专利名称：压缩空气储能系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及压缩空气储能(CAES)系统，尤其但非排他地涉及能够储存从再生源获取的过量能量以便当需要时将额外的电力提供给电网的压缩空气储能系统。本发明还涉及组合式压缩空气储能系统和发电机。
背景技术：
诸如由风、太阳光或潮汐产生的可再生能被认为是有价值的电力的来源。然而，这些能源的使用存在问题，因为供给会间断并且不一定与峰值用电需求的时间相对应。因此，将这些可再生能以某种形式进行储存以使得当需要时可使用是已知的。一种这样已知的储存方法是绝热CAES厂利用来自电网或可再生能的过量电力使电动机运转从而驱动压缩机。压缩空气被冷却并且用于将某种形式的储器(通常是地下洞室)填充至大约6000至7500kPa(60至75巴)的压力。在峰值需求时，压缩空气从洞室中 取出，进行加热，随后供给至改进的燃气轮机。来自压缩空气的能量与由燃烧过程供给的能量一起驱动涡轮机，因此经由发电机来生产电力。然后将电力供给至电网。还已知的是，在压缩空气进入储器中之前，从压缩空气中提取热能，并且将热能储存到热能库中。当电网需要能量时，在压缩空气用于驱动涡轮机之前，热能返回到压缩空气中。已知的CAES系统不是以最优的效率运行的。为了对用电需求的尖峰信号做出反应，膨胀涡轮机的最快起动是期望的。通过使涡轮机旋转以及预热，能够更容易实现这点，这样需要增加能量输入，不利地影响了效率。热能库对于CAES厂的总效率是重要的，并且现有的热能库提供了不能令人满意的效率水平。期望的是，通过更加高效的热能储存和涡轮机预热来提供具有改进效率的绝热CAES系统。还期望的是，提供组合式CAES系统和发电机，因为效率的进一步提高可通过经由来自压缩空气的水增压而不是直接来自压缩空气本身的动能来开发电力而实现。发明概述根据本发明，提供一种用于将增压流体供给至涡轮机以产生电的压缩空气储能系统，包括至少一个压缩机，其用于压缩空气；热能回收系统，其用于回收通过对空气进行压缩产生的热；热能库，其用于储存至少一定比例的回收热；压缩空气能量库；热能导入系统，其将热的至少部分重新导入位于所述压缩空气能量库下游的空气中；以及压缩空气流路，其将所述至少一个压缩机和压缩空气能量库连接。所述热能回收系统优选地包括回收装置，其提取直接来自压缩机主体的过量热；换热器，其回收来自压缩空气和/或流路的部分的热，所述流路被布置为贯通热能库。所述换热器可以为位于热能库下游的后冷却器。热能库可以包括固体储热材料，优选地为经干燥和沉淀的盐层，或者可以包括液体，优选地为水。压缩空气储能系统还可以包括涡轮机。从热能回收系统获取的热能的部分可供给至经预热的涡轮机，所述涡轮机可被配置为由压缩空气驱动。
压缩空气储能系统可进一步包括至少一个水箱和液体流路，所述液体流路将所述至少一个水箱与涡轮机连接，其中所述压缩空气被配置为对水进行增压，并且增压水被配置为驱动涡轮机。还可以包括至少一个涡轮机，所述涡轮机优选地为佩尔顿(Pelton)涡轮机或类似的涡轮机。优选地，压缩空气储能系统还包括与至少一个涡轮机相关联的至少一个液压减震器。所述压缩空气储能系统的所述至少一个压缩机可以为往复式压缩机。还提供一种使如上所述的压缩空气储能系统运转的方法，包括如下步骤a)压缩空气；b)直接地和/或间接地从所述压缩空气回收热能；c)将热能储存在热能库中； d)将压缩空气储存在压缩空气能库中；以及e)选择性地使用储存在所述压缩空气能库和所述热能库中的能量来驱动涡轮机。在步骤a)中，可直接从压缩机主体回收热能，优选地借助于水循环。可存在另一步骤，即选择性地使用回收的热能来对涡轮机进行预热。增压空气或增压水可以驱动涡轮机。
现在将参照附图对本发明的优选实施方案进行说明，其中图I示出了根据本发明的第一实施方案的CAES系统的示意图；图2示出了第一实施方案的CAES过程的储存阶段的流程图；图3示出了第一实施方案的CAES过程的发电阶段的流程图；图4示出了根据本发明的第二实施方案的带有发电机的CAES系统的示意图；图5示出了根据图4中的实施方案的CAES系统的储存阶段的流程图；以及图6示出了根据图4中的实施方案的CAES过程的发电阶段的流程图。发明详述参照图1，压缩空气能量系统10包括低压压缩机12、与低压压缩机12串联的高压压缩机14、热回收单元18、热能库20、后冷却器22、压缩空气能量库24、多个调节阀29、27以及至少一个涡轮机26。压缩机12、14、热能库20、后冷却器22、压缩空气能量库24、调节阀29、27和至少一个涡轮机26通过压缩空气流路21串联地链接到一起。压缩机12和14由电动机(未示出)供给动力并且由控制器11进行调节。存在多种适合于该应用的压缩机12、14，包括油润滑式压缩机、无油式压缩机、叶片式压缩机以及高压往复式压缩机。在该实施方案中，低压压缩机12为轴向压缩机，而高压压缩机14为径向压缩机。适合的压缩机是由例如德国的MAN Turbo AG of Oberhausen制造的。为了获得最优的效率，两种压缩机均优选地能够工作至高压和高温(大约7500kPa(75巴)以及650°C )。这两种压缩机应当有利地能够以高效率在宽的工作范围内运作，并且它们应当有利地与短的起动时间和频繁起动相兼容，并且能够以相当大的压力和温度梯度工作。每种压缩机均包括减压阀15和环绕水套13，用于从压缩机主体提取热，尤其是通过从各种压缩机12、14的润滑油中提取热。另外的低压压缩机(未示出)可馈到系统中的点31处，其位于低压压缩机12和高压压缩机14之间。冷凝液捕集器35位于高压压缩机14和热能库20之间。从该点处的空气去除的水被储存在储器37中。在该实施方案中，热能库20包括在增压容器内的经干燥和沉淀的盐层。容器有利地防止材料满溢而进入涡轮机中。对于诸如第一实施方案中的大规模方案，期望具有120-1200MWh的储热容量以及高的热提取率。增压容器保持固体储存介质，在该实施方案中，所述储存介质包括开采的经干燥和沉淀的盐层。固体储存介质为热传递提供了大的表面积，而盐层通常价格低廉并且因此是极具吸引力的介质。因此，该实施方案的能量库提供了从压缩空气中去除和储存压缩热的有效方式。在另外的实施方案中，可选的热能储存是以收容吸湿性材料的固态储器的形式提供的，例如由ZAE Bayern制造的那些吸湿性材料、“Zeolite”或类似的吸湿性材料。热回收回路17使在水套13周围泵送的水循环并且将经加热的水输送至热回收单 元18。冷却接口 16使水能够被馈入回路17中以及从回路17中馈出。热回收单元18合并有换热器，并且在该实施方案中并入了储热介质(例如，增压容器内的经干燥和沉淀的盐层)。这样，能够储存热，并且将热量选择性地传递至供热回路19，供热回路19将来自热回收单元18的热供给至涡轮机26。后冷却器22包括在压缩空气流路中位于热能库和压缩空气能库24之间的空气/水换热器。温度比相应空气低的水通过换热器，使得水被加热，而使空气被冷却。经加热的水馈送到供热回路19中。在该实施方案中，压缩空气能量库24包括地下洞室25，地下洞室25大约具有145m的高度且位于地面以下900m，是通过盐开采而形成的。在形成洞室25时移除的沉积物可用于热能库20中。对于能够发电大约15丽或更多的电厂，当考虑到申请人当前所获知的大容量储存时，这种类型的洞室提出了唯一经济可行的储存手段。有利的是，洞室25为大致筒形形状，提供了最优的压力特性。对于待产生的每MWh的能量，应当允许具有近似530立方米的容差。在其它实施方案中，还可以使用其它预先存在的洞室。对于小型方案，可以使用制造的储存容器。理想的是，用于CAES系统10的涡轮机26应当能够使能在宽范围的入口压力时具有看快速起动、高动力坡道和高效率。入口压力很可能以因数2变化，使得期望具有适应性阶段(通常在燃气轮机中)。多个阀27控制涡轮机入口压力。优选地，在涡轮机入口处，空气将处于4100kPa(41巴)和565°C。适合的润轮机包括由英国伦敦的Alstom Power ofHolborn制造的润轮机。参照图2和图3，在使用时，由风力涡轮机或另外的可再生能源(未示出)供给动力的电动机为电动机供给动力以驱动压缩机12、14。环境空气被抽吸到低压压缩机12中，并且一旦压缩至第一压力，空气从低压压缩机12进入高压压缩机14。在第二阶段之后压缩空气的压力优选地为8600kPa的阶。水在水套13周围泵送，从而在通过第一组热回收管17循环到热回收单元18之前优选地经由压缩机的润滑油从压缩机12、14中提取热量。第二组热回收管19将热量从热回收单元18传递到涡轮机26。在冷凝液捕集器37处从增压空气中去除冷凝液。通过使增压空气通过热能库20来冷却增压空气，并且提取的热量被储存在热能库中。附加的热量可从诸如废电、来自工业过程的废热、来自太阳电池板的热或化学废热的辅助热源供给至热能库20。增压空气通过后冷却器22，其中进一步回收热。然后，将增压空气传递到压缩空气能量库24。由后冷却器22回收的废热经由供热回路19传递至涡轮机26。在此阶段，预期压缩空气的温度已经降低大约50°C。在峰值能量需求的时段期间，当系统10需要向电网供给能量时，位于压缩空气能量库24下游的阀29被打开以允许从压缩空气能量库24中去除增压空气。然后，通过使空气通过热能库20来加热空气。这确保了，当膨胀时，空气不会将涡轮机26冷却到其工作温度范围以下。增压空气随后通过调节阀27以使得能够供给待“上斜坡”的压缩空气并且用于驱动涡轮机26。涡轮机26驱动发电机28以按需要供给电能。从热回收单元18和后冷却器22供给的热用来选择性地对涡轮机26进行预热，从而能够实现涡轮机26的快速起动。一旦涡轮机26运行起来，不再需要预热，因为涡轮机通过从热能库20传递到空气中的热量而保持在其工作温度范围内。为了实现快速起动，要求涡轮机的预热和旋转这两方面。这样保持了涡轮机26的持续旋转。控制器33响应于主要的能量需求而调节涡轮机26的运转。 本发明的第二实施方案示于图4至图6中。与之前的实施方案实质相同的特征赋予相应的附图标记，附加了前缀“I”。通过与实施方案进行比较，该实施方案实质上为较小规模。然而，应理解的是，在其它实施方案中规模可扩大至各种尺寸。第二实施方案被简化至仅图示出单个压缩机和涡轮机的程度，而实际的电厂通常包括串联和/或并联的多个压缩机和涡轮机。参照图4,本发明的第二实施方案包括组合式CAES系统和发电机110,其具有电动机108、压缩机112、换热器115、压缩气体储器124、热库130、四个水箱132a、132b、132c、132d、蓄压器134、减震器136、涡轮机138、发电机128和负载箱144。压缩机112、热库130和换热器115形成了第一系统，所述第一系统由水管141 (较粗的线路)链接并且通过减压阀和入口 146馈送。来自辅助源的热经由水管151添加。第二系统包括水箱132a-d和涡轮机138，所述第二系统通过减压阀和入口 148馈送并且由水管143 (较粗的线路)链接。水通过液体歧管循环而通过第二系统，而空气沿着压缩空气流路121 (较粗的线路)行进。两个系统由水管145链接。如果换热器115出现故障，则该管145使系统能够运行。如之前的实施方案，压缩机112包括环绕水套113，水套113经由压缩机112的润滑油从压缩机112的主体进行热回收。在该实施方案中，压缩空气能量库124与前一实施方案的压缩空气能量库24相似，其包括通过开采盐形成的地下洞室125。在该实施方案中，压缩空气能量库124在30000kPa 时为近似 25m3。四个水箱132a_d以围绕它们各自连接的蓄压器134的构造布置。在该实施方案中，水箱132a-d中的每个均包括直径为5m且高度为5m的双壁型气缸。每个水箱132a_d的内壁被穿孔，并且为了减少紊流，内气缸包含蜂巢式结构。外腔室允许空气快速通过收容在水箱132a-d中的水。每个水箱132a-d能够有利地增压至15000kPa(150巴)。蓄压器134包括在恒定重力压力作用下直径为近似5m的圆鼓。液体歧管140将水箱与蓄压器134和系统的其余部分连接。热库130包括尺寸近似为四个水箱132a-d中的每个的两倍的水箱。热库130为在近似400°C的工作温度下增压至1400kPa(14巴)的储水器。热库130接收来自压缩过程以及例如废电、来自工业过程的废热、来自太阳电池板的热或化学废热的辅助热源的热。在可选的实施方案中，热库可以为收容吸湿材料固态储器，吸湿材料诸如为由ZAEBayern生产的那些(例如，“Zeolite”，或类似的吸湿材料)。减震器136向上定位并且位于涡轮机的下游。在该实施方案中，减震器包括被设计为防止压力突然显著变化的水气储压器。在该实施方案中，涡轮机138优选地为佩尔顿涡轮机，诸如由德国Voith Hydro ofHeidenheim制造的涡轮机。旁通阀布置150允许增压水在机械故障的情况下从涡轮机和发电机旁通。 负载箱144在起动过程中调节涡轮机上的负载。在该实施方案中，喷射器152位于涡轮机138的上游以及减震器136的下游。喷射器152接收蒸汽、压缩空气以及增压水，并且将它们喷射到涡轮机138中，提高了效率。参照图5，在使用时，在充蓄阶段中，通过电动机108来驱动压缩机112，电动机108由过剩的电网电力或可再生能源供给动力以储存能量。通过换热器115从压缩空气中去除热。然后，将压缩空气储存到压缩空气能量库124中。经由其润滑油和压缩机水套113中的水从压缩机112中提取热，然后，将热连同来自换热器115的水一起储存在热库130中。也储存来自辅助热源的热。水通过水入口 146、148进入系统中，但是通常在水进行再循环时系统作为闭环运转。在该充蓄阶段中，回收的热还可用于为歧管140填充经加热的增压水，蓄压器134填充达到近2/3满度的增压水，并且用增压水填满水箱132a-132d中的两个。另外，可通过两个充满的水箱中的一个(如图4所示，水箱132c)的外部使压缩空气起气泡。随后，压缩空气在加热状态下进入水箱132a以使其增压。图4示出了保持各种水量的四个水箱132a、132b、132c、132d。第一个水箱132a充满水，充分增压，并且准备好释放到蓄压器134中。第四个水箱132d为空的并且准备好接收来自涡轮机的返回水。第三个水箱132c充满水并且准备好通过来自储器124的压缩空气和来自热库130的蒸汽而增压。第二个水箱132b经由排气通气口 142与大气通气。系统110现在处于充分充满状态并且准备好运转。参照图6，当需要电时，出口阀打开，并且水经由歧管140从水箱132a的底部排放到蓄压器134。水箱132a、132b、132c、132d被依次排空，充满且增压，从而保持蓄压器134中的恒定压力，所述恒定压力是由四个水箱132依次馈送的。用于对水箱132进行增压的空气当不再需要时经由排气通气口排出。增压的、过加热的水从蓄压器134排出到涡轮机138，使得涡轮机驱动并且使得发电机128发电，发的电可供给电网。在到达涡轮机138之前，水流过减震器136以使得不形成锤效应。在起动过程中，电从电网或局部电源取得并且传递值负载箱144，以便调节涡轮机138上的负载，从而不超过涡轮机的工作范围。已经通过涡轮机138的水返回至歧管140并且因此通过进入水箱132a-132d中的一个空水箱(如图4所示，132d)或者如果热库130需要补充再填充热库130而再加入循环。将理解的是，在本发明的范围内可做出多种变型。在本发明的另外的实施方案中，组合式CAES和发电机可包括单个或多于两个的压缩阶段，并且可以使用串联或并联或者串联并联组合的多于一个的涡轮机和多于一个的压缩机。从一个或多个压缩机提取的热可在用于根据需求对涡轮机进行加热之前被储存。热库可通过电气方式或者通过可选的方法进行加热，上面对一些方法进行了说明，以增加可从空气和压缩机中提取的热。在第二实施方案中，热可来自于负载箱。在第二实施方案中，系统可在充蓄阶段中较早的开始工作，即使歧管、水箱和蓄压器未充满。在第二实施方案的系统中可以省去热库，或者系统可在不使用热库的情况下运转(例如，如果热库正在维修中)。蓄压器上的压力可由弹簧提供。涡轮机可通过热能库进行预热。可使用诸如乙二醇的可选流体来替代水或与水组合使用。用热库130来替代负载箱144，可通过电子方式或者通过监控或者通过这些方法的组合来实施涡轮机138中的负载控制。第一和第二实施方案的系统可位于产生废热或废电或其它可选能源的工业和/或压缩空气近处，以便将它们合并到CAES过程中并且将它们投入使用。第一实施方案的热回收单元和热能库可组合到单个单元中。在第二实施方案中，来自压缩机的热可用于产生高压蒸汽，作为过热的增压水在绝缘气缸内保持在20000kPa(200巴)。这些蒸汽随后可经由喷射器152喷射到涡轮机中，从而增大最终液压释放压力。蒸汽还可用于形成负压以使横过涡轮机的压头增加。膨胀的压缩空气可用于冷却收容蒸汽的水箱132a-d中的一个水箱，从而使过热的蒸汽冷凝并且形成负压。
系统的尺寸可根据需要按比例放大或缩小。
权利要求
1.一种压缩空气储能系统，其用于将增压流体供给到涡轮机从而产生电，所述压缩空气储能系统包括至少一个压缩机，其用于压缩空气；热能回收系统，其用于回收由于对所述空气进行压缩而产生的热；热能库，其用于储存至少一定比例的回收热；压缩空气能量库；热能导入系统，其将所述热的至少部分重新导入位于所述压缩空气能量库下游的空气中；以及压缩空气流路，其将所述至少一个压缩机和所述压缩空气能量库连接。
2.根据权利要求I所述的压缩空气储能系统，其中，所述热能回收系统包括回收装置，所述回收装置用于提取直接来自所述压缩机主体的过量热。
3.根据权利要求I或权利要求2所述的压缩空气储能系统，其中，所述热能回收系统进一步包括换热器以回收来自所述压缩空气的热。
4.根据任一前述权利要求所述的压缩空气储能系统，其中，所述热能回收系统包括布置为贯通所述热能库的所述流路的部分。
5.根据当从属于权利要求3时的权利要求4所述的压缩空气储能系统，其中，所述换热器为位于所述热能库下游的后冷却器。
6.根据任一前述权利要求所述的压缩空气储能系统，其中，所述热能库包括固体储热材料。
7.根据权利要求6所述的压缩空气储能系统，其中，所述热能库包括经干燥和沉淀的盐层。
8.根据权利要求I至5中的任一项所述的压缩空气储能系统，其中，所述热能库包括液体，所述液体优选地为水。
9.根据任一前述权利要求所述的压缩空气储能系统，进一步包括至少一个水箱和将所述至少一个水箱与涡轮机连接的液体流路，其中所述压缩空气被配置为对水进行增压并且所述增压水被配置为驱动所述涡轮机。
10.根据权利要求9所述的压缩空气储能系统，进一步包括至少一个涡轮机。
11.根据权利要求10所述的压缩空气储能系统，其中，所述至少一个涡轮机为佩尔顿涡轮机或类似的涡轮机。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的压缩空气储能系统，进一步包括与所述至少一个涡轮机相关联的至少一个液压减震器。
13.根据任一前述权利要求所述的压缩空气储能系统，其中，所述至少一个压缩机为往复式压缩机。
14.根据权利要求I至8中的任一项所述的压缩空气储能系统，进一步包括涡轮机。
15.根据权利要求14所述的压缩空气储能系统，其中，供给从所述热能回收系统获得的所述热能的部分以对所述涡轮机进行预热。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的压缩空气储能系统，其中，所述涡轮机被配置为由压缩空气驱动。
17.一种使根据权利要求I所述的压缩空气储能系统运转的方法，包括如下步骤 a)压缩空气； b)直接地和/或间接地从压缩空气回收热能； c)将所述热能储存在热能库中； d)将所述压缩空气储存在压缩空气能库中；以及e)选择性地使用储存在所述压缩空气能库和所述热能库中的能量来驱动涡轮机。
18.一种使根据权利要求17至19中的任一项所述的压缩空气储能系统运转的方法，其中，在步骤e)中，增压水驱动所述涡轮机。
19.一种使根据权利要求17或权利要求18所述的压缩空气储能系统运转的方法，其中，在步骤a)中，热能直接从所述压缩机的主体回收，优选地借助于水循环。
20.一种使根据权利要求17至19中的任一项所述的压缩空气储能系统运转的方法，包括选择性地使用回收的热能以对所述涡轮机进行预热的另外步骤。
21.一种使根据权利要求17所述的压缩空气储能系统运转的方法，其中，在步骤e)中，增压空气驱动所述涡轮机。
全文摘要
一种压缩空气储能系统，其用于将增压流体供给至涡轮机以产生电，所述压缩空气储能系统包括至少一个压缩机，其用于压缩空气；热能回收系统，其用于回收由于对所述空气进行压缩而产生的热；热能库，其用于储存至少一定比例的回收热；压缩空气能量库；热能导入系统，其将所述热的至少部分重新导入位于所述压缩空气能量库下游的空气中；以及压缩空气流路，其将所述至少一个压缩机和所述压缩空气能量库连接。
文档编号F03B1/00GK102782286SQ201080059129
公开日2012年11月14日 申请日期2010年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者P·J·鲍尔斯, P·S·彼得斯 申请人:高宝能源有限公司