压缩空气能量存储系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种压缩空气能量存储系统，所述压缩空气能量存储系统包括：可变喷嘴膨胀器(115、115A)，所述可变喷嘴膨胀器(115、115A)构造成接收处于第一压力的气流并且使所述气流部分膨胀处于第二压力下，所述第二压力低于所述第一压力，所述气流在所述可变喷嘴膨胀器中的膨胀产生可用机械动力；热发生器部件(125)，所述热发生器部件(125)构造成接收燃料并从所述可变喷嘴膨胀器(115、115A)接收部分膨胀的气流；涡轮机(131)，所述涡轮机(131)构造成从所述热发生器部件(125)接收燃烧气体并使所述燃烧气体膨胀，从而产生可用机械动力。
【专利说明】压缩空气能量存储系统
【技术领域】
[0001]本公开涉及压缩空气能量存储系统，所述压缩空气能量存储系统同样简称为CAES系统。本公开还涉及利用CAES系统进行能量存储和发电的方法。
【背景技术】
[0002]CAES发电厂或系统通常用作用于对能量的利用进行优化的装置。如所属领域技术人员已知的那样，来自配电网的所需电能在日间随峰值负荷而变化并在夜间随减小的电力需求而变化。大型蒸汽发电厂或可再生发电厂产生了不能随意改变的电力量。这在夜间导致了可在配电网上获得的电力的过剩并且在峰值负荷时间期间导致了电力短缺。已经实现了利用燃气涡轮机、特别是航改式燃气涡轮机的小型发电厂，以便满足峰值电力需求。这些发电厂可根据24小时期间的可变电力需求来开启和关闭。尽管如此，这还必须满足其它措施，以便将在夜间产生的过多的能量存储起来并对所存储的能量进行回收以便增大峰值负荷时间期间的发电量。出于该目的所使用的方法之一是CAES技术。这些系统通常包括具有一个或多个压缩机的压缩机组(compress1n train),所述一个或多个压缩机在夜间、即在与可在配电网上获得的电力相比需要较少电力时，由来自配电网的电力驱动。随后在日间利用压缩空气以满足来自配电网的峰值电力需求，从而使压缩空气膨胀至适用的压力并且使燃烧室中的空气/燃料混合物燃烧以产生在涡轮机中膨胀用于发电的燃烧气体。
[0003]根据现有技术的压缩空气能量存储系统示于图1中。该系统包括压缩空气存储体I。该存储体可以是天然的或人造的储库(cavern)。其它适用的体积均可用于存储压缩空气。在本说明书的上下文中，将具体参照“储库”来进行说明，但所属领域技术人员将会了解到的是，可使用任何其它适用的存储体。当可在配电网G上获得过多的电力时，可逆电机3将可从配电网G获得的电力转换成机械动力以通过机械轴7来驱动压缩机或压缩机组5。设置离合器9用于将压缩机或压缩机组5选择性地连接至可逆电机3，并将压缩机或压缩机组5与其断开连接。来自压缩机或压缩机组5的压缩空气由压缩空气管线11经过阀门13输送到储库I中。
[0004]当从配电网G需要更多电力时，启动CAES系统的发电段15。该发电段15包括一个或多个膨胀器。在图1中所示的实施方式中，第一高压膨胀器17与第二低压膨胀器19成一直线地设置。两个膨胀器17和19通常连接至同一个机械轴21。机械轴21可通过离合器23连接至可逆电机或与其断开连接。来自储库I的压缩空气经由高压管道25馈送至高压膨胀器17。
[0005]来自储库I的压缩空气在高压膨胀器17中膨胀。膨胀空气被输送至燃烧室29。燃料F被添加至部分膨胀的气流以产生在第二低压膨胀器19中膨胀的燃烧气体。排放的燃烧气体随后被在31处从低压膨胀器19排出。燃烧室29中的压力必须被仔细地控制以便使燃烧室适当地运行。因此，所必需的是来自储库I的空气的压力应该在使所述空气在高压膨胀器17中膨胀之前得到精确地控制，使得部分膨胀的空气以适当的压力进入燃烧室29。
[0006]储库I中的压力根据储库I中压缩和存储的空气的数量而改变。高压管道25中的空气压力必须被维持于大致恒定的值。为此，沿高压管道25设置压力调节阀27，以将来自储库I的空气的压力降低至适用于在高压膨胀器17的出口处获得正确的燃烧压力的数值。空气在压力调节阀27中的膨胀使得包含在加压空气中的能量减少，但是它是必需的以使得空气在进入高压膨胀器17下游的燃烧室29时获得适用的压力值。压力调节阀27将高压膨胀器的入口处的空气的压力维持于大致恒定的数值，该空气压力与储库I中的可变空气压力无关。
[0007]空气在压力调节阀27中的膨胀导致能量的显著损失，这负面地影响了 CAES系统的总效率。
[0008]CAES系统或发电厂的优化后的总效率通过给膨胀器提供可变几何形状的入口喷嘴来获得，所述膨胀器在本公开的上下文中还称之为“可变喷嘴膨胀器”。来自诸如储库之类的存储体的压缩空气被输送至该可变喷嘴膨胀器并被从较高压力部分膨胀至较低压力。“部分膨胀”意指在可变喷嘴膨胀器的输送侧的空气将仍旧是加压的、即，将具有比环境压力高的压力。
[0009]机械动力由可变喷嘴膨胀器在压缩气流的首次膨胀期间产生。可变喷嘴膨胀器的入口喷嘴几何形状可在运行期间被改变，使得可变喷嘴膨胀器的出口处的最终气流压力被维持于大致恒定的数值，或者至少被维持处于额定压力附近的公差范围内。这种数值或数值范围由涡轮机的燃烧室内的运行状况设定，其中，部分膨胀的气流与燃料混合并且空气/燃料混合物被点燃以产生燃烧气体流，随后所述燃烧气体流在涡轮机中进一步膨胀用于发电。在本公开中，燃烧室被理解为任何热发生器部件。可变喷嘴几何形状将膨胀器出口压力维持于期望值或维持在期望值附近，即使是在入口气流压力波动的情况下也是如此。压力降低和调节由此利用能够提取机械动力的机器来实现。
【发明内容】
[0010]根据本公开的示例性实施方式，提供了一种压缩气体能量存储系统，包括:
[0011]至少一个高压膨胀系统，所述至少一个高压膨胀系统包括可变喷嘴膨胀器，所述可变喷嘴膨胀器构造成接收处于第一压力的气流并且使所述气流膨胀处于第二压力下，所述第二压力低于所述第一压力，所述气流在所述可变喷嘴膨胀器中的膨胀产生可用机械动力；
[0012]至少一个燃烧室、即热发生器部件，所述至少一个燃烧室构造成接收燃料和来自所述可变喷嘴膨胀器的膨胀的气流；
[0013]至少一个涡轮机，所述至少一个涡轮机构造成从所述燃烧室、即所述热发生器部件接收燃烧气体，并使所述燃烧气体膨胀，从而产生可用机械动力。
[0014]根据一些实施方式，所述可变喷嘴膨胀器被控制成将所述第二压力维持在恒定的压力值、即额定或标称值附近的压力范围内。该额定值可例如由燃烧室或热发生器部件的设计来确定。
[0015]例如，第二压力、即可变喷嘴膨胀器的出口处的压力可围绕额定值波动优选地小于20%并且更为优选地小于10%。在其它优选实施方式中，压力波动处于额定值附近的6%的范围内，例如约4%。
[0016]根据一些实施方式，该系统包括至少一个电机，所述至少一个电机构造成并设置成将由所述涡轮机和/或由所述可变喷嘴膨胀器产生的所述可用机械动力转换成电力。所述电力可又用于为一个或多个机器供电和/或可被分配在配电网上。
[0017]在特别优选的实施方式中，机械动力用于驱动可逆电机，所述可逆电机构造成用于选择性地将机械动力转换成电力或者将来自配电网的电力转换成机械动力。在一些实施方式中，该系统还包括至少一个空气压缩机。该电机构造成并设置成用于选择性地利用由可变喷嘴膨胀器并由涡轮机产生的机械动力来产生电力，或者用于在将来自所述配电网的电力转换成机械动力时驱动所述至少一个空气压缩机旋转。该系统可还包括至少一个压缩空气存储体，所述至少一个压缩空气存储体通过至少一个压缩空气管线路径连接至所述至少一个空气压缩机，用于存储呈压缩空气的形式的能量。
[0018]在一些实施方式中，所述可变喷嘴膨胀器和所述涡轮机具有共用轴。该电机可选择性地连接至所述共用轴或选择性地连接至所述至少一个空气压缩机。
[0019]在其它实施方式中，所述可变喷嘴膨胀器和所述涡轮机具有两个独立的输出轴。在这种情况下，所述系统可还包括:第一电机，所述第一电机构造成并设置成将由所述可变喷嘴膨胀器产生的所述可用机械动力转换成电力；和第二电机，所述第二电机构造成并设置成将由所述涡轮机产生的所述可用机械动力转换成电力。所述电机中的一个或两个可以是可逆电机，所述可逆电机构造成并设置成选择性地将可用机械动力转换成电力，或者在由配电网供电时产生机械动力。
[0020]在一些实施方式中，该系统可包括第一空气压缩机和第二空气压缩机，所述第一空气压缩机可选择性地连接至所述第一电机或者与所述第一电机断开连接，所述第二空气压缩机可选择性地连接至所述第二电机或者与所述第二电机断开连接。第一空气压缩机和第二空气压缩机通过压缩空气管线连接至诸如储库之类的至少一个压缩空气存储体。
[0021]空气的压缩使得温度升高。可对在压缩期间在气流中产生的热量进行回收以提高该系统的总效率。因此，根据一些改进的实施方式，该系统还包括一个或多个热能存储装置。所述热能存储装置有利地构造成存储从由一个或多个压缩机输送的压缩气流提取的热量。相反，当压缩空气从压缩空气存储体朝向可变喷嘴膨胀器流动时，可将热量从热能存储装置传递至该气流以增大空气的能含量，其可随后用在可变喷嘴膨胀器中和/或涡轮机中。如果设置若干热能存储装置，则它们可被设置成在不同的压力级将来自压缩气流的热量移除。在一些实施方式中，该热能存储装置可被设置成对位于两个连续设置的压缩级之间的空气进行冷却。在该情况下，热能存储装置的效果将与中间冷却相似，从而提高了该压缩机装置的总效率。事实上，热能存储装置包括热交换器，其中，气流与冷却介质进行热交换。该冷却介质可起到储热介质的作用。冷却后的空气具有较高密度并且进一步的压缩需要较少的动力。
[0022]在将压缩空气朝向可变喷嘴膨胀器和/或朝向涡轮机输送时，可对热量进行回收。可将热量在可变喷嘴膨胀器的上游或者在可变喷嘴膨胀器与涡轮机之间或者在这两个位置处传递回压缩气流。
[0023]在一些实施方式中，也可以对来自涡轮机排放处的燃烧气体的热量进行回收。这可借助于热交换器来实现，其中，压缩空气通过与从涡轮机排出的排放的燃烧气体进行热交换而得到加热。从燃烧气体的热量的回收可与从热能存储装置的热回收结合使用，或者在不使用这种热能存储装置的情况下使用。
[0024]尽管通过与压缩气流进行热交换来实现热回收以便在压缩空气在涡轮机中和/或可变喷嘴膨胀器中的膨胀之前对该空气进行加热是优选的，但所回收的热量同样可以不同的方式使用，例如出于加热或空气调节的目的使用。
[0025]根据另一方面，本公开涉及一种用于从压缩空气能量存储系统产生能量的方法，包括下列步骤:
[0026]通过使压缩气流在可变喷嘴膨胀器中从第一压力部分膨胀至第二压力来产生可用机械动力；所述第一压力高于所述第二压力；
[0027]将处于所述第二压力的所述部分膨胀的气流输送至热发生器部件并将燃料与其混合,从而产生高温加压的燃烧气体；
[0028]通过使所述燃烧气体在涡轮机中膨胀来产生可用机械动力。
[0029]根据一些优选实施方式，该方法包括下列步骤:借助于所述可变喷嘴膨胀器控制所述气流的所述第二压力，将所述第二压力维持在压力值的范围内，并且优选地，将其维持于大致恒定的数值。“大致恒定”意味着在预定值的附近变化优选地小于20%并且优选地小于10%乃至更为优选地小于6%。
[0030]根据一些实施方式，该方法包括下列步骤:借助于至少一个可逆电机将由所述可变喷嘴膨胀器和/或由所述涡轮机产生的所述可用机械动力转换成电力。
[0031]例如，该方法包括下列步骤:在空气压缩阶段期间，借助于由至少一个可逆电机驱动的至少一个空气压缩机将空气压缩在压缩空气存储体中；并在发电阶段期间，将来自所述压缩空气存储体的压缩空气用于产生所述压缩气流。优选地，该方法还包括下列步骤:在所述空气压缩阶段期间对来自由所述至少一个空气压缩机压缩的空气的热量进行回收和存储。另外，该方法可还包括在所述发电阶段期间借助于在所述空气压缩阶段期间存储的热量对所述压缩气流进行加热。所存储的热量可用作单独的能量源，例如用于环境调节。在其它实施方式中，该方法包括从在所述涡轮机中膨胀的气体中回收热量，以用于对所述气流进行加热。
[0032]特征和实施方式这里在下文中公开并且在所附权利要求书中进一步阐述，所附权利要求书形成了本说明书的整体部分。上述简要说明阐述了本发明的多种实施方式的特征，以使得随后的详细说明可得到更好的理解，并且使得对于所属领域作出的该贡献可得到更好的理解。当然，存在本发明的其它特征，所述其它特征将在下文中得到描述并且将在所附权利要求书中进行阐述。在该方面中，在详细解释本发明的若干实施方式之前，所明白的是，本发明的多个实施方式并不在它们的应用中限制在该结构的细节并且并不限于在下列说明书中所阐述的或在附图中所描绘的部件的结构。本发明可具有其它实施方式并且可以多种方式实施和执行。同样，将会明白的是，本文中所使用的用词和术语出于描述的目的使用并且不应被视为是一种限制。
[0033]同样，所属领域技术人员将了解到的是，本公开所基于的构想可易于被用作用于设计用于实现本发明的若干目的的其它结构、方法、和/或系统的基础。因此，重要的是，权利要求应该被视为包括这种等效结构，只要它们不背离本发明的精神和范围即可。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]本发明所公开的实施方式的更全面的理解及其随之而来的许多优点将随着通过参照下面的详细描述并在结合附图考虑时对本发明更好地理解而轻易获得，其中:
[0035]图1是根据现有技术的CAES发电厂；
[0036]图2至6示出了根据本公开的CAES发电厂或系统的五种实施方式。
【具体实施方式】
[0037]对示例性实施方式进行的下列详细说明参见附图。不同的附图中的相同附图标记标示出了相同或相似的元件。此外，附图无需按照比例绘制。再者，下列详细说明并不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求书限定。
[0038]遍及说明书对于“一个实施方式”或“一种实施方式”或“一些实施方式”的称谓意指将结合实施方式描述的具体特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方式中。由此，短语“在一个实施方式中”或“在一种实施方式中”或“在一些实施方式中”在遍及说明书的多个位置中的出现无需指的是相同的实施方式。此外，具体特征、结构或特性可在一个或多个实施方式中以任一适用的方式结合。
[0039]根据本公开的CAES发电厂的第一实施方式示于图2中。作为整体以102标示的发电厂或系统包括压缩空气存储体101，当可在以G示意性地示出的配电网上获得过剩的电力时，压缩空气存储在该压缩空气存储体中。这里在下文中，压缩空气存储体101将还被称之为“储库”。
[0040]将压缩空气通过压缩空气管线路径103馈送到储库101中，沿所述压缩空气管线路径103可设置阀门105。压缩空气由压缩机组107输送。压缩机组可包括单个压缩机或根据流量和压缩比串联或并联的若干压缩机。这里在下文中，术语“压缩机组”因此应该被理解成包括串联或并联的一组压缩机或单个压缩机。
[0041]压缩机组107由可逆电机109驱动。“可逆电机”应该被理解为能够选择性地由电力产生机械动力以及由可获得的机械动力产生电力的任一结构。
[0042]可逆电机109可借助于轴111和离合器113连接至压缩机组107以及与其断开连接。
[0043]可逆电机109还可选择性地连接至膨胀器115以及与其断开连接。可逆电机109与膨胀器115之间的连接通过轴117和离合器119实现。对离合器119和113进行控制以将可逆电机109选择性地连接至压缩机或压缩机组107或膨胀器115。
[0044]膨胀器115是可变喷嘴膨胀器、即包括下列入口喷嘴的膨胀器，所述入口喷嘴的几何形状可根据膨胀器的入口处的空气压力改变，以对膨胀器的效率进行优化。高压入口管线121将储库101连接至可变喷嘴膨胀器115的以115A示意性地示出的喷嘴。
[0045]在一些实施方式中，可设置三通阀123以将高压入口管线121与可变喷嘴膨胀器115连接，该三通阀123能够将来自储库101的气流部分地或全部地朝向热发生器部件转向，所述热发生器部件在这里表示为燃烧室125，如将在稍后描述的那样。
[0046]可变喷嘴膨胀器115与燃烧室125流体连通，所述燃烧室125还连接至燃料输送。在一些示例性实施方式中，该燃料输送包括用于输送气态燃料的气网127。燃烧室125中的空气/气体混合物的燃烧产生通过连接件129输送至涡轮机131的燃烧气体。
[0047]涡轮机131通过轴133机械地连接至第二可逆电机135。轴133上的离合器137可将可逆电机135选择性地连接至涡轮机131以及将它与其断开连接。带有离合器141的另一轴139将可逆电机135选择性地连接至第二压缩机或压缩机组143以及将它与其断开连接。如参照压缩机组107已经提到的那样，同样压缩机组143可包括单个压缩机或串联或并联设置的多个压缩机。
[0048]第二压缩空气管线路径145将压缩机组143的出口连接至储库101。可沿压缩空气管线路径145设置阀门147。
[0049]迄今为止所述的CAES发电厂102运行如下。在发电阶段期间，来自储库101的压缩空气被通过高压入口管线121输送至可变喷嘴膨胀器115。来自储库101的气流通过可变喷嘴膨胀器115部分膨胀，使得气流的压力从第一高压降低至第二低压。可变喷嘴膨胀器115的几何形状受到控制，使得在可变喷嘴膨胀器115的输出端处的第二低压被维持在狭窄范围内并且优选地处于预定压力值的附近。该压力值由燃烧室125的设计约束来确定。可变喷嘴膨胀器115的几何形状可被改变以应对入口压力的改变、即从储库101到达的气流的压力的改变。
[0050]如上所述，储库101中的压力可在发电阶段期间充分改变，这是由于储库101中的空气量逐渐减少并且储库101中的压力降低。通常，CAES发电厂的储库中的空气压力可从120巴(bar)变化至30bar。这些数值将被理解成示例性的数值并且并不限制本公开的范围。
[0051]可变喷嘴膨胀器115提供了两种功能，S卩，调节燃烧室125的入口处的压力，以及在将空气压力从可变喷嘴膨胀器入口处的第一高压降低至可变喷嘴膨胀器出口处的第二低压时，将气流的压力转换成可用机械动力。
[0052]气流从第一高压至第二低压的膨胀产生机械动力，该机械动力是可在可变喷嘴膨胀器115的输出轴117上获得的。在发电阶段期间，离合器119将可变喷嘴膨胀器115连接至第一可逆电机109，使得第一可逆电机109将从轴117接收到的可用机械动力转换成可用电力，该可用电力又被输送至配电网G。
[0053]在可变喷嘴膨胀器115的输出端处输送的部分膨胀的气流被馈送至燃烧室125并被添加有气态燃料或其它燃料，以产生高温压缩的燃烧气体，该高温压缩的燃烧气体被通过连接件129输送至涡轮机131。在涡轮机131中，使燃烧气体膨胀并且包含在其中的能量被转换成可用机械能。可在轴133上获得的可用机械动力通过第二可逆电机135转换成电力，第二可逆电机135经由离合器137和轴133连接至涡轮机131。因此，将附加的电力注入到配电网G中。
[0054]在发电阶段期间，离合器113和141被脱离接合，使得压缩机或压缩机组107和143是不工作的。
[0055]因此，存储在储库101中的压缩空气用于在峰值负荷时间期间产生电力，此时需要来自配电网G的更多电力。
[0056]当可在配电网G上获得过剩的电力时，CAES发电厂的运行被逆转如下。
[0057]使离合器137和119脱离接合并且使离合器113和141接合，使得第一可逆电机109和第二可逆电机135可分别驱动第一压缩机或压缩机组107以及第二压缩机或压缩机组143旋转。压缩机组将环境空气压缩到压缩空气存储体中、即压缩到储库101中，直到获得阈值压力为止，或者直到可从配电网G获得电力为止。
[0058]以这种方式，可在配电网G上获得的过剩的电力并未被浪费，而是以储库101中的压缩空气的势能的形式存储起来在并且在需要时通过可变喷嘴膨胀器115和涡轮机131中的依次膨胀加以使用。
[0059]可变喷嘴膨胀器115的使用使得发电厂的总效率增大，即增大了存储在储库101中的非高峰能量的量，所述非高峰能量可在发电阶段期间被转换成电能。
[0060]实际上，如上所述，高压入口管线121中的大的压力波动在发电阶段期间由储库101中的逐渐的压力降所导致。在根据现有技术的CAES发电厂中，以加压空气的形式存储的能量的至少一部分被在膨胀过程期间通过压力控制阀浪费掉，以便产生待被输送至涡轮机的燃烧室的压力恒定的气流。储库中的压力越高，通过膨胀所损耗的用于压力调节和压力控制的动力的量就越多。
[0061]相反，在图2的发电厂中，基本上在来自储库101的压缩气流中可获得的整个能量能够被用于产生动力的目的，而没有浪费，这是因为压力控制的功能由可变喷嘴膨胀器115来执行。该机器能够使气流从入口高压膨胀至大致恒定的低的出口压力，从而将压降转换成可用机械动力。
[0062]如果存在，三通阀123可用于旁通可变喷嘴膨胀器115并将来自储库101的压缩空气通过辅助管线151直接输送至燃烧室125。
[0063]图3示出了根据本公开的CAES发电厂或系统的另一实施方式。不同于图2的CAES发电厂，在图3的CAES发电厂中，仅设置有一个可逆电机。该可变喷嘴膨胀器和涡轮机连接在同一轴上，该轴可选择性地连接至可逆电机以及与该可逆电机断开连接。
[0064]更具体地说，图3的作为整体标示为202的CAES发电厂利用诸如储库之类的压缩空气存储体201。该储库201与可变喷嘴膨胀器215流体连通。附图标记215A示意性地标示出几何形状可变的入口喷嘴。可变喷嘴膨胀器215与燃烧室225流体连通，燃料例如经由配气网227输送至燃烧室225。燃烧室225的出口在229中连接至涡轮机231。
[0065]单个机械轴233和离合器219将涡轮机231的转子和可变喷嘴膨胀器215的转子选择性地连接至可逆电机209以及将它们与其断开连接。
[0066]与图2的可逆电机109和可逆电机135相似，可逆电机209可选择性地作为电动机运行或作为发电机运行。
[0067]通过轴211和离合器213，可逆电机209可选择性地连接至压缩机或压缩机组207，该压缩机或压缩机组207又通过压缩空气管线203与储库201流体连通。
[0068]图3的CAES发电厂202的运行如下。
[0069]在发电阶段期间，压缩空气被从储库201通过压缩空气管线221输送至可变喷嘴膨胀器215。输送至可变喷嘴膨胀器215的气流从入口可变压力膨胀至低出口压力，该低出口压力被维持成是大致恒定的或者处于相当窄的压力范围内。出口压力的适用变化范围为标定值的约4%。该数值作为当前优选的示例给出，但不应被解释为限制本公开的范围。可用机械动力由气流的首次膨胀产生，并可在机械轴233上获得。部分膨胀的气流在燃烧室225中与气态燃料或其它燃料混合，并且空气/燃料混合物被点燃以产生在涡轮机231中膨胀的高温压缩的燃烧气体流。燃烧气体在涡轮机231中的膨胀产生了可在轴233上获得的可用机械动力。
[0070]在气流和燃烧气体的所述双重依次膨胀中产生的机械动力用于驱动可逆电机209。该可逆电机209将机械动力转换成被注入到配电网G中的电力。
[0071]在空气压缩阶段期间，当可在配电网G上获得过剩的电力时，可逆电机209与机械轴233通过使离合器219断开接合而断开连接，并且通过离合器213和轴211选择性地连接至压缩机或压缩机组207。来自配电网G的电力用于压缩储库201中的空气。
[0072]图4示出了根据本公开的另一 CAES发电厂。与图3中的附图标记相同的附图标记用于标示该发电厂的相同或等效的元件。图4的发电厂与图3的发电厂的不同之处主要在于存在热能回收装置，所述热能回收装置被设计成在空气压缩阶段期间对来自压缩空气的热量进行回收或存储并在发电阶段期间在膨胀之前对压缩气流进行加热。
[0073]更具体地说，在图4中所示的示例性实施方式中，压缩机组207可包括串联设置的两个或多个压缩机。在其它实施方式中，可使用单个压缩机。来自环境的空气被压缩机207吸入并通过管线301输送至热能存储装置303。在一些示例性实施方式中，该热能存储装置303可包括诸如盐之类的蓄热材料，该蓄热材料例如以液化热的形式存储热能。压缩空气流过热能存储装置303并且将热量从该处移除并且例如以液化热的形式存储在蓄热盐块中。因此，第一热能存储装置303以与中间冷却器-热交换器相似的方式起作用，但是将从压缩气流提取的热量蓄积起来而不是在大气中排出。在于热能存储装置303中冷却之后，空气被通过压缩空气管线203输送到压缩空气存储体或储库201中。
[0074]利用该装置，在空气压缩阶段期间，可在配电网G中获得的过剩电力、即非高峰能量被部分转换成存储在储库201中的压力能量并且部分转换成存储在热能存储装置303中的热能。
[0075]当在配电网G上需要附加电力时，开始发电阶段。压缩空气从储库201输送至可变喷嘴膨胀器215并且输送至燃烧室225。在燃烧室225中，来自气网227等的燃料与从可变喷嘴膨胀器215输送的部分膨胀的气流混合。点燃该气体/燃料混合物。由此产生压缩的高温燃烧气体，该压缩的高温燃烧气体随后在涡轮机231中膨胀，从而产生了可用机械动力，该可用机械动力与由可变喷嘴膨胀器215产生的可用机械动力一起可在轴233上获得，并且被可逆电机209转换成电力。
[0076]在压缩空气管线203、221中流动的压缩空气流过热能存储装置303并且被加热。存储在热能存储装置303中的热能由此被回收并用来在可变喷嘴膨胀器中膨胀之前提高气流温度。所述热能中的一小部分因此被转换成可在轴223上获得的附加的可用机械动力，以驱动可逆电机。
[0077]图5示出了根据本公开的CAES发电厂的另一实施方式。相同的附图标记标示出与图3和图4中相同或等效的元件。
[0078]图5的实施方式与图4的实施方式之间的主要差异是第二热能存储装置305和包括两个压缩机207A、207B的压缩机组的使用。将热量从尚开压缩机207A的压缩空气进行回收并将其累积在热能存储装置303中。将从第二压缩机207B回收的热量累积在第二热能存储装置305中。
[0079]在图5中，第一热能存储装置303设置在位于可变喷嘴膨胀器215的输出端与燃烧室225的入口之间的连接件上。第二热能存储装置305设置在位于储库201与可变喷嘴膨胀器215的入口之间的连接管线上。
[0080]利用该装置，在可变喷嘴膨胀器215中的首次膨胀之前，将在空气压缩阶段期间回收的热能的一部分用于对来自储库201的压缩气流进行加热。反之亦然，在进入燃烧室225之前，通过对离开可变喷嘴膨胀器215的部分膨胀的气流进行加热来对热能中的第二部分进行回收。
[0081]图6不出了根据本公开的CAES发电厂的再一实施方式。与图4和图5中相同的附图标记用于标示出相同或等效的元件。
[0082]图6的发电厂与图4的发电厂的不同之处主要在于设置有另一热回收装置。在发电阶段期间，对来自储库201的压缩气流在热能存储装置305中并在热能存储装置303中依次加热。加热后的压缩气流随后在热交换器307中通过与离开涡轮机231的排放的燃烧气体进行热交换而被进一步加热。压缩且受热的气流随后被输送至可变喷嘴膨胀器215。
[0083]在上述实施方式中，可逆电机已经用在该系统中，以作为选择产生机械动力或电力。在其它不是太有利的实施方式中，可将单独的电机分别用于发电和产生机械动力，设置适用的离合器结构以在该系统的多个部件之间建立适当的机械连接。
[0084]尽管本文中所述的主题的公开实施方式已经在附图中示出，并且被结合若干示例性实施方式在上文中进行了具体而详细的充分描述，但所属领域技术人员将会明白的是，许多变型、改变、和省略在不实质上背离该新颖教导、本文中所阐述的原理和思想、以及所附权利要求中所述的主题的优点的情况下均是可能的。因此，所公开的创新的适当范围应该仅由对于所附权利要求的最为广义的解释来确定，以涵盖所有的这种变型、改变、和省略。多种实施方式的不同特征、结构和手段可以不同的方式进行组合。例如，热能回收装置可同样被结合在图2和/或图3的实施方式中。同样，从来自涡轮机的排放的燃烧气体进行的热回收还可在图2、3、4和5的实施方式中提供。
【权利要求】
1.一种压缩空气能量存储系统，包括: 至少一个可变喷嘴膨胀器，所述至少一个可变喷嘴膨胀器构造成接收处于第一压力的气流并且使所述气流部分膨胀处于第二压力下，所述第二压力低于所述第一压力，所述气流在所述可变喷嘴膨胀器中的膨胀产生可用机械动力； 至少一个热发生器部件，所述至少一个热发生器部件构造成接收燃料并从所述可变喷嘴膨胀器接收部分膨胀的气流； 至少一个涡轮机，所述至少一个涡轮机构造成从所述热发生器部件接收燃烧气体并使所述燃烧气体膨胀，从而产生可用机械动力。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述可变喷嘴膨胀器被控制成将所述第二压力维持在恒定的压力值附近的压力范围内。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其特征在于，所述可变喷嘴膨胀器被控制成将所述第二压力维持于大致恒定的数值。
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，还包括至少一个电机，所述至少一个电机构造成并设置成将由所述涡轮机和/或由所述可变喷嘴膨胀器产生的所述可用机械动力转换成电力。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的系统，还包括:至少一个电机，所述至少一个电机构造成并设置成将来自配电网的电力转换成机械动力；至少一个空气压缩机；和至少一个压缩空气存储体，所述至少一个压缩空气存储体通过至少一个压缩空气管线路径连接至所述至少一个空气压缩机，用于存储由所述至少一个空气压缩机输送的压缩空气。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述至少一个电机是构造成将机械动力选择性地转换成电力或者将来自配电网的电力转换成机械动力；所述系统还包括:至少一个空气压缩机，所述至少一个电机构造成并设置成选择性地产生所述电力或在将来自所述配电网的电力转换成机械动力时驱动所述至少一个空气压缩机；和至少一个压缩空气存储体，所述至少一个压缩空气存储体通过至少一个压缩空气管线路径连接至所述至少一个空气压缩机。
7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的系统，其中所述可变喷嘴膨胀器和所述涡轮机具有共用轴。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述至少一个可逆电机选择性地连接至所述共用轴或连接至所述至少一个空气压缩机。
9.根据前述权利要求中的一项或多项所述的系统，其中所述可变喷嘴膨胀器和所述涡轮机具有两个独立的输出轴，所述系统还包括:至少第一电机，所述第一电机构造成并设置成将由所述可变喷嘴膨胀器产生的所述可用机械动力转换成电力；和至少第二电机，所述第二电机构造成并设置成将由所述涡轮机产生的所述可用机械动力转换成电力。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一电机和所述第二电机是可逆电机，并且构造成并设置成选择性地将来自所述可变喷嘴膨胀器和所述涡轮机的可用机械动力转换成电力或者在由配电网供能时产生机械动力。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括至少一个第一空气压缩机和至少一个第二空气压缩机，所述至少一个第一空气压缩机选择性地连接至所述第一电机或者与所述第一电机断开连接，所述至少一个第二空气压缩机能够选择性地连接至所述第二电机或者与所述第二电机断开连接。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一空气压缩机和所述第二空气压缩机通过压缩空气管线连接到至少一个压缩空气存储体。
13.根据前述权利要求中的一项或多项所述的系统，包括至少一个第一热能存储装置，所述至少一个第一热能存储装置构造成选择性地存储热能并将热能输送至所述气流。
14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述至少一个热能存储装置构造成选择性地从来自所述至少一个空气压缩机的压缩气流存储热能。
15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括至少一个第二热能存储装置，所述至少一个第一热能存储装置和所述至少一个第二热能存储装置构造成选择性地在两个不同的温度下存储热能并将热能输送至所述气流。
16.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述至少一个第一热能存储装置构造成并设置成将热能在所述可变喷嘴膨胀器的上游输送至所述气流。
17.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述至少一个第一热能存储装置构造成并设置成将热能在所述可变喷嘴膨胀器的上游输送至所述气流，并且所述至少一个第二热能存储装置构造成并设置成将热能在所述可变喷嘴膨胀器与所述热发生器部件之间输送至所述气流。
18.根据前述权利要求中的一项或多项所述的系统，包括热回收系统，所述热回收系统设置成并构造成对来自从所述涡轮机排出的排放膨胀气体的热量进行回收并将回收的所述热量传递至所述气流。
19.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述热回收系统设置成并构造成在所述可变喷嘴膨胀器的上游对所述气流进行加热。
20.一种用于从压缩空气能量存储系统产生能量的方法，所述方法包括下列步骤: 通过使压缩气流在可变喷嘴膨胀器中从第一压力部分膨胀至第二压力来产生可用机械动力；所述第一压力高于所述第二压力； 将处于所述第二压力的所述部分膨胀的气流输送至热发生器部件并将燃料与其混合，从而产生高温加压的燃烧气体； 通过使所述燃烧气体在涡轮机中膨胀来产生可用机械动力。
21.根据权利要求20所述的方法，包括借助于所述可变喷嘴膨胀器控制所述气流的所述第二压力以将所述第二压力维持在压力值的范围内的步骤。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，包括借助于所述可变喷嘴膨胀器将所述气流的所述第二压力维持于大致恒定的数值的步骤。
23.根据权利要求20至22中的一项或多项所述的方法，其中所述可变喷嘴膨胀器和所述涡轮机驱动共用输出轴，从所述共用输出轴获得所述可用机械动力。
24.根据权利要求20至23中的一项或多项所述的方法，包括将来自所述可变喷嘴膨胀器和/或所述涡轮机的所述可用机械动力转换成电力的步骤。
25.根据权利要求20至24中的一项或多项所述的方法，包括借助于至少一个第一可逆电机将来自所述可变喷嘴膨胀器和/或所述涡轮机的所述可用机械动力转换成电力的步骤。
26.根据权利要求20至25中的一项或多项所述的方法，包括借助于至少一个第一可逆电机对来自所述可变喷嘴膨胀器的所述可用机械动力进行转换并借助于至少一个第二可逆电机对来自所述涡轮机的所述可用机械动力进行转换的步骤。
27.根据权利要求20至26中的一项或多项所述的方法，包括下列步骤: 在空气压缩阶段期间，借助于由至少一个电机驱动的至少一个空气压缩机对压缩空气存储体中的空气进行压缩； 并在发电阶段期间，使用来自所述压缩空气存储体的压缩空气来产生所述压缩气流。
28.根据权利要求20至27中的一项或多项所述的方法，其中所述至少一个电机是可逆电机，并包括选择性使用所述可逆电机以将所述可用机械动力转换成电力或者将来自配电网的电力转换成用于驱动所述至少一个空气压缩机的机械动力的步骤。
29.根据权利要求20至28中的一项或多项所述的方法，包括下列步骤: 在所述空气压缩阶段期间，对来自由所述至少一个空气压缩机压缩的空气的热量进行回收和存储； 并在所述动力产生阶段期间借助于在所述空气压缩阶段期间存储的热量对所述压缩气流进行加热。
30.根据权利要求20至29中的一项或多项所述的方法，包括从在所述涡轮机中膨胀的气体回收热量以用于加热所述气流的步骤。
【文档编号】F02C6/16GK104395583SQ201380019401
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年4月8日 优先权日:2012年4月12日
【发明者】M.德尔科尔, A.鲁索, P.德尔特科, S.弗兰奇尼, M.伯蒂 申请人:诺沃皮尼奥内股份有限公司