使用用于监测、分析和控制的一体式自动化系统来提供加热、冷却、发电和能量储存的基 ...的制作方法
【专利说明】使用用于监测、分析和控制的一体式自动化系统来提供加热、冷却、发电和能量储存的基于混合式三联产系统的微电网组合的冷却、加热和供电
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求来自以下申请的优先权:2012年11月15日提交的题为“混合式风力太阳能氢氨再生成系统”(“HYBRID WIND SOLAR HYDROGEN AMMONIA REGENERATESYSTEM”)的美国临时申请SN.61/727，108 ;2013年7月29日提交的题为“分布式混合能量生成、储存系统以及一体式监测、分析和控制系统”(“DISTRIBUTED HYBRIDENERGY GENERAT1N, STORAGE SYTEM AND INTEGRATED MONITOR, ANALYSIS AND CONTROLSYSTEM”)的美国临时申请SN.61/859,377 ;2013年9月13日提交的题为“分布式混合能量生成、储存系统以及一体式监测、分析和控制系统”(“DISTRIBUTED HYBRID ENERGYGENERAT1N, STORAGE SYTEM AND INTEGRATED MONITOR, ANALYSIS AND CONTROL SYSTEM”)的美国临时申请SN.61/877，467 ;2013年10月3日提交的题为“使用用于监测、分析和控制的一体式自动化系统来提供加热、冷却、发电和能量储存的基于混合式太阳能三联产系统的微电网 CCHP”( “HYBRID SOLAR TRIGENERAT1N SYSTEM BASED MICROGRIDCCHP PROVIDING HEATING, COOLING, ELECTRICAL GENERAT1N AND ENERGY STORAGEUSING AN INTEGRATED AUTOMAT1N SYSTEM FOR MONITOR, ANALYSIS AND CONTROL”)的美国临时申请SN.61/886，213 ;以及2013年10月26日提交的题为“使用用于监测、分析和控制的一体式自动化系统来提供加热、冷却、发电和能量储存的基于混合式三联产系统的微电网 CCHP”( “HYBRID TRIGENERAT1N SYSTEM BASED MICROGRID CCHPPROVIDING HEATING, COOLING, ELECTRICAL GENERAT1N AND ENERGY STORAGE USING ANINTEGRATED AUTOMAT1N SYSTEM FOR MONITOR, ANALYSIS AND CONTROL”)的美国临时申请SN.61/896，039。美国临时申请SN.61/727，108、美国临时申请SN.61/859，377、美国临时申请SN.61/877，467、美国临时申请SN.61/886，213和美国临时申请SN.61/896，039的内容通过引用被整体结合在此。
技术领域
[0003]本发明涉及捕捉和转换能量的过程以及监测所述过程。更具体地说，本发明涉及包含分布式能量生成(包括混合式风能和太阳能生成)、能量转移、能量转换、能量储存、能量供应、提供能量监测、分析并建立自动化对接/控制的智能软件和硬件接口的元件。
【背景技术】
[0004]风轮机、太阳能发电机、热太阳能、光伏(有时称为“PV”)太阳能、化学、电解器、哈伯/博施(Haber/Bosch)过程和热能储存在现有技术中是已知的。此外，在用于提供能量生成以满足能量需求的各种设计和配置中使用各种类型的燃料、化学和热源的斯特林(Stirling)应用和过程、冷冻器、制冷、加热、冷却、空气调节、水加热、蒸馏、水净化和脱盐系统、变压吸附和电力再生是现有技术中已知的。然而，特别是当在物理上部署所述系统，一般不将所述系统规划、建立和/或精心安排为一体式系统环境中的子系统以得益于更高的效率时，包括以上那些的现有技术的系统和设备具有缺点。一般而言，规划现有系统以利用效率基础部署为具有低于标准的(subpar)系统设计性能的独立设备。现有技术的部署需要更高的部件计数、增加的制造成本、增加的组装成本、增加的运输成本、增加的子部件计数以及具有所需的更大定制部件库存的更昂贵的部件。此外，现有系统需要重叠和复制的子系统、频繁的问题维护和修理成本、升级化的能量和产品生产成本。这些转而导致更高的操作花费、电网能量连接问题和传输线损失。
[0005]现有技术的智能电网设计主要使用消费者连接上的智能电表来监测使用。对现有技术的智能电网实现进行改进，则经由监测使用、通过设备数据传输、手动消费输入以及通过其常见的电信号指纹来标识能量使用源，得以实行本发明。本发明进一步储存简档数据集，对来自所提取的使用简档的适当的能量假设进行响应，分析增强的能量负载响应的白天使用，并且分析电力质量和能量可用性来增强总的电网稳定性。用于通过为本申请中的本发明的最终使用要求和控制元件提供补偿来满足电网稳定性的电子监测、标识、能量生成、基本负载能量负荷响应和能量供应自此应当是已知的，并且通过以上针对特征和功能的元件将其指定为被称为ULTRAGRID?( “超级电网?”)的系统。
[0006]联产(cogenerat1n)或组合式供热发电(“CHP”)是使用热机或局部化电站以同时生成电力和有用的热。三联产(trigenerat1n)或组合式冷却、供热和发电(“CCHP”)是指通过可用的过程和应用，同时生成电力、有用的加热和冷却。产生电力、加热和冷却的生成系统被称为三联产工厂或多联产(polygenerat1n)工厂。
[0007]联产是以热力学高效的方式来使用燃料。在分开的电力生产中，必须丢弃一些能量作为废热，但是在联产中，该热能被投入使用。所有的热电厂在发电期间都排热，可通过冷却塔、烟道气或由其他方式将热释放到自然环境中。
[0008]相比之下，CHP捕捉副产物热中的一些或全部，以便要么非常接近工厂来加热，要么作为作为热水或水和乙二醇混合物来加热，用于具有范围从大约80到180°C (176 -356° F)的温度的相关联的邻区辐射的和/或区域加热。这也被称为组合式热电区域加热(“CHPDH”)。小型CHP工厂是非集中式的分布式能量的示例。也可将容易得到的中等温度(100 - 180°C、212 - 356 ° F)的废热能用于利用冷冻器(chiller)和制冷器(refrigerator)的吸收冷却过程，以用于主动式冷却使用、福射冷却应用和冷能储存。
[0009]高温热能的供给主要将驱动热密集型应用(诸如，为斯特林循环发动机或蒸汽发电机提供热能输入)，然后，如在联产中所述，将所得到的较低温度的热废能用于蒸馏、水或辐射空间加热。三联产与联产不同，因为通常利用吸收冷冻器或制冷器，将热废能用于加热和冷却两者。CCHP系统能获得比联产发电厂或传统发电厂甚至更高的总体效率。在美国，将建筑中的三联产应用称为建筑供冷、供热和供电(“BCHP”)。无论是直接的还是通过被动式辐射的加热和冷却，加热和冷却输出都可同时操作，或替代地可取决于需求和系统构造以及可用的废能的数量和质量进行操作。
[0010]在最早的发电装置中的一些装置中实施了联产。在中心站提供分布式供电之前，工业企业使用用于工艺加热的废蒸汽来生成其自身的能量。大型办公楼和公寓楼、酒店和商店通常生成其自身的电力，并且将废蒸汽用于建筑供热。由于早期采购电力的高成本，即便在公用事业电可用之后，这些分布式CHP操作继续持续了许多年。
[0011]经常将微型CCHP或“微型三联产”认为是分布式能源(“DER”)的理想实现方式。在住房、小型商业和/或轻型商贸应用中，该装置一般小于5kWe。代替燃烧燃料或使用能量捕捉系统而仅加热或冷却空间或水，这些能量中的一些除了被转换为直接加热、冷却或被动式辐射加热和冷却之外，还被转换为电力。可在家中或企业里使用该电力，或者如果经电网管理部门许可，可将该电力回售给电力电网。小规模CCHP系统的发展已为内部(in-house)能量生成提供了机会，该内部能量生成默认仅在储存量耗尽时才将电网能量用作作为最后手段的备用电源。
[0012]微电网(microgrid)是对发电、能量储存和一般连接到传统的集中式电网(宏电网(mac1grid))进行操作的负载的局部化分组。可断开通常与宏电网耦合的该单个点的连接。然后，该微电网可自主地运行。通常以低电压连接发电和微电网中的负载。从电网运营商的角度看，能以好像所连接的微电网是一个实体那样来控制它。微电网生成资源可包括燃料电池、风力、太阳能或其他能源。多个散布的生成源和将微电网从更大的网络隔离开的能力将提供高度可靠的电力。可将从诸如斯特林循环发动机之类的生成源中产生的热用于局部的直接工艺加热和冷却或被动式辐射空间加热和冷却，从而允许在提供加热、冷却和电力的需求和可用方法之间的灵活互换。
[0013]斯特林循环热机由金属和/或类似特性的材料制成。斯特林循环热机具有:压缩侦牝也被称为压缩侧汽缸，其具有使用围绕容器的液体冷却端口的用于压缩的动力活塞；以及置换器(displacer)侧，也被称为热侧容器，其具有所连接的热源并且包括再生器和具有活塞的置换器。热差是斯特林循环能量生成的基础。现有技术的系统和过程使用空气冷却或利用风扇伴随环境空气的普通热分布系统型水冷却来将热从系统的压缩侧辐射出去。
[0014]斯特林循环热机是内燃机、蒸汽轮机和燃气轮机的替代发动机设计。已开发了并在现有技术中详细记载了斯特林热机的多种设计。尽管斯特林循环热机具有相比于内燃机获得更大的热力学效率的卡诺(Carnot)势，但是在过去，斯特林热机仅很少地被使用并用于非常有限的应用中。这是由于在最初研宄的几年期间经常发生的若干因素，诸如，缺乏专业化的制造能力、缺乏特殊的金属和合金、设计的复杂性、便宜的一次性能量输入、在用于运输时相对于斯特林循环热机的内燃的可用能量类型、每能量单位扭矩转动能输出的发动机毛重以及过去启动热机的困难。
[0015]理想的斯特林循环包括作用于工作流体的以下三个热力学过程:1)等温膨胀一一以恒定的高热温维持膨胀空间和相关联的热交换器，并且气体经历从热源吸收热的近似等温膨胀；2)恒容(也被称为等容或等体积)热去除一一使气体经过再生器(气体在其中冷却)，从而将热能转移到再生器以供在下一循环中使用；以及3)等温压缩一一以恒定的低热温度维持压缩空间和相关联的热交换器，使得气体经历将热排到冷散热器(cold sink)的近似等温压缩。理论上的热效率等于假设的卡诺循环的热效率一一即，可由任何热机达到的最高效率。
[0016]α、β和γ型斯特林发动机是本领域中公知的。γ型斯特林发动机仅仅是其中在置换器活塞汽缸旁边的分开的汽缸中装载动力活塞的β型斯特林发动机。然而，它仍然连接到同一个飞轮和曲轴。在两个汽缸中的气体能在这两个汽缸之间自由流动，并且保持为单体。该配置一般产生低压缩比，但在机械上更简单，并且经常用于多汽缸斯特林发动机。
[0017]γ型发动机具有类似于β型发动机、但在不同的汽缸中的置换器和动力活塞。这允许在与置换器汽缸相关联的热交换器和与活塞相关联的压缩和膨胀工作空间之间进行方便的完全分离。由此，它们趋向于具有比α型发动机或β型发动机稍大的死体积区。在多汽缸斯特林循环发动机中，按排(row)设置汽缸，一排中的多个汽缸相对于另一排中的多个汽缸交错，并且以相对于另一排中的多个汽缸的纵轴的角度来设置第一排中的多个汽缸的纵轴。
[0018]通常使用风能技术将来自风力的动能转换为机械能和/或电力。为了提取风力，风轮机可包括具有一组叶片和连接到这些叶片的转轴的转子。风经过转子连接的叶片使这些叶片转动，并使转轴旋转。此外，可将旋转的转轴耦合至执行诸如用泵抽水、大气气体分离压缩机等的机械任务的机械系统。或者，可将该转轴连接到将转动能转换为电力的发电机；随后可使用其对消费者、商业、工业设备和/或电网供电。
[0019]通常使用太阳能技术将来自太阳的辐射光能转换为热能和/或光伏电力。为了提取太阳能功率，使用收集表面和/或反射器(就像利用用于将太阳能集中在上述太阳能收集器表面上的热太阳能技术的情况)，使得到达收集表面的太阳能被转换为光伏生成的电能或作为热生成的热供直接使用、转移和/或储存。然而，风多变的性质和太阳能的可用性可能妨碍基本负载和/或按需生成电力、从风能和太阳能中生成的产物和副产物。例如，可能需要使用化学和热技术的能量储存来补偿从风力和太阳能生成的电力、产物和副产物的波动，并且/或者在私有和公共的电网中维持可靠的电力/热能供应服务。
[0020]通常将电解器技术用于使用置于基于水的导电混合物中以分离氢和氧的电极来转换电能。该过程使用电解液添加剂来增强导电性。为了将水分离为分开的部分，给予一对阳极和阴极对应的正电压和负电压以分离氢和氧，然后将被分开的气体移动到储存设备或向前移动以对附加产物进行进一步的处理。哈伯-博施(Haber-Bosch)法是用于生产氨的技术。伴随着压力容器中足够的压强和热输入，先前储存的氢与氮(来源于处理空气变压吸附)进行催化反应以形成合成的无水液氨。该过程也称为氨合成循环(也被称为哈伯-博施过程):3H2+N2=2NH3。现有技术的哈伯-博施氨合成工厂使用所生成的热用于氢气和氮气的合成，它们被组合，然后使用冷却塔冷却它们以冷却生成大量可用热能的氨。现有技术使用附加能量来去除热以冷却氨，以便进行储存，进一步传递了效率损失并提高了产品成本。
[0021]变压吸附(有时被称为“PSA”)是用于使用气体产物专用的过滤器和筛在根据分子特性的压强下将特定气体从气体混合物中分离出来的技术。通常使用大气气体收集、增压、分离来提取诸如氮、氧之类的感兴趣的特定气体，并为进一步步骤中的惰性气体分离提供气体给料(feedstock)供给。用于气体分离的大气惰性给料气体通常使用热蒸饱过程来提取感兴趣的单一气体，诸如，氩、氦、氙和其他公知的大气气体。具有特定气体专用的气体提取部分的气体对于各种应用是有意义的，并且可运输它们并将它们处理为气态，并重新处理为适于合适类型的储存系统的液态。
[0022]当前的现有技术(也被称为直接太阳热能发电技术)具有以下劣势:
[0023]1.大空间要求或有限的反射器表面/地表面比率。这对于设计成用于使邻近的反射器的重叠-遮蔽(overlapping-shadowing)效应(阻挡了入射或反射阳光)最小化的系统是典型的。可针对一年仅发生一次(或对于昼夜平分点发生两次)的太阳在天空中的特定位置来优化反射器面板排之间的距离及其取向。为了最大限度地利用反射器面板表面，使这些排在其间留有相当大的间隔。按这种方法，对于给定的热输出所需的场地范围变大。大场地则导致大范围的以及昂贵的管道系统和其他服务基础设施。
[0024]2.每直线长度单位镜面的有限的反射能量。这对于设计成用于使反射器场地的面积最小化的系统是典型的。在这种情况下，经常使反射器排接近于彼此而均匀地留有间隔。由于上述的重叠-遮蔽效应，这些系统具有低的反射器面积利用。
[0025]3.有限的季节性能量。这对于所有已知的系统(包括浮式、旋转式“太阳能岛”概念)都是典型的。该劣势来自反射器相对于收集器的固定位置。即便位置经优化，镜面的该固定位置也仅对一年中的单个小时是理想的。然而，对于一年中的其余时间，这些镜面将需要在反射器之间的不同的经优化的分布。
[0026]4.降低的收集器和/或吸收体效率。已知的收集器系统要么具有高的热损失，要么具有不佳的辐射捕捉效率。热损失是由高表面温度和高入射辐射通量导致的。低效的收集和/或吸收体效率的根本原因是将镜面聚焦在到吸收体的相对大的距离上的不精确。例如，收集器和/或吸收体的活动的吸收体表面必须受限(限制为最优值)。此外，反射器面板到接收反射辐射的最近的收集器的距离需要保持为小的，以便能够捕捉最佳的可用阳光能量。
[0027]5.工作流体回路系统的有限的液压稳定性、差的调节比(turndown rat1)和不足的可控性。作