通过可再生能量的存储和输送节约能源的系统和方法
【专利说明】通过可再生能量的存储和输送节约能源的系统和方法
[0001]相关申请的引用
[0002]本申请要求2012年I月19日提交的美国临时专利申请N0.61/588，461的优先权，该专利申请在此整体引为参考。
技术领域
[0003]本发明总体涉及管理能量存储和输送的系统和方法，更具体地，涉及通过能量存储和输送的有效管理，鼓励使用可再生能源和节约不可再生资源的系统和方法。
【背景技术】
[0004]现有的发电方法一般分成特定的几组，即:⑴基荷(baseload)电力输送，基荷电力输送来自于具有使其能够经济地签订合同，以便每天24小时，每周7天地出售电力的技术的发电厂，比如核电厂、燃煤电厂、水电厂、生物发电厂、和某个联合循环燃气发电厂；(2)间歇性电力输送，间歇性电力输送是主要来自联合循环燃气发电厂的大约每天16小时，每周5天或7天的电力输送；(3)峰值电力输送，峰值电力输送是主要来自简单及联合循环燃气发电厂，和某些柴油发电厂，大致与峰值负载一致的每天约8小时，每周5天的电力输送；和⑷不能被调度的间歇性能源，比如风能发电和太阳能发电。除了这些发电服务之外，还存在关于电力质量服务，比如频率上调、频率下调、容量、黑启动、机组爬坡速率控制、旋转备用和非旋转备用的市场。
[0005]针对可再生能源的当前技术主要把诸如波浪能、风能和太阳能之类的间歇性资源变换成间歇性电力。这些可再生资源中的许多可再生资源难以预测和调度。全球风力发电的广泛开发已导致就为电网产生电力而论，致力于应对间歇性能源的挑战的努力。这些努力中的许多涉及研发调节向电网供电的间歇性电源，以使否则会不良地影响电网的干扰降至最小或者消除所述干扰的手段。其他工作涉及研发能够有利于风电场和其它间歇性可再生能源地工作的储能手段。通过在超过当前电力需求地产生电力期间，把所谓的超额能力收获在存储器中，储能手段为间歇性能源提供益处。在风能超过电网的能量消耗期间，由风电场产生的电力可被定于较低的电价或者负电价，或者风电场减少(脱离)向电网供电。类似地，在相当大程度上由间歇性电源供电的电网中，在能量需求大于可获得的风能的时期内，电网能量需求得不到满足。
[0006]可便利增大地利用风能和类似的间歇性可再生能源的一种重要形式的电力调节是研发把风能从间歇性电源变换成能够提供固定电力合同的完全可调度的电源的手段。固定电力合同是在规定时间内，向规定地点输送规定量的能量，并且如果售电方不能满足合同条款，那么要求售电方支付罚金的合同。在大多数市场，固定合同赢得超过间歇合同的价格溢价，于是有价值。迄今为止，把间歇性风电转换成稳定电力的努力一直取决于预测未来的风速(以便出售给日前市场)，和协调风力发电和其它相隔遥远的间歇性电源的运转，和/或与更恒定的电源，比如其功率流速可被向上或向下变化，以补偿来自风电场的更高或更低流速的水电协同，和/或与能够响应风电场的实时输出，连续上升或下降的诸如简单循环燃气发电厂和柴油发电厂之类的热电厂协同。这种协同工作不把间歇性风能变换成稳定电力，但是它们确实有助于间歇性风电被并入电网中。发电厂必须逐渐参与为管控电力产生/销售/交易而建立的竞争市场。于是，美国(和世界其它地区)的风电(和其它间歇性可再生能源)的发展因其较低的市场价值而受到严重阻碍。
[0007]增强风电和其它间歇性可再生能源在解除管制的竞争性电力交易市场中的经济价值的手段对于增强可再生能量产生的部署来说至关重要。对美国的可再生能量发展来说，提高风电的经济价值可能是最重要的长期决定性因素。考虑到维持和发展竞争性的电力产生/销售/交易市场的联盟承诺，对可再生能量的使用来说，不言而喻的竞争驱动力是提高的价格和降低的成本。关于可再生能量的未来前景的政府研宄和学术研宄明确认识到价格和成本因素在当前的竞争性市场中的重要性。
[0008]至今，向风电场提供能量存储的各种努力都未在电网的定价范围内，把风力发电产生的电力变换成稳定电力，即使存储器的增加在一定程度上改善了风电的间歇性。压缩空气储能(CAES)，抽水储能，电池，飞轮，热储能和其它储能手段的实现在这方面受技术限制。现有技术未显示产生被竞争性电网视为优质电力而重视的电力输出的能力。
[0009]因而，需要提供把间歇性电力变换成稳定电力，以致进一步鼓励使用可再生能源的系统和方法。
【发明内容】
[0010]本发明通过结合间歇性电源，比如风电和诸如CAES之类的储能手段，获得稳定电力。本发明用于以不因风力的缺少或者其它典型间歇因素而中断的方式，实现非常适合于作为给电网的输入-比如基荷电力、负载跟踪电力、间歇性电力、峰值电力、补充储备、重置储备、旋转备用、非旋转备用、黑启动和频率调节，赢得溢价的电力的灵活、反应迅速的产生。
[0011]系统的灵活性能够沿两个方向中的每个方向(可逆地，遭受效率损失)，实现压缩气体能量和电力之间的受控变换-从而能够实现以十足的市场价格，而不是以贬低的间歇性风电价格往来于电网(经济地)购买和出售电力的方法。所述系统还能够实现基于当前价格、过去平均价格、预测的未来价格、间歇性电源的当前状态、预测的所述间歇性电源的未来状态、CAES系统中的能量存储容量的当前状态、电动发电机的当前利用状态、风力涡轮机或者其它间歇性电力发动机的当前容量、系统成本、交易成本、电力供给和需求、和影响能量定价、存储和分配的其它因素中的一个或多个因素的电力交易策略。
[0012]因而，在本发明的一个方面，管理能量存储和输送的系统包括与电源的连接，与储能子系统的连接，与电网的连接，电力路由子系统、变换子系统和控制子系统。电力路由子系统耦接到电源和电网，适合于按照能量从电源传送到电网的旁路模式工作。变换子系统耦接到电力路由子系统和储能子系统，可大体实时地在能量从电力路由子系统被传送给储能子系统的储能模式，和能量从储能子系统被传送给电力路由子系统，以便输送到电网的产生模式之间切换。控制子系统至少部分根据市场因素，指令变换子系统和/或电力路由子系统按特定模式工作。
[0013]电源可以是间歇性电源，间歇性电源可以是风能、太阳能、波能、潮汐能、落水、水能、生物能和地热能任意之一。此外，间歇性电源可产生电力。
[0014]储能子系统可以是诸如流体储能、机械储能、动能储能、电储能、电化学储能和热储能之类的介质，可包括存储体，所述存储体可以是压力容器、地下洞穴、井、飞轮、电池、管道系统、囊状物、静液压力补偿容器、湖、池、储液容器、蓄水结构和电容器任意之一。
[0015]在一个实施例中，系统适合于以压缩气体的形式保存能量。变换系统还包括串联或并联连接的电动机/发电机、液压泵/发动机、液压致动器和压缩机/膨胀机。
[0016]控制器可通过比较市场因素和阈值，指示工作模式。模式指示还可至少部分基于储能子系统的可用容量。
[0017]在一个实施例中，当市场因素低于阈值，并且存在可用储能容量时，控制器可把变换子系统切换成按储能模式工作，在一些情况下，当市场因素比阈值至少低预定限度时，控制器可切换变换子系统。当可用容量大于预定值时，所述预定限度可被减小，而当可用容量小于预定值时，所述预定限度可被增大。
[0018]在又一个实施例中，当市场因素大于阈值时，控制器指示系统按产生模式和旁路模式至少之一工作，在一些情况下，当市场因素比所述阈值至少高预定限度时，控制器可指示系统按一种模式工作。当可用容量大于预定值时，所述预定限度可被增大，而当可用容量小于预定值时，所述预定限度可被减小。
[0019]在另一个实施例中，控制器至少部分根据环境状况，指令工作模式。环境状况可以是本地环境状况和/或远程环境状况，以及当前状况和/或预计状况。环境状况可包括风速、风向、气温、气压、湿度、降水量、云量、季节、日照时间、潮汐状态、存储温度、存储压力、存储时间和昼/夜温差。
[0020]阈值可以是例如当前供给、未来供给、当前需求、未来需求、平均市场价或者当前市场价。在一些情况下，市场因素可以是电力的市场价、电力的当前市场价、电力的未来市场价、电力的趋势价格、电力的供给或者电力的需求。
[0021]在一个实施例中，控制器还包括电力输送算法。电力输送算法可适合于与至少一种辅助电力服务同时地履行长期电力服务。电力输送算法可适合于履行诸如基荷、中间、调峰、负载跟踪、频率调节、旋转备用、非旋转备用、黑启动、无功功率控制、负载源按需响应和/或机组爬坡速率控制之类的电力服务。在一些实施例中，电力输送算法适合于通过同时按储能模式和旁路模式运转系统，履行电力服务。在其它实施例中，电力输送算法适合于通过同时按产生模式和旁路模式运转系统，履行电力服务。
[0022]在另外的实施例中，系统包括发起电力的购买，购买电力的出价，电力的销售，和销售电力的报价至少之一的交易子系统。交易子系统适合于通过以市场价购电，和以合同价格出售电力，履行电力服务。
[0023]在本发明的另一个方面，管理能量存储和输送的方法包括以下步骤:连接到电源，连接到储能子系统，连接到电网，把电源产生的至少一些能量路由到电网，和大体实时地在通过把能量从电源和/或电网传送给储能子系统，存储能量，和通过把能量从储能子系统传送给电网，产生能量之间自动切换。所述切换可至少部分基于市场因素。
[0024]电源可以是间歇性电源，间歇性电源可以是风能、太阳能、波能、潮汐能、落水、水能、生物能和地热能任意之一。此外，间歇性电源可产生电力。
[0025]储能子系统可以是诸如流体储能、机械储能、动能储能、电储能、电化学储能和热储能之类的介质，可包括存储体，所述存储体可以是压力容器、地下洞穴、井、飞轮、电池、管道系统、囊状物、静液压力补偿容器、湖、池、储液容器、蓄水结构和电容器任意之一。
[0026]在一个实施例中，自动地进行路由步骤。在一个实施例中，储能步骤包括压缩气体。
[0027]路由和切换步骤可以基于市场因素与阈值的比