ES2374891B2 - ENERGY STORAGE DEVICE THROUGH COMPRESSED FLUIDS AND ITS OPERATION PROCEDURE. - Google Patents
ENERGY STORAGE DEVICE THROUGH COMPRESSED FLUIDS AND ITS OPERATION PROCEDURE. Download PDFInfo
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Abstract
Dispositivo de almacenamiento de energía mediante fluidos comprimidos y su procedimiento de operación.#Sistema de almacenamiento de energía mediante la contención de fluidos en una pluralidad de recipientes a alta presión, que se cargan uno a uno, secuencialmente, cuando hay disponibilidad de energía a almacenar, empleando dicha energía excedente en comprimir el fluido de trabajo hasta la presión de diseño; recuperándose dicha energía en una máquina expansora que es atravesada por el fluido que se descarga del almacenamiento, lo cual se hace uniendo en paralelo todos los recipientes previamente cargados hasta la presión de diseño, con objeto de ir manteniendo lo más alta posible la presión remanente en el almacenamiento.Energy storage device by means of compressed fluids and its operating procedure # Energy storage system by containing fluids in a plurality of high pressure vessels, which are loaded one by one, sequentially, when there is availability of energy to be stored , using said excess energy in compressing the working fluid to the design pressure; said energy being recovered in an expanding machine that is traversed by the fluid that is discharged from the storage, which is done by joining all the previously loaded containers in parallel to the design pressure, in order to keep the remaining pressure as high as possible. the storage.
Description
Dispositivo de almacenamiento de energía mediante fluidos comprimidos y su procedimiento de operación. Energy storage device using compressed fluids and its operating procedure.
Sector de la técnica Technical sector
La invención se encuadra en el campo del almacenamiento de energía, fundamentalmente en el sector de las centrales de generación de energía eléctrica, o más genéricamente del sistema eléctrico en su conjunto, donde se producen situaciones en las que la oferta de energía excede a la demanda, y por ende convendría almacenarla; y por otro lado se producen puntas de demanda, en las cuales la oferta disponible difícilmente puede satisfacer la potencia demandada; lo cual se facilita usando medios de almacenamiento energético, como es el bombeo hidráulico; que es el más maduro y extendido de los medios de almacenamiento, al cual se pueden añadir otros métodos en el próximo futuro, entre los que destaca el almacenamiento de fluidos comprimidos a muy alta presión, de varios centenares de bares (varias decenas de MPa). The invention falls within the field of energy storage, mainly in the sector of power generation plants, or more generically of the electrical system as a whole, where situations occur in which the supply of energy exceeds demand , and therefore it should be stored; and on the other hand demand spikes occur, in which the available supply can hardly satisfy the demanded power; which is facilitated using energy storage means, such as hydraulic pumping; which is the most mature and widespread of the storage media, to which other methods can be added in the near future, among which the storage of compressed fluids at very high pressure, of several hundreds of bars (several tens of MPa), stands out .
Problema técnico a resolver y Antecedentes de la invención Technical problem to be solved and Background of the invention
El problema genérico que se pretende resolver es hallar una configuración de almacenamiento y un procedimiento de gestión técnica del mismo, que maximice las prestaciones obtenidas del sistema de almacenamiento. The generic problem to be solved is to find a storage configuration and a technical management procedure for it, which maximizes the benefits obtained from the storage system.
Dentro de ese objetivo, lo que específicamente se quiere resolver es que el almacenamiento de energía mecánica por compresión, almacene el fluido comprimido a la presión de diseño (también llamada nominal o de consigna) y que éste se descargue, a través de la máquina expansora correspondiente, manteniendo el nivel de presión en las descargas tan alto como sea posible, para que la citada máquina funcione lo más cerca posible de régimen nominal, que es el que corresponde a una presión de entrada igual al valor nominal. Within this objective, what is specifically to be solved is that the storage of mechanical energy by compression stores the compressed fluid at the design pressure (also called nominal or setpoint) and that it is discharged, through the expander machine corresponding, keeping the level of pressure in the discharges as high as possible, so that the aforementioned machine operates as close as possible to the nominal regime, which corresponds to an inlet pressure equal to the nominal value.
En las invenciones y aplicaciones existentes, predomina el uso del aire como fluido de trabajo, por su alta compresibilidad, pero la invención aquí presentada es aplicable a cualquier fluido. Por otra parte, al necesitarse productos P·V (presión por volumen del recipiente de almacenamiento) considerablemente grandes, existe la convicción técnica muy extendida de que son necesarias cavernas subterráneas estancas, como las que han contenido gas natural, para disponer de una aplicación de alta potencia y energía. Tal es el ámbito de aplicación de la invención presentada en el documento US 2011236134 (A1). Sin embargo, no es habitual disponer de tales cavernas, y la solución más inmediata es recurrir a recipientes a presión para almacenar el fluido comprimido, de lo cual hay multitud de invenciones, y en particular las recogidas en WO 2011063071 A1, WO 2011056296 A2, US 2011219760 A1, y WO 2011054169 A1, estando dedicada esta última al almacenamiento de fluidos por encima del punto crítico, lo cual también es accesible en la invención aquí propuesta, si bien su configuración y modo de gestión técnica del almacenamiento no tiene nada que ver con ninguna de las invenciones señaladas. In existing inventions and applications, the use of air as a working fluid predominates, due to its high compressibility, but the invention presented here is applicable to any fluid. On the other hand, when P · V products (pressure by volume of the storage vessel) are considerably larger, there is a widespread technical conviction that sealed underground caverns, such as those containing natural gas, are necessary to have an application of High power and energy. Such is the scope of the invention presented in US 2011236134 (A1). However, it is not usual to have such caverns, and the most immediate solution is to use pressure vessels to store the compressed fluid, of which there are many inventions, and in particular those contained in WO 2011063071 A1, WO 2011056296 A2, US 2011219760 A1, and WO 2011054169 A1, the latter being dedicated to the storage of fluids above the critical point, which is also accessible in the invention proposed herein, although its configuration and mode of technical storage management has nothing to do with none of the inventions indicated.
Tampoco son precedentes de la invención las ideas expuestas en diversos documentos que tratan del mismo problema, a saber: una máquina compresora, que sirve para llenar un recipiente artificial o natural, pero por lo común artificial, del cual se descarga el fluido comprimido haciéndolo pasar por una máquina expansora, a menudo denominada turbina (siendo en este caso más cercana la morfología a una turbina de gas) y realizando este cometido con unas pautas pensadas para aprovechar el equipo disponible, como es el caso del aire comprimido adiabáticamente, lo cual se trata en la invención US 2011100583 A1, WO 2011053410 A1 y en la WO 2011056283 A2. Otras invenciones centradas en la misma tipología de instalación son la US 2011061385 A1, US 2011219760 A1, US 2011196542 A1, US 2011167814 A1, CA 2749975 A1, WO 2011076926 A2, WO 2011071609 A1, EP 2378100 A2 y JP 2011106333 A, pero ninguna de ellas aporta elementos constructivos ni de procedimiento de trabajo remotamente similares a los propuestos en esta invención. Tampoco se considera precedente la US 2011167813 A1, aunque contiene dos recipientes a presión, pero no una pluralidad de ellos, y no utilizados con el procedimiento propuesto en esta invención. Nor are the ideas set forth in various documents dealing with the same problem precedent of the invention, namely: a compressing machine, which serves to fill an artificial or natural container, but usually artificial, from which the compressed fluid is discharged by passing it by an expanding machine, often called a turbine (in this case the morphology is closer to a gas turbine) and performing this task with guidelines designed to take advantage of the available equipment, such as adiabatic compressed air, which is in the invention US 2011 100583 A1, WO 2011053410 A1 and in WO 2011056283 A2. Other inventions focusing on the same type of installation are US 2011061385 A1, US 2011219760 A1, US 2011196542 A1, US 2011167814 A1, CA 2749975 A1, WO 2011076926 A2, WO 2011071609 A1, EP 2378100 A2 and JP 2011106333 A, but none of they provide constructive or work procedure elements remotely similar to those proposed in this invention. Nor is US 2011167813 A1 considered precedent, although it contains two pressure vessels, but not a plurality of them, and not used with the procedure proposed in this invention.
Dentro del campo específico que se ha delimitado, de una instalación que tiene un almacenamiento de fluido comprimido, con una máquina impulsora o compresora para llenarlo, y con una máquina expansora para efectuar un trabajo cuando se liberara del recipiente el fluido comprimido, la invención hace referencia al almacenamiento en sí, a la estructuración de sus componentes, y a la gestión técnica de los flujos de fluido, tanto en la carga como en la descarga. Within the specific field that has been delimited, of an installation that has a compressed fluid storage, with a booster or compressor to fill it, and with an expander to perform a job when the compressed fl uid is released from the container, the invention makes reference to the storage itself, to the structuring of its components, and to the technical management of the fl ow fluxes, both in loading and unloading.
Procede añadir que en este sector de la técnica se denomina máquina compresora a aquella que absorbe por su boca de admisión una corriente de un fluido, la cual impulsa a mayor presión por su boca de descarga, lo cual ejecuta merced a la potencia externa que se le aplica; siendo una máquina expansora aquella que produce una potencia mecánica, generalmente aplicada a un eje (que particularmente puede estar conectado a un generador eléctrico), gracias a que absorbe por su boca de admisión una corriente de un fluido, la cual eyecta a menor presión por su boca de descarga. It should be added that in this sector of the technique, the compressor machine is the one that absorbs a flow of a fluid through its intake mouth, which drives a higher pressure through its discharge mouth, which executes thanks to the external power applies to him; an expanding machine being one that produces a mechanical power, generally applied to an axis (which in particular can be connected to an electric generator), thanks to the fact that it absorbs a flow of a fluid through its intake mouth, which ejects at lower pressure by Your discharge mouth.
Descripción de la invención Description of the invention
El dispositivo descrito en la presente invención comprende una pluralidad de recipientes herméticos, de tamaño y forma cualesquiera, aunque particularmente se señale como canónica, dentro de la resistencia de materiales, la forma cilíndrica alargada, rematada en sus extremos por sendos casquetes hemisféricos o torisféricos, y en todo caso contando cada recipiente con una tubería de carga y otra de descarga, dotadas cada una de dichas tuberías con al menos una válvula de tipo todo/nada o apertura/cierre, que se llaman válvulas de carga cuando están en una tubería de carga, y válvulas de descarga si están en una tubería de descarga, teniendo todas las válvulas posibilidad de paso de fluido en una sola dirección, estando todas las tuberías de llenado o carga de los recipientes, que al menos son una por recipiente, conectadas al conducto o tubería de impulsión de una máquina compresora que toma el fluido de un depósito, natural The device described in the present invention comprises a plurality of airtight containers of any size and shape, although particularly marked as canonical, within the strength of materials, the elongated cylindrical shape, topped at its ends by two hemispherical or torispheric caps, and in any case counting each container with a loading and a discharge pipe, each one of said pipes with at least one all / nothing or opening / closing type valve, which are called loading valves when they are in a pipeline load, and discharge valves if they are in a discharge pipe, all valves having the possibility of flow passage in one direction, all the filling or loading pipes of the containers, which are at least one per container, connected to the duct or discharge pipe of a compressor machine that takes the fl uid from a natural reservoir
o artificial, a baja presión; y estando todas las tuberías de vaciado o descarga de los recipientes, que al menos son una por recipiente, conectadas al conducto o tubería de admisión de una máquina expansora que descarga el fluido en dicho depósito, natural o artificial, a baja presión; quedando configurada una pluralidad de circuitos en paralelo por los que puede fluir el fluido de trabajo desde la impulsión de la máquina compresora a la admisión de la máquina expansora, consistiendo cada circuito en el ramal o tubería de carga a cada recipiente, seguido del recipiente en sí, seguido del ramal o tubería de descarga de cada recipiente; y habiendo en el conducto de impulsión de la máquina compresora una válvula general de ese conducto, y habiendo asimismo, en el conducto de admisión de la máquina expansora, otra válvula general; y actuando dichos circuitos, parcial o totalmente, como conductos reales de paso del fluido según el estado de apertura/cierre de sus válvulas. or artificial, at low pressure; and all the emptying or unloading pipes of the containers, which are at least one per container, being connected to the inlet pipe or inlet of an expanding machine that discharges the fluid into said reservoir, natural or artificial, at low pressure; a plurality of circuits being configured in parallel through which the working fluid can flow from the compressor machine drive to the admission of the expander machine, each circuit consisting of the branch or load pipe to each container, followed by the container in yes, followed by the branch or discharge pipe of each container; and having in the drive duct of the compressor machine a general valve of that duct, and also having, in the intake duct of the expander machine, another general valve; and said circuits acting, partially or totally, as real flow passages according to the opening / closing state of their valves.
La posición abierta/cerrada de cada válvula queda determinada bien por una acción de control programada en un sistema de mando de apertura/cierre a través del relé correspondiente, bien por una decisión del operador de la planta desde su puesto de mando, en función de las lecturas de los manómetros; existiendo dicho sistema de mando y dicho puesto de mando como conjunto de sensores y relés comunicados por cable o por señales electromagnéticas inalámbricas, a través de los cuales se activa la apertura o cierre de cada válvula, según procedimiento de operación consignado más adelante como parte de la invención. The open / closed position of each valve is determined either by a control action programmed in an opening / closing control system through the corresponding relay, or by a decision of the plant operator from its command post, depending on pressure gauge readings; said control system and said command post existing as a set of sensors and relays communicated by cable or by wireless electromagnetic signals, through which the opening or closing of each valve is activated, according to the operating procedure set forth below as part of the invention.
Eventualmente, una sola máquina puede funcionar reversiblemente, según gire en un sentido o en el otro, como compresora o expansora, quedando sin embargo unívocamente definidos el conducto de impulsión cuando funciona como máquina compresora, y el conducto de admisión cuando funciona como máquina expansora. Eventually, a single machine can operate reversibly, as it turns in one direction or the other, as a compressor or expander, however the drive duct when it works as a compressor machine, and the intake duct when it functions as an expander machine, remain uniquely defined.
Una variante es que se use un fluido natural como fluido de trabajo, entendiendo por fluidos naturales los que se encuentran abundantemente en la naturaleza, como son el aire y el agua, en cuyo caso, en vez de usar un depósito de baja presión para cerrar el circuito, se use directamente la atmósfera, en el caso del aire, o una masa o corriente voluminosa de agua, en el caso del agua, actuando así en circuito abierto por el lado de baja presión. A variant is that a natural fluid be used as a working fluid, natural fluids being understood as those that are abundantly found in nature, such as air and water, in which case, instead of using a low pressure reservoir to close the circuit, the atmosphere is used directly, in the case of air, or a voluminous mass or stream of water, in the case of water, thus acting in an open circuit on the low pressure side.
La invención se completa con un procedimiento de operación en carga y descarga del dispositivo de almacenamiento, aplicado bien automáticamente, bien manualmente, que establece que todas las válvulas han de estar cerradas, menos las que se consignan a continuación, que han de estar abiertas, según el modo en que se esté operando, de carga del almacenamiento de energía, o de descarga de éste, prescribiéndose que: The invention is completed by an operation procedure for loading and unloading the storage device, applied either automatically, or manually, which states that all valves must be closed, except those set forth below, which must be open, depending on the way in which it is being operated, for charging the energy storage, or for downloading it, prescribing that:
- --
- en el modo de carga, en el cual funciona la máquina compresora, está abierta la válvula de su admisión desde el depósito de baja presión, o eventualmente la válvula de aportación de un fluido natural, si éste es el usado como fluido de trabajo, y está abierta la válvula general del conducto de impulsión de la máquina, y una válvula de carga de un recipiente, seleccionado por ser el que tenía mayor presión, por debajo de la de consigna, en el momento de iniciarse esa etapa de carga del almacenamiento, que termina cuando la presión en el interior de dicho recipiente iguala a la nominal o de consigna, cerrándose en ese momento dicha válvula que se encontraba abierta, y abriéndose la válvula de carga del recipiente que en ese momento tenga la mayor presión, por debajo de la de consigna, iniciándose así una nueva etapa de carga; in the loading mode, in which the compressor machine operates, the inlet valve is open from the low pressure tank, or possibly the natural fluid supply valve, if this is used as a working fluid, and the general valve of the machine's discharge duct is open, and a container loading valve, selected for being the one with the highest pressure, below the setpoint, at the time of starting that storage loading stage, which ends when the pressure inside said container is equal to the nominal or setpoint, closing said valve that was open at that time, and opening the loading valve of the container that at that time has the highest pressure, below the setpoint, thus initiating a new charging stage;
- --
- en el modo de descarga del almacenamiento, en el cual funciona la máquina expansora, está abierta la válvula de su descarga hacia el depósito de baja presión, o eventualmente la válvula de descarga de un fluido natural, si éste es el usado como fluido de trabajo, y está abierta la válvula general del conducto de admisión de la máquina, y están asimismo abiertas todas las válvulas de descarga de todos los recipientes que tuvieran la presión de consigna en el momento de iniciarse esa fase de descarga del almacenamiento, que termina cuando la presión en el interior de dichos recipientes es insuficiente para hacer funcionar a la máquina expansora en su mínimo técnico, o bien termina cuando finaliza la demanda puntual de energía que estaba siendo satisfecha por el almacenamiento. in the storage discharge mode, in which the expander machine operates, the discharge valve is open to the low pressure reservoir, or possibly the discharge valve of a natural fluid, if this is the one used as a working fluid , and the general valve of the inlet duct of the machine is open, and all the discharge valves of all the containers that had the set pressure at the time of that phase of unloading of the storage are also open, which ends when the pressure inside these containers is insufficient to operate the expander at its technical minimum, or it ends when the specific demand for energy that was being met by storage ends.
La ventaja que aporta esta invención, respecto de las que usan convencionalmente un gran depósito, natural, tipo caverna subterránea, o artificial, es que en éstos, en el proceso de carga, la presión aumenta muy lentamente, por diluirse, en el gran volumen del depósito, la masa insuflada por la máquina compresora, siendo por tanto difícil de alcanzar la presión máxima o de consigna; que sin embargo es a la que mejor trabaja la máquina expansora en la descarga del almacenamiento. The advantage provided by this invention, with respect to those that conventionally use a large, natural, underground cavern type or artificial deposit, is that in these, in the loading process, the pressure increases very slowly, to be diluted, in the large volume from the reservoir, the mass inflated by the compressor machine, being therefore difficult to reach the maximum or set pressure; However, it is the one that works best for the expander in the unloading of storage.
Con la invención propuesta, los recipientes se van cargando uno a uno, por lo cual, lo común será que en un momento en que se necesite energía del almacenamiento, una parte de los recipientes se encuentre cargada hasta la presión máxima, lo cual es lo idóneo para obtener buenas prestaciones de la máquina expansora. Pero en la descarga no se vacían uno a uno, sino todos los que están cargados, a la vez, con lo cual se consigue que la caída de presión sea más lenta, y por ende la máquina expansora mantendrá un rendimiento más alto durante más tiempo. With the proposed invention, the containers are loaded one by one, therefore, it is common that at a time when storage energy is needed, a part of the containers is loaded to the maximum pressure, which is what Ideal for obtaining good performance of the expander machine. But in the discharge they are not emptied one by one, but all those that are loaded, at the same time, with which it is achieved that the pressure drop is slower, and therefore the expander machine will maintain a higher performance for longer .
Breve descripción de las figuras Brief description of the fi gures
La figura 1 muestra el esquema de una instalación de almacenamiento de energía con la estructuración de componentes dada por la invención. Figure 1 shows the scheme of an energy storage facility with the structuring of components given by the invention.
La figura 2 muestra el mismo esquema, pero en el caso de usar una misma máquina, reversible, como compresora y expansora. Figure 2 shows the same scheme, but in the case of using the same machine, reversible, as a compressor and expander.
Para facilitar la comprensión de las materializaciones preferentes de la invención, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma, que aparecen en las figuras: To facilitate the understanding of the preferred embodiments of the invention, the relevant elements thereof, which appear in the figures, are listed below:
- 1. one.
- Recipiente de almacenamiento de fluido a alta presión. Los restantes recipientes se numeran, por analogía, 1a, 1b, 1c, 1d y 1e. High pressure fluid storage container. The remaining containers are numbered, by analogy, 1a, 1b, 1c, 1d and 1e.
- 2. 2.
- Máquina compresora. Compressing machine
- 3. 3.
- Conducto o tubería conectado al conducto 33 de impulsión de la máquina compresora (2), sirviendo cada uno de los conductos (3, 3a, ... 3e) para la carga de los recipientes de almacenamiento (1, 1a, ... 1e). Duct or pipe connected to the drive duct 33 of the compressor machine (2), each of the ducts (3, 3a, ... 3e) serving for loading the storage containers (1, 1a, ... 1e ).
- 4. Four.
- Depósito de baja presión del fluido de trabajo. Low pressure reservoir of working fluid.
- 5. 5.
- Conducto de admisión, desde el depósito (4), a la máquina compresora. Intake duct, from the tank (4), to the compressor machine.
- 6. 6.
- Válvula todo/nada y anti-retorno en el conducto (5). All / nothing and non-return valve in the duct (5).
- 7. 7.
- Toma de aportación de un fluido natural a la máquina compresora. Adding a natural fluid to the compressor machine.
- 8. 8.
- Válvula todo/nada y anti-retorno en el conducto (7). All / nothing and non-return valve in the duct (7).
- 9. 9.
- Válvula todo/nada y anti-retorno en el conducto general de impulsión del fluido de trabajo desde la máquina compresora. All-nothing and non-return valve in the general flow duct of the working fluid from the compressor machine.
- 10. 10.
- Válvula todo/nada y anti-retorno en la boca de carga del recipiente (1). Por analogía de numeración, las válvulas 10a, 10b, 10c, 10d y 10e tienen la misma función para la pluralidad de recipientes. All / nothing and non-return valve in the mouth of the container (1). By numbering analogy, valves 10a, 10b, 10c, 10d and 10e have the same function for the plurality of containers.
- 11. eleven.
- Motor (eléctrico, hidráulico, aeromecánico, o de cualquier otra naturaleza) que activa a la máquina compresora (2). Motor (electric, hydraulic, aeromechanical, or any other nature) that activates the compressor machine (2).
- 12. 12.
- Válvula todo/nada y anti-retorno en la boca de descarga del recipiente (1). Por analogía de numeración, las válvulas 12a, 12b, 12c, 12d y 12e tienen la misma función para la pluralidad de recipientes. All / nothing and non-return valve in the discharge mouth of the container (1). By analogy of numbering, valves 12a, 12b, 12c, 12d and 12e have the same function for the plurality of containers.
- 13. 13.
- Tubería o conducto de descarga del recipiente de almacenamiento 1. Por analogía de numeración, las tuberías 13a, 13b, 13c, 13d y 13e tienen la misma función para la pluralidad de recipientes. Pipe or discharge duct of the storage container 1. By analogy of numbering, the pipes 13a, 13b, 13c, 13d and 13e have the same function for the plurality of containers.
- 14. 14.
- Válvula todo/nada y anti-retorno en el conducto general de admisión del fluido de trabajo hacia la máquina expansora. All-nothing and non-return valve in the general inlet duct of the working fluid to the expander machine.
- 15. fifteen.
- Máquina expansora. Expander machine.
- 16. 16.
- Generador eléctrico accionado por la máquina expansora. Electric generator powered by the expander machine.
- 17. 17.
- Tubería de descarga de un fluido natural desde la máquina expansora. Discharge pipe of a natural fluid from the expander machine.
- 18. 18.
- Válvula todo/nada y anti-retorno en el conducto o tubería (17) de descarga del fluido natural desde la máquina expansora. All-nothing and non-return valve in the duct or pipe (17) for discharging the natural fluid from the expander.
- 19. 19.
- Tubería de descarga del fluido de trabajo desde la máquina expansora al depósito de baja presión. Discharge pipe for working fluid from the expander to the low pressure tank.
- 20. twenty.
- Válvula todo/nada y anti-retorno en el conducto o tubería (19) de descarga del fluido de trabajo desde la máquina expansora. All-nothing and non-return valve in the duct or pipe (19) for discharging the working fluid from the expander.
- 21. twenty-one.
- Máquina reversible, que puede funcionar como compresora, girando en un sentido, o como expansora, girando en sentido opuesto. Reversible machine, which can work as a compressor, turning in one direction, or as an expander, turning in the opposite direction.
- 22. 22
- Máquina eléctrica, que funciona como motor, girando en un sentido; o como generador, girando en sentido contrario, actuando en el primer caso en las cargas del almacenamiento, y en las descargas, en el segundo. Electric machine, which functions as a motor, rotating in one direction; or as a generator, turning in the opposite direction, acting in the first case on the storage loads, and on the discharges, in the second.
- 23. 2. 3.
- Conducto o tubería de impulsión de la máquina reversible (21) cuando funciona como compresora, por lo cual es un conducto análogo al (33). Duct or discharge pipe of the reversible machine (21) when it works as a compressor, so it is a duct analogous to (33).
- 24. 24.
- Conducto de admisión, desde el depósito de baja presión (4), a la máquina reversible (21) cuando funciona como compresora. Intake duct, from the low pressure tank (4), to the reversible machine (21) when it works as a compressor.
- 25. 25.
- Válvula todo/nada y anti-retorno en el conducto (24). All / nothing and non-return valve in the duct (24).
- 26. 26.
- Toma de aportación de un fluido natural a la máquina reversible cuando funciona como compresora. Adding a natural fluid to the reversible machine when it works as a compressor.
- 27. 27.
- Válvula todo/nada y anti-retorno en el conducto (26). All-nothing and non-return valve in the duct (26).
- 28. 28.
- Tubería o conducto de admisión de la máquina reversible (21) cuando funciona como expansora. Pipe or inlet duct of the reversible machine (21) when it works as an expander.
- 29. 29.
- Tubería de descarga del fluido de trabajo desde la máquina reversible, cuando funciona como expansora, al depósito de baja presión (4). Discharge pipe of the working fluid from the reversible machine, when it works as an expander, to the low pressure tank (4).
- 30. 30
- Válvula todo/nada y anti-retorno en el conducto (29). All / nothing and non-return valve in the duct (29).
- 31. 31.
- Tubería de descarga de un fluido natural desde la máquina reversible cuando funciona como expansora. Discharge pipe of a natural fluid from the reversible machine when it works as an expander.
- 32. 32
- Válvula todo/nada y anti-retorno en el conducto (31). All / nothing and non-return valve in the duct (31).
- 33. 33.
- Tubería de impulsión desde el compresor 2, y de la cual salen los ramales 3, de carga de los recipientes (1). Supply pipe from the compressor 2, and from which the branches 3, loading the containers (1).
- 34. 3. 4.
- Tubería o conducto de admisión de la máquina expansora (15) y a la cual descargan los recipientes de almacenamiento (1, 1a, ... 1e) a través de las tuberías (13, 13a, ... 13e). Inlet pipe or duct of the expander machine (15) and into which the storage containers (1, 1a, ... 1e) are discharged through the pipes (13, 13a, ... 13e).
Descripción de una forma de realización de la invención Description of an embodiment of the invention
La invención se materializa sobre la base de una planta de generación de energía eléctrica dotada de una máquina compresora del fluido de trabajo del almacenamiento, y de una máquina expansora, o de una sola máquina reversible que ejerza ambas funciones fluido-mecánicas según sea movida por un motor externo, o ejerza la máquina la potencia generando electricidad, más un depósito de baja presión donde se acumula el fluido de trabajo cuando se descarga del almacenamiento. The invention is embodied on the basis of an electric power generation plant equipped with a compressor machine for storage working fluid, and with an expanding machine, or with a single reversible machine that performs both fluid-mechanical functions as moved by an external motor, or the machine exerts the power generating electricity, plus a low pressure tank where the working fluid accumulates when it is discharged from storage.
Cuestión esencial es disponer de los recipientes adecuados, que al tener que soportar altas presiones y según qué fluidos, altas temperaturas, han de fabricarse de material resistente y con la forma más adecuada. Cuestión fundamental es la presión a la que trabaje el fluido de trabajo en el almacenamiento, P1, que será notablemente mayor que la atmosférica, para que el almacenamiento tenga valor energético. Las tensiones mecánicas sufridas por las paredes del recipiente dependerán de dicha presión; y para caracterizar su valor de manera muy representativa, se puede usar la tensión de aro, aunque ello predisponga al uso de recipientes cilíndricos muy alargados, que es el modelo más convencional para almacenamiento genérico de gases comprimidos. Para un depósito cilíndrico grueso con una presión P1, la tensión de aro σ es An essential issue is to have the appropriate containers, which, having to withstand high pressures and according to which fluids, high temperatures, must be made of resistant material and with the most appropriate shape. A fundamental issue is the pressure at which the work fl uid in storage works, P1, which will be significantly higher than atmospheric, so that the storage has energy value. The mechanical stresses suffered by the walls of the vessel will depend on said pressure; and to characterize its value in a very representative manner, ring tension can be used, although this predisposes to the use of very elongated cylindrical vessels, which is the most conventional model for generic storage of compressed gases. For a thick cylindrical tank with a pressure P1, the ring tension σ is
σ =P1 ·((r2+1)/(r2-1)) σ = P1 · ((r2 + 1) / (r2-1))
donde r es el cociente entre diámetros exterior e interior del depósito. Para valores altos de temperatura, la σ admisible es menor que la usual a temperatura ambiente, pues el período elástico se acorta y el riesgo de fluencia se acerca. Si P1 es relativamente alto, próximo a 10 MPa, por ejemplo, el cociente σ/P1 admisible es de alrededor de 10, si el gas almacenado no tiene muy alta temperatura (por debajo de 250ºC) y en ese caso la razón entre diámetros del recipiente sale 1,1; lo cual ya implica espesores muy gruesos. Peor aún es el caso de que el fluido almacenado se caliente notoriamente, por lo dicho del acortamiento del campo elástico. En tal caso el cociente σ/P1 admisible baja a alrededor de 6. En este caso, el ratio entre diámetros sube a 1,2; lo que implica paredes mucho más gruesas. En el caso de que se combinaran presiones y temperaturas relativamente altas, el cociente admisible bajaría aún más, a alrededor de 4, lo que daría una razón entre diámetros de 1,3 aproximadamente. Esto evidencia las dificultades de ocupar artificialmente grandes volúmenes de forma esférica. Por el contrario, resulta más práctico acudir a recipientes cilíndricos muy alargados con el objeto de proporcionar un volumen apreciable de almacenamiento, que además sea construible con técnicas relativamente maduras. Téngase en cuenta que hay saltos hidráulicos de casi 1.000 metros de altura, lo que equivale a 10 MPa aproximadamente, y esa es la presión en el pie de la conducción forzada por la que desciende el agua. Un desafío más importante lo representa el aire comprimido, pues en la compresión, si se efectúa de manera muy rápida, se sigue una transformación prácticamente adiabática, y el calor de todas las irreversibilidades se queda prácticamente en el aire, que llega a muy alta temperatura. La opción contraria es comprimir el aire a lo largo de una transformación isoterma, pero eso exige una velocidad de compresión muy lenta, lo cual no siempre es aceptable, pues la disponibilidad de energía excedente que, o se almacena, o se pierde, se da a menudo durante tiempos relativamente breves. No obstante estas cautelas contra el aire comprimido, parece el candidato idóneo para este tipo de almacenamiento, por su compresibilidad, mucho mayor que la del agua. where r is the ratio between outside and inside diameters of the tank. For high temperature values, the admissible σ is less than usual at room temperature, since the elastic period is shortened and the risk of fl uence is approaching. If P1 is relatively high, close to 10 MPa, for example, the allowable σ / P1 ratio is around 10, if the stored gas does not have a very high temperature (below 250ºC) and in that case the ratio between the diameters of container comes out 1.1; which already implies very thick thicknesses. Even worse, it is the case that the stored fluid is noticeably hot, as a result of the shortening of the elastic field. In this case, the allowable σ / P1 ratio drops to around 6. In this case, the ratio between diameters rises to 1.2; which implies much thicker walls. In the event that relatively high pressures and temperatures were combined, the allowable ratio would fall further, to around 4, which would give a ratio between diameters of approximately 1.3. This demonstrates the difficulties of occupying artificially large volumes spherically. On the contrary, it is more practical to go to very elongated cylindrical containers in order to provide an appreciable volume of storage, which is also buildable with relatively mature techniques. Keep in mind that there are hydraulic jumps of almost 1,000 meters high, which is equivalent to approximately 10 MPa, and that is the pressure at the foot of the forced conduction through which the water descends. A more important challenge is the compressed air, because in compression, if done very quickly, a practically adiabatic transformation is followed, and the heat of all irreversibilities remains practically in the air, which reaches very high temperature . The opposite option is to compress the air along an isothermal transformation, but that requires a very slow compression rate, which is not always acceptable, since the availability of excess energy that is either stored or lost is given often for relatively short times. Despite these precautions against compressed air, it seems the ideal candidate for this type of storage, for its compressibility, much greater than that of water.
En el caso de almacenar gases con procedimientos que los calienten notoriamente, los recipientes deben aislarse térmicamente; no solo para evitar que cayera la temperatura, pues con ella caería la presión, sino para evitar que las diferencias de temperatura entre la cara caliente de la pared del recipiente y la cara exterior, fría, produzcan una tensión de aro suplementaria, de compresión en la cara caliente, y de tracción en la cara fría, que sería función de In the case of storing gases with procedures that heat them noticeably, the containers must be thermally insulated; not only to prevent the temperature from falling, because with it the pressure would fall, but to prevent the temperature differences between the hot face of the vessel wall and the outer, cold face, producing a supplementary ring tension, compression in the hot face, and traction on the cold face, which would be a function of
ΔT = diferencia de temperaturas entre las caras caliente y fría, ΔT = temperature difference between hot and cold faces,
α = coeficiente de dilatación lineal, α = coefficient of linear expansion,
E = módulo de Young, E = Young's module,
siendo la tensión de aro σt de origen térmico el valor the ring tension σt of thermal origin being the value
σt= α-ΔT-E/2 σt = α-ΔT-E / 2
La adición de tensiones implicaría mayores espesores en el recipiente, y para evitar ese sobrecoste es preciso recurrir a un fuerte aislamiento térmico de los recipientes. En todo caso, lo específico de la invención es configurar la red de conexión de la máquina compresora a los recipientes, y de los recipientes a la máquina expansora, de tal forma que los recipientes puedan quedar aislados, de tal manera que su llenado se realice secuencialmente, uno a uno; pero su vaciado a través de la máquina expansora se realice conjuntamente con todos los recipientes que estuvieran cargados. The addition of tensions would imply greater thicknesses in the container, and to avoid this extra cost it is necessary to resort to a strong thermal insulation of the containers. In any case, the specifics of the invention is to configure the connection network of the compressor machine to the containers, and of the containers to the expander machine, so that the containers can be isolated, so that their filling is carried out sequentially, one by one; but its emptying through the expander is done in conjunction with all the containers that were loaded.
Para ello es claramente ilustrativo el par de figuras que explican la invención, que entre ellas se diferencian sólo porque en la segunda sólo existe una máquina, reversible, que opera de compresora en la carga, activada por un motor eléctrico; que a su vez se transforma en generador cuando gira en sentido contrario y está movido por el eje de la máquina expansora, que a su vez se mueve por la expansión del fluido que se libera de su compresión en el almacenamiento. En las máquinas eléctricas trifásicas, el cambio de dirección de giro, y por tanto de función eléctrica, se realiza cambiando el orden de las fases, pasando de RST en un caso (el que se considere de referencia) a RTS. En las máquinas simples, monofásicas, esto se realiza por inversión de la polaridad en el arrollamiento del estátor. To this end, the pair of figures that explain the invention are clearly illustrative, which differ between them only because in the second there is only one machine, reversible, that operates as a compressor in the load, activated by an electric motor; which in turn becomes a generator when it rotates in the opposite direction and is moved by the axis of the expander machine, which in turn is moved by the expansion of the fluid that is released from its compression in storage. In three-phase electric machines, the change of direction of rotation, and therefore of electrical function, is carried out by changing the order of the phases, going from RST in a case (which is considered reference) to RTS. In simple, single-phase machines, this is done by reversing the polarity in the stator winding.
Como ejemplo, en la figura 1 se ve una típica etapa de carga del almacenamiento, en la que funciona la máquina compresora (2) cuyas válvulas de admisión (6, 8) están abiertas, como está abierta la de su impulsión (9). En ese momento se está cargando sólo el recipiente 1c, pues sólo está abierta la válvula 10c en conexión con el conducto de impulsión (33). Los recipientes 1, 1a, y 1b ya están cargados, y listos para ser descargados, por lo cual tienen abiertas (un tanto precipitadamente, para ilustrar el caso) las válvulas 12, 12a y 12b; aunque está cerrada aún la válvula de admisión (14) de la máquina expansora (15), pues el sistema no está en descarga del almacenamiento; si bien el almacenamiento está parcialmente cargado, y listo para iniciar la producción de energía, si así lo demanda el sistema eléctrico en su conjunto. Para finalizar, conviene indicar que los recipientes 1d y 1e están descargados, a la espera de su turno de carga. As an example, in Figure 1 a typical storage loading stage is seen, in which the compressor machine (2) whose inlet valves (6, 8) are open is open, as is the one of its drive (9). At that time, only the container 1c is being loaded, since only the valve 10c is open in connection with the supply line (33). The containers 1, 1a, and 1b are already loaded, and ready to be unloaded, whereby the valves 12, 12a and 12b are open (somewhat abruptly to illustrate the case); although the inlet valve (14) of the expander machine (15) is still closed, since the system is not in storage discharge; Although the storage is partially charged, and ready to start the production of energy, if required by the electrical system as a whole. Finally, it should be noted that containers 1d and 1e are unloaded, waiting for their loading shift.
Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención. Once the invention is clearly described, it is noted that the particular embodiments described above are susceptible to modifications of detail provided that they do not alter the fundamental principle and essence of the invention.
Claims (6)
- 2. 2.
- Dispositivo de almacenamiento de energía mediante fluidos comprimidos, según reivindicación primera, caracterizado por que una sola máquina (21) puede funcionar reversiblemente, según gire en un sentido o en el otro, como compresora o expansora, quedando unívocamente definidos el conducto de impulsión (23) cuando funciona como máquina compresora, y el conducto de admisión (28) cuando funciona como máquina expansora. Energy storage device by means of compressed fluids, according to claim one, characterized in that a single machine (21) can function reversibly, as it turns in one direction or the other, as a compressor or expander, the discharge duct (23) being uniquely defined. ) when it works as a compressor machine, and the intake duct (28) when it works as an expander machine.
- 3. 3.
- Dispositivo de almacenamiento de energía mediante fluidos comprimidos, según la reivindicación primera, caracterizado por que una variante de funcionamiento es usar un fluido natural como fluido de trabajo, entendiendo por fluidos naturales los que se encuentran abundantemente en la naturaleza, como son el aire y el agua, en cuyo caso, en vez de usar un depósito de baja presión para cerrar el circuito, se usa directamente la atmósfera, en el caso del aire, o una masa o corriente voluminosa de agua, en el caso del agua, actuando así en circuito abierto (7, 17) por el lado de baja presión. Energy storage device by means of compressed fl uids, according to the first claim, characterized in that a working variant is to use a natural fl uid as a working fl uid, natural fl uids being understood as those which are found abundantly in nature, such as air and water, in which case, instead of using a low pressure reservoir to close the circuit, the atmosphere is used directly, in the case of air, or a bulky mass or stream of water, in the case of water, thus acting in open circuit (7, 17) on the low pressure side.
- 4. Four.
- Procedimiento de almacenamiento de energía mediante fluidos comprimidos, que emplea un dispositivo de almacenamiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el procedimiento de operación del almacenamiento, en carga y descarga, aplicado bien automáticamente, bien manualmente, establece que todas las válvulas han de estar cerradas, menos las que se consignan a continuación, que han de estar abiertas, según el modo en que se esté operando, de carga del almacenamiento de energía, o de descarga de éste, prescribiéndose que Energy storage method by means of compressed fluids, which employs a storage device according to any one of the preceding claims, characterized in that the storage operation procedure, in loading and unloading, applied either automatically, or manually, establishes that all the valves they must be closed, except those listed below, which must be open, depending on the way in which they are operating, loading the energy storage, or unloading it, prescribing that
- --
- en el modo de carga, en el cual funciona la máquina compresora (2, 21), está abierta la válvula (6) de su admisión desde el depósito de baja presión (4), o eventualmente la válvula de aportación (8) de un fluido natural, si éste es el usado como fluido de trabajo, y está abierta la válvula general (9) del conducto de impulsión (33) de la máquina (2, 21), y una válvula de carga (10c) de un recipiente (1c), seleccionado por ser el que tenía mayor presión, por debajo de la de consigna, en el momento de iniciarse esa etapa de carga del almacenamiento, que termina cuando la presión en el interior de dicho recipiente (1c) iguala a la nominal o de consigna, cerrándose en ese momento dicha válvula (10c) que se encontraba abierta, y abriéndose la válvula de carga del recipiente que en ese momento tenga la mayor presión, por debajo de la de consigna, iniciándose así una nueva etapa de carga; in the loading mode, in which the compressor machine (2, 21) operates, the valve (6) of its intake is open from the low pressure tank (4), or possibly the supply valve (8) of a natural fluid, if this is the one used as a working fluid, and the general valve (9) of the drive duct (33) of the machine (2, 21), and a loading valve (10c) of a container ( 1c), selected for being the one with the highest pressure, below the setpoint, at the time that storage loading stage begins, which ends when the pressure inside said container (1c) equals the nominal or of setpoint, closing said valve (10c) that was open at that time, and opening the loading valve of the container that at that time has the highest pressure, below the setpoint, thus initiating a new loading stage;
- --
- y en el modo de descarga del almacenamiento, en el cual funciona la máquina expansora (15, 21), está abierta la válvula (20) de su descarga hacia el depósito de baja presión (4), o eventualmente la válvula de descarga (18) de un fluido natural, si éste es el usado como fluido de trabajo, y está abierta la válvula general (14) del conducto de admisión (34, 28) de la máquina (15, 21), y están asimismo abiertas todas las válvulas de descarga (12, 12a, 12b) de todos los recipientes (1, 1a, 1b) que tuvieran la presión de consigna en el momento de iniciarse esa fase de descarga del almacenamiento, que termina cuando la presión en el interior de dichos recipientes es insuficiente para hacer funcionar a la máquina expansora (15, 21) en su mínimo técnico, o bien termina cuando finaliza la demanda puntual de energía que estaba siendo satisfecha por el almacenamiento. and in the storage discharge mode, in which the expander machine (15, 21) operates, the valve (20) of its discharge is opened towards the low pressure tank (4), or possibly the discharge valve (18 ) of a natural fluid, if this is used as a working fluid, and the general valve (14) of the intake duct (34, 28) of the machine (15, 21) is open, and all valves are also open of discharge (12, 12a, 12b) of all the containers (1, 1a, 1b) that had the set pressure at the time of starting that phase of discharge of the storage, which ends when the pressure inside these containers is insufficient to operate the expander machine (15, 21) at its technical minimum, or it ends when the punctual demand for energy that was being met by storage ends.
- Categoría Category
- 56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas 56 Documents cited Claims Affected
- A TO
- US 4237692 A (AHRENS FREDERICK W et al.) 09.12.1980, 1,3,4 US 4237692 A (AHRENS FREDERICK W et al.) 09.12.1980, 1,3,4
- columna 3, líneas 12-41; figura 1. column 3, lines 12-41; Figure 1.
- A TO
- WO 2011104556 A2 (ISENTROPIC LTD et al.) 01.09.2011, 1-4 WO 2011104556 A2 (ISENTROPIC LTD et al.) 01.09.2011, 1-4
- página 19, línea 31 – página 20, línea 2; página 20, línea 28 – página 25, línea 19; figuras 1-3. page 19, line 31 - page 20, line 2; page 20, line 28 - page 25, line 19; Figures 1-3.
- A TO
- US 5845479 A (NAKHAMKIN MICHAEL et al.) 08.12.1998, 1,3,4 US 5845479 A (NAKHAMKIN MICHAEL et al.) 08.12.1998, 1,3,4
- columna 5, línea 22 – columna 7, línea 34; figuras. column 5, line 22 - column 7, line 34; figures.
- A TO
- US 3818698 A (BECKMANN G et al.) 25.06.1974, 1,4 US 3818698 A (BECKMANN G et al.) 25.06.1974, 1.4
- columna 2, línea 56 – columna 3, línea 31; columna 4, línea 20 – columna 5, línea 12; figuras. column 2, line 56 - column 3, line 31; column 4, line 20 - column 5, line 12; figures.
- A TO
- US 2010205960 A1 (MCBRIDE TROY O et al.) 19.08.2010, 1,4 US 2010205960 A1 (MCBRIDE TROY O et al.) 08.08.2010, 1.4
- párrafos [41],[49-50]; figuras 3,8. paragraphs [41], [49-50]; Figures 3.8.
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:
- Fecha de realización del informe 07.02.2012 Date of realization of the report 07.02.2012
- Examinador E. García Lozano Página 1/5 Examiner E. García Lozano Page 1/5
- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Novelty (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-4 SI NO Claims Claims 1-4 IF NOT
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-4 SI NO Claims Claims 1-4 IF NOT
- Documento Document
- Número Publicación o Identificación Fecha Publicación Publication or Identification Number publication date
- D01 D01
- US 4237692 A (AHRENS FREDERICK W et al.) 09.12.1980 US 4237692 A (AHRENS FREDERICK W et al.) 09.12.1980
- D02 D02
- WO 2011104556 A2 (ISENTROPIC LTD et al.) 01.09.2011 WO 2011104556 A2 (ISENTROPIC LTD et al.) 01.09.2011
- D03 D03
- US 5845479 A (NAKHAMKIN MICHAEL et al.) 08.12.1998 US 5845479 A (NAKHAMKIN MICHAEL et al.) 08.12.1998
- --
- En modo carga, funciona la máquina compresora y está abierta la válvula de admisión desde el depósito de baja presión. También están abiertas la válvula del conducto de impulsión y una de las válvulas de carga de un recipiente, aquel que tenga la mayor presión por debajo de la presión nominal en el momento de la carga. Cuando se iguale la presión nominal se cierra dicha válvula y se abre la válvula correspondiente al siguiente recipiente que cumple los anteriores requisitos. In load mode, the compressor machine operates and the intake valve is open from the low pressure tank. The valve of the discharge duct and one of the load valves of a container, the one with the highest pressure below the nominal pressure at the time of loading, are also open. When the nominal pressure is equalized, said valve is closed and the corresponding valve is opened to the next vessel that meets the above requirements.
- --
- En el modo descarga, opera la máquina expansora, está abierta la válvula de su descarga hacia el depósito de baja presión y también la válvula general del conducto de admisión. Además están abiertas todas las válvulas de descarga de los recipientes que tengan la presión nominal en el momento de iniciarse la descarga. In the discharge mode, the expander machine operates, the discharge valve is open to the low pressure tank and also the general valve of the intake duct. In addition, all the discharge valves of the vessels that have the nominal pressure at the time the discharge begins are open.
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