使用两相流以便于热交换的压缩空气能量存储系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 本案为分案申请，其母案为申请日为2010年6月28日、申请号为 201080013689. 1、发明名称为"使用两相流以便于热交换的压缩空气能量存储系统"的专利 申请。
技术领域
【背景技术】
[0002] 空气被压缩到300巴时所具有的能量密度可以与铅酸电池以及其他能量存储技 术所提供的能量密度相比。然而，由于热损失和机械损失之故，空气的压缩和减压过程通常 效率较低。将压缩空气用于能量存储应用尽管有很明显的优点，这种低效率限制了其经济 可行性。
[0003] 众所周知，如果压缩过程等温（isothermally)进行（要求在压缩之前或期间冷却 空气），那么压缩机就更有效率。从1930年以来，经常不时地发布一些等温气体压缩机的专 利（例如，美国专利No. 1，751，537和No. 1，929, 350)。有效地压缩空气的一个方法是，在几 个级（stages)中进行压缩，每个级在汽缸装置（cylinder device)中包括往复活塞，在级 之间有中间冷却装置（例如，美国专利No. 5, 195, 874)。所述空气的冷却也可以通过将液 体（诸如矿物油、制冷剂、或水）注入压缩腔或注入级间的气流中来实现（例如，美国专利 No. 5, 076, 067)。
[0004] 有几个能量存储系统的专利将压缩空气与天然气混合起来并将混合物进给到燃 气轮机中，从而增加了轮机的功率输出（例如，美国专利No. 5, 634, 340)。所述空气通过电 驱动的空气压缩机进行压缩，而所述空气压缩机在电需求低的时段工作。压缩空气增强型 燃气轮机在峰值需求时驱动发电机。已经建立了两个这样的系统，并且提出建其它的系统， 这些系统使用地下洞穴来存储压缩空气。
[0005] 已经公布了这种能量存储方案的改进版本的一些专利，它们应用在所述燃气 涡轮机上游的饱和器来加热和润湿进来的空气，从而提高系统的效率（例如，美国专利 No. 5, 491，969)。也公布了其它一些专利，这些专利提及膨胀前利用低质量的热（诸如 来自一些其它过程中的废热）来加热空气从而也提高效率的可能性（例如，美国专利 No. 5, 537, 822)。
【发明内容】
[0006] 本发明的实施例一般地说涉及能量储存系统，具体地说，涉及利用压缩空气作为 能量存储介质的能量储存系统（energy storage system),其中该能量储存系统包括空气 压缩/膨胀机构、热交换器（heat exchanger)以及一个或多个空气存储罐（air storage tank)〇
[0007] 根据本发明的实施例，提供一种压缩空气能量储存系统，其包括压缩和膨胀空气 的可逆机构、一个或多个压缩空气存储罐、控制系统、一个或多个热交换器，以及在本发明 的一些实施例中，还包括马达-发电机（motor-generator)。
[0008] 所述可逆的空气压缩机-膨胀机利用机械能来压缩空气（当其作为压缩机来工作 时）并将压缩空气中所存储的能量转换为机械能（当其作为膨胀机来工作时）。所述压缩 机-膨胀机包括一个或多个级，每个级都包括部分地充有水或其它液体的压力容器（即"压 力室"）。在一些实施例中，所述压力容器与一个或多个汽缸装置连通以与该汽缸装置的汽 缸腔交换空气和液体。在电子控制下，合适的阀门调节允许空气进入或离开所述压力室和 汽缸装置（如果有的话）。
[0009] 上面所提及的汽缸装置可以以若干种方法之一来构造。在一个具体的实施例中， 它可以设有与活塞杆（piston rod)相连的活塞，使得进出所述汽缸装置的机械能通过这个 活塞杆来传输。在另一种配置中，所述汽缸装置可以包含液压液（hydraulic liquid)，在这 种情形中，该液体由膨胀空气的压力来驱动，从所述汽缸装置以这种方式传输出能量。在这 种配置中，所述液压液能够与所述空气直接相互作用，或者横过所述汽缸装置口径的隔膜 (diaphragm)能够将所述空气与所述液体隔开。
[0010] 在低压级（low-pressure stage)中，在膨胀或压缩冲程（stroke)期间，液体通 过雾化喷嘴（puzzle)被泵入所述压力室（pressure cell)中，或者，在某些实施例中，被泵 入所述汽缸装置中以便于热交换。进入所述腔中的液体的数量足以吸收（在压缩过程中） 或释放（在膨胀过程中）与该压缩或膨胀过程相关的所有的热，使这些过程近等温地进行。 然后，该液体在所述冲程的不作功阶段（non-power phase)返回所述压力室中，在该压力室 中它能够通过常规的热交换器与外部环境换热。这就能使所述压缩和膨胀过程高效地进 行。
[0011] 本发明的实施例的工作特征在于被压缩或膨胀的气体的温度变化的幅度。根据一 个实施例，在压缩循环期间，所述气体的温度可以升高100或小于100摄氏度，或者温度可 以升高60或小于60摄氏度。在一些实施例中，在膨胀循环中，所述气体的温度可以降低 100或小于100摄氏度、15或小于15摄氏度、或11或小于11摄氏度，从初始的室温到接近 水的凝固点（freezing point)。
[0012] 除了上述通过喷嘴注入液体外，在一个或多个所述汽缸装置中，空气也可以形成 气泡穿过一定数量的液体，以便于进行热交换。在高压时优先使用这种方法。
[0013] 在膨胀过程中，以电子方式控制阀门时序（valve timing)，使得只允许以希望的 膨胀比进行膨胀所需数量的空气进入所述汽缸装置中。随着所述存储罐耗尽，这个体积就 发生改变，从而必须动态地调节所述阀门时序。
[0014] 所述汽缸腔（如果存在的话）和压力室的体积从高压级到低压级增加。在本发明 的其它具体实施例中，不是使用具有不同容积的汽缸腔（cylinder chamber),而是使用腔 具有相同容积的多个汽缸装置，其总容积积等于所要求的较大容积。
[0015] 在压缩过程中，马达或其它的轴转矩源（source of shaft torque)驱动所述活 塞，或者通过对所述汽缸装置中的空气进行压缩的泵产生液压（hydraulic pressure)。在 膨胀过程中，则反过来。膨胀空气驱动所述活塞或液压液，将机械能传输出系统。使用常规 的马达-发电机可以将这个机械能转换成电能或从电能转换成机械能。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明所述的压缩空气能量存储系统的第一实施例的示意表示，即利用液 雾实现热交换的单级、单作用能量存储系统；
[0017] 图2是本发明所述的压缩空气能量存储系统的第二实施例的方框图，示出了多级 如何结合成完整的系统；
[0018] 图3是压缩空气能量存储系统的第三实施例的示意表示，S卩，既使用液雾又使用 穿过液体的空气气泡来实现热交换的单级、单作用能量存储系统；
[0019] 图4是本发明所述的多级压缩空气能量存储系统中使用液雾实现热交换的一个 单作用级的示意表示；
[0020] 图5是本发明所述的多级压缩空气能量存储系统中的一个双作用级的示意表示；
[0021] 图6是本发明所述的多级压缩空气能量存储系统中的一个使用穿过液体的空气 气泡来实现热交换的单作用级的示意表示；
[0022] 图7是本发明所述的多级压缩空气能量存储系统中的一个使用多个汽缸装置的 单作用级的示意表示；
[0023] 图8是用来将能量送入或送出系统的四种方法的示意表示；
[0024] 图9是使用液压马达作为传送和接收机械能的机构的多级压缩空气能量系统的 方框图；
[0025] 图10示出了本发明所述的设备的另一个实施例；
[0026] 图IIA-IIF示出了控制各个阀门的时序的控制器的操作；
[0027] 图12A-C示出了本发明的一个实施例所述的压缩循环的步骤期间的设备配置；
[0028] 图13A-C示出了本发明的一个实施例所述的膨胀循环的步骤期间的设备配置；
[0029] 图14A-C示出了本发明的一个实施例所述的压缩循环的步骤期间的设备配置；
[0030] 图15A-C示出了本发明的一个实施例所述的膨胀循环的步骤期间的设备配置；
[0031] 图16A-D示出了本发明的一个实施例所述的压缩循环的步骤期间的设备配置；
[0032] 图17A-D示出了本发明的一个实施例所述的膨胀循环的步骤期间的设备配置；
[0033] 图18A-D示出了本发明的一个实施例所述的压缩循环的步骤期间的设备配置；
[0034] 图19A-D示出了本发明的一个实施例所述的膨胀循环的步骤期间的设备配置；
[0035] 图20示出了适合于结合本发明的实施例所述的方法和系统使用的计算机系统的 简化图；
[0036] 图20A是图20所示的计算机系统中的基本子系统的说明；
[0037] 图21是用于控制本发明所述的设备的各个部件的操作的控制器的输入和输出的 方框图的一个实施例；
[0038] 图22是简化图，示出了本发明所述的设备的一个实施例；图22A-B示出了以不同 模式工作的图22所示的设备；
[0039] 图23是简化图，示出了压缩机-膨胀机的一个实施例中的空气流；
[0040] 图24A是简