專利名稱：用于絕熱壓縮空氣能量存儲系統(tǒng)的熱能存儲裝置以及形成此系統(tǒng)的壓縮方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例總體涉及壓縮空氣能量存儲(CAES)系統(tǒng)，且更具體地，涉及絕熱CAES系統(tǒng)中的熱能存儲(TES)系統(tǒng)。
背景技術：
CAES系統(tǒng)允許不產(chǎn)生大量的排放物和/或消耗大量的自然資源而存儲電能。CAES系統(tǒng)典型地包括具有一個或更多壓縮機的壓縮組。該一個或更多壓縮機在壓縮階段中壓縮進氣以存儲在洞穴、多孔巖層、廢棄天然氣/油田或其他壓縮空氣存放場中。壓縮空氣則以后在能量發(fā)生階段用于驅(qū)動渦輪以產(chǎn)生電能，電能又可提供給公用電網(wǎng)。如果在壓縮階段期間公用電能用來驅(qū)動壓縮組，則壓縮組常在公用設備的非高峰時間操作。CAES的能量發(fā)生階段又典型地在高功率需求時間操作。備選地，來自可再生源的能量，諸如來自風力渦輪機或太陽能電池板陣列的能量，可用于在壓縮階段期間驅(qū)動該壓縮組以壓縮空氣并將空氣 輸送至壓縮空氣存儲位置(例如洞穴)。這樣，壓縮組可在非高峰時間之外的時間操作，并且可以保存現(xiàn)有的公用電能。一種類型的CAES系統(tǒng)已知為非絕熱CAES系統(tǒng)。在非絕熱CAES系統(tǒng)中，由壓縮組產(chǎn)生的熱量典型地損失至周圍環(huán)境。就是說，壓縮的熱量可以損失至中間冷卻器中的環(huán)境，而在進入洞穴或其他壓縮空氣存放場時留下的熱量在壓縮空氣與洞穴空氣混合時減少，并在存儲期間進一步冷卻至環(huán)境溫度。因此，當存儲在洞穴或壓縮空氣存放場中的壓縮空氣被用于驅(qū)動一個或更多渦輪以產(chǎn)生電能時，壓縮空氣典型地在進入渦輪前被再加熱。此再加熱步驟典型地使用位于壓縮空氣存放場和該一個或更多渦輪之間的燃燒天然氣的燃燒器和回流換熱器執(zhí)行。由于此再加熱步驟，非絕熱CAES系統(tǒng)的整體效率降低，并且使用天然氣來給燃燒器提供燃料導致碳排放和自然資源消耗。絕熱CAES或ACAES系統(tǒng)能夠通過捕獲并存儲壓縮的熱量用于以后使用而改善系統(tǒng)效率。在此類系統(tǒng)中，一個或更多熱能存儲(TES)單元定位在壓縮機和洞穴之間。典型地，TES單元在其中包含用于熱量存儲的介質(zhì)，諸如混凝土、巖石、流體(例如油)、熔鹽或相變材料。來自壓縮階段的熱空氣通過TES單元，從而在該過程中將其壓縮熱量傳遞至介質(zhì)。因此，不同于非絕熱CAES系統(tǒng)，ACAES系統(tǒng)不損失由壓縮組產(chǎn)生的全部熱量，而是將熱量的一些存儲在一個或多個TES單元內(nèi)。壓縮空氣然后進入處于或接近環(huán)境溫度的洞穴。當存儲在洞穴或其他壓縮空氣存儲單元內(nèi)的壓縮空氣要被抽出以驅(qū)動一個或更多渦輪來產(chǎn)生電能時，壓縮空氣往回通過TES單元，從而在進入該一個或更多渦輪之前再加熱該壓縮空氣。這樣，ACAES系統(tǒng)不需要另外的天然氣來再加熱離開洞穴或其他壓縮空氣存放場的壓縮空氣。因此，ACAES系統(tǒng)相對于非絕熱CAES系統(tǒng)提供了改善的效率，具有較少(如果有的話)的碳排放并且極少甚至沒有自然資源消耗。構造成有效地存儲在壓縮組的壓縮循環(huán)期間生成的熱量的TES單元建造成承受與ACAES系統(tǒng)相關的高熱量波動和高壓力。例如，離開壓縮組的壓縮空氣溫度可從250°C到750°C變化，而從洞穴進入TES單元的壓縮空氣的溫度接近環(huán)境溫度。同樣，TES單元設計成承受65-85巴的壓力。為了承受此類高溫和壓力，對于TES單元的當前建議包括建造填充有用于熱量存儲的介質(zhì)的大型混凝土圓柱體。由于它們的大直徑，這些TES單元形成為具有厚的、預加應力的且鋼增強的混凝土壁，其使得TES單元能夠承受壁中由其中的壓力所產(chǎn)生的高張力。然而，此類厚混凝土壁的建造導致極大的工程困難和高成本，從而降低了實施與較低效的非絕熱CAES系統(tǒng)相對的ACAES系統(tǒng)的可行性。此外，高操作溫度以及溫度循環(huán)導致破壞性的熱應力進入該混凝土壁，并且這些應力隨著混凝土壁變厚而被放大。因此，設計克服與TES單元建造相關的前述缺點的裝置和方法將是期望的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多個方面提供了用于TES系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法，該TES系統(tǒng)具有配置成承、受高溫和高壓的至少一個TES單元。該至少一個TES單元建造并布置成使得該至少一個TES單元的壁具有最小的厚度。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，公開了一種熱能存儲系統(tǒng)，該熱能存儲系統(tǒng)包括布置成彼此緊鄰的多個壓力容器，各壓力容器均具有包括外表面和內(nèi)表面的壁，該內(nèi)表面與該外表面由相應的壁厚度隔開，并且包圍該壓力容器的內(nèi)部容積。該內(nèi)部容積具有與一個或更多壓縮機以及一個或更多渦輪成流體連通的第一端，以及與一個或更多附加的壓縮機、一個或更多附加的渦輪以及至少一個壓縮空氣存放場的至少其中一個成流體連通的第二端。該熱能存儲系統(tǒng)還包括定位在該多個壓力容器的每一個的內(nèi)部容積中的熱存儲介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，公開了一種形成熱能存儲系統(tǒng)的方法，該方法包括形成第一壓力容器和形成第二壓力容器，該第一壓力容器具有建造成具有預定高度和厚度的壁，其中該第一壓力容器的壁的內(nèi)表面限制其中的內(nèi)部容積，該第二壓力容器建造成具有預定高度和厚度的壁，其中該第二壓力容器的壁的內(nèi)表面限制其中的內(nèi)部容積。該方法還包括將多孔熱存儲介質(zhì)設置在第一壓力容器和第二壓力容器的每一個的內(nèi)部容積內(nèi)，并且將第一壓力容器和第二壓力容器布置成彼此緊鄰。同樣，該方法包括將第一和第二壓力容器的每一個的第一端連接到一個或更多壓縮機上并連接到一個或更多渦輪上，使得第一和第二壓力容器的每一個與該一個或更多壓縮機以及該一個或更多渦輪成流體連通，以及將第一和第二容器的第二端連接到一個或更多附加的壓縮機、一個或更多附加的渦輪以及一個或更多壓縮空氣存放場的至少其中一個上，使得第一和第二壓力容器的每一個均與該一個或更多附加的壓縮機、該一個或更多附加的渦輪以及該一個或更多壓縮空氣存放場的至少其中一個成流體連通。根據(jù)本發(fā)明的又另一個方面，公開了一種熱能存儲裝置，該熱能存儲裝置包括限制第一內(nèi)部容積的第一混凝土圓柱形壁和限制第二內(nèi)部容積的第二混凝土圓柱形壁，其中該第二混凝土圓柱形壁布置在該第一混凝土圓柱形壁的第一內(nèi)部容積內(nèi)，使得第一混凝土圓柱形壁和第二混凝土圓柱形壁是共軸的。該熱能存儲裝置還包括設置在第一混凝土圓柱形壁的第一內(nèi)部容積內(nèi)以及第二混凝土圓柱形壁的第二內(nèi)部容積內(nèi)的多孔熱基質(zhì)材料。由以下詳細描述和圖形將使各種其他特征和優(yōu)點顯而易見。


了當前設想用來執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式。在附圖中
圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的ACAES系統(tǒng)的示意性布置。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的TES系統(tǒng)的橫截視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的TES系統(tǒng)的橫截視圖。圖4是根據(jù)圖3的實施例的TES系統(tǒng)的俯視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的TES系統(tǒng)的橫截視圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的放置在洞穴的井道內(nèi)的TES系統(tǒng)的橫截視圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種包括至少一個TES單元的系統(tǒng)，其配置成允許該至少一個TES單元承受高壓和高溫波動，同時維持最小的壁厚。首先，參看圖1，顯示了 ACAES系統(tǒng)的主要要素的示意性布置。ACAES系統(tǒng)100包括聯(lián)接到低壓壓縮機104上的電動馬達102。電動馬達102可經(jīng)由常規(guī)手段即公用電網(wǎng)在非高峰公用時間期間電力地驅(qū)動。備選地，電動馬達102可由經(jīng)由風電廠、太陽能陣列或其他可再生源提供的電力驅(qū)動。電動馬達102驅(qū)動低壓壓縮機104，使得低壓壓縮機104給進氣106加壓。來自低壓壓縮機104的加壓空氣108然后被提供給高壓壓縮機112，以使空氣能夠經(jīng)受進一步壓縮。類似于低壓壓縮機104，高壓壓縮機112由電動馬達110驅(qū)動。電動馬達110也可通過公用電網(wǎng)或者通過諸如風電廠和太陽能陣列的可再生源驅(qū)動。雖然ACAES系統(tǒng)100顯示在“壓縮組”中使用兩個壓縮機，但應該理解的是可以使用更多或更少的壓縮機。當空氣經(jīng)過相應的低壓壓縮機104和高壓壓縮機112時，空氣被加壓到65 — 85巴的水平并隨后被加熱到高達650°C的溫度。此加壓、加熱的空氣114然后進入至少一個熱能存儲(TES)單元116。該至少一個TES單元116典型地包括設置在其中的多孔熱存儲介質(zhì)，該多孔熱存儲介質(zhì)能夠在空氣通過該至少一個TES單元116時保留由空氣114發(fā)出的大量熱量。多孔熱存儲介質(zhì)可為多種固體材料，諸如天然巖石(例如片裂巖和/或卵石)、陶瓷、混凝土、鑄鐵或陶瓷和鹽的組合物。備選地，該多孔熱存儲介質(zhì)可為液體材料，諸如硝酸鹽和礦物油的組合物。然而，使用諸如片裂巖和/或卵石的自然存在的熱存儲介質(zhì)材料的優(yōu)點在于可以極大地降低材料成本，并且可以節(jié)省制造/運輸能量，假定此類自然存在的材料容易獲得的話。如果自然巖石被用作多孔熱存儲介質(zhì)，則片裂巖和/或卵石應該具有適當?shù)某叽纾跃哂懈弑砻鎸θ莘e比率以及耐熱性。在加熱的空氣114通過至少一個TES單元116后，壓縮的空氣118在降低的溫度下離開該至少一個TES單元116，以使得壓縮的空氣118能夠存儲在洞穴122或其他壓縮空氣存放場中。然而，在進入洞穴122之前，壓縮的空氣118可能需要由可選的中間冷卻器120進一步冷卻，使得壓縮的空氣118在例如大約50°C的最大溫度下進入洞穴122。洞穴122使得空氣能夠被加壓至大約60-80巴的水平，以存儲延長的時段而沒有明顯的壓縮損失。依然參見圖1，當希望使用存儲的空氣來產(chǎn)生電力時，壓縮的空氣124可從洞穴122排放。壓縮空氣124離開洞穴122并在大約20-50°C的溫度下重新進入該至少一個TES單元116。當壓縮空氣通過該至少一個TES單元116的多孔熱存儲介質(zhì)時，其被再加熱到高達600°C的溫度，該溫度接近加熱的空氣114之前從高壓壓縮機112排放的溫度。在此階段被加壓至大約55 - 75巴的水平的此再加熱的壓縮空氣126然后進入渦輪128，渦輪128由再加熱的壓縮空氣126驅(qū)動?？墒褂枚嘤谝粋€渦輪128，從而形成“膨脹組”。與非絕熱CAES系統(tǒng)不同，壓縮空氣126已經(jīng)在該至少一個TES單元116內(nèi)被再加熱，并且因此不需要在蒸汽渦輪處的附加熱量回收或氣體燃燒以再加熱該壓縮空氣。當渦輪128操作時，排放空氣130由其排出，并且蒸汽渦輪128驅(qū)動發(fā)電機132。由發(fā)電機132產(chǎn)生的電能之后可提供給公用電網(wǎng)用于消耗。如可以輕易理解的那樣，ACAES系統(tǒng)100表現(xiàn)了一種產(chǎn)生電力的方法，該方法即便不是消除，也可以極大地減少電能生產(chǎn)中的自然資源消耗和/或碳排放。備選地，在稱為多級ACAES系統(tǒng)中，可采用多于一個TES單元116，使得僅一個TES單元流體地連接到洞穴或其他壓縮空氣存放場上，而一個或更多中間TES單元設置在壓縮組和/或膨脹組之間，且TES單元流體地連接到壓縮空氣存放場上。這些中間TES單元不是在一端處流體地連接到該一個或更多壓縮機以及一個或更多渦輪上并在另一端處連接到壓縮空氣存放場上，而是在其每一端處都流體地連接到該一個或更多壓縮機以及一個或 更多渦輪上。如以上關于圖I所討論的，該至少一個TES單元116在ACAES系統(tǒng)100的操作期間可能受極大的壓力(65-85巴)和溫度(高達650°C )影響。結(jié)果，該至少一個TES單元116應建造成承受這樣的高壓和高溫水平。參看圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的TES系統(tǒng)216。應該理解的是TES系統(tǒng)216可用作圖I中所示的該至少一個TES單元116，從而TES系統(tǒng)216能夠承受與ACAES系統(tǒng)的操作相關的極大的壓力和溫度。圖2圖示了 TES系統(tǒng)216的橫截面視圖。TES系統(tǒng)216包括兩個分離的同軸圓柱形壓力容器218，220。壓力容器218包括具有預定長度和直徑的壁222，其中壁222的長度可從10 - 30米變化，而直徑可從3 - 6米變化。然而，壓力容器218不限于這樣的長度和直徑范圍，并且在長度和直徑兩者上都可更大或更小。另一方面，壓力容器220包括具有預定長度和直徑的壁224，其中壁224的長度可從10 — 30米變化，而直徑可從5 — 12米變化。然而，如同壓力容器218—樣，壓力容器220的長度和直徑不限于上述范圍。壓力容器218,220通常使用增強混凝土形成，但是可使用任何合適的材料包括鋼來形成。同樣，壓力容器218、220不限于在形狀上為圓柱形，而是可形成為具有任何合適的形狀。如圖2中清楚圖示的，壓力容器218設置在壓力容器220的內(nèi)部容積的界限內(nèi)。壓力容器218的內(nèi)部容積在其中包含了多孔熱存儲介質(zhì)226，而壓力容器220的內(nèi)部容積在其中包含了多孔熱存儲介質(zhì)228。多孔熱存儲介質(zhì)226、228可由相同的熱存儲材料構成，或者備選地，可由不同的熱存儲材料構成。如以上關于圖I類似地討論的那樣，TES系統(tǒng)216構造成從至少一個壓縮機接納壓縮空氣，從而壓縮空氣在第一端230處進入相應的壓力容器218、220，并在第二端232處離開相應的壓力容器218、220，使得壓縮空氣能夠被存儲在壓縮空氣存儲單元中，或者備選地，可以提供給附加的壓縮機和/或渦輪(在多級ACAES系統(tǒng)的情況下)。來自從該至少一個壓縮機接收的壓縮空氣的熱量可存儲在相應的多孔熱存儲介質(zhì)226、228中。在存儲的壓縮空氣用于發(fā)電的情況下，存儲的壓縮空氣在第二端232處重新進入相應的壓力容器218、220，并且當其通過相應的多孔熱存儲介質(zhì)226、228時被再加熱。再加熱的空氣然后在第一端230處離開相應的壓力容器218、220，在這里其被提供給一個或更多蒸汽渦輪以驅(qū)動發(fā)電機。不同于具有單個壓力容器的常規(guī)TES系統(tǒng)，TES系統(tǒng)216使得壓力容器218、220能夠接納具有不同相應壓力水平的壓縮空氣。就是說，壓力容器218可構造成從該一個或更多壓縮機以及壓縮空氣存儲單元兩者接收高壓壓縮空氣輸入，而壓力容器220可構造成從該一個或更多壓縮機以及壓縮空氣存儲單元接收低壓壓縮空氣輸入。在一個實施例中，壓力容器218構造成接納(并承受)40 — 80巴的壓力，而壓力容器220構造成接納(并承受)5 — 20巴的壓力。由于壓力容器218具有比壓力容器220小的直徑(以及因此較低的張力)，壓力容器218能夠承受更高的壓力，即使壁222的厚度可能小于壁224的厚度。并且，由于壓力容器218設置在壓力容器220的內(nèi)部容積內(nèi)，通過多孔熱存儲介質(zhì)228的低壓壓縮空氣用來減少通過壓力容器218的壓縮空氣與壓力容器218的外部空氣之間的壓力差。典型的單個壓力容器的壁會由周圍空氣壓力包圍，而由于壓力容器218被通過壓力容器220的低壓壓縮空氣包圍，壁222中的張力被減小，并且因而壁222可以建造成與用在常規(guī)TES系統(tǒng)中的壓力容器相比具有極大減小的厚度。此外，因為壓力容器220受低壓壓縮空氣影響，壁224的厚度也可以比常規(guī)TES壓力容器的厚度小得多。 此外，當與常規(guī)TES系統(tǒng)比較時，來自壓力容器218的熱量損失也被減少，因為通過壓力容器218的壓縮空氣與通過壓力容器220的壓縮空氣之間的溫度差比通過常規(guī)TES單元的壓縮空氣與包圍的周圍空氣之間的溫度差小得多。因此，雖然壁222比常規(guī)壓力容器壁薄，但由于TES系統(tǒng)216的壓力容器218、220的同軸整體式構造，熱量損失被減少。如圖2中所示，由于TES系統(tǒng)216由壓力容器218和壓力容器220的組合構成，相應的壓力容器218、220可以建造成承受整體的高壓和高溫，但具有減少的壁厚度。因而，建造和運輸TES系統(tǒng)216的成本和復雜性比典型TES系統(tǒng)的小得多，且具有更小的壓力容器的附加優(yōu)點，以及因此總體TES系統(tǒng)基座更小。現(xiàn)在參看圖3，圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例。圖3示意性地顯示了 TES系統(tǒng)316，其包括并列流體地布置的三個分離的壓力容器318、320、322。第一壓力容器318具有包圍熱存儲介質(zhì)334的壁324，第二壓力容器320具有包圍熱存儲介質(zhì)336的壁326，而第三壓力容器322具有包圍熱存儲介質(zhì)338的壁328。設想相應的壓力容器318、320、322可同樣地建造，但本發(fā)明的實施例不限于如此。壓力容器318、320、322緊密地布置成使得來自至少一個壓縮機的壓縮空氣能夠在壓力容器318、320、322的第一端330處進入相應的壓力容器。壓縮空氣穿過壓力容器318、320、322，從而來自壓縮空氣的熱量被捕獲并存儲在相應的熱存儲介質(zhì)334、336、338中。壓縮空氣然后在壓力容器318、320、322的第二端332處離開相應的壓力容器，此處其被存儲在洞穴或其他壓縮空氣存儲裝置中，或者備選地，被提供給附加的壓縮機和/或渦輪，如以上關于圖2類似地描述的那樣。在存儲的壓縮空氣用于發(fā)電的情況下，存儲的壓縮空氣在第二端332處重新進入相應的壓力容器318、320、322，并且當其通過相應的多孔熱存儲介質(zhì)334、336、338時被再加熱。再加熱的空氣然后在第一端330處離開相應的壓力容器318、320、322，在這里其被提供給一個或更多蒸汽渦輪以驅(qū)動發(fā)電機。盡管圖3顯示了三個分離的壓力容器318、320、322，但本發(fā)明不限于壓力容器的具體數(shù)量，并且可包括任何數(shù)量的緊密布置或組合的壓力容器。優(yōu)選地，壓力容器318、320、322布置成三角形陣列，使得壓力容器318、320、322的相應的壁324、326、328定位成彼此緊鄰(例如，分開幾厘米內(nèi)，并且不超過一米)，如圖4中圖示的那樣。如果存在更多或更少的壓力容器，可使用其他的幾何布置如六角形陣列，以確保壓力容器被緊密地定位。通過這樣的布置，可將絕熱層340僅圍繞緊密組合的壓力容器318、320、322的周邊設置，并且因而可以最小化相應壁324、326、328內(nèi)的熱量損失、熱應力和/或熱梯度。以此方式，簡化了 TES系統(tǒng)316的設計和建造，因為避免了圍繞各壓力容器318、320、322設置的單獨的絕熱層。通過利用多個緊密組合的壓力容器，TES系統(tǒng)316能夠有效地承受高溫和高壓而不需要使單個TES單元既具有大直徑又具有極大壁厚度要求。因而，TES系統(tǒng)316允許在具有減小的系統(tǒng)尺寸和重量的ACAES系統(tǒng)中高效的熱能存儲，從而消除了可能與常規(guī)TES系統(tǒng)相關的許多建造和運輸問題。圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例。TES單元416包括具有圓柱形壁418的壓力容器，圓柱形壁418環(huán)繞設置在其中的熱存儲介質(zhì)420。TES單元416類似于以上關于圖2和3描述的TES系統(tǒng)216和361操作，從而來自至少一個壓縮機的壓縮空氣在第一端422處進入TES單元416。壓縮空氣通過熱存儲介質(zhì)420以允許來自壓縮空氣的熱量被捕 獲并存儲在TES單元416內(nèi)。壓縮空氣然后在第二端424處離開TES單元416，此處其被存儲在洞穴或其他壓縮空氣存儲單元中，用于以后用來發(fā)電。圓柱形壁418優(yōu)選地使用具有低厚度的堅固材料(例如鋼)建造成具有高長度對直徑比。通過這樣的小直徑，圓柱形壁418的厚度可以小于常規(guī)TES單元的增強混凝土壁，而圓柱形壁418的增加的長度仍然使得足夠量的熱存儲介質(zhì)420能夠設置在其中，以有效地捕獲并存儲對于在ACAES系統(tǒng)中使用所需的熱量。此外，雖然圖5僅顯示了單個TES單元416，但設想可以將多個此類TES單元平行布置以形成緊密組合的TES單元的組，如相對于圖3 — 4類似地顯示和討論的那樣。因而，可通過多個TES單元416處理增加的壓縮空氣量，而各單個TES單元416的減小的系統(tǒng)尺寸和重量又一次消除了可能與常規(guī)TES系統(tǒng)相關的許多建造和運輸問題?，F(xiàn)在參看圖6，圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例。盡管常規(guī)TES單元建造成通過導管/管道的網(wǎng)絡流體地連接到洞穴或其他壓縮空氣存儲單元上的地上熱存儲單元，但圖6中圖示的TES系統(tǒng)516包括構造成設置在地平面以下的TES單元518。具體而言，TES單元518包括壁520，壁520在其中包圍多孔熱存儲介質(zhì)522。TES單元518的操作類似于以上關于圖2 - 5所述的TES單元的操作，并且因而操作的細節(jié)將不再重復。雖然TES單元518顯示為單個單元，但應該理解的是TES單元518可以以多種方式構造，包括以上關于圖
2— 5所述的布置。TES單元518結(jié)合到洞穴526的井道524中，從而將TES單元518的壁520包圍在巖床/ 土壤528中，使得TES單元518設置在地平面530下。來自至少一個壓縮機的壓縮空氣在第一端532處進入TES單元518，并在第二端534處離開TES單元518。壓縮空氣然后存儲在洞穴526中，用來最后用在電力發(fā)生中，如以上所述的那樣。由于TES系統(tǒng)516的TES單元518定位在地平面530下，且壁520由巖床/ 土壤528包圍，壁520的厚度(以及包圍壁520的任何隔熱層(未示出)的厚度)可以極大地減小。巖床/ 土壤528對由壁520中的高壓帶來的壁520中的高張力提供了天然的反作用，并且?guī)r床/ 土壤528還提供了天然隔熱以減少系統(tǒng)中的熱量損失。此外，TES單元518結(jié)合在洞穴526的井道524中可減小ACAES設備的地面上的基座。另外，TES系統(tǒng)516克服了與一些常規(guī)TES系統(tǒng)相關的制造和運輸難題，從而降低了成本并簡化了在ACAES系統(tǒng)中TES單元的實施。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，公開了一種熱能存儲系統(tǒng)，該熱能存儲系統(tǒng)包括布置成彼此緊鄰的多個壓力容器，各壓力容器均具有包括外表面和內(nèi)表面的壁，該內(nèi)表面與該外表面由相應的壁厚度隔開，并且包圍該壓力容器的內(nèi)部容積。該內(nèi)部容積具有與一個或更多壓縮機以及一個或更多渦輪成流體連通的第一端，以及與一個或更多附加的壓縮機、一個或更多附加的渦輪以及至少一個壓縮空氣存放場的至少其中一個成流體連通的第二端。該熱能存儲系統(tǒng)還包括定位在該多個壓力容器的每一個的內(nèi)部容積中的熱存儲介質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，公開了一種形成熱能存儲系統(tǒng)的方法，該方法包括形成第一壓力容器和形成第二壓力容器，該第一壓力容器具有建造成具有預定高度和厚度、的壁，其中該第一壓力容器的壁的內(nèi)表面限制其中的內(nèi)部容積，該第二壓力容器建造成具有預定高度和厚度的壁，其中該第二壓力容器的壁的內(nèi)表面限制其中的內(nèi)部容積。該方法還包括將多孔熱存儲介質(zhì)設置在第一壓力容器和第二壓力容器的每一個的內(nèi)部容積內(nèi)，并且將第一壓力容器和第二壓力容器布置成彼此緊鄰。同樣，該方法包括將第一和第二壓力容器的每一個的第一端連接到一個或更多壓縮機上并連接到一個或更多渦輪上，使得第一和第二壓力容器的每一個與該一個或更多壓縮機以及該一個或更多渦輪成流體連通，以及將第一和第二壓力容器的每一個的第二端連接到一個或更多附加的壓縮機、一個或更多附加的渦輪以及一個或更多壓縮空氣存放場的至少其中一個上，使得第一和第二壓力容器的每一個均與該一個或更多附加的壓縮機、該一個或更多附加的渦輪以及該一個或更多壓縮空氣存放場的至少其中一個成流體連通。根據(jù)本發(fā)明的又另一個實施例，公開了一種熱能存儲裝置，該熱能存儲裝置包括限制第一內(nèi)部容積的第一混凝土圓柱形壁和限制第二內(nèi)部容積的第二混凝土圓柱形壁，其中該第二混凝土圓柱形壁布置在該第一混凝土圓柱形壁的第一內(nèi)部容積內(nèi)，使得第一混凝土圓柱形壁和第二混凝土圓柱形壁是共軸的。該熱能存儲裝置還包括設置在第一混凝土圓柱形壁的第一內(nèi)部容積內(nèi)以及第二混凝土圓柱形壁的第二內(nèi)部容積內(nèi)的多孔熱基質(zhì)材料。此書面描述使用示例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且也使得本領域技術人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明可獲專利的范圍由權利要求限定，并可包括本領域技術人員想到的其他示例。如果此類其他范例的結(jié)構要件與權利要求的書面語言描述沒有差異，或如果它們包括的等價性結(jié)構要件與權利要求書面語言描述沒有實質(zhì)性的差異，則此類其他范例應屬于權利要求的范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種熱能存儲系統(tǒng)，包括 布置成彼此緊鄰的多個壓力容器，各所述壓力容器均具有壁，所述壁包括 外表面；以及 內(nèi)表面，其由相應的壁厚從所述外表面隔開，并且包圍所述壓力容器的內(nèi)部容積，所述內(nèi)部容積具有 與一個或更多壓縮機以及一個或更多渦輪成流體連通的第一端；以及 與一個或更多附加的壓縮機、一個或更多附加的渦輪以及至少一個壓縮空氣存放場的至少其中一個成流體連通的第二端；以及 定位在各所述多個壓力容器的所述內(nèi)部容積中的熱存儲介質(zhì)。
2.根據(jù)權利要求I所述的熱能存儲系統(tǒng)，其特征在于，所述多個壓力容器包括第一壓力容器和第二壓力容器，所述第一壓力容器布置在所述第二壓力容器的內(nèi)部容積內(nèi)。
3.根據(jù)權利要求2所述的熱能存儲系統(tǒng)，其特征在于，所述第一壓力容器的壁具有第一壁厚和第一直徑，而其中所述第二壓力容器的壁具有第二壁厚和第二直徑，其中所述第一直徑小于所述第二直徑。
4.根據(jù)權利要求2所述的熱能存儲系統(tǒng)，其特征在于，所述第一壓力容器構造成承受比所述第二壓力容器高的壓力水平。
5.根據(jù)權利要求I所述的熱能存儲系統(tǒng)，其特征在于，布置成彼此緊鄰的所述多個壓力容器根據(jù)圖案布置，所述圖案包括三角形圖案和六角形圖案的其中一種。
6.根據(jù)權利要求5所述的熱能存儲系統(tǒng)，其特征在于，還包括設置在所述多個壓力容器的所述圖案的周邊周圍的絕熱層。
7.根據(jù)權利要求I所述的熱能存儲系統(tǒng)，其特征在于，各所述多個壓力容器的所述壁由鋼或混凝土形成。
8.根據(jù)權利要求I所述的熱能存儲系統(tǒng)，其特征在于，所述熱存儲介質(zhì)是設置在各所述多個壓力容器的所述內(nèi)部容積內(nèi)的多孔熱存儲介質(zhì)。
9.根據(jù)權利要求8所述的熱能存儲系統(tǒng)，其特征在于，所述多孔熱存儲介質(zhì)包括至少一種天然巖石材料。
10.根據(jù)權利要求I所述的熱能存儲系統(tǒng)，其特征在于，所述多個壓力容器設置在洞穴井道內(nèi)，并且其中所述洞穴井道與所述至少一個壓縮空氣存放場成流體連通，并定位在地平面下。
11.根據(jù)權利要求I所述的熱能存儲系統(tǒng)，其特征在于，各所述多個壓力容器在形狀上為圓柱形。
12.—種形成熱能存儲系統(tǒng)的方法，所述方法包括 形成第一壓力容器，所述第一壓力容器具有建造成具有預定高度和厚度的壁，其中所述第一壓力容器的所述壁的內(nèi)表面在其中限制內(nèi)部容積； 形成第二壓力容器，所述第二壓力容器建造成具有壁，所述壁有預定高度和厚度，其中所述第二壓力容器的所述壁的內(nèi)表面在其中限制內(nèi)部容積； 將多孔熱存儲介質(zhì)設置在所述第一和第二壓力容器的每一個的內(nèi)部容積內(nèi)； 將所述第一壓力容器和所述第二壓力容器布置成彼此緊鄰； 將所述第一和第二壓力容器的每一個的第一端連接到一個或更多壓縮機上并連接到一個或更多渦輪上，使得所述第一和第二壓力容器的每一個與所述一個或更多壓縮機以及所述一個或更多渦輪成流體連通；以及 將所述第一和第二壓力容器的每一個的第二端連接到一個或更多附加的壓縮機、一個或更多附加的渦輪以及一個或更多壓縮空氣存放場的至少其中一個上，使得所述第一和第二壓力容器的每一個與所述一個或更多附加的壓縮機、所述一個或更多附加的渦輪以及所述一個或更多壓縮空氣存放場的至少其中一個成流體連通。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征在于，還包括將所述第一壓力容器布置成設置在所述第二壓力容器的內(nèi)部容積內(nèi)。
14.根據(jù)權利要求12所述的方法，其特征在于，還包括形成至少一個附加的壓力容器，其中所述第一壓力容器、所述第二壓力容器以及所述至少一個附加的壓力容器布置成彼此緊鄰，以形成壓力容器的組。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，還包括將絕熱材料設置在所述壓力容器的組的周邊周圍。
16.一種熱能存儲裝置，包括 限制第一內(nèi)部容積的第一混凝土圓柱形壁； 限制第二內(nèi)部容積的第二混凝土圓柱形壁，其中所述第二混凝土圓柱形壁布置在所述第一混凝土圓柱形壁的所述第一內(nèi)部容積內(nèi)，使得所述第一混凝土圓柱形壁和所述第二混凝土圓柱形壁是同軸的；以及 設置在所述第一混凝土圓柱形壁的所述第一內(nèi)部容積內(nèi)以及所述第二混凝土圓柱形壁的所述第二內(nèi)部容積內(nèi)的多孔熱基質(zhì)材料。
17.根據(jù)權利要求16所述的熱能存儲裝置，其特征在于，所述第二混凝土圓柱形壁的直徑小于所述第一混凝土圓柱形壁的直徑。
18.根據(jù)權利要求16所述的熱能存儲裝置，其特征在于，所述第一混凝土圓柱形壁和所述第二混凝土圓柱形壁兩者都具有第一端和第二端，其中所述第一端與一個或更多壓縮機以及一個或更多渦輪成流體連通，而所述第二端與一個或更多壓縮空氣存放場、一個或更多附加的壓縮機以及一個或更多附加的渦輪的至少其中一個成流體連通。
19.根據(jù)權利要求18所述的熱能存儲裝置，其特征在于，所述第二混凝土圓柱形壁的第一端從所述一個或更多壓縮機接收比所述第一混凝土圓柱形壁的第一端更高的壓力輸入，而所述第二混凝土圓柱形壁的第二端從所述至少一個壓縮空氣存放場接收比所述第一混凝土圓柱形壁的第二端更高的壓力輸入。
20.根據(jù)權利要求16所述的熱能存儲裝置，其特征在于，所述多孔熱基質(zhì)材料包括至少一種天然巖石材料。
全文摘要
公開了用于熱能存儲系統(tǒng)的系統(tǒng)(100)和方法，該熱能存儲系統(tǒng)(100)包括布置成彼此緊鄰的多個壓力容器(218,220)，各壓力容器(218,220)均具有包括外表面和內(nèi)表面的壁，該內(nèi)表面與該外表面由相應的壁厚度隔開，并且包圍該壓力容器的內(nèi)部容積。該內(nèi)部容積具有與一個或更多壓縮機(104,112)以及一個或更多渦輪成流體連通的第一端(230)，以及與一個或更多附加的壓縮機(104,112)、一個或更多附加的渦輪(128)以及至少一個壓縮空氣存放場(122)的至少其中一個成流體連通的第二端(230)。該熱能存儲系統(tǒng)(100)還包括定位在該多個壓力容器(218,220)的每一個的內(nèi)部容積中的熱存儲介質(zhì)(226)。
文檔編號F17C1/00GK102741524SQ201080062743
公開日2012年10月17日 申請日期2010年10月6日 優(yōu)先權日2009年11月30日
發(fā)明者C.S.K.貝羅尼, C.博特羅, M.A.岡薩雷斯薩拉扎, M.芬肯拉特, S.M-N.霍夫曼, S.W.弗羅伊恩德 申請人:通用電氣公司