专利名称：具有多级热能存储的绝热压缩空气能量存储系统的制作方法
技术领域：
本发明的实施例总体上涉及压缩空气能量存储(CAES)系统，且更具体地涉及绝热CAES系统中的多级热能存储(TES)系统。
背景技术：
空气压缩和膨胀系统在大量行业中用于各种应用。例如，一种这样的应用是使用空气压缩和膨胀系统来存储能量。压缩空气能量存储(CAES)系统典型地包括压缩组(compression train),该压缩组具有压缩进气的多个压缩机并且向洞穴、地下仓库或其它压缩空气存放场提供经压缩的进气。然后，压缩空气在以后用于驱动涡轮以产生电能。在CAES系统的压缩阶段的操作期间，经压缩的进气典型地被冷却。在膨胀级 的操作期间，空气从地下仓库经加热器和涡轮排放并且膨胀使得空气在环境压力下离开涡轮。典型地，CAES系统中的压缩机和涡轮每一个均通过相应的离合器连接到发电机/电动机装置上，从而在适当选择的时间段期间仅容许压缩机操作或仅容许涡轮操作。在电网中的非电力需求高峰时段期间(即晚上和周末)，压缩机组由发电机/电动机通过其离合器驱动。在这种方案中，发电机/电动机充当电动机，从电网抽取功率。压缩空气然后被冷却并输送到地下仓库。在高峰需求时段期间，在涡轮离合器接合的情况下，空气从仓库被抽出，然后通过涡轮组加热并膨胀，以通过驱动发电机/电动机而提供功率。在这种方案中，发电机/电动机充当发电机，例如向电网提供电力。已提出的CAES系统的一种特定类型是绝热压缩空气能量存储系统(ACAES)，其中采用热能存储(TES)单元来在存储于洞穴中前冷却压缩空气并且当压缩空气从洞穴抽出并供给到涡轮组时对空气进行再热。因此，ACAES系统允许以高于非绝热系统的效率存储能量，因为在空气压缩期间生成的热未被扔弃，而是随后用于在经涡轮排放期间对压缩空气进行预热。当前提出的ACAESA系统设计典型地结合单个TES单元。单个TES单元的使用导致TES单元被迫在高温和高压下操作。例如，单个TES单元可达到高达650°C的操作温度并且在60巴的压力下操作。TES单元的高温度、高压力和大负荷在材料、热膨胀、热损失、尺寸和机械应力方面提出了工程学挑战。解决这些工程学挑战的需要导致成本上升和开发时间长，并且存在极大的市场壁垒。此外，单个TES单元的使用还导致ACAES系统的效率降低。亦即，与在较低的温度与压力比下操作的涡轮机械相比，被迫在高温和高压力比下操作的涡轮机械(即压缩机和涡轮)具有较低的效率。其中在压缩机和涡轮的级之间增加另外的TES单元的布置用于降低温度与压力比，因此有助于提高ACAES系统中的涡轮机械的效率。以前提出过采用两个TES单元的ACAES系统；然而，这种两个TES单元的布置仍未彻底解决温度和压力问题。亦即，即便有通过使用两个TES单元而提供的温度和压力的降低，TES单元也依然被迫在500°C左右的温度下操作。这种高操作温度的存在仍然是在商业运作中实施ACAES系统的主要障碍。
因此，希望设计一种克服了前述缺点的系统和方法。
发明内容
本发明的实施例提供了一种用于冷却和加热绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统中的空气的多级热能存储(TES)系统。该多级TES系统包括多个TES单元，多个TES单元的操作状态能够在ACAES系统在压缩模式与膨胀模式中的操作之间切换或反转。根据本发明的一方面，提供了一种可在用以压缩空气的压缩模式中以及在用以使空气膨胀的膨胀模式中操作的绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统。该ACAES系统包括构造成压缩向其供给的空气的压缩机系统，且该压缩机系统还包括多个压缩机以及将多个压缩机流体地连接在一起并且具有空气进口和空气出口的压缩机管道。该ACAES系统还包括空气存储单元和涡轮系统，该空气存储单元连接到压缩机管道的空气出口上并且构造成存储从压缩机系统接收的压缩空气，该涡轮系统构造成使从空气存储单元向其供给的压缩空气膨胀，且该涡轮系统还包括多个涡轮以及将多个涡轮流体地连接在一起并且具有空气进口和空气出口的涡轮管道。该ACAES系统还包括构造成从经过压缩机管道的压缩空气去除 热能并且使热能返回经过涡轮管道的空气的多个热能存储(TES)单元，且多个TES单元中的每一个TES单元均沿其在压缩机管道的空气进口与空气出口之间的长度定位在压缩机管道上并且沿其在涡轮管道的空气进口与空气出口之间的长度定位在涡轮管道上。压缩机管道和涡轮管道布置成使得多个TES单元的至少一部分在操作的压缩模式期间在第一压力状态操作并且在操作的膨胀模式期间在不同于第一压力状态的第二压力状态操作。根据本发明的另一方面，一种用于绝热压缩空气能量存储(ACAES)的方法包括向压缩机系统供给空气的步骤，该压缩机系统包括通过压缩机管道流体地连接并且在压缩阶段期间压缩压缩机系统中的空气的多个压缩机单元。该方法还包括以下步骤将压缩空气存储在压缩空气存储单元中；将压缩空气从压缩空气存储单元供给到包括通过涡轮管道流体地连接的多个涡轮单元的涡轮系统；以及在膨胀阶段期间使涡轮系统中的空气膨胀。该方法还包括以下步骤使空气在压缩阶段和膨胀阶段中的每一个阶段期间经过连接到压缩机管道和涡轮管道的每一个上的多个热能存储(TES)单元，多个TES单元在多个压缩机单元和多个涡轮单元当中间歇地隔开，以在空气经过相应的压缩机管道和涡轮管道时冷却和加热空气。空气被传送通过多个TES单元，以使得多个TES单元的至少一部分在压缩阶段期间在第一压力状态操作并且在膨胀阶段期间在不同于第一压力状态的第二压力状态操作。根据本发明的又另一方面，一种ACAES系统包括压缩机系统，该压缩机系统构造成压缩向其供给的空气并且具有多个压缩机以及连接多个压缩机并且具有空气进口和空气出口的压缩路径。该ACAES系统还包括空气存储单元和涡轮系统，该空气存储单元连接到压缩路径的空气出口上并且构造成存储从压缩机系统接收的压缩空气，该涡轮系统构造成使从空气存储单元向其供给的压缩空气膨胀，且该涡轮系统具有多个涡轮以及连接多个涡轮并且具有空气进口和空气出口的膨胀路径。该ACAES系统还包括构造成在充入阶段期间冷却经过压缩路径的空气并且在排放阶段期间加热经过膨胀路径的空气的多级热能存储(TES)系统，且该多级TES系统包括多个TES单元，每个TES单元均构造成在不同的压力状态下操作。压缩路径和膨胀路径的路线设定为使得多个TES单元的至少一部分在充入阶段期间在第一压力状态操作并且在排放阶段期间在不同于第一压力状态的第二压力状态操作。各种其它特征和优点将从以下详细描述和附图变得明显。
附图示出了当前为实施本发明而构想的优选实施例。在附图中
图I是根据本发明的一个实施例的绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统的方框示意图。图2是根据本发明的一个实施例的ACAES系统的方框不意图。 图3是根据本发明的一个实施例的热能存储(TES)单元的方框示意图。
具体实施例方式根据本发明的实施例，提供多级热能存储(TES)系统来冷却和加热绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统中的空气。多级TES系统包括多个TES单元，多个TES单元的操作状态可以在ACAES系统在压缩模式与膨胀模式中的操作之间切换或反转。参照图1，示出了根据本发明的一个实施例的绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统10的方框示意图。ACAES系统10包括电动机-发电机单元12 (其可以是组合的单元或分离的单元)、驱动轴14、压缩系统或组16、压缩空气存储空间或洞穴18和涡轮系统或组20。电动机-发电机单元12电气地连接到例如基本负载发电设备(未示出)上，以从其接收功率。电动机-发电机单元12和驱动轴14经离合器(未示出)选择性地联接到压缩机系统16和涡轮系统20上。压缩机系统16在操作的压缩模式期间联接到电动机-发电机单元12和驱动轴14上，而涡轮系统20与电动机-发电机单元12和驱动轴14脱开。在操作的膨胀模式期间，涡轮系统20联接到电动机-发电机单元12和驱动轴14上，而压缩机系统16与电动机-发电机单元12和驱动轴14脱开。根据本发明的一个实施例，电动机-发电机单元12在操作的压缩模式(即压缩阶段)期间驱动驱动轴14。驱动轴14又驱动包括低压压缩机22和高压压缩机24的压缩机系统16，使得一定量的环境空气进入环境空气吸气口 26 (即进口)并且由压缩机系统16压缩。低压压缩机22经由压缩路径28 (即压缩机管道)联接到高压压缩机24。根据本实施例，低压压缩机22压缩环境空气。经压缩的环境空气然后沿压缩路径28传至高压压缩机24，在这里环境空气在压缩机路径出口 30处离开压缩路径28之前被进一步压缩并且被转移到洞穴18。在压缩空气被存储在洞穴18中之后，可允许压缩空气在操作的膨胀模式(即膨胀阶段)期间进入膨胀路径34(即涡轮管道)的进口 32。压缩空气顺着膨胀路径34下行至涡轮系统20，该涡轮系统20包括低压涡轮36和高压涡轮38。由于涡轮系统20的构造，允许压缩空气在它经过涡轮系统20时膨胀；因此，使涡轮系统20的涡轮36、38旋转以便有利于发电。涡轮系统20的旋转使驱动轴14旋转。驱动轴14又驱动电动机-发电机单元12，从而使该单元充当发电机以产生电力。如图I中所示，ACAES系统10还包括构造成在经过压缩路径28和膨胀路径34的空气由压缩机系统16和涡轮系统20压缩/膨胀时冷却和加热该空气的多级热能存储(TES)系统40。多级TES系统40包括可以采取各种形式的多个单独的TES单元42、44。每个TES单元均通常具有两个主元件，即热填料46和收容容器48。热填料46是用以存储在压缩循环期间生成的压缩热的足量的蓄热材料。热填充材料46典型地一天循环至少一次。收容容器48支承热填料46，并且视设计而定，包含操作压力。根据本发明的一个实施例，TES单元42、44可以为间接型，其中循环的空气通过利用热交换器(未示出)在不直接接触的状态下向热填料46传热和从热填料46传热。这种装置容许使用各种各样的热填充材料，诸如热油或熔盐。根据本发明的另一实施例，TES单元42、44可以为直接型，其中诸如卵石之类的固体材料在压缩空气循环时与压缩空气直接接触，诸如卵石床。在操作中，多级TES系统40用于在ACAES系统10的操作的压缩或“充入”阶段/ 模式期间从压缩空气去除热量。随着空气由压缩机系统16压缩并且沿压缩路径28传至洞穴18，多级TES系统40冷却压缩空气。亦即，在压缩空气被存储在洞穴18中之前，压缩空气经过多级TES系统40以在存储在洞穴中前从压缩空气去除热量，以便保护其完整性。热由多级TES系统40存储，并且以后在ACAES系统10的操作的膨胀或“排放”阶段/模式期间被传回到压缩空气。随着压缩空气从洞穴18被释放并且经过膨胀路径34而被涡轮系统20膨胀，空气在它返回经过多级TES系统40时被加热。根据图I的实施例，多级TES系统40包括沿压缩路径28和膨胀路径34间歇地定位以向经过其中的空气提供冷却/加热的第一 TES单元42和第二 TES单元44。根据一个示例性实施例，压缩路径28布置或路线设置为使得空气首先被引导到第一 TES单元42，然后继而被引导到第二 TES单元44。空气经进口 26进入压缩路径28并且被提供给低压压缩机22。低压压缩机22将空气压缩到第一压力水平(即“低”压)，然后空气经压缩路径28被传送到第一 TES单元42，在这里对空气进行冷却。然后，空气继续经压缩路径28传至高压压缩机24，在这里空气被压缩到第二压力水平(即“高”压)。然后，空气经压缩路径28被传送到第二 TES单元44，在这里空气在经出口 30离开压缩路径28之前再次被冷却，以存储在洞穴18中。因此，压缩路径28因而路线设置为使得第一 TES单元42在压缩路径28上定位在低压压缩机22与高压压缩机24之间并且使得第二 TES单元44在压缩路径28上定位在高压压缩机24的下游，以冷却由高压压缩机压缩的空气。根据一个示例性实施例，膨胀路径34路线设置为使得空气首先被引导到第一 TES单元42，然后继而被引导到第二 TES单元44。空气经进口 32进入膨胀路径34并且被提供给第一 TES单元42，在这里空气被加热。经加热的空气然后经膨胀路径34传至高压涡轮38，该高压涡轮38使空气膨胀。然后，空气继续通过膨胀路径34并且被引导到第二 TES单元44，在这里空气在沿膨胀路径34传至低压涡轮36之前再次被加热。然后，空气在低压涡轮36中再次膨胀并且例如向环境排放。根据图I中所示的ACAES系统10的实施例，膨胀路径34因此路线设置/布置成以便“反转”第一 TES单元42和第二 TES单元44的操作或功能。亦即，基于压缩路径28的路线，在操作的压缩/充入模式期间，第一 TES单元42充当“低压TES单元”并且第二 TES单元44充当“高压TES单元”。在操作的膨胀/排放模式期间，基于膨胀路径34的路线，第一 TES单元42充当“高压TES单元”并且第二 TES单元44充当“低压TES单元”。第一 TES单元42和第二 TES单元44的操作/功能在充入和排放操作模式之间的反转使得TES单元的峰值操作温度降低。例如，与不反转两个TES单元的功能的500°C的温度或使用单个TES单元的650°C的温度相比，第一 TES单元42的操作温度可以是大约325°C且第二 TES单元44的操作温度可以是大约310°C。第一 TES单元42和第二 TES单元44的操作/功能在操作的充入与排出模式之间的反转也使得压缩机系统16中的操作压力降低。与单级压缩机系统中的60巴相比，例如，低压压缩机22和闻压压缩机24的操作压力可以是12巴和5巴。现参照图2，示出了根据本发明的另一实施例的ACAES系统50。ACAES系统50包括电动机-发电机单元52 (其可以是组合的单元或分离的单元)、驱动轴54、压缩机系统或组56、压缩空气存储空间58和涡轮系统或组60。压缩机系统56包括低压压缩机62、中压压缩机64和闻压压缩机66,以及联接这些压缩机并且包括进口 70和出口 72的压缩路径68。根据本实施例，低压压缩机62压缩经 进口 70进入的环境空气。然后，经压缩的环境空气沿压缩路径68传至中压压缩机64，在这里环境空气在沿压缩路径68进一步传至高压压缩机66之前被进一步压缩，以在出口 72处离开压缩路径68并且被转移到洞穴58之前进行进一步的压缩。在压缩空气存储在洞穴58中之后，可允许压缩空气在操作的膨胀模式(即膨胀阶段)期间进入膨胀路径76的进口 74。压缩空气顺着膨胀路径76下行至涡轮系统60，该涡轮系统60包括低压涡轮78、中压涡轮80和高压涡轮82。由于涡轮系统60的构造，允许压缩空气在它经过涡轮系统60时膨胀；因此，使涡轮系统60的涡轮78、80、82旋转以便有利于发电。涡轮系统60的旋转使驱动轴54旋转。驱动轴54又驱动电动机-发电机单元52，从而使该单元充当发电机以产生电力。如图2中所示，ACAES系统50还包括构造成在经过压缩机路径68和膨胀路径76的空气由压缩机系统56和涡轮系统60压缩/膨胀时冷却和加热该空气的多级热能存储(TES)系统84。多级TES系统84包括可以采取如上文参照图2所述的各种构造/形式的多个单独的TES单元86、88、90。在操作中，多级TES系统84用于在ACAES系统50操作的压缩或“充入”阶段/模式期间从压缩空气去除热量。随着空气由压缩机系统56压缩并且沿压缩路径68传至洞穴58，多级TES系统84冷却压缩空气。亦即，在压缩空气被存储在洞穴58中之前，压缩空气经过多级TES系统84以在存储在洞穴中前从压缩空气去除热量，以便保护其完整性。热由多级TES系统84存储，并且以后在ACAES系统50操作的膨胀或“排放”阶段/模式期间被传回到压缩空气。随着压缩空气从洞穴58被释放并且经过膨胀路径76而被涡轮系统60膨胀，空气在它返回经过多级TES系统84时被加热。根据图2的实施例，多级TES系统84包括沿压缩路径68和膨胀路径76间歇地定位以向经过其中的空气提供冷却/加热的第一 TES单元86、第二 TES单元88和第三TES单元90。根据一个示例性实施例，压缩路径68布置或路线设置为使得空气首先被引导到第一TES单元86，随后被弓I导到第二 TES单元88，然后继而被弓I导到第三TES单元90。空气经进口 70进入压缩路径68并且被提供给低压压缩机62。低压压缩机62将空气压缩到第一压力水平(即“低”压)，然后空气经压缩路径68被传送到第一 TES单元86，在这里空气被冷却。然后，空气继续经压缩路径68传至中压压缩机64，在这里空气被压缩到第二压力水平(即“中”压)，然后经压缩路径68被传送到第二 TES单元88，在这里空气再次被冷却。空气最终沿压缩路径68传至高压压缩机66，在这里空气在经压缩路径68被传送到第三TES单元90以便在经出口 72离开压缩机68以存储在洞穴58中之前进行最终冷却之前被压缩到第三压力水平(即“高”压)。因此，压缩路径68路线设置为使得第一 TES单元86在压缩路径68上定位在低压压缩机62与中压压缩机64之间，使得第二 TES单元88在压缩路径68上定位在中压压缩机64与高压压缩机66之间，并且使得第三TES单元90在压缩路径68上定位在高压压缩机66的下游。根据一个示例性实施例，膨胀路径76路线设置为使得空气首先被引导到第三TES单元90，随后被引导到第一 TES单元86，然后继而被引导到第二 TES单元88。空气从洞穴58经进口 74进入膨胀路径76并且被提供给第三TES单元90，在这里空气被加热。经加热的空气然后经膨胀路径76传至高压涡轮82，该高压涡轮82使空气膨胀。然后，空气继续 通过膨胀路径76并且被引导到第一 TES单元86，在这里空气在沿膨胀路径76流动以在中压涡轮80中膨胀之前被再次加热。在中压涡轮80中膨胀后，空气沿膨胀路径76传至第二TES单元88，在这里空气在沿膨胀路径76传送以在低压涡轮78中膨胀之前再次被加热。因此，膨胀路径76路线设置/布置成“切换”第一 TES单元86和第二 TES单元88的操作或功能。亦即，基于压缩路径68的路线，在操作的压缩/充入模式期间，第一 TES单元86充当“低压TES单元”并且第二 TES单元88充当“中压TES单元”。在操作的膨胀/排放模式期间，基于膨胀路径76的路线，第一 TES单元86充当“中压TES单元”并且第二TES单元88充当“低压TES单元”。多级TES系统84中三个TES单元86、88、90的结合，以及第一 TES单元86和第二TES单元88的操作/功能在操作的充入模式与排放模式之间的切换，使得TES单元86、88、90的峰值操作温度降低。例如，与未反转三个TES单元的功能的420°C的温度或使用单个TES单元的650°C的温度相比，第一 TES单元86的操作温度可以是大约230°C，第二 TES单元88的操作温度可以是大约280°C，且第三TES单元90的操作温度可以是大约265°C。多级TES系统84中三个TES单元86、88、90的结合以及第一 TES单元86和第二TES单元88的操作/功能在操作的充入模式与排放模式之间的切换也使得压缩机系统56中的操作压力降低。与单级压缩机系统中的60巴相比，低压压缩机62、中压压缩机64和高压压缩机66的操作压力可以是例如6巴、3. 3巴和3巴。虽然将ACAES系统50中的膨胀路径76的路线显示和描述为将空气依次传送通过第三TES单元90、第一 TES单元86和第二 TES单元88 (即高压到低压到中压)，但应认识至IJ，膨胀路径76的其它路线也在本发明的范围内。因此，例如，根据本发明的另一实施例，膨胀路径76可以路线设置为使空气依次经过第一 TES单元86、第二 TES单元88和第三TES单元90 (即高压到中压到低压)。 现参照图3，示出了根据本发明的一个实施例的诸如结合在多级TES系统40、84中的TES单元92的构造。TES单元92由三个单独的TES子单元94、96、98构成，各TES子单元均连接到压缩路径28、68和膨胀路径34、76上。TES子单元94、96、98并列布置成使得来自压缩路径28、68和膨胀路径34、76的空气等量地流入各TES子单元中。与由单个外壳和填料形成的TES单元相比，TES单元92的构造来自多个TES子单元94、96、98用于进一步降低TES子单元94、96、98中的温度。虽然将TES单元92显示为由三个TES子单元94、96,98形成，但应认识到，根据本发明的实施例，TES单元92中可以包括更大或更小数量的子单元。应该认识到，本发明的实施例并不限于上述实例。亦即，根据本发明的实施例，ACAES系统中可以采用更大数量的压缩机和涡轮以及更大数量的TES单元。将空气有效地压缩到要求的操作和存储压力所需的压缩机的数量可以变化，因为此类压力高度取决于空气存储装置/洞穴18、58的类型和深度。例如，已发现对于位于大约1500英尺的深度处的盐穹和蓄水层,大约400psi至IOOOpsi的压力范围是足够的。压缩机系统16、56中要求的压缩机的数量取决于空气压力以及洞穴18、58的类型和深度，以及其它因素。因此，TES单元的数量也将根据所采用的压缩机/涡轮的数量而变化。例如，四个或更多TES单元可以结合到ACAES系统中，以充当系统中的每一个压缩阶段与膨胀阶段之间的中冷器和再热器。有益地，所设置的多个TES单元将降低各个TES单元的峰值操作温度，使得TES单元的操作温度范围将理想地落入200°C至360°C之间。因此，根据本发明的一个实施例，提供了可在用以压缩空气的压缩模式中以及在 用以使空气膨胀的膨胀模式中操作的绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统。该ACAES系统包括构造成压缩向其供给的空气的压缩机系统，且该压缩机系统还包括多个压缩机以及将多个压缩机流体地连接在一起并且具有空气进口和空气出口的压缩机管道。该ACAES系统还包括空气存储单元和涡轮系统，该空气存储单元连接到压缩机管道的空气出口并且构造成存储从压缩机系统接收的压缩空气，该涡轮系统构造成使从空气存储单元向其供给的压缩空气膨胀，且该涡轮系统还包括多个涡轮以及将多个涡轮流体地连接在一起并且具有空气进口和空气出口的涡轮管道。该ACAES系统还包括构造成从经过压缩机管道的压缩空气去除热能并且使热能返回经过涡轮管道的空气的多个热能存储(TES)单元，且多个TES单元中的每一个TES单元均沿其在压缩机管道的空气进口与空气出口之间的长度定位在压缩机管道上并且沿其在涡轮管道的空气进口与空气出口之间的长度定位在涡轮管道上。压缩机管道和涡轮管道布置成使得多个TES单元的至少一部分在操作的压缩模式期间在第一压力状态操作并且在操作的膨胀模式期间在不同于第一压力状态的第二压力状态操作。根据本发明的另一实施例，一种用于绝热压缩空气能量存储(ACAES)的方法包括向压缩机系统供给空气的步骤，该压缩机系统包括通过压缩机管道流体地连接并且在压缩阶段期间压缩压缩机系统中的空气的多个压缩机单元。该方法还包括以下步骤将压缩空气存储在压缩空气存储单元中；将压缩空气从压缩空气存储单元供给到包括通过涡轮管道流体地连接的多个涡轮单元的涡轮系统；以及在膨胀阶段期间使涡轮系统中的空气膨胀。该方法还包括以下步骤使空气在压缩阶段和膨胀阶段中的每一个阶段期间经过连接到压缩机管道和涡轮管道的每一个上的多个热能存储(TES)单元，多个TES单元在多个压缩机单元和多个涡轮单元当中间歇地隔开，以在空气经过相应的压缩机管道和涡轮管道时冷却和加热该空气。空气被传送通过多个TES单元，以使得多个TES单元的至少一部分在压缩阶段期间在第一压力状态操作并且在膨胀阶段期间在不同于第一压力状态的第二压力状态操作。根据本发明的又另一实施例，一种ACAES系统包括压缩机系统,该压缩机系统构造成压缩向其供给的空气并且具有多个压缩机以及连接多个压缩机并且具有空气进口和空气出口的压缩路径。该ACAES系统还包括空气存储单元和涡轮系统，该空气存储单元连接到压缩路径的空气出口上并且构造成存储从压缩机系统接收的压缩空气，该涡轮系统构造成使从空气存储单元向其供给的压缩空气膨胀，且该涡轮系统具有多个涡轮以及连接多个涡轮并且具有空气进口和空气出口的膨胀路径。该ACAES系统还包括构造成在充入阶段期间冷却经过压缩路径的空气并且在排放阶段期间加热经过膨胀路径的空气的多级热能存储(TES)系统，且该多级TES系统包括多个TES单元，每个TES单元均构造成在不同的压力状态下操作。压缩路径和膨胀路径路线设置为使得多个TES单元的至少一部分在充入阶 段期间在第一压力状态操作并且在排放阶段期间在不同于第一压力状态的第二压力状态操作。此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法。本发明可取得专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它 实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种可在用以压缩空气的压缩模式中以及在用以使空气膨胀的膨胀模式中操作的绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统，所述ACAES系统包括 构造成压缩向其供给的空气的压缩机系统，所述压缩机系统包括 多个压缩机；以及 压缩机管道，其将所述多个压缩机流体地连接在一起并且具有空气进口和空气出口 ；空气存储单元，其连接到所述压缩机管道的所述空气出口上并且构造成存储从所述压缩机系统接收的压缩空气； 涡轮系统，其构造成使从所述空气存储单元向其供给的压缩空气膨胀，所述涡轮系统包括 多个涡轮；以及涡轮管道，其将所述多个涡轮流体地连接在一起并且具有空气进口和空气出口 ；以及构造成从经过所述压缩机管道的压缩空气去除热能并且使热能返回经过所述涡轮管道的空气的多个热能存储(TES)单元，所述多个TES单元中的每一个TES单元均沿其在所述压缩机管道的空气进口与空气出口之间的长度定位在所述压缩机管道上，并且沿其在所述涡轮管道的空气进口与空气出口之间的长度定位在所述涡轮管道上； 其中，所述压缩机管道和所述涡轮管道布置成使得所述多个TES单元的至少一部分在操作的压缩模式期间在第一压力状态操作并且在操作的膨胀模式期间在不同于所述第一压力状态的第二压力状态操作。
2.根据权利要求I所述的ACAES系统，其特征在于 所述多个压缩机包括低压压缩机和高压压缩机； 所述多个涡轮包括低压涡轮和高压涡轮；并且 所述多个TES单元包括定位在所述压缩机管道和所述涡轮管道上的第一 TES单元以及定位在所述压缩机管道和所述涡轮管道上的第二 TES单元。
3.根据权利要求2所述的ACAES系统，其特征在于，所述压缩机管道布置成使处于第一压力下的空气经过所述第一 TES单元并且随后使处于第二压力下的空气经过所述第二TES单元；并且 其中，所述涡轮管道布置成使处于所述第二压力下的空气经过所述第一 TES单元并且随后使处于所述第一压力下的空气经过所述第二 TES单元。
4.根据权利要求3所述的ACAES系统，其特征在于，处于所述第一压力下的空气包括低压空气并且处于所述第二压力下的空气包括高压空气，使得所述第一 TES单元接收来自所述压缩机管道的低压空气和来自所述涡轮管道的高压空气，并且使得所述第二 TES单元接收来自所述压缩机管道的高压空气和来自所述涡轮管道的低压空气。
5.根据权利要求I所述的ACAES系统，其特征在于 所述多个压缩机包括低压压缩机、中压压缩机和高压压缩机； 所述多个涡轮包括低压涡轮、中压涡轮和高压涡轮；并且 所述多个TES单元包括定位在所述压缩机管道和所述涡轮管道上的第一 TES单元、定位在所述压缩机管道和所述涡轮管道上的第二 TES单元以及定位在所述压缩机管道和所述涡轮管道上的第三TES单元。
6.根据权利要求5所述的ACAES系统，其特征在于，所述压缩机管道布置成使处于第一压力下的空气经过所述第一 TES单元，随后使处于第二压力下的空气经过所述第二 TES单元，并且随后使处于第三压力下的空气经过所述第三TES单元；并且 其中，所述涡轮管道布置成使处于所述第三压力下的空气经过所述第三TES单元，随后使处于所述第二压力的空气经过所述第一 TES单元，并且随后使处于所述第一压力下的空气经过所述第二 TES单元。
7.根据权利要求6所述的ACAES系统，其特征在于，处于所述第一压力下的空气包括低压空气，处于所述第二压力下的空气包括中压空气，并且处于所述第三压力下的空气包括高压空气，使得所述第一 TES单元接收来自所述压缩机管道的低压空气和来自所述涡轮管道的中压空气，使得所述第二 TES单元接收来自所述压缩机管道的中压空气和来自所述涡轮管道的低压空气，并且使得所述第三TES单元接收来自所述压缩机管道的高压空气和来自所述涡轮管道的高压空气。
8.根据权利要求I所述的ACAES系统，其特征在于，所述多个TES单元中的每一个TES单元均包括并列连接到所述压缩机管道和所述涡轮管道两者上的多个TES子单元。
9.根据权利要求I所述的ACAES系统，其特征在于，所述多个TES单元沿所述压缩机管道和所述涡轮管道布置，以分别在每个压缩阶段后冷却空气并且在每个膨胀阶段前加热空气。
10.根据权利要求I所述的ACAES系统，其特征在于，所述多个TES单元中的每一个TES单元均在200°C至360°C的温度范围内操作。
11.一种用于绝热压缩空气能量存储(ACAES)的方法，包括 向压缩机系统供给空气，所述压缩机系统包括由压缩机管道流体地连接的多个压缩机单元； 在压缩阶段期间在所述压缩机系统中压缩空气； 将压缩空气存储在压缩空气存储单元中； 将所述压缩空气从所述压缩空气存储单元供给到涡轮系统，所述涡轮系统包括由涡轮管道流体地连接的多个涡轮单元； 在膨胀阶段期间在所述涡轮系统中膨胀空气；以及 在所述压缩阶段和所述膨胀阶段的每一个阶段期间，使空气经过连接到所述压缩机管道和所述涡轮管道的每一个上的多个热能存储(TES)单元，所述多个TES单元在所述多个压缩机单元和所述多个涡轮单元当中间歇地隔开，以在空气经过相应的所述压缩机管道和所述涡轮管道时冷却和加热空气； 其中，空气被传送通过所述多个TES单元，使得所述多个TES单元的至少一部分在所述压缩阶段期间在第一压力状态操作，并且在所述膨胀阶段期间在不同于所述第一压力状态的第二压力状态操作。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使空气经过所述多个TES单元包括 使空气经过第一 TES单元并且随后当使空气经过所述压缩机管道时使空气经过第二TES单元，使得低压空气经过所述第一 TES单元并且高压空气经过所述第二 TES单元；以及使空气经过所述第一 TES单元并且随后当使空气经过所述涡轮管道时使空气经过所述第二 TES单元，使得高压空气经过所述第一 TES单元并且低压空气经过所述第二 TES单
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使空气经过所述多个TES单元包括 当使空气经过所述压缩机管道时使空气经过第一 TES单元，随后使空气经过第二 TES单元，并且随后使空气经过第三TES单元，使得低压空气经过所述第一 TES单元，中压空气经过所述第二 TES单元，并且高压空气经过所述第三TES单元；以及 当使空气经过所述涡轮管道时使空气经过所述第三TES单元，随后使空气经过所述第一 TES单元，并且随后使空气经过所述第二 TES单元，使得高压空气经过所述第三TES单元，中压空气经过所述第一 TES单元，并且低压空气经过所述第二 TES单元。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，压缩所述空气包括在两级压缩机系统和三级压缩机系统的其中一个中压缩空气；并且 其中，使空气膨胀包括使空气在两级涡轮系统和三级涡轮系统的其中一个中膨胀。
15.一种绝热压缩空气能量存储(ACAES)系统，包括 构造成压缩向其供给的空气的压缩机系统，所述压缩机系统包括 多个压缩机；以及 压缩路径，其连接所述多个压缩机并且具有空气进口和空气出口， 空气存储单元，其连接到所述压缩路径的所述空气出口上并且构造成存储从所述压缩机系统接收的压缩空气； 涡轮系统，其构造成使从所述空气存储单元向其供给的压缩空气膨胀，所述涡轮系统包括 多个涡轮；以及 膨胀路径，其连接所述多个涡轮并且具有空气进口和空气出口 ；以及构造成在充入阶段期间冷却经过所述压缩路径的空气并且在排放阶段期间加热经过所述膨胀路径的空气的多级热能存储(TES)系统，所述多级TES系统包括多个TES单元，每一个TES单元均构造成在不同的压力状态下操作； 其中，所述压缩路径和所述膨胀路径路线设置为使得所述多个TES单元的至少一部分在所述充入阶段期间在第一压力状态操作，并且在所述排放阶段期间在不同于所述第一压力状态的第二压力状态操作。
16.根据权利要求15所述的ACAES系统，其特征在于，所述多级TES系统包括 连接到所述压缩路径和所述膨胀路径的每一个上的第一 TES单元；以及 连接到所述压缩路径和所述膨胀路径的每一个上的第二 TES单元； 其中，所述第一 TES单元在所述充入阶段期间在低压状态操作并且在排放阶段期间在高压状态操作，并且其中所述第二 TES单元在所述充入阶段期间在高压状态操作并且在所述排放阶段期间在低压状态操作。
17.根据权利要求16所述的ACAES系统，其特征在于，所述压缩路径路线设置为使低压空气经过所述第一 TES单元并且随后使高压空气经过所述第二 TES单元；并且 其中，所述膨胀路径路线设置为使高压空气经过所述第一 TES单元并且随后使低压空气经过所述第二 TES单元。
18.根据权利要求15所述的ACAES系统，其特征在于，所述多级TES系统包括 连接到所述压缩路径和所述膨胀路径的每一个上的第一 TES单元； 连接到所述压缩路径和所述膨胀路径的每一个上的第二 TES单元；以及连接到所述压缩路径和所述膨胀路径的每一个上的第三TES单元； 其中，所述第一 TES单元在所述充入阶段期间在低压状态操作并且在所述排放阶段期间在中压状态操作，其中所述第二 TES单元在所述充入阶段期间在中压状态操作并且在所述排放阶段期间在低压状态操作，并且其中所述第三TES单元在所述充入阶段期间在高压状态操作并且在所述排放阶段期间在高压状态操作。
19.根据权利要求18所述的ACAES系统，其特征在于，所述压缩路径路线设置为使低压空气经过所述第一 TES单元，使中压空气经过所述第二 TES单元，并且使高压空气经过所述第三TES单元；并且 其中，所述膨胀路径路线设置为使高压空气经过所述第三TES单元，使中压空气经过所述第一 TES单元，并且使低压空气经过所述第二 TES单元。
20.根据权利要求15所述的ACAES系统，其特征在于，所述多个TES单元的每一个TES单元均包括并列连接到所述压缩路径和所述膨胀路径两者上的多个TES子单元。
全文摘要
公开了一种可在操作的压缩模式和操作的膨胀模式中操作的ACAES系统，且其包括构造成压缩向其供给的空气的压缩机系统和使向其供给的空气膨胀的涡轮系统，且该压缩机系统包括压缩机管道并且该涡轮系统包括涡轮管道。该ACAES系统还包括定位在压缩机管道和涡轮管道上并且构造成从经过压缩机管道的压缩空气去除热能并且使热能返回经过涡轮管道的空气的多个热能存储(TES)单元。压缩机管道和涡轮管道布置成使得多个TES单元的至少一部分在操作的压缩模式期间在第一压力状态操作并且在操作的膨胀模式期间在不同于第一压力状态的第二压力状态操作。
文档编号F02C1/02GK102686851SQ201080059619
公开日2012年9月19日 申请日期2010年8月30日 优先权日2009年10月28日
发明者S.W.弗罗伊恩德 申请人:通用电气公司