè)計(jì)為吸收和釋放熱量以將所存儲(chǔ)的壓縮空氣保持 在相對(duì)穩(wěn)定的溫度。
在某些情況下，對(duì)于相同的距離，可歸因于使用管道存儲(chǔ)和輸送 壓縮空氣能的總能量損耗小于可歸因于通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)傳輸線傳輸電的能量損耗。因此，本發(fā)明預(yù)期建造風(fēng)輪機(jī)或風(fēng)電場(chǎng)，并且代替使用標(biāo)準(zhǔn)傳 輸線，使用管道來(lái)存儲(chǔ)和輸送壓縮空氣能，其中，能夠減少使用傳統(tǒng) 傳輸線的固有損耗。本發(fā)明的分析顯示在特定的距離和環(huán)境內(nèi)，沿管 道長(zhǎng)度所經(jīng)歷的能量損耗百分比能小于歸因于標(biāo)準(zhǔn)傳輸線的損耗的百 分比，并且在本發(fā)明的情況下，已發(fā)現(xiàn)管道越大，能經(jīng)歷的能量損耗 的減少越多。
本發(fā)明優(yōu)選考慮可歸因于使用管道存儲(chǔ)和輸送壓縮空氣能的能量 損耗的總百分比，已發(fā)現(xiàn)該能量損耗的總百分比是若干不同因素的函 數(shù)，這些因素包括管道的直徑、管道內(nèi)的壓力、使用壓縮空氣的方式， 即壓縮空氣是否用于發(fā)電，或者是否用于驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備或提供用于
HVAC單元的冷卻。有效率地運(yùn)行系統(tǒng)所需的能量存儲(chǔ)容量的適當(dāng)量的 確定優(yōu)選考慮保持沿管道長(zhǎng)度的減少的能量損耗百分比的需求，該需 求優(yōu)選考慮當(dāng)釋放壓縮空氣時(shí)可能發(fā)生的摩擦，以及此處所述的其它 因素。
建造位于偏遠(yuǎn)地方的風(fēng)電場(chǎng)來(lái)傳輸電能的缺點(diǎn)之一是構(gòu)建輸電線 的成本以及它的相關(guān)問(wèn)題，包括沿線路長(zhǎng)度所經(jīng)歷的能量損耗。本發(fā) 明預(yù)期確定有效率地運(yùn)行系統(tǒng)所需的能量存儲(chǔ)容量的適當(dāng)量，然后使 得管道內(nèi)的適當(dāng)量的存儲(chǔ)空間適于容納預(yù)期的負(fù)載。如所提及的，已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過(guò)增加管道的直徑能夠減小歸因于管道的能量損耗的百分 率。
在這方面，如圖ll中所示，已發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用具有較大容積的較大尺 寸的管路時(shí)，能夠減小由于摩擦而導(dǎo)致的沿管路長(zhǎng)度的能量損耗的總 百分比，即，通過(guò)使用較大的管路能夠減小能量損耗的總百分比。例 如，根據(jù)圖ll，當(dāng)將內(nèi)徑為3英尺的100英里長(zhǎng)的管道填充到大約200磅 /平方英寸時(shí)，在釋放壓縮空氣以驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備時(shí)能夠預(yù)期壓降超過(guò)20 磅/平方英寸。另一方面，當(dāng)相同長(zhǎng)度的管道的直徑為4英尺且填充到相 同的壓力(g卩200磅/平方英寸)并用于相同的目的時(shí)，能夠預(yù)期該壓降小于10磅/平方英寸。還能夠看到，當(dāng)將直徑為3英尺的100英里長(zhǎng)的管 道填充到大約600磅/平方英寸時(shí)，且用于發(fā)電時(shí)，在管道的相對(duì)端處釋 放壓縮空氣時(shí)，能夠預(yù)期壓降超過(guò)60磅/平方英寸。另一方面，當(dāng)相同 長(zhǎng)度的管道的直徑為4英尺且填充到相同的壓力(即600磅/平方英寸) 并用于相同的目的時(shí)，能夠預(yù)期該壓降小于10磅/平方英寸。因此，能 夠看到，沿管道長(zhǎng)度所經(jīng)歷的壓力損耗量至少部分是管路直徑的函數(shù)。
還已經(jīng)確定，在使用渦輪膨脹機(jī)來(lái)發(fā)電時(shí)具有更大的壓力損耗， 與使用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備的情況相比，渦輪膨脹機(jī)需要相對(duì)高的 壓力和更大的氣流速度，而使用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備不需要那樣高 的壓力或速度來(lái)運(yùn)行，即，平均來(lái)說(shuō)僅需要在30到150磅/平方英寸之間。 例如，根據(jù)圖ll，能夠看到，如果將3英尺直徑的管路填充到200磅/平 方英寸并用于發(fā)電，則歸因于摩擦的壓力損耗將是很明顯的，即，表 示損耗的線不在圖表中，使它不適合于此特定的應(yīng)用。另一方面，能 夠看到，如果將相同的3英尺直徑的管路填充到相同的200磅/平方英寸 但用于驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備，則歸因于摩擦的壓力損耗將僅比20磅/平方英寸 多一點(diǎn)，這無(wú)疑是可控制的。此差別主要由于如下事實(shí)與僅僅在30 到150磅/平方英寸之間的驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備所需的氣流速度相比，使用渦輪 膨脹機(jī)發(fā)電所需的氣流速度更大，即至少200磅/平方英寸(并優(yōu)選更 多)。因此，管道中的壓降量也是能量應(yīng)用類(lèi)型的函數(shù)，該能量應(yīng)用 類(lèi)型即為用于發(fā)電還是用于驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備。
還已經(jīng)確定，當(dāng)在任意給定時(shí)刻管道內(nèi)的壓力越小時(shí)，壓力損耗 越大。例如，根據(jù)圖ll，能夠看到，如果將3英尺直徑的管路填充到200 磅/平方英寸的壓力并用于驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備，則歸因于摩擦的壓力損耗將 比20磅/平方英寸多一點(diǎn)。另一方面，能夠看到，如果將相同的3英尺直 徑的管路填充到1200磅/平方英寸并用于相同的目的，則歸因于摩擦的 壓力損耗將小于5磅/平方英寸。此差別主要由于如下事實(shí)總壓力能夠 影響如何能克服通過(guò)管道的摩擦。管道中的壓力越大，越能容易克服 摩擦，而管道中的壓力越小，越難以克服摩擦。因此，管道中的壓降量也是管路中空氣壓力的函數(shù)。
因此，期望提供具有足夠尺寸和長(zhǎng)度的管道系統(tǒng)，以對(duì)于使用該 管道的應(yīng)用類(lèi)型保持合理的壓力級(jí)別和能量損耗級(jí)別。目標(biāo)是提供將 使系統(tǒng)能夠有效率運(yùn)行的管道尺寸和長(zhǎng)度，對(duì)于為它所設(shè)計(jì)的所有不 同應(yīng)用和最終用途，具有沿管路長(zhǎng)度的減小的能量損耗。例如，優(yōu)選 作出確定，以確定系統(tǒng)將要使用的存儲(chǔ)容積或空間的適當(dāng)量，隨后確 定將鋪設(shè)的管道的長(zhǎng)度，以及距終端用戶(hù)的距離和終端用戶(hù)的類(lèi)型， 然后確定為系統(tǒng)提供適當(dāng)量的存儲(chǔ)空間所需的管路的尺寸(直徑)。 還能夠確定諸如確定通過(guò)能量源供給的功率容量級(jí)別、管道中保持的 壓力級(jí)別以及預(yù)期的壓力損耗的附加計(jì)算。這樣，整個(gè)管道系統(tǒng)能夠 設(shè)計(jì)用于預(yù)期存在的特定負(fù)載，而無(wú)需任何進(jìn)一步地建造附加管道或 任何額外存儲(chǔ)罐，這會(huì)增加其成本。這與顯示用于存儲(chǔ)能量的電網(wǎng)或
管道網(wǎng)并規(guī)定了最大可商業(yè)購(gòu)買(mǎi)的管路尺寸的Tackett美國(guó)專(zhuān)利 No.4118637不同。
所能提供的管道的一個(gè)變型是更靠近能量源地設(shè)置需要發(fā)電的終 端用戶(hù)，如圖6b和7b中所示。在這種情況下，可預(yù)期地是更靠近源地 設(shè)置那些需要發(fā)電的用戶(hù)，從而在通過(guò)渦輪膨脹機(jī)釋放壓縮空氣時(shí)， 沿管道長(zhǎng)度所經(jīng)歷的壓力損耗將更小。因?yàn)閴毫p耗是沿管路長(zhǎng)度的 摩擦的函數(shù)，該摩擦受到管路直徑、能量應(yīng)用類(lèi)型和壓力量的影響， 所以管道本身可設(shè)計(jì)使得，例如，管路的首先的25英里為4英尺直徑， 以容納由電用戶(hù)所需的較高的壓力，而管道的其余75英里可制造得較 小，即諸如3英尺的直徑，這應(yīng)當(dāng)足夠驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備。
即使當(dāng)使用統(tǒng)一尺寸即內(nèi)徑為4英尺的管路時(shí)，當(dāng)多個(gè)終端用戶(hù)沿 管道的長(zhǎng)度接入管道且總長(zhǎng)度相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)，B卩100英里時(shí)，也可期望將想 要使用渦輪膨脹機(jī)發(fā)電的終端用戶(hù)設(shè)置成更靠近能量源，即距離源25 英里之內(nèi)，而不是沿管道長(zhǎng)度的更下游。如果管道直徑僅為3英尺，而 不是4英尺，這是特別重要的，因?yàn)槿鐖Dll中所示，當(dāng)壓力開(kāi)始降低時(shí)在管道內(nèi)能夠經(jīng)歷的壓力損耗可能是相當(dāng)大的。
并且，在使用僅在一天的特定時(shí)期運(yùn)行的能量源的情況下，即僅 在夜間存儲(chǔ)能量的設(shè)備和僅當(dāng)風(fēng)吹動(dòng)時(shí)存儲(chǔ)能量的風(fēng)電場(chǎng)的情況下， 很可能存在沒(méi)有附加的壓縮空氣能被增加到管道中的間歇期。因此， 很可能存在管道內(nèi)的壓力變得相當(dāng)?shù)偷臅r(shí)期，在這種情況下，壓力損 耗可能變得相當(dāng)大。由于上面的原因，當(dāng)使用直徑為3英尺或更小的管 道時(shí)，期望將想要使用渦輪膨脹機(jī)發(fā)電的終端用戶(hù)設(shè)置在距離能量源
25英里之內(nèi)，而當(dāng)使用4英尺直徑的管道時(shí)，想要發(fā)電的終端用戶(hù)可被 設(shè)置得更遠(yuǎn)，因?yàn)榧词巩?dāng)管道內(nèi)的壓力降低到600磅/平方英寸之下時(shí)， 壓力損耗也將不會(huì)那么明顯。
盡管如上文所述，但是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面在于管道應(yīng)是合適 的，使得當(dāng)在未來(lái)需求上升時(shí)，即當(dāng)需求擴(kuò)展時(shí)，能夠?qū)⒏郊拥慕K端 用戶(hù)接入管道中，如圖8中所示。也就是說(shuō)，應(yīng)將管道預(yù)先設(shè)計(jì)為容納 多個(gè)終端用戶(hù)，然后容納具有各種需求的現(xiàn)有的以及可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)的 終端用戶(hù)，無(wú)論它們需要電還是空氣調(diào)節(jié)還是氣動(dòng)能量。在這方面， 應(yīng)值得注意的是，系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)未來(lái)將擴(kuò)展需求的預(yù)期來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。容 納此擴(kuò)展的一種方式是，如果可能的話，使用直徑至少為4英尺的管道。
管路中的壓力量?jī)?yōu)選在大約200到1200磅/平方英寸的范圍內(nèi)，其 中如果可能的話，期望將該壓力保持在600磅/平方英寸或600磅/平方英 寸以上，特別是如果終端用戶(hù)期望使用渦輪膨脹機(jī)來(lái)發(fā)電。當(dāng)終端用 戶(hù)僅需要使用壓縮空氣用于空氣調(diào)節(jié)或驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備時(shí)，盡管優(yōu)選管 道中總是具有至少200磅/平方英寸的壓力，但是該壓力可以是較低的， 即在200磅/平方英寸之下。
當(dāng)確定壓縮空氣能(即管道內(nèi)的壓力)在將需要增加附加的壓力 之前將持續(xù)多久時(shí)，也應(yīng)考慮壓力損耗。這將確定需要更大容量能量 源的程度，無(wú)論是更多的風(fēng)輪機(jī)還是增加的設(shè)備功率容量。它還能夠確定是否應(yīng)使用更大直徑的管路和/或更長(zhǎng)或更短的管道，以及應(yīng)允許 何種類(lèi)型和位置的終端用戶(hù)接入管道以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的結(jié)果。
如圖12中所示，在諸如風(fēng)電場(chǎng)的提供10兆瓦功率的源的情況下，
使用3英尺直徑、100英里長(zhǎng)的管道，并且以1200磅/平方英寸的壓力開(kāi) 始，已發(fā)現(xiàn)在需要將更多的壓力增加到管道之前，該管道能夠提供多 達(dá)大約32小時(shí)的電能。這意味著如果僅有一個(gè)終端用戶(hù)，則管道中的 空氣能最多持續(xù)32小時(shí)，但如果具有四個(gè)終端用戶(hù)，則它僅能持續(xù)8小 時(shí)。在此示例中，在管道內(nèi)總共存儲(chǔ)了320兆瓦-小時(shí)的能量。在局部的 分支中還可能存儲(chǔ)有附加的量。
此處強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)在于，當(dāng)壓力開(kāi)始下降時(shí)，由于能量的消耗，并 且沒(méi)有往回增加附加的能量，所以壓力損耗開(kāi)始變得明顯，這在管道 的直徑較小時(shí)也是更嚴(yán)重的。當(dāng)管道直徑較大，S卩4英尺或更大時(shí)，管 道中不僅具有更大量的壓縮空氣，因此管道中具有更多的能量，而且 當(dāng)使用壓縮空氣時(shí)，管道中的空氣也將經(jīng)歷減小量的摩擦和壓力損耗， 如上所述。
本發(fā)明還預(yù)期沿管道路線使用具有壓縮機(jī)或其它間歇地將附加壓 力供給到管道中的裝置的附加風(fēng)輪機(jī)站，諸如與電網(wǎng)的連接，如圖2中 所示。優(yōu)選，為減小成本，這些風(fēng)輪機(jī)可具有比主風(fēng)輪機(jī)更小的容量。 例如，風(fēng)電場(chǎng)的主風(fēng)輪機(jī)可具有總共10兆瓦的額定值，而支持風(fēng)輪機(jī) 可具有2兆瓦的額定值。這樣，能夠?qū)⒏郊訅毫σ牍艿乐?，以減小壓 力損耗，并提供能被終端用戶(hù)工廠和社區(qū)持續(xù)使用的壓縮空氣能的穩(wěn) 定源。也能夠使用諸如那些設(shè)置在其它遙遠(yuǎn)位置的附加風(fēng)輪機(jī)或風(fēng)電 場(chǎng)，將它們連接到管道，如圖2中所示，以向系統(tǒng)中提供附加的壓縮空 氣能。
本發(fā)明為管道中存儲(chǔ)的壓縮空氣能的用途設(shè)想了若干不同的構(gòu) 造，如圖6a、 6b、 6c、 6d、 7a、 7b、 7c和7d中所示。不僅多個(gè)終端用戶(hù)能夠連接到管道以抽出壓縮空氣能，而且每個(gè)終端用戶(hù)能夠沿管道長(zhǎng) 度設(shè)置在沿管道的不同位置處，并且能夠具有不同的用途和應(yīng)用。只 要管道的尺寸被適當(dāng)設(shè)置并適于存儲(chǔ)足夠量的壓縮空氣能以適應(yīng)接入 管道中的終端用戶(hù)的數(shù)量、類(lèi)型和性質(zhì)，并考慮到壓力量以及歸因于 每個(gè)終端用戶(hù)的損耗，那么對(duì)于管道能夠服務(wù)的終端用戶(hù)的數(shù)量和種 類(lèi)沒(méi)有限制。
圖6a顯示了將管道用于為配備氣動(dòng)設(shè)備的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)的實(shí)施 例，在該實(shí)施例中，管道長(zhǎng)100英里，內(nèi)徑4英尺。在此示例中，能量 通過(guò)地?zé)岚l(fā)電站、柴油機(jī)發(fā)電站或核電站產(chǎn)生，并且使用電動(dòng)機(jī)為產(chǎn) 生壓縮空氣能的壓縮機(jī)提供動(dòng)力。而且，在此實(shí)施例中，壓縮空氣優(yōu) 選在夜間存儲(chǔ)在管道中，使得它能夠在白天使用，以更有效地使用通 過(guò)源供給的能量。局部分支管道的直徑可以為3英尺，因?yàn)槊總€(gè)分支管 道僅服務(wù)單一工業(yè)區(qū)。
圖6b顯示了將管道用于為均具有氣動(dòng)設(shè)備與電需求和空氣調(diào)節(jié)需 求的組合的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，管道長(zhǎng)100英里， 內(nèi)徑4英尺。再次地，在此實(shí)施例中，能量通過(guò)地?zé)岚l(fā)電站、柴油機(jī)發(fā) 電站或核電站產(chǎn)生，并且，管道中的壓縮空氣能在夜間存儲(chǔ)，使得它 能夠在白天使用。但在此實(shí)施例中，具有電需求和空氣調(diào)節(jié)需求的工 業(yè)區(qū)優(yōu)選設(shè)置在距離能量源最多僅大約25英里的位置，從而能夠滿(mǎn)足 服務(wù)渦輪膨脹機(jī)的較大空氣壓力需求。同時(shí)，僅需要壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣 動(dòng)設(shè)備的工業(yè)區(qū)可設(shè)置得更遠(yuǎn)，諸如100英里遠(yuǎn)，因?yàn)闅鈩?dòng)設(shè)備的運(yùn)行 需要較小的壓力和流速。以這種方式定位終端用戶(hù)的決定基于可歸因 于能量使用的壓力和能量損耗量，如圖ll中所示。在這種情況下，如 果能夠滿(mǎn)足下游終端用戶(hù)的氣動(dòng)設(shè)備需求，剩余75英里管道的內(nèi)徑可 為3英尺(如需要)，盡管這具有較大的壓力損耗。局部分支管道的直 徑可以為3英尺，因?yàn)槊總€(gè)分支管道僅服務(wù)單一工業(yè)區(qū)。終端用戶(hù)能夠 安裝渦輪發(fā)電機(jī)以提供氣動(dòng)、電和空氣調(diào)節(jié)。在另一方案中，當(dāng)在源處需要更大的功率，即40000 kW的功率而 不是如10000 kW的傳輸功率時(shí)，考慮到沿管道長(zhǎng)度可能發(fā)生的壓力損 耗，可能期望使用更短的管道并增加管路尺寸。例如，代替使用100英 里長(zhǎng)、4英尺內(nèi)徑的管道，將管道的長(zhǎng)度減少至如20英里，并使用兩個(gè) 4英尺直徑的管路可能是更有效的，從而能夠存儲(chǔ)更多的能量，并且在 不發(fā)生太多能量損耗的情況下更多的能量能夠到達(dá)終端用戶(hù)。由此產(chǎn) 生的系統(tǒng)優(yōu)選由能夠傳輸40000kW的兩個(gè)4英尺直徑、20英里長(zhǎng)的管道 組成。此結(jié)論以如何產(chǎn)生收益為基礎(chǔ)，所述收益基于功率消耗、補(bǔ)償 建造系統(tǒng)的成本的需求、以及當(dāng)試圖以更高的流速傳輸更多的壓縮空 氣能以滿(mǎn)足更高的功率需求時(shí)管道中可能產(chǎn)生的增加的壓力損耗。注 意，如果沿路線具有其它能量源可將能量沿途增加到管道，則能將此 20英里的系統(tǒng)串聯(lián)以滿(mǎn)足100英里的系統(tǒng)?？稍O(shè)置若干中繼站以彌補(bǔ)由 于沿管道的摩擦而可能產(chǎn)生的壓力損耗。
圖6c顯示了將管道用于為具有空氣調(diào)節(jié)需求的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)的 實(shí)施例，在該實(shí)施例中，管道長(zhǎng)100英里，內(nèi)徑4英尺。再次地，在此 實(shí)施例中，能量通過(guò)地?zé)岚l(fā)電站、柴油機(jī)發(fā)電站或核電站產(chǎn)生，并且 管道中的壓縮空氣在夜間存儲(chǔ)，使得它能夠在白天使用。終端用戶(hù)能 夠安裝渦輪壓縮機(jī)和渦輪膨脹機(jī)以提供空氣調(diào)節(jié)。局部分支管道的直 徑可以為3英尺，因?yàn)槊總€(gè)分支管道僅服務(wù)單一工業(yè)區(qū)。
圖6d顯示了將管道用于為具有淡化裝置和空氣調(diào)節(jié)需求的若干工 業(yè)區(qū)服務(wù)的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，管道長(zhǎng)100英里，內(nèi)徑4英尺。此 外，在此實(shí)施例中，能量通過(guò)地?zé)岚l(fā)電站、柴油機(jī)發(fā)電站或核電站產(chǎn) 生，并且管道中的壓縮空氣在夜間存儲(chǔ)，使得它能夠在白天使用。終 端用戶(hù)能夠安裝用于其自己工業(yè)區(qū)的渦輪壓縮機(jī)和渦輪膨脹機(jī)和淡化 系統(tǒng)。局部分支管道的直徑可以為3英尺，因?yàn)槊總€(gè)分支管道僅服務(wù)單 一工業(yè)區(qū)。
圖7a顯示了將管道用于為配備氣動(dòng)設(shè)備的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，管道長(zhǎng)100英里，內(nèi)徑4英尺。在此示例中，能量
通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生，并通過(guò)發(fā)電機(jī)將來(lái)自風(fēng)的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換以驅(qū)動(dòng)電動(dòng) 機(jī)，該電動(dòng)機(jī)又驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。然后壓縮機(jī)將壓縮空氣能存儲(chǔ)在管道中。
局部分支管道的直徑可以為3英尺，因?yàn)槊總€(gè)分支管道僅服務(wù)單一工業(yè) 區(qū)。
圖7b顯示了將管道用于為均具有氣動(dòng)設(shè)備與電需求和空氣調(diào)節(jié)需 求的組合的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，管道長(zhǎng)100英里， 內(nèi)徑4英尺。再次地，在此實(shí)施例中，能量通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生，并通過(guò)發(fā) 電機(jī)將來(lái)自風(fēng)的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)又驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。 然后壓縮機(jī)將壓縮空氣能存儲(chǔ)在管道中。但在此實(shí)施例中，具有電需 求和空氣調(diào)節(jié)需求的工業(yè)區(qū)優(yōu)選設(shè)置在距離風(fēng)電場(chǎng)最多僅大約25英里 的位置，從而能夠滿(mǎn)足服務(wù)渦輪膨脹機(jī)的較大空氣壓力需求。同時(shí)， 僅需要壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備的工業(yè)區(qū)可設(shè)置得更遠(yuǎn)，諸如100英里 遠(yuǎn)，因?yàn)闅鈩?dòng)設(shè)備的運(yùn)行需要較小的壓力和流速。以這種方式定位終 端用戶(hù)的決定基于可歸因于能量使用的壓力和能量損耗量，如圖ll中 所示。在這種情況下，如果能夠滿(mǎn)足下游終端用戶(hù)的氣動(dòng)設(shè)備需求， 則剩余75英里管道的內(nèi)徑可以較小，諸如為3英尺，盡管這具有較大的 壓力損耗。局部分支管道的直徑可以為3英尺，因?yàn)槊總€(gè)分支管道僅服 務(wù)單一工業(yè)區(qū)。終端用戶(hù)能夠安裝渦輪發(fā)電機(jī)以提供氣動(dòng)、電和空氣 調(diào)節(jié)。
圖7c顯示了將管道用于為具有空氣調(diào)節(jié)需求的若干工業(yè)區(qū)服務(wù)的 實(shí)施例，在該實(shí)施例中，管道長(zhǎng)100英里，內(nèi)徑4英尺。再次地，在此 實(shí)施例中，能量通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生，并通過(guò)發(fā)電機(jī)將來(lái)自風(fēng)的能量進(jìn)行 轉(zhuǎn)換以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)又驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。然后壓縮機(jī)將壓縮空氣 能存儲(chǔ)在管道中。終端用戶(hù)能夠安裝渦輪壓縮機(jī)和渦輪膨脹機(jī)以提供 空氣調(diào)節(jié)。局部分支管道的直徑可以為3英尺，因?yàn)槊總€(gè)分支管道僅服 務(wù)單一工業(yè)區(qū)。圖7d顯示了將管道用于為具有淡化裝置和空氣調(diào)節(jié)需求的若干工
業(yè)區(qū)服務(wù)的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，管道長(zhǎng)100英里，內(nèi)徑4英尺。再 次地，在此實(shí)施例中，能量通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生，并通過(guò)發(fā)電機(jī)將來(lái)自風(fēng) 的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)又驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。然后壓縮機(jī) 將壓縮空氣能存儲(chǔ)在管道中。終端用戶(hù)安裝用于其自己工業(yè)區(qū)的渦輪 壓縮機(jī)、渦輪膨脹機(jī)和淡化系統(tǒng)。局部分支管道的直徑可以為3英尺， 因?yàn)槊總€(gè)分支管道僅服務(wù)單一工業(yè)區(qū)。
預(yù)期具有不同構(gòu)造的各個(gè)實(shí)施例。
1、第一構(gòu)造
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明使用在通過(guò)利用渦輪膨脹機(jī)釋放壓縮空
氣能而產(chǎn)生電時(shí)產(chǎn)生的廢冷氣副產(chǎn)品來(lái)運(yùn)行HVAC單元，用于空氣調(diào)節(jié) 和/或用于制冷，或用于兩者。優(yōu)選設(shè)置諸如渦輪膨脹機(jī)的用于釋放壓 縮空氣的裝置，以能夠使壓縮空氣釋放和膨脹。這樣，管道中所存儲(chǔ) 的壓縮空氣能能夠用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，以在"根據(jù)需要"的基礎(chǔ)上生成 電能。并且當(dāng)釋放壓縮空氣能發(fā)電的同時(shí)，系統(tǒng)能夠同時(shí)產(chǎn)生作為釋 放壓縮空氣的廢棄副產(chǎn)品的冷氣。
該冷氣能夠進(jìn)行再循環(huán)并直接地使用，即以冷氣的形式使用，該 冷氣能夠與環(huán)境空氣混合或注入HVAC單元中，以保持終端用戶(hù)設(shè)備冷 卻。盡管管道中的輸入空氣開(kāi)始處于大約70華氏度的環(huán)境溫度，但是 作為發(fā)電的副產(chǎn)品而產(chǎn)生的冷氣能達(dá)到-170華氏度或更低那么冷。而 且，同時(shí)，系統(tǒng)優(yōu)選將壓縮空氣能轉(zhuǎn)換成可用于照明、加熱、冷卻以 及其它傳統(tǒng)用途的電。例如，如果在終端用戶(hù)設(shè)備處需要電，則可將 渦輪膨脹機(jī)和發(fā)電機(jī)連接到管道，從而能夠釋放壓縮空氣以產(chǎn)生電能， 并同時(shí)產(chǎn)生冷氣，這樣能夠提高設(shè)備的總效率。這樣，整個(gè)系統(tǒng)能夠 以使設(shè)備比當(dāng)單獨(dú)使用標(biāo)準(zhǔn)電氣系統(tǒng)時(shí)的情形更有效運(yùn)行的方式建造 和使用。在這方面，在此實(shí)施例中，優(yōu)選不設(shè)置熱源或如果設(shè)置熱源，則 應(yīng)將它關(guān)閉，如圖5中所示，從而產(chǎn)生更多的冷氣，這使得系統(tǒng)能夠完 全利用當(dāng)釋放壓縮空氣時(shí)所產(chǎn)生的廢冷氣。不僅產(chǎn)生了電，而且系統(tǒng) 優(yōu)選產(chǎn)生最多的冷氣，該冷氣不僅能用于制冷和空氣調(diào)節(jié)，而且能用 于淡化。
預(yù)期與本發(fā)明結(jié)合使用的淡化系統(tǒng)是這樣的系統(tǒng)使用冷氣來(lái)冷 凍水，以有效地幫助將海水和其它微咸水中的雜質(zhì)與水分離，從而生 成淡的飲用水。在缺乏淡的飲用水的區(qū)域，通過(guò)釋放壓縮空氣所產(chǎn)生 的冷氣能夠用于淡化水。可將冷氣注入噴射有海水的冷凍結(jié)晶室中， 以產(chǎn)生冰，由此淡化水。熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)也能用于將通過(guò)冷氣產(chǎn)生的冷 卻水存儲(chǔ)在輔助的存儲(chǔ)單元中，用于以后的使用。這些實(shí)施例特別適 合于溫暖的氣候，諸如在難以獲得淡的飲用水的沙漠中。
此實(shí)施例的另一方案可適于通過(guò)使用釋放壓縮空氣能產(chǎn)生冷氣以 冷卻設(shè)備的渦輪膨脹機(jī)來(lái)僅提供冷氣，而不提供電。這種情形在工廠 已經(jīng)連接到電網(wǎng)并且能夠從該電網(wǎng)獲得電能(即用于其它的功能)但
想要以低成本的方式為工廠提供冷卻時(shí)能夠發(fā)生。在這種情況下，工 廠可購(gòu)買(mǎi)其自己的渦輪膨脹機(jī)，將分支管道連接到主管道，并接入壓
縮空氣能以產(chǎn)生冷氣。
針對(duì)此方案的可能構(gòu)造在圖9中顯示，在圖9中渦輪壓縮機(jī)使用來(lái) 自管道的壓縮空氣來(lái)對(duì)緩沖罐加壓，這有助于平滑能量的輸送。然后， 當(dāng)渦輪壓縮機(jī)由于輸入壓力而旋轉(zhuǎn)時(shí)，它帶動(dòng)渦輪膨脹機(jī)旋轉(zhuǎn)。緩沖 罐繼續(xù)加壓，而渦輪膨脹機(jī)繼續(xù)加速，直到在緩沖罐內(nèi)具有比輸入壓 力更高的穩(wěn)態(tài)壓力。因此，存在輸入空氣的連續(xù)轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生輸出空 氣，該輸出空氣處于降低的溫度和環(huán)境壓力。例如，輸入壓力可為90
磅/平方英寸，該壓力在緩沖罐中能增加到200磅/平方英寸，并且由此 產(chǎn)生輸出溫度能夠處于-70到-170華氏度的數(shù)量級(jí)，而輸出壓力處于 14.67磅/平方英寸(0磅/平方英寸(表壓))。在該實(shí)施例的變型中，公用事業(yè)公司能夠負(fù)擔(dān)管道的費(fèi)用，而個(gè) 人終端用戶(hù)能夠負(fù)擔(dān)抽取和使用存儲(chǔ)在管道中的壓縮空氣能的設(shè)備的
費(fèi)用，諸如渦輪膨脹機(jī)、HVAC單元、淡化系統(tǒng)等的費(fèi)用。在這種情況
下，公用事業(yè)公司能夠安裝管道并在合理的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)投資的回報(bào)， 而終端用戶(hù)能夠購(gòu)買(mǎi)其自己的設(shè)備，而該設(shè)備具有其自身的回報(bào)期。
2、 第二構(gòu)造
在第二實(shí)施例中，優(yōu)選在有限的基礎(chǔ)上設(shè)置加熱。例如，在此實(shí) 施例中，優(yōu)選僅使用一個(gè)現(xiàn)存的熱源，諸如當(dāng)壓縮空氣時(shí)通過(guò)壓縮機(jī) 生成的廢熱，該熱源可存儲(chǔ)在管道中。通過(guò)將管道設(shè)置在沙漠地面的 地面之上而能夠使用來(lái)自太陽(yáng)的附加的熱。這樣，盡管以較少的冷氣 為代價(jià)，但是具有更高的電能輸送效率。然而，在此實(shí)施例中，作出 努力以消除使用任何附加的能量源來(lái)提供熱量，熱量的提供需要其自 身的能量源來(lái)運(yùn)行。
此實(shí)施例具有如下優(yōu)點(diǎn)除了能夠產(chǎn)生電能之外，還能夠產(chǎn)生一 定量的冷氣。此實(shí)施例優(yōu)選當(dāng)釋放壓縮空氣時(shí)，利用通過(guò)渦輪膨脹機(jī) 產(chǎn)生的冷氣，以提供用于冷卻目的的冷氣。例如，來(lái)自渦輪膨脹機(jī)的 廢冷氣可用于制冷和空氣調(diào)節(jié)的目的，這在當(dāng)管道所服務(wù)的社區(qū)或工 廠位于溫暖氣候的位置時(shí)是特別有益的。當(dāng)使用廢熱時(shí)，如第一實(shí)施 例那樣，系統(tǒng)預(yù)期能夠?qū)⒐艿乐械膲嚎s空氣從大約70華氏度的正常環(huán)
境溫度加熱到大約250華氏度的溫度，而其中同時(shí)產(chǎn)生的冷氣的溫度由 此可增加到大約-75華氏度。
3、 第三構(gòu)造
在第三實(shí)施例中，系統(tǒng)有利地設(shè)有多個(gè)加熱器以增強(qiáng)從壓縮空氣 進(jìn)行的電的生成。例如，當(dāng)釋放壓縮空氣時(shí)可提供來(lái)自壓縮機(jī)的廢熱 或其它熱源，由此以最大化電的生成。例如，此實(shí)施例預(yù)期使用三種 不同類(lèi)型的加熱系統(tǒng)中的至少一種，所述三種加熱系統(tǒng)包括l)使用來(lái)自太陽(yáng)的能量的太陽(yáng)熱收集器，包括將管道設(shè)置在地面之上，以有效 的利用太陽(yáng)的熱量，2)廢熱收集器，以使通過(guò)壓縮機(jī)產(chǎn)生的廢熱循環(huán) 到管道中的壓縮空氣，以及3)諸如礦物燃料燃燒器的獨(dú)立加熱元件， 以將熱量引入到管道中，或者當(dāng)通過(guò)渦輪膨脹機(jī)釋放壓縮空氣時(shí)，將 熱量增加到渦輪膨脹機(jī)的輸入。如果需要，本發(fā)明還預(yù)期使用向壓縮 空氣提供熱量的其它標(biāo)準(zhǔn)方法，諸如燃燒室等。當(dāng)使用這些加熱器時(shí)，
系統(tǒng)預(yù)期能夠?qū)嚎s空氣從通過(guò)廢熱單獨(dú)獲得的250華氏度加熱到490 華氏度，其中由此在釋放壓縮空氣之后輸出的空氣可為舒適的正70華 氏度。利用此實(shí)施例，具有更高的電能輸出效率，但以完全沒(méi)有冷氣 為代價(jià)。
升高的溫度提供了若干優(yōu)點(diǎn)。第一，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)熱量明顯有助于通 過(guò)渦輪膨脹機(jī)所做的總功的效率，因此，通過(guò)升高壓縮空氣的溫度， 從相同尺寸的存儲(chǔ)容積中能夠產(chǎn)生更大量的能量。第二，通過(guò)升高空 氣的溫度，壓力能夠得以升高，這樣通過(guò)渦輪膨脹機(jī)能夠產(chǎn)生更高的 流速。第三，加熱空氣有助于避免通過(guò)渦輪膨脹機(jī)進(jìn)行的空氣膨脹而 以其它方式導(dǎo)致的冷凍。在沒(méi)有任何熱源的情況下，所釋放的空氣溫 度能夠達(dá)到接近冷凍級(jí)別，其中水蒸汽和二氧化碳?xì)怏w可能冷凍并降 低了系統(tǒng)的效率。此實(shí)施例優(yōu)選能夠?qū)⑴蛎浛諝獾臏囟缺３衷诳山邮?的級(jí)別，以幫助保持系統(tǒng)的運(yùn)行效率。根據(jù)圖IO，當(dāng)使用渦輪膨脹機(jī) 時(shí)，能夠看到輸入溫度越高，輸出溫度越高，而功率效率降低。
4、第四構(gòu)造
在第四實(shí)施例中，將壓縮空氣通過(guò)管道輸送到工業(yè)區(qū)或其它工廠， 并且在該工業(yè)區(qū)或工廠直接使用壓縮空氣來(lái)運(yùn)行氣動(dòng)設(shè)備。這可以在 產(chǎn)生電能之外或替代產(chǎn)生電能而進(jìn)行，還能同時(shí)產(chǎn)生冷氣。當(dāng)工廠沒(méi) 有安裝到電網(wǎng)時(shí)，工廠可適配于渦輪膨脹機(jī)產(chǎn)生電并同時(shí)使用壓縮空 氣驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備，從而提高系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性，并減輕對(duì)電網(wǎng)的過(guò) 度負(fù)載。渦輪膨脹機(jī)還能夠用于產(chǎn)生作為副產(chǎn)品的冷氣，在這種情況 下，它能夠用于空氣調(diào)節(jié)和其它冷卻目的。在大多數(shù)情形下，工廠將既需要?dú)鈩?dòng)能量又需要電力，即氣動(dòng)能量用于運(yùn)行其沉重的設(shè)備和工 具，而電力用于其它功能。冷氣還能夠作為釋放空氣的副產(chǎn)品使用。 另一方面，當(dāng)工廠安裝到電網(wǎng)時(shí)，工廠可適于僅抽出氣動(dòng)能量。在這 種情況下，壓縮空氣能能夠用于補(bǔ)充已在該地點(diǎn)得到的電能。
為最大程度地利用供給到指定工廠的氣動(dòng)能量，使用壓縮空氣能 的工廠應(yīng)當(dāng)是一個(gè)在其日常運(yùn)行中通常使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的工廠。當(dāng) 使用壓縮空氣運(yùn)行氣動(dòng)設(shè)備時(shí)，無(wú)須首先將壓縮空氣能轉(zhuǎn)換成電，系 統(tǒng)的效率得以提高。盡管在管道長(zhǎng)度上可能具有由于如上所述的摩擦 而引起的一定量的能量損耗，但是因?yàn)樵跓o(wú)須首先將能量轉(zhuǎn)換成電的 情況下使用壓縮空氣，所以沒(méi)有與將壓縮空氣能轉(zhuǎn)換成電能相關(guān)的其 它損耗。因此，能夠消除與氣動(dòng)能量到電能的轉(zhuǎn)換相關(guān)的低效。
在這方面，本發(fā)明涉及一種如下的改進(jìn)方法經(jīng)由管道以壓縮空 氣的形式存儲(chǔ)能量，然后經(jīng)由同一管道將該壓縮空氣輸送到運(yùn)行氣動(dòng) 驅(qū)動(dòng)設(shè)備的工廠，從而該壓縮空氣能夠用于運(yùn)行設(shè)備，而無(wú)須首先將 壓縮空氣能轉(zhuǎn)換成電。與需要首先將壓縮空氣能轉(zhuǎn)換成電的過(guò)去的風(fēng) 電場(chǎng)和過(guò)去的壓縮空氣系統(tǒng)不同，本發(fā)明能夠使用管道系統(tǒng)來(lái)存儲(chǔ)壓 縮空氣能，并將它輸送到能使用它的位置，而無(wú)須首先將壓縮空氣能 轉(zhuǎn)換成電。
使用氣動(dòng)系統(tǒng)還具有明顯的運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)。例如，氣動(dòng)工具具 有較小的摩擦，因此它們往往比傳統(tǒng)的機(jī)械工具更加耐用。而且，當(dāng) 保持它們清潔并潤(rùn)滑時(shí)，可能幾乎是不可能破壞它們的。它們具有很 少的運(yùn)動(dòng)件，并且它們通常冷卻使用。通過(guò)本發(fā)明預(yù)期的一些氣動(dòng)設(shè) 備包括如下噴槍?zhuān)汇T釘槍?zhuān)粴鈩?dòng)釘槍?zhuān)粴饬娚皺C(jī)；噴射槍?zhuān)粐娚?機(jī)；填縫槍?zhuān)粴鈩?dòng)棘輪扳手；氣錘；風(fēng)鑿；風(fēng)鉆；氣動(dòng)扳手；電磨； 切削刀具；磨胎機(jī)；氣力滑鋸；氣動(dòng)曲線剪；氣動(dòng)凸緣沖壓工具；風(fēng) 動(dòng)螺絲刀；風(fēng)動(dòng)剪斷機(jī)；氣動(dòng)磨光機(jī)等?？商峁┊a(chǎn)生變壓力等級(jí)的一 系列控制閥以驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)設(shè)備，諸如50磅/平方英寸、100磅/平方英寸以及150磅/平方英寸。 5、第五構(gòu)造-
在第五實(shí)施例中，除了結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)以生成能量之外或代替結(jié)合風(fēng) 電場(chǎng)以生成能量，可將諸如傳統(tǒng)燃料燃燒驅(qū)動(dòng)的渦輪發(fā)電機(jī)、地?zé)岚l(fā) 電站、核電站、水電站等或電網(wǎng)的公用事業(yè)公司的電站連接到管道。 在這方面，考慮到出于安全的原因，即萬(wàn)一可能釋放潛在的放射云， 核電站理想地是設(shè)置在足夠遠(yuǎn)離人口中心的位置，因此使用本發(fā)明的 管道的益處在于能夠?qū)㈦娬驹O(shè)置在足夠遠(yuǎn)離需要能量的社區(qū)或工廠的 位置。
在此實(shí)施例中，管道系統(tǒng)可連接到諸如公用事業(yè)設(shè)施或電網(wǎng)的現(xiàn) 有能量源，其中系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為在低需求期，諸如在夜間壓縮空氣并存 儲(chǔ)能量，而在高需求期，諸如在白天使用所存儲(chǔ)的能量。這樣，公用 事業(yè)設(shè)施能夠以其最有效的級(jí)別持續(xù)運(yùn)行，并能夠存儲(chǔ)在低需求時(shí)產(chǎn) 生的能量，來(lái)補(bǔ)充在高需求期所需的能量。從能量生產(chǎn)的觀點(diǎn)看，這 不僅有助于減小能量的成本，而且也有益于能量的使用者。
使用此系統(tǒng)，在高需求期，公用事業(yè)公司能夠提供更多的能量來(lái) 解決較高的需求，而不必建造更高容量的發(fā)電站，因?yàn)檫@樣做的成本 將更高。所產(chǎn)生的能量可在夜間存儲(chǔ)在管道中，并經(jīng)由管道而不是標(biāo) 準(zhǔn)傳輸線輸送到終端用戶(hù)，并在白天使用。這考慮到當(dāng)面對(duì)恒定的需 求能量記錄時(shí)，公用事業(yè)設(shè)施在恒定負(fù)載下最有效地運(yùn)行。本發(fā)明克 服的問(wèn)題是，通常的發(fā)電站面對(duì)每天都變化的需求能量記錄，其中氣 動(dòng)傳輸管道選取每天變化的需求能量記錄，并將它轉(zhuǎn)換成恒定的需求 能量記錄。傳統(tǒng)的燃料燃燒驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)、地?zé)岚l(fā)電站和核電站優(yōu) 選夜以繼日地運(yùn)行在相同的功率級(jí)別下。改變能量級(jí)別運(yùn)行往往使高 速旋轉(zhuǎn)部件在其終止期間產(chǎn)生疲勞。傳輸管道能夠消除功率級(jí)別的這 些改變。而且，公用事業(yè)公司能夠在一致的高級(jí)別和恒定的功率輸出 級(jí)別下產(chǎn)生能量，這使設(shè)備的效率最大化。此外，對(duì)于在高需求期使用的能量，公用事業(yè)公司能夠更多地收費(fèi)，盡管該能量實(shí)際上是在低 需求、低成本期產(chǎn)生的，即夜間的能量以白天的費(fèi)用出售。
從用戶(hù)的觀點(diǎn)看，高需求期的能量費(fèi)用能夠較低，并且與電涌、 尖峰脈沖和停電事故相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)更小。
6、第六構(gòu)造
在第六實(shí)施例中，可將與前五種構(gòu)造相關(guān)的上述特征的一個(gè)或多 個(gè)并入單一系統(tǒng)中，并能夠用于沿管道的長(zhǎng)度向多個(gè)社區(qū)和工廠提供
能量。社區(qū)或工廠的每一個(gè)都可使用與主管道相連的局部分支管道接 入該主管道中，g卩，例如主管道可以為100英里長(zhǎng)，而每個(gè)分支可以為 5英里長(zhǎng)。每個(gè)分支還能為壓縮空氣能的存儲(chǔ)提供附加容積。
作為組合系統(tǒng)的示例，管道可設(shè)置在熱沙漠中，并用于為使用電 和氣動(dòng)能量的工廠服務(wù)。在這種情況下，系統(tǒng)優(yōu)選被安裝成沒(méi)有加熱 元件或具有加熱元件但該加熱元件是關(guān)閉的，從而系統(tǒng)能夠發(fā)電，并 同時(shí)產(chǎn)生最多的冷氣。系統(tǒng)還可設(shè)置使得一些壓縮空氣能可驅(qū)動(dòng)氣動(dòng) 設(shè)備，從而提高系統(tǒng)的總效率。同樣地，系統(tǒng)能夠適于使得壓縮空氣 能可既通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)又通過(guò)公用事業(yè)公司產(chǎn)生，以解決與使用風(fēng)作為能 量源相關(guān)的不確定性。提供諸如公用事業(yè)公司或電網(wǎng)的第二能量源有 時(shí)是有利的，當(dāng)風(fēng)小或沒(méi)有風(fēng)時(shí)，可使用該第二能量源。
優(yōu)選，沿管道提供一系列伺服止回閥、計(jì)量器和控制邏輯，從而 能夠控制和監(jiān)控在每個(gè)終端用戶(hù)站處存儲(chǔ)和釋放壓縮空氣的量和速 度。在這方面，為適當(dāng)?shù)胤峙涫褂帽鞠到y(tǒng)供給的能量的量，必須通過(guò) 確定在任意給定時(shí)間管道中的實(shí)際壓力是多少來(lái)了解多少壓縮空氣能 是可利用的，然后能夠以適當(dāng)?shù)乃俣柔尫潘?br> 本發(fā)明優(yōu)選包括充足的存儲(chǔ)容量，以便即使當(dāng)風(fēng)一次停止吹動(dòng)超 過(guò)一星期時(shí)，也能夠存儲(chǔ)和釋放充足的能量。這通過(guò)預(yù)測(cè)風(fēng)條件和特征并進(jìn)而使用此數(shù)據(jù)來(lái)有效地設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)間表來(lái)實(shí)現(xiàn)，目的是當(dāng)風(fēng) 能輸出級(jí)相對(duì)高時(shí)使系統(tǒng)能夠?qū)⒆畲罅康哪芰繅喝氪鎯?chǔ)狀態(tài)。通過(guò)上 述方式能夠存儲(chǔ)壓縮空氣能并在適宜的時(shí)間釋放能量，本系統(tǒng)優(yōu)選能 夠以減小或避免風(fēng)能起伏和波動(dòng)的方式有效地協(xié)調(diào)、管理和穩(wěn)定能量 的輸送。這使得該系統(tǒng)穩(wěn)定和平滑了能量的輸送，并避免了能夠不利 地影響能量輸送系統(tǒng)的突然電涌和擺幅。
權(quán)利要求
1.一種存儲(chǔ)和輸送壓縮空氣能的方法，包括將至少一個(gè)風(fēng)輪機(jī)設(shè)置在第一位置；使所述至少一個(gè)風(fēng)輪機(jī)適配于壓縮機(jī)來(lái)將通過(guò)風(fēng)生成的能量存儲(chǔ)為壓縮空氣能；提供與所述至少一個(gè)風(fēng)輪機(jī)相關(guān)聯(lián)的管道，用于存儲(chǔ)所述壓縮空氣能并將所述壓縮空氣能輸送到遠(yuǎn)離所述第一位置的第二位置；利用渦輪膨脹機(jī)從所述管道中釋放所述壓縮空氣能，以在所述第二位置提供能量，其中設(shè)置發(fā)電機(jī)以在所述第二位置發(fā)電；以及使用所述壓縮空氣能來(lái)1)利用所述渦輪膨脹機(jī)共同生成冷氣，并使用所述冷氣在所述第二位置提供制冷和/或空氣調(diào)節(jié)；2)利用所述渦輪膨脹機(jī)共同生成冷氣，并使用所述冷氣在所述第二位置淡化水；或3)在所述第二位置驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)氣動(dòng)工具或設(shè)備，而無(wú)須首先將所述壓縮空氣能轉(zhuǎn)換成電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中設(shè)置至少一個(gè)加熱器以改善 電力生產(chǎn)，其中所述加熱器選自1)太陽(yáng)熱，2)來(lái)自所述壓縮機(jī)的 廢熱，3)燃燒器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中不設(shè)置附加的熱源，并且通 過(guò)所述渦輪膨脹機(jī)共同生成最多的冷氣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述管道中的壓力在正常運(yùn) 行期間保持在600磅/平方英寸或以上，并適于在任意給定時(shí)刻保持200 磅/平方英寸的最小值，并且其中所述管道的內(nèi)徑至少為3英尺，以及 長(zhǎng)度至少為25英里。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述渦輪膨脹機(jī)用于釋放所 述壓縮空氣能并驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)，其中所述方法包括能夠在產(chǎn)生能量 以驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生電與驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)氣動(dòng)工具或設(shè)備之間 切換。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法包括在所述第一與第二位置之間設(shè)置至少一個(gè)附加能量源，其中所述至少一個(gè)附加能量 源生成附加的壓縮空氣能，以幫助減小在所述管道內(nèi)存在的壓力損耗。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中將公用事業(yè)設(shè)施或電網(wǎng)連接 到所述管道，其中所述方法使得所述公用事業(yè)設(shè)施或電網(wǎng)能夠在低需 求期期間生成壓縮空氣能并將所述壓縮空氣能存儲(chǔ)到所述管道中，并 且能夠在高需求期期間使用所述壓縮空氣能。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述管道設(shè)置在鐵軌上或鄰 近鐵軌，和/或設(shè)置在暴露于太陽(yáng)的沙漠地面上。
9. 一種存儲(chǔ)和輸送壓縮空氣能的方法，包括提供至少一個(gè)能量源以驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)壓縮機(jī)，用于在第一位置生成壓縮空氣能；提供與所述至少一個(gè)能量源相關(guān)聯(lián)的管道，用于存儲(chǔ)所述壓縮空 氣能并將所述壓縮空氣能輸送到遠(yuǎn)離所述第一位置的第二位置；運(yùn)行所述至少一個(gè)能量源以驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)，并將所述壓縮空氣 能存儲(chǔ)在所述管道中；利用渦輪膨脹機(jī)從所述管道中釋放所述壓縮空氣能以在所述第二 位置提供能量，其中設(shè)置發(fā)電機(jī)以在所述第二位置發(fā)電；以及使用所述壓縮空氣能以利用所述渦輪膨脹機(jī)來(lái)共同生成冷氣，并 在所述第二位置提供制冷和/或空氣調(diào)節(jié)，和/或在所述第二位置淡化 水。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述至少一個(gè)能量源是設(shè) 置在所述第一位置的風(fēng)電場(chǎng)、公用事業(yè)設(shè)施或電網(wǎng)，所述風(fēng)電場(chǎng)、公 用事業(yè)設(shè)施或電網(wǎng)與所述管道相連通，以生成壓縮空氣能并將所述壓 縮空氣能存儲(chǔ)在所述管道中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述方法包括使用所述壓 縮空氣能在所述第二位置驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)氣動(dòng)工具或設(shè)備，而無(wú)須首先 將所述壓縮空氣能轉(zhuǎn)換成電。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中設(shè)置加熱器以改善電力生 產(chǎn)，其中所述加熱器選自1)太陽(yáng)熱，2)來(lái)自所述壓縮機(jī)的廢熱， 以及3)燃燒器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中不提供附加的熱量，并且 通過(guò)所述渦輪膨脹機(jī)共同生成最多的冷氣。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述管道中的壓力在正常 運(yùn)行期間保持在600磅/平方英寸或以上，并適于在任意給定時(shí)刻保持 200磅/平方英寸的最小值，并且其中所述管道的內(nèi)徑至少為3英尺， 以及長(zhǎng)度至少為25英里。
15. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其中所述渦輪膨脹機(jī)用于釋放 所述壓縮空氣能并驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)，其中所述方法包括能夠在產(chǎn)生能 量以驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生電與使用所述壓縮空氣能直接驅(qū)動(dòng)所述至 少一個(gè)氣動(dòng)工具或設(shè)備之間切換。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述方法包括在所述第一 與第二位置之間設(shè)置至少一個(gè)附加能量源，其中所述至少一個(gè)附加能 量源生成附加的壓縮空氣能以幫助減小在所述管道內(nèi)存在的壓力損 耗。
17. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述管道設(shè)置在鐵軌上或 鄰近鐵軌，和/或設(shè)置在暴露于太陽(yáng)的沙漠地面上。
18. —種存儲(chǔ)和輸送壓縮空氣能的方法，包括提供至少一個(gè)能量源以驅(qū)動(dòng)至少一個(gè)壓縮機(jī)，用于在第一位置生成壓縮空氣能；提供與所述至少一個(gè)能量源相關(guān)聯(lián)的管道，用于存儲(chǔ)所述壓縮空 氣能并將所述壓縮空氣能輸送到遠(yuǎn)離所述第一位置的第二位置；運(yùn)行所述至少一個(gè)能量源以驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)，并將所述壓縮空氣 能存儲(chǔ)在所述管道中；以及從所述管道中釋放所述壓縮空氣能以在所述第二位置提供能量， 其中在所述第二位置設(shè)置至少一個(gè)氣動(dòng)工具或設(shè)備，并且使用所述壓 縮空氣能來(lái)驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)氣動(dòng)工具或設(shè)備，而無(wú)須首先將所述壓 縮空氣能轉(zhuǎn)換成電。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述至少一個(gè)能量源是風(fēng) 電場(chǎng)、公用事業(yè)設(shè)施或電網(wǎng)，所述風(fēng)電場(chǎng)、公用事業(yè)設(shè)施或電網(wǎng)與所 述管道相連通以生成壓縮空氣能并將所述壓縮空氣能存儲(chǔ)在所述管道 中。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述管道中的壓力在正常 運(yùn)行期間保持在600磅/平方英寸或以上，并適于在任意給定時(shí)刻保持 200磅/平方英寸的最小值，并且其中所述管道的內(nèi)徑至少為3英尺， 以及長(zhǎng)度至少為25英里。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中渦輪膨脹機(jī)被設(shè)置并用于 釋放所述壓縮空氣能并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述方法包括能夠在產(chǎn)生能量以驅(qū)動(dòng)所述發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生電與驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)氣動(dòng)工具或設(shè)備 之間切換。
23. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述方法包括在所述第一 與第二位置之間設(shè)置至少一個(gè)附加能量源，其中所述至少一個(gè)附加能 量源生成附加的壓縮空氣能，以幫助減小在所述管道內(nèi)存在的壓力損 耗。
24. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述管道設(shè)置在鐵軌上或 鄰近鐵軌，和/或設(shè)置在暴露于太陽(yáng)的沙漠地面上。
全文摘要
基于風(fēng)輪機(jī)的能量生成和存儲(chǔ)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和方法，其中勢(shì)能存儲(chǔ)為壓縮空氣。使用高壓氣動(dòng)管道系統(tǒng)連接偏遠(yuǎn)的風(fēng)電場(chǎng)。管道設(shè)置在沙漠地面上以及鄰近鐵路路基。壓縮空氣能通過(guò)渦輪膨脹機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。膨脹壓縮空氣的解壓縮用于冷卻設(shè)備、調(diào)節(jié)空氣、淡化以及提供制冷?？山Y(jié)合公用事業(yè)電網(wǎng)并通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)該公用事業(yè)電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充。電能用于在低電需求時(shí)期期間生成壓縮空氣。
文檔編號(hào)H02P9/04GK101410617SQ200780010447
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2007年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月31日
發(fā)明者保羅·利伯曼, 本·M·埃尼斯 申請(qǐng)人:本·M·埃尼斯;保羅·利伯曼