使用用于監(jiān)測、分析和控制的一體式自動(dòng)化系統(tǒng)來提供加熱、冷卻、發(fā)電和能量儲(chǔ)存的基 ...的制作方法
【專利說明】使用用于監(jiān)測、分析和控制的一體式自動(dòng)化系統(tǒng)來提供加熱、冷卻、發(fā)電和能量儲(chǔ)存的基于混合式三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的微電網(wǎng)組合的冷卻、加熱和供電
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求來自以下申請的優(yōu)先權(quán):2012年11月15日提交的題為“混合式風(fēng)力太陽能氫氨再生成系統(tǒng)”(“HYBRID WIND SOLAR HYDROGEN AMMONIA REGENERATESYSTEM”)的美國臨時(shí)申請SN.61/727，108 ;2013年7月29日提交的題為“分布式混合能量生成、儲(chǔ)存系統(tǒng)以及一體式監(jiān)測、分析和控制系統(tǒng)”(“DISTRIBUTED HYBRIDENERGY GENERAT1N, STORAGE SYTEM AND INTEGRATED MONITOR, ANALYSIS AND CONTROLSYSTEM”)的美國臨時(shí)申請SN.61/859,377 ;2013年9月13日提交的題為“分布式混合能量生成、儲(chǔ)存系統(tǒng)以及一體式監(jiān)測、分析和控制系統(tǒng)”(“DISTRIBUTED HYBRID ENERGYGENERAT1N, STORAGE SYTEM AND INTEGRATED MONITOR, ANALYSIS AND CONTROL SYSTEM”)的美國臨時(shí)申請SN.61/877，467 ;2013年10月3日提交的題為“使用用于監(jiān)測、分析和控制的一體式自動(dòng)化系統(tǒng)來提供加熱、冷卻、發(fā)電和能量儲(chǔ)存的基于混合式太陽能三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的微電網(wǎng) CCHP”( “HYBRID SOLAR TRIGENERAT1N SYSTEM BASED MICROGRIDCCHP PROVIDING HEATING, COOLING, ELECTRICAL GENERAT1N AND ENERGY STORAGEUSING AN INTEGRATED AUTOMAT1N SYSTEM FOR MONITOR, ANALYSIS AND CONTROL”)的美國臨時(shí)申請SN.61/886，213 ;以及2013年10月26日提交的題為“使用用于監(jiān)測、分析和控制的一體式自動(dòng)化系統(tǒng)來提供加熱、冷卻、發(fā)電和能量儲(chǔ)存的基于混合式三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的微電網(wǎng) CCHP”( “HYBRID TRIGENERAT1N SYSTEM BASED MICROGRID CCHPPROVIDING HEATING, COOLING, ELECTRICAL GENERAT1N AND ENERGY STORAGE USING ANINTEGRATED AUTOMAT1N SYSTEM FOR MONITOR, ANALYSIS AND CONTROL”)的美國臨時(shí)申請SN.61/896，039。美國臨時(shí)申請SN.61/727，108、美國臨時(shí)申請SN.61/859，377、美國臨時(shí)申請SN.61/877，467、美國臨時(shí)申請SN.61/886，213和美國臨時(shí)申請SN.61/896，039的內(nèi)容通過引用被整體結(jié)合在此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及捕捉和轉(zhuǎn)換能量的過程以及監(jiān)測所述過程。更具體地說，本發(fā)明涉及包含分布式能量生成(包括混合式風(fēng)能和太陽能生成)、能量轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)換、能量儲(chǔ)存、能量供應(yīng)、提供能量監(jiān)測、分析并建立自動(dòng)化對接/控制的智能軟件和硬件接口的元件。
【背景技術(shù)】
[0004]風(fēng)輪機(jī)、太陽能發(fā)電機(jī)、熱太陽能、光伏(有時(shí)稱為“PV”)太陽能、化學(xué)、電解器、哈伯/博施(Haber/Bosch)過程和熱能儲(chǔ)存在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。此外，在用于提供能量生成以滿足能量需求的各種設(shè)計(jì)和配置中使用各種類型的燃料、化學(xué)和熱源的斯特林(Stirling)應(yīng)用和過程、冷凍器、制冷、加熱、冷卻、空氣調(diào)節(jié)、水加熱、蒸餾、水凈化和脫鹽系統(tǒng)、變壓吸附和電力再生是現(xiàn)有技術(shù)中已知的。然而，特別是當(dāng)在物理上部署所述系統(tǒng)，一般不將所述系統(tǒng)規(guī)劃、建立和/或精心安排為一體式系統(tǒng)環(huán)境中的子系統(tǒng)以得益于更高的效率時(shí)，包括以上那些的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)和設(shè)備具有缺點(diǎn)。一般而言，規(guī)劃現(xiàn)有系統(tǒng)以利用效率基礎(chǔ)部署為具有低于標(biāo)準(zhǔn)的(subpar)系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能的獨(dú)立設(shè)備?，F(xiàn)有技術(shù)的部署需要更高的部件計(jì)數(shù)、增加的制造成本、增加的組裝成本、增加的運(yùn)輸成本、增加的子部件計(jì)數(shù)以及具有所需的更大定制部件庫存的更昂貴的部件。此外，現(xiàn)有系統(tǒng)需要重疊和復(fù)制的子系統(tǒng)、頻繁的問題維護(hù)和修理成本、升級化的能量和產(chǎn)品生產(chǎn)成本。這些轉(zhuǎn)而導(dǎo)致更高的操作花費(fèi)、電網(wǎng)能量連接問題和傳輸線損失。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)的智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)主要使用消費(fèi)者連接上的智能電表來監(jiān)測使用。對現(xiàn)有技術(shù)的智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行改進(jìn)，則經(jīng)由監(jiān)測使用、通過設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸、手動(dòng)消費(fèi)輸入以及通過其常見的電信號指紋來標(biāo)識能量使用源，得以實(shí)行本發(fā)明。本發(fā)明進(jìn)一步儲(chǔ)存簡檔數(shù)據(jù)集，對來自所提取的使用簡檔的適當(dāng)?shù)哪芰考僭O(shè)進(jìn)行響應(yīng)，分析增強(qiáng)的能量負(fù)載響應(yīng)的白天使用，并且分析電力質(zhì)量和能量可用性來增強(qiáng)總的電網(wǎng)穩(wěn)定性。用于通過為本申請中的本發(fā)明的最終使用要求和控制元件提供補(bǔ)償來滿足電網(wǎng)穩(wěn)定性的電子監(jiān)測、標(biāo)識、能量生成、基本負(fù)載能量負(fù)荷響應(yīng)和能量供應(yīng)自此應(yīng)當(dāng)是已知的，并且通過以上針對特征和功能的元件將其指定為被稱為ULTRAGRID?( “超級電網(wǎng)?”)的系統(tǒng)。
[0006]聯(lián)產(chǎn)(cogenerat1n)或組合式供熱發(fā)電(“CHP”)是使用熱機(jī)或局部化電站以同時(shí)生成電力和有用的熱。三聯(lián)產(chǎn)(trigenerat1n)或組合式冷卻、供熱和發(fā)電(“CCHP”)是指通過可用的過程和應(yīng)用，同時(shí)生成電力、有用的加熱和冷卻。產(chǎn)生電力、加熱和冷卻的生成系統(tǒng)被稱為三聯(lián)產(chǎn)工廠或多聯(lián)產(chǎn)(polygenerat1n)工廠。
[0007]聯(lián)產(chǎn)是以熱力學(xué)高效的方式來使用燃料。在分開的電力生產(chǎn)中，必須丟棄一些能量作為廢熱，但是在聯(lián)產(chǎn)中，該熱能被投入使用。所有的熱電廠在發(fā)電期間都排熱，可通過冷卻塔、煙道氣或由其他方式將熱釋放到自然環(huán)境中。
[0008]相比之下，CHP捕捉副產(chǎn)物熱中的一些或全部，以便要么非常接近工廠來加熱，要么作為作為熱水或水和乙二醇混合物來加熱，用于具有范圍從大約80到180°C (176 -356° F)的溫度的相關(guān)聯(lián)的鄰區(qū)輻射的和/或區(qū)域加熱。這也被稱為組合式熱電區(qū)域加熱(“CHPDH”)。小型CHP工廠是非集中式的分布式能量的示例。也可將容易得到的中等溫度(100 - 180°C、212 - 356 ° F)的廢熱能用于利用冷凍器(chiller)和制冷器(refrigerator)的吸收冷卻過程，以用于主動(dòng)式冷卻使用、福射冷卻應(yīng)用和冷能儲(chǔ)存。
[0009]高溫?zé)崮艿墓┙o主要將驅(qū)動(dòng)熱密集型應(yīng)用(諸如，為斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)或蒸汽發(fā)電機(jī)提供熱能輸入)，然后，如在聯(lián)產(chǎn)中所述，將所得到的較低溫度的熱廢能用于蒸餾、水或輻射空間加熱。三聯(lián)產(chǎn)與聯(lián)產(chǎn)不同，因?yàn)橥ǔ＠梦绽鋬銎骰蛑评淦?，將熱廢能用于加熱和冷卻兩者。CCHP系統(tǒng)能獲得比聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠或傳統(tǒng)發(fā)電廠甚至更高的總體效率。在美國，將建筑中的三聯(lián)產(chǎn)應(yīng)用稱為建筑供冷、供熱和供電(“BCHP”)。無論是直接的還是通過被動(dòng)式輻射的加熱和冷卻，加熱和冷卻輸出都可同時(shí)操作，或替代地可取決于需求和系統(tǒng)構(gòu)造以及可用的廢能的數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行操作。
[0010]在最早的發(fā)電裝置中的一些裝置中實(shí)施了聯(lián)產(chǎn)。在中心站提供分布式供電之前，工業(yè)企業(yè)使用用于工藝加熱的廢蒸汽來生成其自身的能量。大型辦公樓和公寓樓、酒店和商店通常生成其自身的電力，并且將廢蒸汽用于建筑供熱。由于早期采購電力的高成本，即便在公用事業(yè)電可用之后，這些分布式CHP操作繼續(xù)持續(xù)了許多年。
[0011]經(jīng)常將微型CCHP或“微型三聯(lián)產(chǎn)”認(rèn)為是分布式能源(“DER”)的理想實(shí)現(xiàn)方式。在住房、小型商業(yè)和/或輕型商貿(mào)應(yīng)用中，該裝置一般小于5kWe。代替燃燒燃料或使用能量捕捉系統(tǒng)而僅加熱或冷卻空間或水，這些能量中的一些除了被轉(zhuǎn)換為直接加熱、冷卻或被動(dòng)式輻射加熱和冷卻之外，還被轉(zhuǎn)換為電力?？稍诩抑谢蚱髽I(yè)里使用該電力，或者如果經(jīng)電網(wǎng)管理部門許可，可將該電力回售給電力電網(wǎng)。小規(guī)模CCHP系統(tǒng)的發(fā)展已為內(nèi)部(in-house)能量生成提供了機(jī)會(huì)，該內(nèi)部能量生成默認(rèn)僅在儲(chǔ)存量耗盡時(shí)才將電網(wǎng)能量用作作為最后手段的備用電源。
[0012]微電網(wǎng)(microgrid)是對發(fā)電、能量儲(chǔ)存和一般連接到傳統(tǒng)的集中式電網(wǎng)(宏電網(wǎng)(mac1grid))進(jìn)行操作的負(fù)載的局部化分組。可斷開通常與宏電網(wǎng)耦合的該單個(gè)點(diǎn)的連接。然后，該微電網(wǎng)可自主地運(yùn)行。通常以低電壓連接發(fā)電和微電網(wǎng)中的負(fù)載。從電網(wǎng)運(yùn)營商的角度看，能以好像所連接的微電網(wǎng)是一個(gè)實(shí)體那樣來控制它。微電網(wǎng)生成資源可包括燃料電池、風(fēng)力、太陽能或其他能源。多個(gè)散布的生成源和將微電網(wǎng)從更大的網(wǎng)絡(luò)隔離開的能力將提供高度可靠的電力?？蓪闹T如斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)之類的生成源中產(chǎn)生的熱用于局部的直接工藝加熱和冷卻或被動(dòng)式輻射空間加熱和冷卻，從而允許在提供加熱、冷卻和電力的需求和可用方法之間的靈活互換。
[0013]斯特林循環(huán)熱機(jī)由金屬和/或類似特性的材料制成。斯特林循環(huán)熱機(jī)具有:壓縮偵牝也被稱為壓縮側(cè)汽缸，其具有使用圍繞容器的液體冷卻端口的用于壓縮的動(dòng)力活塞；以及置換器(displacer)側(cè)，也被稱為熱側(cè)容器，其具有所連接的熱源并且包括再生器和具有活塞的置換器。熱差是斯特林循環(huán)能量生成的基礎(chǔ)。現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)和過程使用空氣冷卻或利用風(fēng)扇伴隨環(huán)境空氣的普通熱分布系統(tǒng)型水冷卻來將熱從系統(tǒng)的壓縮側(cè)輻射出去。
[0014]斯特林循環(huán)熱機(jī)是內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的替代發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。已開發(fā)了并在現(xiàn)有技術(shù)中詳細(xì)記載了斯特林熱機(jī)的多種設(shè)計(jì)。盡管斯特林循環(huán)熱機(jī)具有相比于內(nèi)燃機(jī)獲得更大的熱力學(xué)效率的卡諾(Carnot)勢，但是在過去，斯特林熱機(jī)僅很少地被使用并用于非常有限的應(yīng)用中。這是由于在最初研宄的幾年期間經(jīng)常發(fā)生的若干因素，諸如，缺乏專業(yè)化的制造能力、缺乏特殊的金屬和合金、設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、便宜的一次性能量輸入、在用于運(yùn)輸時(shí)相對于斯特林循環(huán)熱機(jī)的內(nèi)燃的可用能量類型、每能量單位扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)能輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)毛重以及過去啟動(dòng)熱機(jī)的困難。
[0015]理想的斯特林循環(huán)包括作用于工作流體的以下三個(gè)熱力學(xué)過程:1)等溫膨脹一一以恒定的高熱溫維持膨脹空間和相關(guān)聯(lián)的熱交換器，并且氣體經(jīng)歷從熱源吸收熱的近似等溫膨脹；2)恒容(也被稱為等容或等體積)熱去除一一使氣體經(jīng)過再生器(氣體在其中冷卻)，從而將熱能轉(zhuǎn)移到再生器以供在下一循環(huán)中使用；以及3)等溫壓縮一一以恒定的低熱溫度維持壓縮空間和相關(guān)聯(lián)的熱交換器，使得氣體經(jīng)歷將熱排到冷散熱器(cold sink)的近似等溫壓縮。理論上的熱效率等于假設(shè)的卡諾循環(huán)的熱效率一一即，可由任何熱機(jī)達(dá)到的最高效率。
[0016]α、β和γ型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是本領(lǐng)域中公知的。γ型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)僅僅是其中在置換器活塞汽缸旁邊的分開的汽缸中裝載動(dòng)力活塞的β型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，它仍然連接到同一個(gè)飛輪和曲軸。在兩個(gè)汽缸中的氣體能在這兩個(gè)汽缸之間自由流動(dòng)，并且保持為單體。該配置一般產(chǎn)生低壓縮比，但在機(jī)械上更簡單，并且經(jīng)常用于多汽缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0017]γ型發(fā)動(dòng)機(jī)具有類似于β型發(fā)動(dòng)機(jī)、但在不同的汽缸中的置換器和動(dòng)力活塞。這允許在與置換器汽缸相關(guān)聯(lián)的熱交換器和與活塞相關(guān)聯(lián)的壓縮和膨脹工作空間之間進(jìn)行方便的完全分離。由此，它們趨向于具有比α型發(fā)動(dòng)機(jī)或β型發(fā)動(dòng)機(jī)稍大的死體積區(qū)。在多汽缸斯特林循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中，按排(row)設(shè)置汽缸，一排中的多個(gè)汽缸相對于另一排中的多個(gè)汽缸交錯(cuò)，并且以相對于另一排中的多個(gè)汽缸的縱軸的角度來設(shè)置第一排中的多個(gè)汽缸的縱軸。
[0018]通常使用風(fēng)能技術(shù)將來自風(fēng)力的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和/或電力。為了提取風(fēng)力，風(fēng)輪機(jī)可包括具有一組葉片和連接到這些葉片的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子。風(fēng)經(jīng)過轉(zhuǎn)子連接的葉片使這些葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，并使轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。此外，可將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸耦合至執(zhí)行諸如用泵抽水、大氣氣體分離壓縮機(jī)等的機(jī)械任務(wù)的機(jī)械系統(tǒng)?；蛘撸蓪⒃撧D(zhuǎn)軸連接到將轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電力的發(fā)電機(jī)；隨后可使用其對消費(fèi)者、商業(yè)、工業(yè)設(shè)備和/或電網(wǎng)供電。
[0019]通常使用太陽能技術(shù)將來自太陽的輻射光能轉(zhuǎn)換為熱能和/或光伏電力。為了提取太陽能功率，使用收集表面和/或反射器(就像利用用于將太陽能集中在上述太陽能收集器表面上的熱太陽能技術(shù)的情況)，使得到達(dá)收集表面的太陽能被轉(zhuǎn)換為光伏生成的電能或作為熱生成的熱供直接使用、轉(zhuǎn)移和/或儲(chǔ)存。然而，風(fēng)多變的性質(zhì)和太陽能的可用性可能妨礙基本負(fù)載和/或按需生成電力、從風(fēng)能和太陽能中生成的產(chǎn)物和副產(chǎn)物。例如，可能需要使用化學(xué)和熱技術(shù)的能量儲(chǔ)存來補(bǔ)償從風(fēng)力和太陽能生成的電力、產(chǎn)物和副產(chǎn)物的波動(dòng)，并且/或者在私有和公共的電網(wǎng)中維持可靠的電力/熱能供應(yīng)服務(wù)。
[0020]通常將電解器技術(shù)用于使用置于基于水的導(dǎo)電混合物中以分離氫和氧的電極來轉(zhuǎn)換電能。該過程使用電解液添加劑來增強(qiáng)導(dǎo)電性。為了將水分離為分開的部分，給予一對陽極和陰極對應(yīng)的正電壓和負(fù)電壓以分離氫和氧，然后將被分開的氣體移動(dòng)到儲(chǔ)存設(shè)備或向前移動(dòng)以對附加產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步的處理。哈伯-博施(Haber-Bosch)法是用于生產(chǎn)氨的技術(shù)。伴隨著壓力容器中足夠的壓強(qiáng)和熱輸入，先前儲(chǔ)存的氫與氮(來源于處理空氣變壓吸附)進(jìn)行催化反應(yīng)以形成合成的無水液氨。該過程也稱為氨合成循環(huán)(也被稱為哈伯-博施過程):3H2+N2=2NH3?，F(xiàn)有技術(shù)的哈伯-博施氨合成工廠使用所生成的熱用于氫氣和氮?dú)獾暮铣?，它們被組合，然后使用冷卻塔冷卻它們以冷卻生成大量可用熱能的氨?，F(xiàn)有技術(shù)使用附加能量來去除熱以冷卻氨，以便進(jìn)行儲(chǔ)存，進(jìn)一步傳遞了效率損失并提高了產(chǎn)品成本。
[0021]變壓吸附(有時(shí)被稱為“PSA”)是用于使用氣體產(chǎn)物專用的過濾器和篩在根據(jù)分子特性的壓強(qiáng)下將特定氣體從氣體混合物中分離出來的技術(shù)。通常使用大氣氣體收集、增壓、分離來提取諸如氮、氧之類的感興趣的特定氣體，并為進(jìn)一步步驟中的惰性氣體分離提供氣體給料(feedstock)供給。用于氣體分離的大氣惰性給料氣體通常使用熱蒸飽過程來提取感興趣的單一氣體，諸如，氬、氦、氙和其他公知的大氣氣體。具有特定氣體專用的氣體提取部分的氣體對于各種應(yīng)用是有意義的，并且可運(yùn)輸它們并將它們處理為氣態(tài)，并重新處理為適于合適類型的儲(chǔ)存系統(tǒng)的液態(tài)。
[0022]當(dāng)前的現(xiàn)有技術(shù)(也被稱為直接太陽熱能發(fā)電技術(shù))具有以下劣勢:
[0023]1.大空間要求或有限的反射器表面/地表面比率。這對于設(shè)計(jì)成用于使鄰近的反射器的重疊-遮蔽(overlapping-shadowing)效應(yīng)(阻擋了入射或反射陽光)最小化的系統(tǒng)是典型的。可針對一年僅發(fā)生一次(或?qū)τ跁円蛊椒贮c(diǎn)發(fā)生兩次)的太陽在天空中的特定位置來優(yōu)化反射器面板排之間的距離及其取向。為了最大限度地利用反射器面板表面，使這些排在其間留有相當(dāng)大的間隔。按這種方法，對于給定的熱輸出所需的場地范圍變大。大場地則導(dǎo)致大范圍的以及昂貴的管道系統(tǒng)和其他服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。
[0024]2.每直線長度單位鏡面的有限的反射能量。這對于設(shè)計(jì)成用于使反射器場地的面積最小化的系統(tǒng)是典型的。在這種情況下，經(jīng)常使反射器排接近于彼此而均勻地留有間隔。由于上述的重疊-遮蔽效應(yīng)，這些系統(tǒng)具有低的反射器面積利用。
[0025]3.有限的季節(jié)性能量。這對于所有已知的系統(tǒng)(包括浮式、旋轉(zhuǎn)式“太陽能島”概念)都是典型的。該劣勢來自反射器相對于收集器的固定位置。即便位置經(jīng)優(yōu)化，鏡面的該固定位置也僅對一年中的單個(gè)小時(shí)是理想的。然而，對于一年中的其余時(shí)間，這些鏡面將需要在反射器之間的不同的經(jīng)優(yōu)化的分布。
[0026]4.降低的收集器和/或吸收體效率。已知的收集器系統(tǒng)要么具有高的熱損失，要么具有不佳的輻射捕捉效率。熱損失是由高表面溫度和高入射輻射通量導(dǎo)致的。低效的收集和/或吸收體效率的根本原因是將鏡面聚焦在到吸收體的相對大的距離上的不精確。例如，收集器和/或吸收體的活動(dòng)的吸收體表面必須受限(限制為最優(yōu)值)。此外，反射器面板到接收反射輻射的最近的收集器的距離需要保持為小的，以便能夠捕捉最佳的可用陽光能量。
[0027]5.工作流體回路系統(tǒng)的有限的液壓穩(wěn)定性、差的調(diào)節(jié)比(turndown rat1)和不足的可控性。作