用于蓄能的系统和方法
【专利说明】 用于蓄能的系统和方法[0001 ]相关专利申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年8月22日提交的美国临时申请61/868,927的优先权，所述申请通过引用以其全文结合在此。
【背景技术】
[0003]提供足够的能源来给社会的所有各种需要供以动力每年正变得越来越有问题。常规来源诸如煤、石油和天然气正变得更昂贵并且更难以发掘。同时，燃烧的副产品产生空气污染并且提高大气中二氧化碳，从而导致威胁全球环境的严重后果。可再生能源，特别是太阳能收集器和风力涡轮机，可在很大程度上代替碳氢化合物，如果它们能够被从间断性生产转化成可靠、可调度的电力供应。这可以通过将来自太阳能和/或风源的输出的极大部分引入大规模蓄能单元中来完成，这些大型蓄能单元接着将根据需要释放该能量。
[0004]当前用在非常大容量蓄能方面的主要技术是抽水蓄能，也被简单叫做“抽水”，如图1中所示。一个典型的设施50采用两个大型蓄水池，其中第一或低蓄水池52在比第二或高蓄水池54低的高度处。在一个发电室56中由一个电机/发电机驱动的液压涡轮栗在可获得过剩能量的任何时候将水从低蓄水池52栗送到高蓄水池54。一旦需要，水就被从该高蓄水池54释放并且流动通过这些涡轮栗进入该低蓄水池52来发电。大型设施可以具有超过1000兆瓦的峰值输出功率以及成千上万兆瓦小时的存储容量。该发电室56可包括一个单独的栗和涡轮机，这两者都通过驱动轴连接到一个电动发电机上。此安排可以与常规设计相同的形式操作来蓄能和放能，但是提供了另一种极大地增加灵活性的叫做“液压短路”的模式。
[0005]抽水已是数十年来的第一大容量存储技术，在全世界超过120千兆瓦的发电能力，但是除了增加的建设成本之外的与蓄水池设计相关联的地理、地质和环境限制使得其未来发展变得越来越没有吸引力。因此，此技术并不是一种用来提供广泛适用性、兆兆瓦发电能力、低成本以及环境适应性(这些是支持能量基础设施从碳氢化合物到可再生能源的主要转变所要求的)的实际方法。
[0006]—个替代性技术包括通过使用一种加压流体升高一个空心竖井中的一个活塞来蓄能。在具有一个大的竖井和活塞直径的系统中，一些构造技术由于它们对公差的有限控制可以在竖井和/或活塞圆周中产生巨大变化。为了在该活塞与该竖井的这些壁之间形成用来维持良好密封性能所要求的紧密接触的一个密封，此种圆周变化将要求密封圆周随着该活塞上下移动而相应动态变化。此动态变化可能通过能够处理高接触力的材料难以实现。此外，用于该密封的一个粗糙接触表面可能造成不良密封性能以及快速的密封磨损。越过该密封通过一个粗糙接触表面中的小通道的高压泄露可能导致对该表面的冲刷，从而磨掉系统的材料并且加速该系统的退化。
【发明内容】
[0007]本发明的一个实施例涉及一种用于蓄能的系统，该系统包括一个主体和一个空心竖井，该空心竖井具有限定一个用于包含一种流体的内部容积的壁。该主体被布置在该空心竖井的该内部容积内用于通过重力在该空心竖井的该内部容积内从一个第一高度位置移动到一个第二高度位置。该系统进一步包括一个密封构件，该密封构件布置在该主体与该空心竖井的这些壁之间。该密封构件被联接到一个安装表面上并且可滑动地接合一个接触表面，从而将该内部容积分成垂直位于该主体下方的一个第一部分以及垂直位于该主体上方的一个第二部分。该系统进一步包括一个流体通道和一个电动机/发电机，该流体通道与该空心竖井处于流体联通。该流体通道与该空心竖井的该内部容积的该第一部分传送流体。该电机/发电机可操作地与该流体通道联接，从而在该主体通过重力从该第一高度位置移动到该第二高度位置时就驱动该电动机/发电机发电。
[0008]另一个实施例涉及一种用于对蓄能的系统进行构建的方法。该方法包括将一个空心竖井挖掘到一个所希望的井深，该空心竖井由一个壁和一个底部限定;并且在该空心竖井的该底部上形成一个底板。该方法进一步包括在该空心竖井的该底板上形成一个活塞底座，并且将联接到该活塞底座上的一个活塞侧壁形成到小于该井深的一个活塞高度。该活塞底座具有小于该空心竖井的直径的一个直径。该活塞侧壁限定该活塞的一个空心内部。该方法进一步包括实质上利用一种填充材料填充该活塞的该空心内部并且形成联接到该活塞侧壁上的一个活塞顶以封闭该活塞的该内部。
[0009]另一个实施例涉及一种用于对蓄能的系统进行构建的方法。该方法包括将一个空心竖井挖掘到一个第一深度，该空心竖井由一个壁和一个底部限定并且具有一个直径。该方法进一步包括将具有等于或大于该空心竖井的直径的一个外直径的一个环挖掘到一个第二深度以限定一个柱，并且沿着该柱的该底座挖掘一个隧道。该隧道具有一个洞顶并且在任一侧朝该环敞开。该方法进一步包括在该隧道中、该隧道底部上形成一个第一竖井底板部分，并且在该隧道中、该第一竖井底板部分上形成一个第一活塞底座部分。该第一竖井底板部分具有小于该隧道的宽度的一个宽度。该第一活塞底座部分从该第一竖井底板部分延伸至该隧道的该洞顶。该方法进一步包括:加宽该隧道;在该隧道中、该隧道底部上形成一个竖井底板的邻近该第一部分的一个第二部分;在该隧道中、该第二竖井底板部分上形成邻近该第一活塞底座部分的一个第二活塞底座部分;并且继续加宽该隧道并形成竖井底板部分和活塞底座部分，直到该柱整个由这些竖井底板部分和活塞底座部分支撑。该方法进一步包括形成联接到该活塞底座上并且围绕该柱的一个活塞侧壁，并且形成联接到该活塞侧壁上的一个活塞顶以封闭该活塞的该内部。
[0010]这些和其他方面将从以下附图以及对示例性实施例的详细描述中变得显而易见。
【附图说明】
[0011]本发明的特征、方面和优点将从以下描述、所附权利要求书、以及图中所示的随附示例性实施例中变得显而易见，这些在下文中简要描述。
[0012]图1是常规现有技术抽水蓄能水电站的示意图。
[0013]图2是重力-液压蓄能系统在其蓄能时并且在其产生电力时的示意图。
[0014]图3是根据一个示例性实施例的大规模重力-液压蓄能系统的截面图。
[0015]图4是根据一个示例性实施例的挖掘图3的重力-液压蓄能系统的竖井的截面图。
[0016]图5是根据一个示例性实施例的布置在图4的轴中的一个制成活塞的截面图。
[0017]图6是竖井底板、井壁和图5的制成活塞的结构的详细截面图。
[0018]图7是根据另一个示例性实施例的挖掘图3的重力-液压蓄能系统的竖井以及一个焊接活塞的截面图。
[0019]图8是根据一个示例性实施例的用于挖掘图7的挖掘活塞的一个过程的顶视图。
[0020]图9是用于挖掘图8的挖掘活塞的过程的全景截面图。
[0021 ]图10是用于挖掘图7的挖掘活塞的一个进一步过程的截面图。
[0022]图1lA是在图7的活塞下面挖掘的一条沟道的截面图。
[0023]图1lB是图1lA的沟道的截面图，该截面图示出形成在沟道中的竖井底板的一部分。
[0024]图1lC是图1lA的沟道的截面图，该截面图示出形成在沟道中的活塞底座的一部分。
[0025]图1ID是图1IC的活塞底座和竖井底板的部分的详细截面图。
[0026]图1lE是图1lA的沟道的截面图，该截面图示出安装在沟道中的一个保持形式。
[0027]图1lF是图1lA的沟道的截面图，该截面图示出形成在沟道中的活塞底座的一部分。
[0028]图1lG是图1lA的沟道的截面图，该沟道在形成竖井底板和活塞底座的一部分后变宽。
[0029]图1lH是图1lA的沟道的截面图，该截面图示出竖井底板和活塞底座的第二部分。
[0030]图12是图7的活塞和竖井的底座的截面图。
[0031]图13是用在图3的蓄能系统中的一个密封组件安装件和密封组件的截面图。
[0032]图14是图13的密封组件安装件和密封组件的截面图，其中该密封组件被移除用于维护。
[0033]图15是根据一个示例性实施例的用于图13的密封组件的一个密封台的截面图。
[0034]图16是图15的密封台的一部分的前正视图。
[0035]图17是用于图15的密封台的一个密封件载体的一部分的俯视图。
[0036]图18是根据另一个示例性实施例的图15的密封件载体的部分的俯视图。
[0037]图19是图15的密封台的截面图，其中该密封件载体被移动来允许接近轴承。
[0038]图20是根据一个示例性实施例的图3的蓄能系统的截面图，该截面图示出一个活塞支架。
[0039]图21是根据一个示例性实施例的图3的蓄能系统的截面图，该截面图示出活塞导承。
[0040]图22是图21的活塞导承的细节截面图。
[0041]图23是根据另一个示例性实施例的图3的蓄能系统的一个截面图，该截面图示出活塞导承。
[0042]图24是图23的活塞导承的顶视图。
[0043]图25是根据一个示例性实施例的图3的蓄能系统的截面图，该截面图示出若干颗粒捕集器。
[0044]图26是根据一个示例性实施例的用于图3的蓄能系统的动力室的细节截面图。
[0045]图27是根据另一个示例性实施例的用于图3的蓄能系统的动力室的细节截面图。
【具体实施方式】
[0046]以下详细说明是实现本发明的实施例的目前预期的最佳模式。本说明并不具有限制意义，但仅为了说明本发明的实施例的总则而做出。本发明的范围由所附权利要求书最佳限定。
[0047]本发明的实施例涉及用于蓄能的系统和方法，例如可用来存储在“非峰值”时段(即，期间能源需求相对于“峰值”时段是不高的时间段)产生的能量和/或从可再生能源诸如风和太阳产生的能量。在特定实施例中，用于蓄能的方法和系统被配置用于在陆地上操作。在其他特定实施例中，用于蓄能的方法和系统被配置用于在水生环境中操作，诸如但不限于在海洋中。
[0048]根据一个实施例，“峰值”时段的能源需求被认为是比非峰值时段的能源需求高约50 %。根据其他实施例，“峰值”时段的能源需求可被限定在其他适合的等级，包括但不限于比非峰值时段的能源需求高约100%或200%。
[0049]本发明的一个方面涉及存储非峰值能量和/或可再生能源以便在峰值时段过程中使用。这样，根据本发明的实施例，蓄能系统可以充当可靠、可调度的电力供应，以及间断性生产供应。根据本发明的特定实施例，来自太阳能和/或风力源的输出的极大部分被引入蓄能系统中，该蓄能系统接着可例如在根据需要的基础上释放该能量。
[0050]重力-液压存储系统
[0051]参见图2，示出一种用于蓄能的蓄能系统60，该蓄能系统在提供类似或更好的蓄能性能和经济性的同时避免栗送水力的限制。该蓄能系统60在操作上可类似于属于本发明人的2012年5月I日公布的标题为“用于蓄能的系统和方法”的美国专利号8，166，760中所描述的用于蓄能的系统，该专利通过引用以其全文结合在此。该蓄能系统60可用来存储来自源诸如风或太阳能的非峰值或可再生能源。
[0052]该蓄能系统60包括一个主体，该主体被示出为悬浮在具有充满流体的内部容积的一个空心、垂直竖井64中的一个大型活塞62。该活塞62将该竖井64的内部容积分成高于该活塞62的第一腔室或上部腔室66以及低于该活塞62的第二腔室或下部腔室68。这些腔室66和68通过一个管线70(例如，连接管)所提供的一个通道彼此处于流体联通。当该活塞62在该竖井64中移动时，这些室66和68的容积增大和减小，从而迫使这些腔室66与68之间的流体通过该管