用于借助压缩空气来存储能量的设施的制作方法
用于借助压缩空气来存储能量的设施的制作方法
【专利摘要】一种用于借助压缩空气来存储能量的设施，其中，－一个存储容积收纳有处于升高压力pH下的空气；－为了存储能量而将环境空气压缩并且送入到所述存储容积中；－为了输出存储而将压缩空气从存储容积中取出并且在输出功的情况下排放到环境中；－用于交替地压缩和膨胀的一个涡轮机（低压涡轮机）或多个这样的机器将环境空气压缩成平均压力pM或者使环境空气从该该平均压力膨胀；－用于交替地压缩和膨胀的一个机器（高压机）将空气从平均压力pM压缩到存储压力pH或者使空气从该存储压力膨胀，或多个流体技术上并联连接的这样的机器完成该任务；－这些机器（低压涡轮机和高压机）流体技术上串联连接并且分别与一个或与一个共同的发电机/电动机（即一个电机，所述电机选择性地作为电动机和发电机作业）机械地耦合。
【专利说明】用于借助压缩空气来存储能量的设施
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于借助压缩空气来存储能量的设施。
【背景技术】
[0002]化石能量应当(由于二氧化碳)由可再生能量取代。供电中的困难在于:可再生能量、如通过风车利用风能和通过光电技术利用太阳能的供应波动剧烈，并且对电能的需求仅当由可再生能量产生的电可存储时才能尽可能广泛地由可再生能量满足需求。对此已知的方法有:蓄电池——目前显然太昂贵；抽水蓄能电站——为此需要较大的高度差并且这些较大的高度差例如在德国北部的低地是不存在的，此外还经常因为“破坏风景”而有民众抗议；或压缩空气蓄能设施(在英语中通常称为CAES, Compressed Air Energy Storage)。
[0003]所述压缩空气蓄能设施能够大规模地存储电能，并且为此使用地下空间、大型涡轮压缩机和汽轮机。现有的设施在膨胀前借助燃烧天然气来加热压缩空气，以便避免汽轮机中结冰，另一种先进的方案(通常为绝热的压缩空气蓄能电站，或在英语中称为“adiabatic CAES”)的目的在于:将压缩时变得自由的压缩热存储起来，并且在压缩空气在汽轮机中膨胀之前再将所述压缩热输出到这些压缩空气中。以这种方式，即使是在平原地区也可以存储很大量的能量用于供电，而不改变风景，无需添加化石能量，具有约70%的好的存储效率和相当低的成本。用于运行这样的设施的成本几乎只有资本成本。并且这些资本成本必定由于越来越多地利用可再生能量而再降低。
[0004]所述方法在ADELE项目的资料中有所描述，但类似的方法在80年代就已经进行计划 了。(->CAES Studies Pacific Northwest Labsl981.pdf, Conceptual Designand Engineering Studies of Adiabatic Compressed Air Energy Storage(CAES)with Thermal Energy Storage, M.J.Hobson et.al., Novemberl981, Pacific NorthwestLaboratory-Batelle, PNL-4115)。在ADELE中定下了高的技术目标，在储热器中具有至100巴的压力和至600°C的温度。
[0005]图1描述的是已知的、绝热的压缩空气蓄能电站的示意性结构，在通常为地下的容积中具有压缩空气存储单元DS。为了填充该压缩空气存储单元，环境空气被大气压p-atm由压缩装置K通过储热器WS输出到容量DS中，在所述储热器中空气将其压缩热输出到存储材料上。在热交换器WS中仅有少量的流动一压力损失。空气的方向通过虚线箭头描述。可以作为电动机和发电机作业的电机Μ/G在此经由为此接通的可断开离合器SKl来驱动压缩装置K。若要提取所存储的能量，出自压缩空气存储单元DS的空气通过储热器WS流入到汽轮机T中并最终流入到大气中，在所述储热器中，所存储的压缩热基本上又被往回传递。这由实线箭头示出。汽轮机T经由第二个为此接通的可断开离合器SK2而与电机Μ/G连接，所述电机现在作为发电机而作业。阀门V负责必要的打开和关闭过程。
[0006]发明目的
[0007]为了使压缩空气存储的方法还能够明显更好地实现可再生能量的供应均化(Vergleichmaessigung)的目的,价格须更为低廉。若要补偿更长时间的、例如数日之久的可再生能量供应的短缺，必定可能的是:建造并非每天使用的，而是在一年中仅使用几次并且在此已经分期偿付的存储量K。这可以通过以更高的压力和更大的压力波动来更好地利用存储容积(每立方米几何容积的成本为X欧元)来实现。
[0008]若想建立小型存储设施，在其中不考虑在地下钻孔的数百万欧元的昂贵的初始投资并且因此将所述存储设施指定为小型的地面存储设施，则有同样的目的。在此，存储设施中的压力越高并且压力波动越高，设施在每个存储的千瓦时存储量的资本成本也越有利。因此，在现有项目上显现出以下的值得改进之处:
[0009]若地下的存储容积充填得时多时少，则在那里具有波动的压力(具有用水进行压力补偿的方案，例如在DE102007042837A1中得到描述并且也已经在许多更早资料出处中，但所述方案由于与水相关的困难而没有实现)，并且在使压缩空气压缩或膨胀的涡轮机中，流动比率在效率损失的情况下从设计点偏离。所以将压力波动限定在低值，因此仅部分地使用容积的存储能力，由此需要更多的容积并且有更高的成本。
[0010]在提到的DE102007042837A1中，特别为交替变化压力而设计的高压压缩机及同样这样的汽轮机减轻问题，另一种方案是涡轮机的转速调节装置，以便与在抽水蓄能电站中的转速可调节的泵汽轮机中的方案类似地使速度三角形近似全等并且由此保持低的效率损失，但缺点在于兆瓦规模中昂贵的功率电子装置的成本并且仅能困难地提供在普通电网中要求的对所谓短路电流的需求。
[0011]在仅仅有涡轮机的解决方案中困难的是:实现高的压力用于妥善地充分利用存储容积，特别是当设施功率小于50兆瓦时。
[0012]此外，“泵汽轮机”的构思，将相同的径向涡轮机既用于泵又用于汽轮机运行(如在较新型的抽水蓄能电站、例如在戈尔迪斯塔尔Goldisthal实现)，在JP000004347335A中就已经运用到了压缩空气存储单元中。由此提到对至今为止计划过的概念的第二种改进可能性:若同一涡轮机既用于压缩又用于膨胀，则能够降低资本成本。
[0013]还值得改善的是传统的压缩空气蓄能电站的启动时间。由于大的温度波动，从停车状态到满负荷运行持续较长的时间。
【发明内容】
[0014]提出的解决方案
[0015]根据本发明的用于借助压缩空气来存储能量的设施具有权利要求1的特征。
[0016]用压缩空气存储约1000至100000千瓦时的中等规模的能量、特别是可再生能量的可能性，应当通过以下方式改进，即，提供一种特殊的机器组合，所述机器组合交替地为了存储能量而压缩环境空气并且为了输出存储(Ausspeicherung)而使该压缩空气回胀。存储成本基本上由存储容积的制造成本确定。通过高的压力和高的压力波动而妥善地充分利用存储容积使得成本降低。这通过由具有特别是可调节的控制时间的高压机(优选高压容积挤压机)与低压涡轮机串联而可以实现，其中，两机器在存储时作为压缩机作业并且在输出存储时作为膨胀机作业。
[0017]有利的是:将具有特别是多个径向级的低压涡轮机与电动机发电机耦联并且交替地作为压缩机和膨胀机来作业。电动机发电机涉及的是三相电机、优选同步电机，其可以与本国的电网直接耦联。低压涡轮机与电动机发电机之间的连接设定成转换旋转方向的耦合(解脱稱合(Ueberholkupplung))。
[0018]低压涡轮机作为压缩机和膨胀机作业并且在螺旋部中不具有导向器。这在好的可调性的花费方面价格更低廉。因此优选不调节设施的功率，而是典型地整体地接通和关掉。低压涡轮机中的带有导向器的螺旋部在涡轮离心压缩机中也称为出口导向叶片或在涡轮增压器中称为可变几何涡轮。
[0019]进行压缩空气的存储时,最大压力pH的范围在100-300巴。最小压力Ph小于最大压力的1/3。
[0020]高压机在压缩空气存储单元中的压力剧烈交替变化的情况下并且在与该交替变化的压力不相关地基本保持相同的平均压力Pm下作业，所述平均压力存在于高压机与低压涡轮机之间。该压力Pm在膨胀运行中的值是在压缩运行时的值的大约1.1至1.3倍。可以为了高的短时功率(出于调节目的)而牺牲效率在短时间内进一步提高Pm。
[0021]高压机也与作为电动机/发电机的交流电机耦联，所述交流电机可以连接到本国的电网上并且可以构造成异步电机。高压机可以涉及的是涡轮机、径流式涡轮机、高压挤压机、螺杆式压缩机、活塞式压缩机或其它的压缩/膨胀机。优选的是具有固定的转速和可变的阀门控制的活塞式压缩机。
[0022]有利的是:迂回线路围绕高压机预设，由此使低压区域中的容积在快速启动时迅速由压缩空气存储单元充满。由于低压区域中过压的危险，应当调节迂回线路。优选设置有安全阀。此外，当压缩空气存储单元已经几乎清空并且低压涡轮机短时间地需要升高的压力Pm时，迂回线路是有利的。
[0023]低压涡轮机和高压机具有封闭的储热器用于容纳压缩热。低压涡轮机在压缩运行时优选多级地将压缩热作为最高为250°、300°、350°或400°的平均温度热而输出到储热器上。压缩热在膨胀运行中又从那里被多级地返回传递。
[0024]高压机的储热器有优选较低的温度，能够部分地被空气通流并且部分地连接在润滑剂回路或冷却剂回路上。
[0025]为压缩空气力求达到优选值为最大存储压力PHl的15 - 30%的压力pM。由此当存储压力为200巴时，压力pM约为30 - 60巴。高压机、特别是容积挤压机可以由此良好地单级作业并且在约50巴的pM和200巴的最大存储压力pH1时仅有设施总功率的约1/4。能量转换的最大部分在低压涡轮机中在效率好的情况下达到每千瓦较低的成本并且接近无磨损。小型设施也是可能的，或者有较小压力、例如有11巴的平均压力Pm和50巴的最大高压Ph的设施也是可能的。
[0026]为了在平均功率下实现高的压力，为了其他用途而采用由用于低压区域的涡轮机和用于高压区域的活塞式压缩机组成的组合，如例如在涡轮柴油机中。在压缩空气蓄能电站中该构思也不是全新的，参见US000004281256A (但其中使用内燃机，并且没有涉及到与交替变化的压力的适配)。根据本发明的认知在于:容积挤压机、例如活塞式压缩机不仅良好地适用于高的压力，而且也能够通过与用于在压缩时将空气从工作室中推出到高压区域中或者用于在膨胀时用来自高压区域的空气填充工作室时的控制时间的匹配而与空气存储单元中交替变化的压力良好的匹配。
[0027]因此应将用于在低压区域中交替地压缩空气和使空气膨胀的涡轮机与用于在高压区域中交替地压缩和膨胀的容积挤压机连接，其中，该容积挤压机特别以可变的控制时间作业。
[0028]用于低压区域的涡轮机优选是带有集成的齿轮传动一传动装置的多级的径流式涡轮机，其进行超过半数的压缩作业，以固定的转速运转并且与和电网直接连接的同步电机(交替地作为电动机和发电机作业)耦联。热存储多级地进行，一方面当温度水平最高约为200 - 400°C时两级地在低压涡轮机上进行，另一方面当最高约为60 - 100°C时用容积挤压机的冷却介质或润滑介质进行并且然后当温度水平最高为150至250°C时在容积挤压机与存储单元之间的高压区域中又一次进行。活塞式压缩机(作为用于高压区域的容积挤压机)同样与电动机发电机耦联，优选与交流电机耦联，所述交流电机同样与电网直接连接。
[0029]还剩下的困难是:若要将径流式涡流机、例如涡轮压缩机既用作膨胀机又用作压缩机，则其在压缩时和在膨胀时(参见科迪尔图Cordier-Diagramm)有不同的最佳运行参数(Laufzahl) σ。当在涡轮机与容积挤压机之间具有相等的压力ρΜ时，涡轮机的转速在膨胀运行中必定略小于在抽水运行中的转速。而对机器设施的简单且价格低廉的结构有利的是:与电网直接耦联并且由此具有恒定的转速(如在同步电机中，或至少近似地，如在异步电机中的±5%的恒定的转速)。建议的解决方案利用压力ρΜ，所述压力在压缩运行时和膨胀运行时有些不同，在膨胀运行时所述压力可以保持得比在压缩运行时大约高15%至25%。
[0030]若需要短时间地牺牲效率，但以低资本成本(每千瓦最大输出功率)的优势提升整体设施的输出到电网中的功率，还可以进一步提高压力ΡΜ，直至存储容积与涡轮机直接连接(即Ph=Pm时，在该时刻，存储压力Ph已接近最小值并且由此压缩空气存储单元几乎被清空；围绕容积挤压机的、必要时带有节流阀的这样的绕行线路也可以用于短时间地提升功率或用于启动加速)。
[0031]压缩空气在膨胀时在多个压力级中被输以压缩热。在用于长时间存储的设施中，其中足够用于存储的总压缩空气量的大型储热器每年仅难得使用并且其中所述储热器因此为了节省成本而设计得较小，可以通过补充加热来进行补充的热输入。在补充加热中也可以想到，将来自膨胀的压缩空气的废热经由热交换器传递到尚未膨胀的或尚未完全膨胀的压缩空气中。
[0032]活塞式压缩机可以用作容积挤压机，所述活塞机的控制阀(或控制滑阀)能够实现高压侧上不同的填充或者排出时间。当需超过的压力比率较高(例如超10巴到200巴)时也可以是两级的机器，在所述机器中必要时，仅设置为用于较高压力的工作室配备有这样的可调节的控制阀。但所有控制阀的可调节性同样是可考虑的。
[0033]特别是在将控制阀既往高的压力水平又将其往低的压力水平调节的大范围的可调节性中可能的是:在转速不变时将活塞式压缩机从膨胀运行转换到压缩运行以及反过程转换，即不改变旋转方向地转换，这能够实现特别快的负荷变换。这样快速的负荷改变也通过低的温度水平及由之引起的低的热应力而变得容易。
[0034]在这样考虑的过程中要提到的是:为此涡轮机与电动机发电机的连接也是可能的，该连接连同可断开离合器和/或转向装置和/或通常被称为解脱离合装置或自由轮的、切换方向的离合装置来作业。因此可以例如在不间断地沿一个方向并且以一个转速旋转的电机中(在涡轮机停机时，可以在空转中用作移相器，通过附加的旋转质量来稳定网)在膨胀运行中极其迅速地启动涡轮机并且通过所述解脱离合装置而与其连接，以用于功率输出。
[0035]在负荷下可切换的离合装置中，相同的效应在作为压缩机启动时是可能的。通过转向装置和在负荷下可切换的离合装置，涡轮机从膨胀运行到压缩运行的转换通过涡轮机的旋转方向在不间断地沿一个方向旋转的电机中进行反向而也是可能的。
[0036]还应提到的可能性是:用作容积挤压机的有:带有控制滑阀的螺丝机、具有可调节的轴位置的叶片机、类似于由液压技术产生的(aus Hydraulik)的带有可调节的斜轴的轴向活塞机的多缸活塞机、类似于由真空技术产生的螺杆机(在此情况下通过从抽吸侧到压力侧的下降的斜度和可关闭的缝隙用于在工作腔容积较高时连接工作室与较高压力水平Ph)的螺杆机或如Rufer教授和Cyphelli先生的BOP — B设计方案。带有在膨胀运行中可调节的填充装置的容积挤压机在此不胜枚举。
[0037]可考虑的还有使用转速可调节的容积挤压机与转速不可调节的涡轮机的组合，或使用活塞机，其活塞不是经由曲轴和连杆，而是通过电力的或液压的线性驱动装置驱动，伴随有可变的冲程和/或可变的冲程频率的可能性。同样可以使用多个相互并联的用于高压区域的容积挤压机，与用于低压区域的涡轮机串联(其中各个运行的容积挤压机的数量可以与希望的压缩空气物料流量相适配)。
[0038]通过这种方式也可能的是:尽管存储单元中压力pH的交替变化也大致相等地保持压力Pm。用专业术语表达就是:在膨胀时如此调节连接在低压涡轮机上游的(各)容积挤压机的每单位时间的吸收量，使得压缩空气物料流量在输入压力Ph变化时保持相等。吸收量这一专业概念指填充过程结束时(各)容积挤压机的工作腔的容积和，此处指在膨胀中当与压力Ph相对的工作腔关闭时的工作腔的容积和。在这样对运行的容积挤压机的数量进行调节时，同样在对具有固定的控制时间的容积挤压机的转速调节时或在容积挤压机中的气缸关闭时效率比在改变控制时间时的效率更差，却能产生成本优势。
[0039]同样可考虑多个相互并列的径流式涡轮机的设计结构，其输送量通常仅能在小范围内调节，从而通过开关各个涡轮机回应交替变化的功率要求。这些涡轮压缩机在共同的平均压力一空气管道上作业，多个高压压缩机连接到所述平均压力一空气管道上。
[0040]也可能的是:为了实现应小于或明显大于压缩功率的膨胀功率而设计蓄能设施，在所述蓄能设施中除了用于交替地压缩和膨胀的机器外还并联有仅能作为压缩机或仅能作为膨胀机作业的机器。
[0041]在储热器的容量不够时在(活塞式)容积挤压机中的补充加热也可以这样实现，即，加热在工作室中发生，类似于在柴油发动机中在注入燃料(油或高压天然气)与膨胀行程结束之间的时间段中那样。与在US000004281256A中描述的方法的不同之处一方面在于，此处存在在空气存储单元中变化的压力以及变化的阀控制时间，另一方面在于为压缩和膨胀采用同样的低压涡轮机。
[0042]还应当提到的可能性是:包括低压涡轮机和高压活塞式压缩机的设置结构，一方面作为蓄能设施与压缩空气存储单元共同作业(有或没有内部燃烧)，另一方面当可再生能量较长时间暂停时(不包含因而清空的压缩空气存储单元)作为涡轮柴油发动机。为此需要两个在存储运行中交替地作为压缩机和汽轮机作业的涡轮机，在作为涡轮柴油发动机运行时，一个涡轮机必须作为涡轮压缩机来作业，另一个作为汽轮机来作业。在此所述两个涡轮机像废气涡轮增压器一样作业而高压活塞式压缩机像涡轮柴油发动机的内燃机一样作业。[0043]下文中不探讨可能必要的用于在管道中产生的锈和氧化皮的筛、过滤器、污物收集磁体以及在管道中用于压缩空气的油分离器，同样不探讨在储热器的冷的端部上必要的冷凝水分离器。
[0044]要注意的是:包括高压容积挤压机和低压涡轮机以用于交替地压缩和膨胀的设置结构也能与转速可调节的驱动轴、如在例如在普及的型号FuhrlSnder F1500的风力涡轮机中存在的驱动轴良好地耦合。
[0045]以下的关系是适用的:风速低一鼓风量低一风力涡轮机的转速低一经由传动装置与风力涡轮机驱动轴连接的低压涡轮机的转速低一压力Pm低一尽管如此，高压容积挤压机仍能够克服高的存储压力而存入压缩空气一以及一
[0046]风速高一鼓风量高一风力涡轮机的转速高一经由传动装置与风力涡轮机驱动轴连接的低压涡轮机的转速高一压力Pm高一高压容积挤压机能够通过高的压力Pm而存入许多压缩空气一在此，在压缩时可控制的阀门启闭时间对当压力Ph和Pm波动时的良好的效率是决定性的。因此可以将风能作为压缩空气输送到存储单元中。
[0047]在输出存储时同样可以利用包括低压涡轮压缩机的同一组合:高压容积挤压机作为膨胀机作业，低压涡轮机以相反的旋转方向作为膨胀机作业，通常构造在这样的风力涡轮机中的发电机将能量传导到电网中；例如经由离合装置和转向装置而与膨胀机连接，也参见 DE102008057776A1。
【专利附图】
【附图说明】
[0048]本发明的其它特征另外由【专利附图】
【附图说明】和权利要求中得出。
[0049]图2示意性地示出根据本发明的有利的压缩空气蓄能设施的结构。
【具体实施方式】
[0050]在由多个并联的容器构成的压缩空气存储单元DS中存在升高的压力pH。除了钢制压力容器外，在此用作用于大范围的压力存储单元的有地下盐穴或气孔状气体存储器(Porengasspeicher),在小范围内也可用高压气体瓶。为了填充压缩空气存储单元DS,环境空气从大气压Patm两级地通过可以作为压缩机并且可以作为汽轮机作业的、径向构造的低压涡轮机Κ/T达到10巴的平均压力pM。
[0051]该压力与存储单元中的压力pH不相关地保持几乎不变。在此，压缩热两级地存入储热器WS。可以作为压缩机并且作为膨胀机作业的容积挤压机Κ/E然后压缩空气达到存储压力Pb，该存储压力在常规运行中从20巴的最小值pH2达到100巴的最大值pH1。在进入压缩空气存储单元DS之前，再一次将压缩热输出到储热器WS中。空气的路径通过虚线箭头显不O
[0052]可断开离合器SK是切换方向的离合装置，也称为解脱离合装置，其根据轴扭矩的旋转方向关闭或打开。当压缩时，它是关闭的，当低压涡轮机在旋转方向反向时作为汽轮机作业时同样如此。传统的带有曲轴传动装置的活塞式压缩机设置为容积挤压机，为谨慎起见将交流异步电机设置为与所述容积挤压机连接的电机MAi1，以便不将旋转不均匀性刚性传递到电网上。
[0053]在异步电机+涡轮机上的同步电机的组合中，同步电机为异步电机提供无功功率。两个电机Μ/G与本国的交流电网没有连接在中间的功率电子装置地连接。转速由此包括转差效应(Schlupfeffekte)在内地保持不变。通过这种设置结构能价格低廉地得到黑启动能力和闻的短路电流。
[0054]在压缩运行中在进入到储热器时空气温度在200 - 300°C的范围内。由此能更简单地满足对储热器的要求并且将机器中的热应力保持得低。容积挤压机Κ/E与用于冷却剂或润滑剂的(与此相关的线路用点线标出)储热器WS-K连接，所述储热器在压缩时也被填充以压缩热，但在直到100°的较低的温度水平上。
[0055]填充存储单元后机器停机。为了预备快速启动，可以将与低压涡轮机连接的电机m/g2、交流同步电机在运行中沿相反方向设置并且与电网同步化。解脱离合装置在此自动地打开并且一旦低压涡轮机在启动时达到同步转速就自动关闭。
[0056]膨胀时，压缩空气沿相反的方向流动，如实线的箭头所示。压缩空气吸收储热器WS中存储的压缩热。压力Pm与压力Ph不相关地几乎不变地保持在大约12巴。由此在涡轮机Κ/T中产生的级运行参数(Stufenlaufzahl) σ的值略高于在压缩时的情况，这根据科迪尔图对效率是有益的。
[0057]与ρΗ不相关的用于ρΜ的大致不变的值通过容积挤压机中的工作室的不同填充达至Li，如图3所示。彼处示出活塞Ko,所述活塞在缸体中在上止点OT与下止点UT之间来回移动。工作室到存储压力Ph和到平均压力Pm的连接通过阀VH和VM在曲轴每转一圈时打开和关闭。
[0058]在图3的上部分中示出用于膨胀过程的示意性的P-V图，一面是用于高的存储压力Pm，用实线表示，一面是用于低的存储压力ΡΗ2，用虚线表示。当存储压力低时，阀VH在缸体中的工作室的容积较大时才关闭。在此例中阀VM也有不同的控制时间。压缩时，p-V图沿相反的方向进行，在此，阀门启闭时间与压力Ph的适配对更好的效率也是有益的。
[0059]如果电网出于调节的目的而在短时间需要更多功率，那么容积挤压机的填充量继续升高，压缩空气的通过量变大，压力Pm可以升高到18巴。
[0060]这样的压缩空气蓄能设施由已知的且价格低廉的机器种类组装而成并且因此易于开发，其由于通常的在螺旋部中没有导向叶片的径流式涡轮机的受限的可调节性而仅有一个小的调节范围，在压缩运行时不言而喻地并且在汽轮机运行中在局部负载时对效率不利。
[0061]然而在5兆瓦的蓄能设施规格中，额定功率100兆瓦的风力场由5套这样的压缩空气蓄能设施组合而成。所述额定功率100兆瓦的风力场的功率波动则可以良好地通过分级地打开和关闭这样的蓄能设施而变得均等。
【权利要求】
1.用于借助压缩空气来存储能量的设施，其中， 一一个存储容积收纳有处于升高的压力Ph的空气； 一为了存储能量而将环境空气压缩并且送入到所述存储容积中； 一为了输出存储而将压缩空气从存储容积中取出并且在输出功的情况下排放到环境中； 一用于交替地压缩和膨胀的一个涡轮机(低压涡轮机)或多个这样的机器将环境空气压缩到平均压力Pm或者从该平均压力膨胀； 一用于交替地压缩和膨胀的一个机器(高压机)将空气从平均压力Pm压缩到存储压力Ph或者从该存储压力膨胀，或多个流体技术上并联连接的这样的机器完成该任务； 一这些机器(低压涡轮机和高压机)流体技术上串联连接并且与各一个或与一个共同的发电机/电动机(即一个电机，所述电机选择性地作为电动机和发电机工作)机械地耦合。
2.根据权利要求1所述的设施，其中，空气从平均压力Pm到存储压力Ph交替地压缩和膨胀通过一个容积挤压机或多个并联连接的容积挤压机机进行，至少能在膨胀运行中调整每个时间单位的不同的吸收量。
3.根据权利要求1或2所述的设施，其中，用于使空气从平均压力Pm交替地压缩和膨胀到存储压力Ph的容积挤压机建造成:用于在其高压侧在膨胀运行中当工作腔容积不同时关闭存储压力一工作腔的连接，或者在压缩运行中当工作腔容积不同时打开工作腔一存储压力的连接，并且由此能够实现在膨胀运行中不同的工作腔填充或者在压缩运行中的不同的排出时刻。
4.根据权利要求1、2或3所述的设施，其中，最小存储压力在按照规定的存储器运行中小于最大存储压力的三分之一，并且平均压力Pm能够与存储压力不相关地在膨胀和压缩时通过高压机的控制而相应地保持相等。
5.根据上述权利要求之一项所述的设施，其中，低压涡轮机在膨胀和压缩时具有固定的转速或几乎(± 5%)固定的转速，所述转速由本国电网中的频率来确定。
6.根据上述权利要求之一项所述的设施，其中，该设施具有多级的储热器和在200°C和400°C之间的最高温度，其中，热交换为此优选能在低压涡轮机的中间级当中、在低压涡轮机与高压机之间、在用作高压机的容积挤压机中、在容积挤压机的润滑剂回路中和/或在高压机与存储容积之间发生。
7.根据上述权利要求之一项所述的设施，其中，在正常运行中，在膨胀运行时的平均压力Pm是在压缩运行时的Pm值的1.05至1.3倍之间，其中，优选在一种改进方案中，通过借助容积挤压机的每个单位时间的升高的吸收量而短时间升高的压力PM，能将设施的输出功率例如出于短时间的调节目的而升高多于25%。
8.根据上述权利要求之一项所述的设施，其中，在容积挤压机运行中传递功率的机械元件、例如活塞杆由驱动装置的结构决定地与存储压力不相关地以始终几乎(±5%)相等的频率运动，优选以与本国的电网中的频率相关联的频率运动。
9.根据上述权利要求之一项所述的设施，其中，至少一个耦合装置在电动机发电机和与其耦合的机器之间为了交替地压缩和膨胀而是一种切换方向的耦合装置。
10.根据上述权利要求之一项所述的设施，其中，在容积挤压机中的压缩空气的膨胀过程中，优选在 作业循环中在空气进入工作腔后，在那里进行补充加热，以便升高温度优选从已经通过来自压缩热存储单元的热升高了的温度出发升高温度。
【文档编号】F04B49/16GK103906909SQ201280043066
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年9月5日 优先权日:2011年9月5日
【发明者】U·德姆根, W·D·迈尔-朔伊芬 申请人:伯格压缩机奥托伯格有限责任两合公司
【专利摘要】一种用于借助压缩空气来存储能量的设施，其中，－一个存储容积收纳有处于升高压力pH下的空气；－为了存储能量而将环境空气压缩并且送入到所述存储容积中；－为了输出存储而将压缩空气从存储容积中取出并且在输出功的情况下排放到环境中；－用于交替地压缩和膨胀的一个涡轮机（低压涡轮机）或多个这样的机器将环境空气压缩成平均压力pM或者使环境空气从该该平均压力膨胀；－用于交替地压缩和膨胀的一个机器（高压机）将空气从平均压力pM压缩到存储压力pH或者使空气从该存储压力膨胀，或多个流体技术上并联连接的这样的机器完成该任务；－这些机器（低压涡轮机和高压机）流体技术上串联连接并且分别与一个或与一个共同的发电机/电动机（即一个电机，所述电机选择性地作为电动机和发电机作业）机械地耦合。
【专利说明】用于借助压缩空气来存储能量的设施
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于借助压缩空气来存储能量的设施。
【背景技术】
[0002]化石能量应当(由于二氧化碳)由可再生能量取代。供电中的困难在于:可再生能量、如通过风车利用风能和通过光电技术利用太阳能的供应波动剧烈，并且对电能的需求仅当由可再生能量产生的电可存储时才能尽可能广泛地由可再生能量满足需求。对此已知的方法有:蓄电池——目前显然太昂贵；抽水蓄能电站——为此需要较大的高度差并且这些较大的高度差例如在德国北部的低地是不存在的，此外还经常因为“破坏风景”而有民众抗议；或压缩空气蓄能设施(在英语中通常称为CAES, Compressed Air Energy Storage)。
[0003]所述压缩空气蓄能设施能够大规模地存储电能，并且为此使用地下空间、大型涡轮压缩机和汽轮机。现有的设施在膨胀前借助燃烧天然气来加热压缩空气，以便避免汽轮机中结冰，另一种先进的方案(通常为绝热的压缩空气蓄能电站，或在英语中称为“adiabatic CAES”)的目的在于:将压缩时变得自由的压缩热存储起来，并且在压缩空气在汽轮机中膨胀之前再将所述压缩热输出到这些压缩空气中。以这种方式，即使是在平原地区也可以存储很大量的能量用于供电，而不改变风景，无需添加化石能量，具有约70%的好的存储效率和相当低的成本。用于运行这样的设施的成本几乎只有资本成本。并且这些资本成本必定由于越来越多地利用可再生能量而再降低。
[0004]所述方法在ADELE项目的资料中有所描述，但类似的方法在80年代就已经进行计划 了。(->CAES Studies Pacific Northwest Labsl981.pdf, Conceptual Designand Engineering Studies of Adiabatic Compressed Air Energy Storage(CAES)with Thermal Energy Storage, M.J.Hobson et.al., Novemberl981, Pacific NorthwestLaboratory-Batelle, PNL-4115)。在ADELE中定下了高的技术目标，在储热器中具有至100巴的压力和至600°C的温度。
[0005]图1描述的是已知的、绝热的压缩空气蓄能电站的示意性结构，在通常为地下的容积中具有压缩空气存储单元DS。为了填充该压缩空气存储单元，环境空气被大气压p-atm由压缩装置K通过储热器WS输出到容量DS中，在所述储热器中空气将其压缩热输出到存储材料上。在热交换器WS中仅有少量的流动一压力损失。空气的方向通过虚线箭头描述。可以作为电动机和发电机作业的电机Μ/G在此经由为此接通的可断开离合器SKl来驱动压缩装置K。若要提取所存储的能量，出自压缩空气存储单元DS的空气通过储热器WS流入到汽轮机T中并最终流入到大气中，在所述储热器中，所存储的压缩热基本上又被往回传递。这由实线箭头示出。汽轮机T经由第二个为此接通的可断开离合器SK2而与电机Μ/G连接，所述电机现在作为发电机而作业。阀门V负责必要的打开和关闭过程。
[0006]发明目的
[0007]为了使压缩空气存储的方法还能够明显更好地实现可再生能量的供应均化(Vergleichmaessigung)的目的,价格须更为低廉。若要补偿更长时间的、例如数日之久的可再生能量供应的短缺，必定可能的是:建造并非每天使用的，而是在一年中仅使用几次并且在此已经分期偿付的存储量K。这可以通过以更高的压力和更大的压力波动来更好地利用存储容积(每立方米几何容积的成本为X欧元)来实现。
[0008]若想建立小型存储设施，在其中不考虑在地下钻孔的数百万欧元的昂贵的初始投资并且因此将所述存储设施指定为小型的地面存储设施，则有同样的目的。在此，存储设施中的压力越高并且压力波动越高，设施在每个存储的千瓦时存储量的资本成本也越有利。因此，在现有项目上显现出以下的值得改进之处:
[0009]若地下的存储容积充填得时多时少，则在那里具有波动的压力(具有用水进行压力补偿的方案，例如在DE102007042837A1中得到描述并且也已经在许多更早资料出处中，但所述方案由于与水相关的困难而没有实现)，并且在使压缩空气压缩或膨胀的涡轮机中，流动比率在效率损失的情况下从设计点偏离。所以将压力波动限定在低值，因此仅部分地使用容积的存储能力，由此需要更多的容积并且有更高的成本。
[0010]在提到的DE102007042837A1中，特别为交替变化压力而设计的高压压缩机及同样这样的汽轮机减轻问题，另一种方案是涡轮机的转速调节装置，以便与在抽水蓄能电站中的转速可调节的泵汽轮机中的方案类似地使速度三角形近似全等并且由此保持低的效率损失，但缺点在于兆瓦规模中昂贵的功率电子装置的成本并且仅能困难地提供在普通电网中要求的对所谓短路电流的需求。
[0011]在仅仅有涡轮机的解决方案中困难的是:实现高的压力用于妥善地充分利用存储容积，特别是当设施功率小于50兆瓦时。
[0012]此外，“泵汽轮机”的构思，将相同的径向涡轮机既用于泵又用于汽轮机运行(如在较新型的抽水蓄能电站、例如在戈尔迪斯塔尔Goldisthal实现)，在JP000004347335A中就已经运用到了压缩空气存储单元中。由此提到对至今为止计划过的概念的第二种改进可能性:若同一涡轮机既用于压缩又用于膨胀，则能够降低资本成本。
[0013]还值得改善的是传统的压缩空气蓄能电站的启动时间。由于大的温度波动，从停车状态到满负荷运行持续较长的时间。
【发明内容】
[0014]提出的解决方案
[0015]根据本发明的用于借助压缩空气来存储能量的设施具有权利要求1的特征。
[0016]用压缩空气存储约1000至100000千瓦时的中等规模的能量、特别是可再生能量的可能性，应当通过以下方式改进，即，提供一种特殊的机器组合，所述机器组合交替地为了存储能量而压缩环境空气并且为了输出存储(Ausspeicherung)而使该压缩空气回胀。存储成本基本上由存储容积的制造成本确定。通过高的压力和高的压力波动而妥善地充分利用存储容积使得成本降低。这通过由具有特别是可调节的控制时间的高压机(优选高压容积挤压机)与低压涡轮机串联而可以实现，其中，两机器在存储时作为压缩机作业并且在输出存储时作为膨胀机作业。
[0017]有利的是:将具有特别是多个径向级的低压涡轮机与电动机发电机耦联并且交替地作为压缩机和膨胀机来作业。电动机发电机涉及的是三相电机、优选同步电机，其可以与本国的电网直接耦联。低压涡轮机与电动机发电机之间的连接设定成转换旋转方向的耦合(解脱稱合(Ueberholkupplung))。
[0018]低压涡轮机作为压缩机和膨胀机作业并且在螺旋部中不具有导向器。这在好的可调性的花费方面价格更低廉。因此优选不调节设施的功率，而是典型地整体地接通和关掉。低压涡轮机中的带有导向器的螺旋部在涡轮离心压缩机中也称为出口导向叶片或在涡轮增压器中称为可变几何涡轮。
[0019]进行压缩空气的存储时,最大压力pH的范围在100-300巴。最小压力Ph小于最大压力的1/3。
[0020]高压机在压缩空气存储单元中的压力剧烈交替变化的情况下并且在与该交替变化的压力不相关地基本保持相同的平均压力Pm下作业，所述平均压力存在于高压机与低压涡轮机之间。该压力Pm在膨胀运行中的值是在压缩运行时的值的大约1.1至1.3倍。可以为了高的短时功率(出于调节目的)而牺牲效率在短时间内进一步提高Pm。
[0021]高压机也与作为电动机/发电机的交流电机耦联，所述交流电机可以连接到本国的电网上并且可以构造成异步电机。高压机可以涉及的是涡轮机、径流式涡轮机、高压挤压机、螺杆式压缩机、活塞式压缩机或其它的压缩/膨胀机。优选的是具有固定的转速和可变的阀门控制的活塞式压缩机。
[0022]有利的是:迂回线路围绕高压机预设，由此使低压区域中的容积在快速启动时迅速由压缩空气存储单元充满。由于低压区域中过压的危险，应当调节迂回线路。优选设置有安全阀。此外，当压缩空气存储单元已经几乎清空并且低压涡轮机短时间地需要升高的压力Pm时，迂回线路是有利的。
[0023]低压涡轮机和高压机具有封闭的储热器用于容纳压缩热。低压涡轮机在压缩运行时优选多级地将压缩热作为最高为250°、300°、350°或400°的平均温度热而输出到储热器上。压缩热在膨胀运行中又从那里被多级地返回传递。
[0024]高压机的储热器有优选较低的温度，能够部分地被空气通流并且部分地连接在润滑剂回路或冷却剂回路上。
[0025]为压缩空气力求达到优选值为最大存储压力PHl的15 - 30%的压力pM。由此当存储压力为200巴时，压力pM约为30 - 60巴。高压机、特别是容积挤压机可以由此良好地单级作业并且在约50巴的pM和200巴的最大存储压力pH1时仅有设施总功率的约1/4。能量转换的最大部分在低压涡轮机中在效率好的情况下达到每千瓦较低的成本并且接近无磨损。小型设施也是可能的，或者有较小压力、例如有11巴的平均压力Pm和50巴的最大高压Ph的设施也是可能的。
[0026]为了在平均功率下实现高的压力，为了其他用途而采用由用于低压区域的涡轮机和用于高压区域的活塞式压缩机组成的组合，如例如在涡轮柴油机中。在压缩空气蓄能电站中该构思也不是全新的，参见US000004281256A (但其中使用内燃机，并且没有涉及到与交替变化的压力的适配)。根据本发明的认知在于:容积挤压机、例如活塞式压缩机不仅良好地适用于高的压力，而且也能够通过与用于在压缩时将空气从工作室中推出到高压区域中或者用于在膨胀时用来自高压区域的空气填充工作室时的控制时间的匹配而与空气存储单元中交替变化的压力良好的匹配。
[0027]因此应将用于在低压区域中交替地压缩空气和使空气膨胀的涡轮机与用于在高压区域中交替地压缩和膨胀的容积挤压机连接，其中，该容积挤压机特别以可变的控制时间作业。
[0028]用于低压区域的涡轮机优选是带有集成的齿轮传动一传动装置的多级的径流式涡轮机，其进行超过半数的压缩作业，以固定的转速运转并且与和电网直接连接的同步电机(交替地作为电动机和发电机作业)耦联。热存储多级地进行，一方面当温度水平最高约为200 - 400°C时两级地在低压涡轮机上进行，另一方面当最高约为60 - 100°C时用容积挤压机的冷却介质或润滑介质进行并且然后当温度水平最高为150至250°C时在容积挤压机与存储单元之间的高压区域中又一次进行。活塞式压缩机(作为用于高压区域的容积挤压机)同样与电动机发电机耦联，优选与交流电机耦联，所述交流电机同样与电网直接连接。
[0029]还剩下的困难是:若要将径流式涡流机、例如涡轮压缩机既用作膨胀机又用作压缩机，则其在压缩时和在膨胀时(参见科迪尔图Cordier-Diagramm)有不同的最佳运行参数(Laufzahl) σ。当在涡轮机与容积挤压机之间具有相等的压力ρΜ时，涡轮机的转速在膨胀运行中必定略小于在抽水运行中的转速。而对机器设施的简单且价格低廉的结构有利的是:与电网直接耦联并且由此具有恒定的转速(如在同步电机中，或至少近似地，如在异步电机中的±5%的恒定的转速)。建议的解决方案利用压力ρΜ，所述压力在压缩运行时和膨胀运行时有些不同，在膨胀运行时所述压力可以保持得比在压缩运行时大约高15%至25%。
[0030]若需要短时间地牺牲效率，但以低资本成本(每千瓦最大输出功率)的优势提升整体设施的输出到电网中的功率，还可以进一步提高压力ΡΜ，直至存储容积与涡轮机直接连接(即Ph=Pm时，在该时刻，存储压力Ph已接近最小值并且由此压缩空气存储单元几乎被清空；围绕容积挤压机的、必要时带有节流阀的这样的绕行线路也可以用于短时间地提升功率或用于启动加速)。
[0031]压缩空气在膨胀时在多个压力级中被输以压缩热。在用于长时间存储的设施中，其中足够用于存储的总压缩空气量的大型储热器每年仅难得使用并且其中所述储热器因此为了节省成本而设计得较小，可以通过补充加热来进行补充的热输入。在补充加热中也可以想到，将来自膨胀的压缩空气的废热经由热交换器传递到尚未膨胀的或尚未完全膨胀的压缩空气中。
[0032]活塞式压缩机可以用作容积挤压机，所述活塞机的控制阀(或控制滑阀)能够实现高压侧上不同的填充或者排出时间。当需超过的压力比率较高(例如超10巴到200巴)时也可以是两级的机器，在所述机器中必要时，仅设置为用于较高压力的工作室配备有这样的可调节的控制阀。但所有控制阀的可调节性同样是可考虑的。
[0033]特别是在将控制阀既往高的压力水平又将其往低的压力水平调节的大范围的可调节性中可能的是:在转速不变时将活塞式压缩机从膨胀运行转换到压缩运行以及反过程转换，即不改变旋转方向地转换，这能够实现特别快的负荷变换。这样快速的负荷改变也通过低的温度水平及由之引起的低的热应力而变得容易。
[0034]在这样考虑的过程中要提到的是:为此涡轮机与电动机发电机的连接也是可能的，该连接连同可断开离合器和/或转向装置和/或通常被称为解脱离合装置或自由轮的、切换方向的离合装置来作业。因此可以例如在不间断地沿一个方向并且以一个转速旋转的电机中(在涡轮机停机时，可以在空转中用作移相器，通过附加的旋转质量来稳定网)在膨胀运行中极其迅速地启动涡轮机并且通过所述解脱离合装置而与其连接，以用于功率输出。
[0035]在负荷下可切换的离合装置中，相同的效应在作为压缩机启动时是可能的。通过转向装置和在负荷下可切换的离合装置，涡轮机从膨胀运行到压缩运行的转换通过涡轮机的旋转方向在不间断地沿一个方向旋转的电机中进行反向而也是可能的。
[0036]还应提到的可能性是:用作容积挤压机的有:带有控制滑阀的螺丝机、具有可调节的轴位置的叶片机、类似于由液压技术产生的(aus Hydraulik)的带有可调节的斜轴的轴向活塞机的多缸活塞机、类似于由真空技术产生的螺杆机(在此情况下通过从抽吸侧到压力侧的下降的斜度和可关闭的缝隙用于在工作腔容积较高时连接工作室与较高压力水平Ph)的螺杆机或如Rufer教授和Cyphelli先生的BOP — B设计方案。带有在膨胀运行中可调节的填充装置的容积挤压机在此不胜枚举。
[0037]可考虑的还有使用转速可调节的容积挤压机与转速不可调节的涡轮机的组合，或使用活塞机，其活塞不是经由曲轴和连杆，而是通过电力的或液压的线性驱动装置驱动，伴随有可变的冲程和/或可变的冲程频率的可能性。同样可以使用多个相互并联的用于高压区域的容积挤压机，与用于低压区域的涡轮机串联(其中各个运行的容积挤压机的数量可以与希望的压缩空气物料流量相适配)。
[0038]通过这种方式也可能的是:尽管存储单元中压力pH的交替变化也大致相等地保持压力Pm。用专业术语表达就是:在膨胀时如此调节连接在低压涡轮机上游的(各)容积挤压机的每单位时间的吸收量，使得压缩空气物料流量在输入压力Ph变化时保持相等。吸收量这一专业概念指填充过程结束时(各)容积挤压机的工作腔的容积和，此处指在膨胀中当与压力Ph相对的工作腔关闭时的工作腔的容积和。在这样对运行的容积挤压机的数量进行调节时，同样在对具有固定的控制时间的容积挤压机的转速调节时或在容积挤压机中的气缸关闭时效率比在改变控制时间时的效率更差，却能产生成本优势。
[0039]同样可考虑多个相互并列的径流式涡轮机的设计结构，其输送量通常仅能在小范围内调节，从而通过开关各个涡轮机回应交替变化的功率要求。这些涡轮压缩机在共同的平均压力一空气管道上作业，多个高压压缩机连接到所述平均压力一空气管道上。
[0040]也可能的是:为了实现应小于或明显大于压缩功率的膨胀功率而设计蓄能设施，在所述蓄能设施中除了用于交替地压缩和膨胀的机器外还并联有仅能作为压缩机或仅能作为膨胀机作业的机器。
[0041]在储热器的容量不够时在(活塞式)容积挤压机中的补充加热也可以这样实现，即，加热在工作室中发生，类似于在柴油发动机中在注入燃料(油或高压天然气)与膨胀行程结束之间的时间段中那样。与在US000004281256A中描述的方法的不同之处一方面在于，此处存在在空气存储单元中变化的压力以及变化的阀控制时间，另一方面在于为压缩和膨胀采用同样的低压涡轮机。
[0042]还应当提到的可能性是:包括低压涡轮机和高压活塞式压缩机的设置结构，一方面作为蓄能设施与压缩空气存储单元共同作业(有或没有内部燃烧)，另一方面当可再生能量较长时间暂停时(不包含因而清空的压缩空气存储单元)作为涡轮柴油发动机。为此需要两个在存储运行中交替地作为压缩机和汽轮机作业的涡轮机，在作为涡轮柴油发动机运行时，一个涡轮机必须作为涡轮压缩机来作业，另一个作为汽轮机来作业。在此所述两个涡轮机像废气涡轮增压器一样作业而高压活塞式压缩机像涡轮柴油发动机的内燃机一样作业。[0043]下文中不探讨可能必要的用于在管道中产生的锈和氧化皮的筛、过滤器、污物收集磁体以及在管道中用于压缩空气的油分离器，同样不探讨在储热器的冷的端部上必要的冷凝水分离器。
[0044]要注意的是:包括高压容积挤压机和低压涡轮机以用于交替地压缩和膨胀的设置结构也能与转速可调节的驱动轴、如在例如在普及的型号FuhrlSnder F1500的风力涡轮机中存在的驱动轴良好地耦合。
[0045]以下的关系是适用的:风速低一鼓风量低一风力涡轮机的转速低一经由传动装置与风力涡轮机驱动轴连接的低压涡轮机的转速低一压力Pm低一尽管如此，高压容积挤压机仍能够克服高的存储压力而存入压缩空气一以及一
[0046]风速高一鼓风量高一风力涡轮机的转速高一经由传动装置与风力涡轮机驱动轴连接的低压涡轮机的转速高一压力Pm高一高压容积挤压机能够通过高的压力Pm而存入许多压缩空气一在此，在压缩时可控制的阀门启闭时间对当压力Ph和Pm波动时的良好的效率是决定性的。因此可以将风能作为压缩空气输送到存储单元中。
[0047]在输出存储时同样可以利用包括低压涡轮压缩机的同一组合:高压容积挤压机作为膨胀机作业，低压涡轮机以相反的旋转方向作为膨胀机作业，通常构造在这样的风力涡轮机中的发电机将能量传导到电网中；例如经由离合装置和转向装置而与膨胀机连接，也参见 DE102008057776A1。
【专利附图】
【附图说明】
[0048]本发明的其它特征另外由【专利附图】
【附图说明】和权利要求中得出。
[0049]图2示意性地示出根据本发明的有利的压缩空气蓄能设施的结构。
【具体实施方式】
[0050]在由多个并联的容器构成的压缩空气存储单元DS中存在升高的压力pH。除了钢制压力容器外，在此用作用于大范围的压力存储单元的有地下盐穴或气孔状气体存储器(Porengasspeicher),在小范围内也可用高压气体瓶。为了填充压缩空气存储单元DS,环境空气从大气压Patm两级地通过可以作为压缩机并且可以作为汽轮机作业的、径向构造的低压涡轮机Κ/T达到10巴的平均压力pM。
[0051]该压力与存储单元中的压力pH不相关地保持几乎不变。在此，压缩热两级地存入储热器WS。可以作为压缩机并且作为膨胀机作业的容积挤压机Κ/E然后压缩空气达到存储压力Pb，该存储压力在常规运行中从20巴的最小值pH2达到100巴的最大值pH1。在进入压缩空气存储单元DS之前，再一次将压缩热输出到储热器WS中。空气的路径通过虚线箭头显不O
[0052]可断开离合器SK是切换方向的离合装置，也称为解脱离合装置，其根据轴扭矩的旋转方向关闭或打开。当压缩时，它是关闭的，当低压涡轮机在旋转方向反向时作为汽轮机作业时同样如此。传统的带有曲轴传动装置的活塞式压缩机设置为容积挤压机，为谨慎起见将交流异步电机设置为与所述容积挤压机连接的电机MAi1，以便不将旋转不均匀性刚性传递到电网上。
[0053]在异步电机+涡轮机上的同步电机的组合中，同步电机为异步电机提供无功功率。两个电机Μ/G与本国的交流电网没有连接在中间的功率电子装置地连接。转速由此包括转差效应(Schlupfeffekte)在内地保持不变。通过这种设置结构能价格低廉地得到黑启动能力和闻的短路电流。
[0054]在压缩运行中在进入到储热器时空气温度在200 - 300°C的范围内。由此能更简单地满足对储热器的要求并且将机器中的热应力保持得低。容积挤压机Κ/E与用于冷却剂或润滑剂的(与此相关的线路用点线标出)储热器WS-K连接，所述储热器在压缩时也被填充以压缩热，但在直到100°的较低的温度水平上。
[0055]填充存储单元后机器停机。为了预备快速启动，可以将与低压涡轮机连接的电机m/g2、交流同步电机在运行中沿相反方向设置并且与电网同步化。解脱离合装置在此自动地打开并且一旦低压涡轮机在启动时达到同步转速就自动关闭。
[0056]膨胀时，压缩空气沿相反的方向流动，如实线的箭头所示。压缩空气吸收储热器WS中存储的压缩热。压力Pm与压力Ph不相关地几乎不变地保持在大约12巴。由此在涡轮机Κ/T中产生的级运行参数(Stufenlaufzahl) σ的值略高于在压缩时的情况，这根据科迪尔图对效率是有益的。
[0057]与ρΗ不相关的用于ρΜ的大致不变的值通过容积挤压机中的工作室的不同填充达至Li，如图3所示。彼处示出活塞Ko,所述活塞在缸体中在上止点OT与下止点UT之间来回移动。工作室到存储压力Ph和到平均压力Pm的连接通过阀VH和VM在曲轴每转一圈时打开和关闭。
[0058]在图3的上部分中示出用于膨胀过程的示意性的P-V图，一面是用于高的存储压力Pm，用实线表示，一面是用于低的存储压力ΡΗ2，用虚线表示。当存储压力低时，阀VH在缸体中的工作室的容积较大时才关闭。在此例中阀VM也有不同的控制时间。压缩时，p-V图沿相反的方向进行，在此，阀门启闭时间与压力Ph的适配对更好的效率也是有益的。
[0059]如果电网出于调节的目的而在短时间需要更多功率，那么容积挤压机的填充量继续升高，压缩空气的通过量变大，压力Pm可以升高到18巴。
[0060]这样的压缩空气蓄能设施由已知的且价格低廉的机器种类组装而成并且因此易于开发，其由于通常的在螺旋部中没有导向叶片的径流式涡轮机的受限的可调节性而仅有一个小的调节范围，在压缩运行时不言而喻地并且在汽轮机运行中在局部负载时对效率不利。
[0061]然而在5兆瓦的蓄能设施规格中，额定功率100兆瓦的风力场由5套这样的压缩空气蓄能设施组合而成。所述额定功率100兆瓦的风力场的功率波动则可以良好地通过分级地打开和关闭这样的蓄能设施而变得均等。
【权利要求】
1.用于借助压缩空气来存储能量的设施，其中， 一一个存储容积收纳有处于升高的压力Ph的空气； 一为了存储能量而将环境空气压缩并且送入到所述存储容积中； 一为了输出存储而将压缩空气从存储容积中取出并且在输出功的情况下排放到环境中； 一用于交替地压缩和膨胀的一个涡轮机(低压涡轮机)或多个这样的机器将环境空气压缩到平均压力Pm或者从该平均压力膨胀； 一用于交替地压缩和膨胀的一个机器(高压机)将空气从平均压力Pm压缩到存储压力Ph或者从该存储压力膨胀，或多个流体技术上并联连接的这样的机器完成该任务； 一这些机器(低压涡轮机和高压机)流体技术上串联连接并且与各一个或与一个共同的发电机/电动机(即一个电机，所述电机选择性地作为电动机和发电机工作)机械地耦合。
2.根据权利要求1所述的设施，其中，空气从平均压力Pm到存储压力Ph交替地压缩和膨胀通过一个容积挤压机或多个并联连接的容积挤压机机进行，至少能在膨胀运行中调整每个时间单位的不同的吸收量。
3.根据权利要求1或2所述的设施，其中，用于使空气从平均压力Pm交替地压缩和膨胀到存储压力Ph的容积挤压机建造成:用于在其高压侧在膨胀运行中当工作腔容积不同时关闭存储压力一工作腔的连接，或者在压缩运行中当工作腔容积不同时打开工作腔一存储压力的连接，并且由此能够实现在膨胀运行中不同的工作腔填充或者在压缩运行中的不同的排出时刻。
4.根据权利要求1、2或3所述的设施，其中，最小存储压力在按照规定的存储器运行中小于最大存储压力的三分之一，并且平均压力Pm能够与存储压力不相关地在膨胀和压缩时通过高压机的控制而相应地保持相等。
5.根据上述权利要求之一项所述的设施，其中，低压涡轮机在膨胀和压缩时具有固定的转速或几乎(± 5%)固定的转速，所述转速由本国电网中的频率来确定。
6.根据上述权利要求之一项所述的设施，其中，该设施具有多级的储热器和在200°C和400°C之间的最高温度，其中，热交换为此优选能在低压涡轮机的中间级当中、在低压涡轮机与高压机之间、在用作高压机的容积挤压机中、在容积挤压机的润滑剂回路中和/或在高压机与存储容积之间发生。
7.根据上述权利要求之一项所述的设施，其中，在正常运行中，在膨胀运行时的平均压力Pm是在压缩运行时的Pm值的1.05至1.3倍之间，其中，优选在一种改进方案中，通过借助容积挤压机的每个单位时间的升高的吸收量而短时间升高的压力PM，能将设施的输出功率例如出于短时间的调节目的而升高多于25%。
8.根据上述权利要求之一项所述的设施，其中，在容积挤压机运行中传递功率的机械元件、例如活塞杆由驱动装置的结构决定地与存储压力不相关地以始终几乎(±5%)相等的频率运动，优选以与本国的电网中的频率相关联的频率运动。
9.根据上述权利要求之一项所述的设施，其中，至少一个耦合装置在电动机发电机和与其耦合的机器之间为了交替地压缩和膨胀而是一种切换方向的耦合装置。
10.根据上述权利要求之一项所述的设施，其中，在容积挤压机中的压缩空气的膨胀过程中，优选在 作业循环中在空气进入工作腔后，在那里进行补充加热，以便升高温度优选从已经通过来自压缩热存储单元的热升高了的温度出发升高温度。
【文档编号】F04B49/16GK103906909SQ201280043066
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年9月5日 优先权日:2011年9月5日
【发明者】U·德姆根, W·D·迈尔-朔伊芬 申请人:伯格压缩机奥托伯格有限责任两合公司
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