具有感应泵的压缩空气蓄能单元以及用于制造这样的压缩空气蓄能单元的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种压缩空气蓄能单元，其具有输入/输出电路、压缩和膨胀装置和人 工制造的压缩空气储库，并且本发明设及一种用于制造运样的压缩空气蓄能单元的方法。
【背景技术】
[0002] 为了阻止气候变化，可再生能源在能源结构中应该获得更大份额。对此问题在于， 阳光和风的能量供给在时间上与能源需求不同步。经济的蓄能器并非W足够数量存在。因 此始终在使用热电厂和核电厂，W提供"调节能源"。于是，有必要提高可再生能源的份额， 并减少对作为"调节能源"或"补偿能源"的热电厂和核电厂的依赖。
[0003] 已知的是，为了储存电能而储存压缩空气和热。目前实施的压缩空气蓄能单元利 用了地质上适合的地下空腔;所述地下空腔因此在地点选择方面而且还关于最大工作压力 方面受到限制。因此更有利的是人工制造的压缩空气储库，其允许显著更高的工作压力。由 此，能量密度更高，设计更紧凑并且地点选择更容易。此外，很多目前推荐的压缩空气蓄能 单元不储存或仅仅部分储存在压缩过程中产生的热，并且它们因此必须在发电机运行下从 外部例如通过气体燃烧供热，从而使发电机不冻结。因此运类压缩空气蓄能单元的效率太 低，无法起到在"能源转型"方面的重要的经济作用。
[0004] EP2450549 A2描述了一种压力等级蓄热单元或蓄能方法，其用于暂时储存W可压 缩介质的压力能形式和W热能形式的能量。该技术能够实现比之前的方法更高的热动力学 效率，所述之前的方法例如描述于DE 2 636 417 AUDE 2 541 501 AUDD 118455 AUDE 2 536 447 B2、DE 2 615 439 AUDE 3 428 041 AUEP 364 106 BUUS 4,630,436、US 4， 523,432和US 4,765,142。该更高的效率应当通过灵活布置多个压缩装置、多个热交换装置 和多个膨胀装置来实现，所述装置能够通过许多管线彼此独立地任意相连。在此，证明有利 的应当是W下可能性，即，压缩装置的数量可W不同于膨胀装置的数量。尤其地，多余的W 电能、机械能和热能形式的能量应当有利地能够从外部供给。相对于可比较的具有仅仅一 个压缩级和一个膨胀级的装置，通过多级的、具有中间连接的热交换器的装置将显著提高 效率。膨胀和压缩被假定为绝热过程，热交换器的多级装置和从外部存入多余能量的可能 性，应当使得溫度损失或能量损失最小化。在此的缺点是该设备较高的复杂性，运提高了用 于构建和运转的成本。运样的设备的经济性尤其取决于多余能量(热能）的可获得性。
[0005] 本发明旨在尽可能地储存在压缩过程中产生的全部热并且在膨胀过程中尽可能 完全再次利用。不设置额外的热源。目的是尽可能高的效率和尽可能经济的运转。
[0006] 首先，本发明的目的在于，设置一种关于压缩机/膨胀机结构的简单且有效的构 造。
[0007] 该设备的忍是活塞机械，其不仅用作累而且用作发电机。所述"活塞"由导电性和 导热性非常好的液体如嫁铜锡合金(Galinstan)构成，所述"气缸"是包含该液体的连通容 器。所述液体活塞在累运行下被感应式驱动。在发电机运行下压缩空气驱动该活塞，其中活 塞克服了励磁电压的阻力并且做电功于线圈绕组的端子处（W磁流体动力(MHD)发电机的 形式）。由于活塞流体正持续的循环，在所述机械的工作容积和蓄热器之间发生有利的热交 换，所述热交换有效地引出了压缩过程中产生的热并且防止发电机在膨胀过程中结冰。
[0008] 具体地说，根据本发明，设置一种前述的压缩空气蓄能单元，其特征在于，所述压 缩和膨胀装置具有活塞累，该活塞累的活塞由导热并导电的液体如嫁铜锡合金构成，并且 该活塞累能够在累运行和发电机运行之间切换。为了感应式驱动所述传导性液体，尤其设 置具有忍和线圈的电磁体。所述忍在此优选地构成闭合的环路，其中所述环路具有与圆环 状不同的形状，也就是说，包含两个平行的、直的圆柱体部件，所述线圈被绕制在所述圆柱 体部件上。在此，磁忍可W运样实施，W使满流损耗最小且磁场能量最大，例如通过所述忍 由平行的绝缘的高导磁合金线材（Mumetalldriihten )构成。
[0009] 在磁忍和(励磁)线圈之间留出缝隙，在该缝隙中该传导性液体按照连通器的形式 相反地来回移动。在此，另外有利的情况是，隔板将忍与线圈之间的缝隙分成内部的、位置 更靠近忍的缝隙和外部的、位置更靠近线圈的缝隙，其中所述隔板在平行的忍部件的两个 上端处终止，从而传导性液体能够从一个缝隙流入另一个缝隙，从而形成工作容积。
[0010] 在活塞累的气缸框架即工作容积中，该传导性液体的体积可W例如借助W完全常 规的方式设计的调节器是可调节的，其中在压缩空气存储期间输功率消耗则是恒定的。运 里尤其有利地设置成，传导性液体与储库相连，该储库的体积能够取决于压缩空气储库中 的空气压力地借助降级-压力转换器和液压液体改变，其中该液压液体压向至少一个设计 成弹性的界面如膜，传导性液体的储库位于该界面的另一侧上。所述用于调节工作容积的 几何布置(具有一个或多个不同尺寸的膜体）W及界面(或多个界面)的弹性曲线(或多个弹 性曲线)在此可W在运行期间准确地模仿必需的体积变化的非线性。
[0011] 在发电机运行下，由本身非常好地导电和导热的液体构成的发电机的活塞是通过 压缩空气驱动的，其中所述液体，即，所述两个活塞，在线圈中感应出电压，所述电压被引到 位于外部的端子，W便在那里做所希望的电功。
[0012] 该整体的机械或更确切地说活塞累，优选地完全浸没于用作蓄热器的液体如水 中。循环累可W使传导性液体在操作中不断地在闭合回路中循环，其中在传导性液体和蓄 热器之间发生热交换。
[0013] 在操作中，两个活塞处于U形连通容器中并且彼此相连，其中如上所述的活塞由所 述传导性液体构成，并且交替地一个活塞升起，而与此同时另一活塞下降，其中整个活塞体 积在工作循环期间不变。
[0014] 进一步地，尤其有利的情况是，在所述两个忍部件之下各有一个感应式循环累在 每个半行程中从外部缝隙周期性地和同步地抽出传导性液体，并且感应地通过换热器驱 动，最后再次压入内部缝隙中。
[0015] 另外，有利的情况的是，该储库，即调节传导性液体的体积的储库，同时用作换热 器，其中彼此邻接地布置=个圆盘形的拱起的空间，即，液压液体被引入其中的中部空间、 及其两侧上通过弹性膜与其隔开的两个储库空间，所述两个储库空间分别由球状、向外拱 起的壁构成，所述壁由导热良好且耐高溫的材料如棚娃酸盐玻璃构成。
[0016] 在此，进一步有利的情形是，循环累将传导性液体在换热器的下端处累入，其中在 上端处将经冷却或在发电机运行中经加热的传导性液体经由管道再次被引回到活塞累中。
[0017] 为了形成换热器，有利的情形是，在蓄热器内，必要时液体蓄热器内，该传导性液 体被引导穿过由导热良好且耐高溫的材料如棚娃酸盐玻璃构成的螺旋形换热器-管道。
[0018] 为了最佳地利用热能，还有利的情形是，压力管道，例如回形地，在压缩空气储库 和活塞累之间延伸穿过蓄热器，其中热能由压缩空气传递到蓄热器介质中或反之。
[0019] 为了控制压缩空气，有利的情形是，压力阀和吸入阀W同屯、环的形式包围磁忍。在 此还有利的情形是，气腔经由吸入阀借助管道与环境相连，该管道被引导穿过蓄热器。在 此，该管道在上侧处从蓄热器引出。
[0020] 为了实现特别高的效率，还有利的情形是压缩空气储库W及必要时蓄热器和压力 管道被隔热层围绕。
[0021] 在本发明的系统或压缩空气蓄能单元中，噪音释放尤其运样降低，W便通过该围 绕的蓄热液体来获得隔音。隔音还附加地通过隔热层完全包围蓄热器即蓄热液体来实现。 另外，优选的设置是，所述引导至环境的管道在内侧上配置有隔音涂层。还尤其有利的情形 是，除了线圈、忍和磁力阀口操纵装置W外，所有机械固定的部件均由不导电材料如陶瓷制 成，W使满流损耗和反复磁化损耗最小化；W相应的方式该机械的悬挂装置即支架也可W 由运样的不导电材料尤其例如陶瓷制成。
[0022] 为了输出电压，如同所述地设置电容器，并且该电容器优选地设计成具有呈梳形 互相晒合的平板的平板电容器，所述平板通过适合的电介质如陶瓷、玻璃或塑料隔开并且 在此运样保持间距，W便该电容器达到220kV的耐压强度，其中结合所述线圈，获得了50赫 兹的谐振频率。
[0023] 本发明的压缩空气蓄能单元的结构简单，因为其仅具有单个机械作为忍，该机械 同时是电动机、压缩机、膨胀机和发动机。该单个机械做了与按照EP 2 450 549 A2需要九 个机械的同样的功。本发明的技术方案另外操作简单，其除了阀口 W外不包含经受磨损的 组件。本发明的技术方案允许(假设所有过程均无损耗地进行)热力学效率任意接近100%， 不过运是W功率消耗或功率输出为代价的。在活塞液体的循环下，液体活塞改善了工作容 积中的压缩空气和工作容积的环境之间的热传递。在本发明的技术方案中，压缩/膨胀不是 像根据EP 2 450 549 A2那样的纯的绝热过程，而是多变过程。通过根据储存器压力来适合 地微调活塞工作容积(例如通过改变活塞液体在系统中的总量或者通过从外部引入/向外 部引出液压液体)可W任意改变压缩空气在工作容积中的停留时间。要被压缩/膨胀的空气 量的每个微分体积元