半集中式电能贮存和分布式发电的系统和方法
【专利说明】半集中式电能贮存和分布式发电的系统和方法
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年5月9日提交的美国专利申请序列号13/890,917的优先权和利益。
技术领域
[0003]本发明涉及半集中式电能贮存和分布式发电系统和方法，以及加强电网和输气管线系统的一体化的方法。
【背景技术】
[0004]电能贮存允许在“高峰”电能需求时段(例如日间)释放“非高峰”(例如夜间)生产的低值电能，在“高峰”电能需求时段，电能价值实质上更高并且电能贮存最可能发生。不管对于哪种被贮存的“初始”能源(例如烧煤电能、核能、风能等)都是一样。很多重要的优点产生于多兆瓦(“大量”)电能贮存方法，包括使用非高峰能量来提供更多高峰电能，扩大能够通过现有运输和分配基础设施传送的较高价值的高峰电能的量，以及将诸如风能和太阳能等的间歇(不可靠)能源转变成“稳固的”、“可调度的”(可靠的)源。
[0005]通常，作为电网上供应的总电能的百分比，电网只能容忍+/-10%的间歇式可再生电能，因为允许明显更多间歇电能将导致电网变得不稳定/不可靠，并且将更可靠的(并且因此更有价值的)电能从基荷发电厂“挤出”。在不存在成本效益好的、广泛部署的大量电能贮存方案(例如公开的实施例中)的情况下，这代表了间歇可再生能源的市场渗透的“上限”。此外，较小的多兆瓦的能量贮存系统(例如1兆瓦至50兆瓦)提供了以高的净效率将高峰电能容量增加到约束负荷囊(load pockets)的手段，同时帮助升级(并且实际上扩展)配电系统，特别在其中存在很少其它选择和/或升级成本昂贵的区域。
[0006]到电网的大量电能贮存有很多优点，包括但不限于:购买低(非高峰)电能而销售高(高峰)电能的能力，更大的供电容量，除去了对“峰化器”发电厂的需要，减少运输容量需求和拥堵，更好的电力服务可靠性和电能质量，减少电费，以及可再生能力的稳固。并非所有上面的电能贮存值都要求贮存资产的各自部署，因为能够贮藏的个别值是特定情况。然而，作为通则，电能贮存系统的电能“释放”越靠近负荷，它将带给整个电网的利益越多，包括但不限于，公用事业、ISO和纳税人。因此，其电能释放可靠近电力负荷发生的系统(例如公开的实施例)比那些只能部署在电网的远端“上游”的系统更有价值。
[0007]尽管上面确定了大量电能贮存的很多优点，但是在较低的商业规模范围(例如1兆瓦至50兆瓦)中只有非常少的市场化的电能贮存选择。电池技术通常限制于几兆瓦/兆瓦时的容量(每天低于5兆瓦/10兆瓦时)并且有其它缺点，缺点包括电池寿命结束时的处理问题和有限的放电持续时间(通常每天少于2小时)。对于大的、公用事业规模(大于100兆瓦)的电能贮存存在数个可用方法，包括压缩空气能量贮存(CAES)，抽水蓄能以及液态空气能量贮存(LAES)例如Vandor电能贮存(VPS)循环。CAES受到洞穴和/或要求包含压缩空气的其它地下地质构造需求的严格限制。并且，CAES不传送连续量的电能输出；相反地，由于洞穴中的压缩空气的压强在每日循环期间减小，发电量随着每小时的电能释放下降。抽水蓄能也受到地形和地质情况的限制，需要两个大的“湖”被两个贮存器之间的大的高度差分隔，两个贮存器之间有水坝和水轮机。
[0008]VPS灵活得多，因为它不受地形/地质情况的约束并且能够靠近电力的终端用户即负荷放置，因此提高了部署价值。然而，为了增加可能的部署站点的总数，之前专利中体现的VPS的基本原理和方法以及系统需要强化以便允许不仅可以采用公用事业规模(也可被描述成近似50兆瓦/400兆瓦时和更大)而且也可采用更小的“商业规模”(通常将小至大约1兆瓦，但是也可更小，即在千瓦规模内)来部署技术。广泛部署的、小于公用事业规模的电能贮存设备的网络将构成“分布式电能贮存”系统。这样的系统提供了很多优点，包括关于如何在电网上发生入流贮存以及关于如何将出流贮存送出到电能用户的灵活性。
[0009]现今全球范围内操作的多种抽水蓄能和两种CAES部署是电能贮存的最大规模示例，其中每个部署可发出几百兆瓦的功率。作为另一极端规模，已经提出了使用全电动汽车中的电池的电能贮存容量作为“群众资源”分布式电力网络的建议，其中每辆汽车只提供几千瓦的电力输出(当它插入到电网的双向连接)，但是其中众多这样插入汽车的累积效果可能是重大的。因此，需要填补两种极端之间存在的空白的能量贮存系统，并且现今的商业可行技术并不服务这个空白。
[0010]除上面简要概述的电能贮存问题外，配电网面临另一组最好由“分布式发电”系统和方法解决的相关挑战。例如，如果配电网将更可靠，则它需要被重建。特别地，需要不那么依赖于远离它们的客户定位的大规模、集中式发电厂的能量生产和分配系统，其中越来越拥堵和易受(自然和人为事件)损害的电网连接具有客户群的大的发电设施。反而需要这样发电:能够采用较低的资本成本，更局部化更靠近客户，提供冗余，更短的电网上的传送时间/距离(减少线路损失和拥堵)，并且允许在反映局部(分布式)发电的多种选择的市场和价格体系方面更有竞争力。用于分布式电能生产系统的经济和技术“门槛”越小，它们越能广泛部署，这样的电网越能够避免电网拥堵，并且电网变得越不容易受到计划外的自然和人为断供的损害，即依赖于众多广泛分布的发电源而不是仅一个(或多个)大的集中式发电厂。
[0011]因此，需要一种能够将低价值的非高峰电能转换成高价值的高峰电能，并且能够使间歇式电源“稳固”的电能贮存系统和方法。还需要一种能够以更小的商业规模被广泛部署的电能贮存和分布式发电系统和方法。最后，还需要一种能够靠近电力客户(即负荷中心)定位的电能贮存和分布式发电系统和方法。
【发明内容】
[0012]本发明的实施例通过使用液态空气(L-空气)、液态氧气和/或液态氮气和/或其特定组合(下面简写02/N2)作为工作流体在很大程度上减少了已知公用事业规模的电能贮存系统和电能生产系统的缺点，工作流体能够在非高峰时段生产，使用拖车和机动轨道车运输，并且贮存在地面上的低至中压的低温贮存罐中，以便在高峰电力需求时段释放，而本发明的实施例的规模和配置允许商业规模贮存和发电(即释放)部署，并且允许贮存部件的位置独立于发电(释放)部件。公开的实施例可提供从低至千万规模或近似1兆瓦(此处称作“商业规模”或“商业规模”VPS)到公用事业规模(可被定义成高至50兆瓦或更大)的分布式电能贮存。
[0013]根本地，本发明的实施例将入流贮存电力转变成液态空气(L-空气)或液态氧气或液态氮气，氧气和氮气都是空气的组分。空气是丰富的、免费的并且无毒的，因此任何“泄露”将不会危害环境。空气的其它组分，例如二氧化碳、氩气、氖气、氦气、氪气和氣气是有价值的并且可在02/n2生产过程期间重新获得。照此，为了本发明的实施例而加工的空气将产生有价值的副产品。
[0014]公开的实施例允许电网和其它燃料源(例如天然气管线网络)的广泛集成，从而使得有权使用两个分布系统的每个站点成为可能的电能贮存设备、可能的分布式发电设备或电能贮存和电能生产设备。到今天，只有在选择的其中部署大规模燃气发电厂或简单循环燃气涡轮机(“高峰调节”或“峰化器”装置)的站点，那两种广泛部署的网络-电网和输气管线系统才可能集成。在没有本发明的实施例的情况下，电力和天然气的绝大部分客户不能最佳地“连接”它们使用的两个“传输系统”，并且不能选择本地电能贮存或有成本效益的分布式电能生产，当然也不能选择实现两者。
[0015]除了“独立”商业规模VPS装置，本发明的实施例还允许集成VPS技术和现存的简单循环燃气发电厂(例如“峰化器”)。换句话说，可使用VPS技术改造现存的简单循环发电厂，以将它们转变成“日常职责”基载电力贮存和分配资产-使它们成为比偶尔使用的峰化器(现今)有价值得多的资产。全世界存在几百这类峰化器，这代表了公开的系统的部署的大的市场机会，从而促进分布式电能贮存和分布式发电的目标。公开的实施例可完全消除对简单循环峰化器装置的需要，包括通过改造现存的峰化器。
[0016]本发明的实施例通常比之前获得专利权的VPS版本更小、更简单并且成本更低，并且满足更加宽广和更大的市场机会/需要。公开的实施例可被模块化、标准化、规模1兆瓦-20兆瓦(或更多)的工厂制造“器械”，该规模现今几乎没有成本效益好的技术方案，因为通常这样的规模对于CAES和抽水蓄能来说太小，而对于电池蓄能来说又太大。
[0017]本发明的实施例代表在如何生产、输送、贮存和使用能量方面的可能的“典范转移”，并且本身是(获利地)“颠覆性”技术。遍及全球的几乎每个使用来自电网的1兆瓦左右或更多电力并且由天然气网连接(或其它天然气源)服务的设备都是公开的实施例的候选站点。每个这样的部署可最终变成成本效益好、低排放、半集中式贮存和分布式发电资产的广泛分布网络的一部分，将公认的电能1C存和分布式发电(现今电力工业中的两个最重要的趋势)的经济和运营利益组合在一起。
[0018]公开的实施例提供的可能的典范转移的另外元素是全新的商业模型的机会，包括但不限于“商业”电能-贮存/电能-输送业务，运作类似于能量服务公司(ESC0)。这类商业可以在它们自己的(或其它的)低温装置处生产贮存的电能，并销售/运输贮存的电能至分布式发电机和/或电能消耗设备，如文中其它节中描述的。因此，也许这是第一次，借助于公开的实施例，电力工业中的“商业”可以不像它们现今所做的那样只是供应电能生产(以及偶尔电能贮存)，它们也可以提供电能分配(类似于公用事业的功能)。
[0019]另一可能的新系统、方法和商业模型将是电能贮存和输送系统“脱钩”(物理上和经济上)，由此电能被贮存在一个位置(通常在电网上)并且销售/运输到一个或多个其它位置，而不使用/需要电网(或甚至配电线)来使电能到达目标点。照此，公开的实施例将也允许在能量工业中出现全新的可销售/可贸易商品(贮存的电能)。这类贮存的能量将不限于仅仅一个或少数供应商或客户(像现今电力通常受限一样)，因为公开的实施例不依赖于“固定的”电网来到达它的使用点。此外，公开的实施例将生产实质上更敏捷更灵活的电气系统。
[0020]电能贮存资产以往依赖到电力源的单一连接来起作用。本发明挑战电能供应的可靠性(依赖于单一源)和价格(由于需要从单一电网连接接收电能而导致供应方面竞争很少或没有竞争)。公开的实施例通过允许从很多供应源(例如液态空气、02或~2的多个供应商)输送(以移动(例如“可装运的”)低温流体的形式)贮存的电能来“打破上述模式”，从而将电能贮存和电能生产市场实质上更靠近经济学家所称的“理想市场”(即很多供应商和很多客户，每个都有选择)，并使整个电气系统和纳税人受益。这减少了对已经控制电网的电力供应和分配几十年的“自然垄断”(即，管制的公用事业)的需要，从而允许更多解除管制“基于市场”的电力工业。相似地，公开的实施例将减少对大的集中的(通常远距离定位)的电力装置的需求，而这些电力装置的建设非常昂贵，并且通常需要很难得到许可和建设的高容量/高电压州际/州内运输线。因此，通过公开的实施例，电力市场能够可靠地“本地化”，并产生很多显著的优点。
[0021]由于如文中描述的公开的实施例的规模的范围广泛并且它们固有的灵活性(例如电能贮存单元的移动性)，公开的实施例适合于多种可能的部署站点/终端用户，包括但不限于以下:
[0022]工业设备/工厂/精炼厂
[0023]微电网
[0024]公用事业-T&D (传输和分配)“紧点” /容量升级
[0025]军事基地
[0026]医院
[0027]商务花园/企业园区
[0028]购物中心
[0029]机场&船舶港口
[0030]风电场&太阳能电场
[0031]大学校园
[0032]数据中心/服务器群
[0033]食品加工/冷藏仓库
[0034]矿井&采石场
[0035]其它重要建筑/基础设施
[0036]由于本发明的实施例允许将分布式电能生产站点产生的剩余电能(高于主站点所需的电量)销售到电网(通过主/资产所有者或通过第三方ESC0或电力经纪人/交易者)，公开的实施例包括能够大大推动多向“智能电网”(其电能事业设备和电力系统制造商近年来得以推进)的发展/使用的技术。最佳智能电网需要源自很多位置的在多个方向流动的电能，根据供求状态能够快速改变。公开的实施例的所有人/用户将不只是电能消耗者而也可以是电能提供者。
[0037]这允许更多电力供应商进入电力供应市场，通过减少/消除对单一(或少数)大的发电机/公用事业的历史依赖来“民主化”市场。这尤其正确，因为公开的实施例以相当小的规模(例如，低至千瓦规模和近似1兆瓦)部署，通过使很多方更容易并且更便宜地购买/拥有/出租电能贮存和生产资产来减少“进入壁皇”。因此，通过公开的实施例的分布广泛的部署，电力供应市场中的竞争将增加(最近几十年公用事业管理者和政策制定者的主要目标)，由此使电力客户/纳税人受益，包括通过保持低的电力价格。另外，管理电网的独立系统经营者(ISO)通过依赖额外的、更多分布式电能供应源获益，以便“平衡”市场并确保无论什么时候什么地点需要都可获得电能。应注意到本发明想到的每个分布式电能生产站点也可从多于一个供应商接收“电能”，从而进一步提供“确定性”和竞争力。
[0038]半集中式电能贮存和分布式电能生产的示例系统包括在第一位置处的至少一个电能贮存设备，在不同于第一位置的第二位置处的至少一个分布式电能生产设备，以及至少一个移动贮存电能运输单元。电能贮存设备包括电能贮存介质，电能贮存介质包括液态空气、氮气、氧气或其组合。移动贮存电能运输单元被配置成将电能贮存介质的至少一部分运载到分布式电能生产设备。在示例性实施例中，电能贮存设备是空气分离装置。在示例性实施例中，电能贮存设备起能量服务公司(也称作ESC0)的作用。示例性实施例还可包括在第三位置处的至少一个电能贮存设备，其中至少一个移动贮存电能运输单元将电能贮存介质从第三位置运输到分布式电能生产设备。
[0039]在示例性实施例中，分布式电能生产设备电连接至电网并且提供电能给电网，到电网的电能可以是盈余电能(超出邻近的(多个)电力客户的需求)。示例性系统还可包括提供电能给电能贮存设备的至少一个电能生产者。电能贮存设备可被配置成在分布式电能生产模式中使用贮存电能的一部分。天然气管线和原动机(例如涡轮机或引擎)可以设有电能贮存设备，以使其能够使用电能。示例性的实施例包括流体连接至分布式电能生产设备的天然气管线。
[0040]在示例性实施例中，电能贮存设备包括:多个压缩机、流体连接至至少一个压缩机的至少一个换热器、流体连接至至少一个压缩机的膨胀机、流体连接至膨胀机的机械式冷冻机、以及流体连接至膨胀机的贮存容器。示例性的分布式电能生产设备可包括多个换热器、流体连接至至少一个换热器的至少一个膨胀机，以及包括原动机的原动机组件。原动机组件可流体连接至至少一个换热器。
[0041]示例性实施例还包括流体连接至分布式电能生产设备的原动机，其中原动机起备用发电机的作用。在示例性实施例中，半集中式电能贮存和分布式电能生产系统还包括移动车辆，移动车辆包括原动机，原动机流体连接至分布式电能生产设备。原动机可以是提供由分布式电能生产设备供应的电能的一部分的燃料涡轮机。原动机可以是燃料涡轮机，并且电能贮存介质冷却到涡轮机的进入空气流。系统可以是商业规模的部署。在示例性实施例中，系统包括在不同于第一位置的第三位置处的至少一个电能贮存设备，其中，至少一个移动贮存电能运输单元将电能贮存介质从第三位置运输到分布式电能生产设备。至少一个移动贮存电能运输可将离网的电能贮存介质的至少一部分送到分布式电能生产设备。
[0042]示例性实施例包括半集中式贮存能量和分配电能的方法，所述方法包括在第一位置处将电能贮存在电能贮存介质中，将电能贮存介质的至少一部分运输到不同于第一位置的第二位置，以及从电能贮存介质释放电能以便在第二位置处发电。电能贮存介质包括液态空气、氮气、氧气或其组合。在示例性实施例中，贮存电能包括将空气分离成氧气、氮气或其组合。贮存电能的步骤也可包括提供侧向负荷制冷剂流以冷却电能贮存介质。示例性方法还包括将电能的至少一部分贮存在电能贮存介质中作为备用电能。
[0043]发电步骤可包括提供电能到电网，其中提供的电能可以