CN101410617A - 使用管道输送和存储风生成的能量的改进方法 - Google Patents

Abstract

基于风轮机的能量生成和存储系统网络和方法，其中势能存储为压缩空气。使用高压气动管道系统连接偏远的风电场。管道设置在沙漠地面上以及邻近铁路路基。压缩空气能通过涡轮膨胀机转换成电能。膨胀压缩空气的解压缩用于冷却设备、调节空气、淡化以及提供制冷。可结合公用事业电网并通过风电场网络对该公用事业电网进行补充。电能用于在低电需求时期期间生成压缩空气。

Description

使用管道输送和存储风生成的能量的改进方法

技术领域

本发明涉及一种输送和存储风生成的能量的方法，特别地，涉及一种经由管道输送和存储压缩空气形式的风能的方法。

背景技术

在过去的几十年以来，利用诸如太阳和风的自然资源生成能量在美国以及整个世界已经是一个重要的目标。降低对石油，诸如中东资源的依赖已成为重要的世界性问题。能量专家担心包括油、气和煤炭这些资源在某一天将会用尽。由于这些关注，已经试图启动很多项目，以利用来自经常称为自然“可替代”资源的能量。

例如，已在风自然吹动的区域建造了风电场。在很多地区，建造了大量的风轮机，“目的”就在于风，在风轮机中产生旋转能并用于驱动发电机，该发电机又发电。风电场在风条件相对恒定和可预测时最有效地运行。这种条件使得通过风生成的能量的供给和输送稳定，从而避免了能不利地影响系统的电涌和摆幅。如果没有适当地解决这些条件则可能会导致停电和发生故障，其中一个电网区域中的故障会导致整个系统的故障，即可能出现整个地区的停电。

然而，运行风电场的困难在于风就其特定本质而言是不稳定和不可预测的。在很多情况下，风速、频率和持续时间变化显著，即，风不会在一段时间以相同的速度吹动，而是风速会随时显著地变化。并且，由于通过风生成的能量的量在数学上是风速的立方的函数，所以即使风速的最小起伏或波动也会导致风生成能量的不成比例的变化。

这些情况可能会引发问题。例如，在风电场向由大量较小网络组成的巨大网络的电网输送能量的情形中，一个区域中的这些突然电涌可能会扰乱其它区域，并且甚至可能会在一些情况下使整个系统崩溃。而且，如果风电场专门用于为社区或工厂提供能量，则同样的电涌能导致过载，该过载可能损坏连接到系统的部件。

与风的起伏和波动相关的另一问题涉及传输线的峰值功率灵敏度。当风速起伏明显并出现明显的风能输出起伏时，系统必须设计具有足够的线路容量来承受这些情况。同时，如果对峰值功率输出进行太多的考虑，则系统可能被过度设计，在这种情况下，在正常的运行状态，系统可能不会有效率地运行，从而增加了能量的成本。

另一相关问题是一些情况下的与没有风或风速很低的情况相关的风能损耗。当出现这种情形时，可能出现风能供给的缺口，这对总的电网功率输出是有害的。在高需求期期间，诸如通常在制热和制冷需求高的时期，这是特别重要的。

由于这些问题，在过去已经作出尝试来存储通过风产生的能量，从而风生成的能量能够在峰值需求期和/或风小或没有风的时期使用。在过去，公用事业公司和其它能量供应商已实施某些时移方法，在所述方法中，存储可在低需求期得到的能量，然后在以后的峰值需求期使用。这些方法通常包括存储能量，然后在以后使用该能量以补充需要以另外方式得到的能量。

过去已使用了几种这样的能量存储方法，包括压缩空气能存储系统，诸如地下洞穴和储罐。然而至今，这些系统的主要缺点中的一个在于相对而言它们是能量效率低的。例如，压缩空气能系统在将压缩空气能转换成电能时容易损耗大部分的存储能量，其中，使用来自存储的能量的成本大于所存储的能量的价值，即，只是将压缩空气能转换成电能就通常导致明显的能量损耗。这些低效率可使得对它而言，安装这种能量存储系统所需的经济动机明显减小。过去的系统不能减小低效，以及上述的在使用风作为能量源中固有的起伏和波动。

与风能相关的另一问题是，即使风电场设置在风更可预测和稳定的位置，即使建造存储设备，但仍存在附加问题，即，使能量达到需要能量的地方。在很多情况下，风电场设置在远离现有电网以及远离需要能量的社区和工厂的位置，即，风电场的理想位置可能在小山顶或山峰上，或在峡谷或沙漠中，或离岸区域等，所述位置可能距离需要能量的地点很多英里。在这种情况下，建立仅仅为风电场服务的输电线来传输通过风电场生成的电能，将是非常昂贵的。不仅与建造用于如上所述存储能量的储罐相关的成本是巨大的，而且与建造必须长距离延伸的新传输线有关的成本甚至更大。通行权费用也将产生，即，通常必须获得地方社区的许可，其中获得批准的过程可能是耗时和耗费巨大的。

当包括传统的输电线，并使用其来长距离地传输能量时，具有线路损耗的附加问题。这在整个美国已成为日益增加的问题，并且可能是世界性的问题。例如，尽管过去的几十年来已建立了数千英里的高压输电线，建立新传输线的费用实际上已经减少了，而对于电的需求仍继续增加。事实上，根据一些统计，过去25年来，对于新传输设备的年投资额已下降，这样导致过度的电网拥塞和阻塞，即，由于用户不能使用低成本的电供给以及由于较高的线路损耗，导致更高的电成本。

线路损耗通常涉及系统负载的轻重以及涉及与配线属性和用于传输能量的条件有关的固有特性。实际上，1970年在美国，传输和配电损耗在大约5％，但由于能量需求增加而传输设备没有足够的增加，所以在2001年传输和配电损耗已增加到大约9.5％。这些损耗由可影响电网的各个方面的拥塞的传输路径导致，其中估计停电和电力质量扰动每年花费美国经济多达1800亿美元。

另一相关问题是，整个美国并且很可能在其它国家中，对于能量的最高需求经常出现在白天，因此，在最高需求期期间的对电能的需求继续增加。这些峰值需求能够给供应电能的公用电站和电网带来了沉重的负担，其中，这些公用电站和电网通常必须被建造成满足最高的需求期，这意味着在低需求期期间，它们必将是低效的，即，低于峰值效率和性能运行。这意味着不仅必须建立传输线来承受最高的需求期，而且公用电站本身必须设计成在峰值需求期产生充足的能量，即使这些时期仅在每个月的一小部分时期内出现。这是因为传输线本身不存储能量，即，它们仅仅是能量“管道”，因此，公用电站必须能够产生和供应较高的能量量。如果不能适当地解决此高需求期，诸如通过对设备进行过度设计以满足峰值需求，则可能会导致出现频繁的停电和故障，并导致成本的增加。

这些需求也会给需要在峰值需求期使用能量的用户，包括许多商业和工业财产的拥有者和经营者带来昂贵的负担。公用事业公司经常对在峰值需求期消耗的能量收取大量的额外费用。此惯例通常基于著名的供需原理，例如当需求高时，能量费用较高，而当需求低时，能量费用较低。并且因为大部分商业和工业财产的拥有者被迫在白天运营，所以它们最经常被迫支付最高需求期期间的最高能量费用。

通过根据在预定时期期间，诸如在一个月时期期间发生的能量消耗的最大费用来估计罚金和附加费的价格(下文中“需求费用”)，公用事业公司还收取峰值需求期的峰值能量使用费。需求费用可例如基于在短峰值和电涌期间产生的消耗的最大“峰值”费用来确定，其中，可以在不管该时期期间“峰值”和“电涌”多短且不管峰值或电涌之紧前和紧后可能适用的费用是多少的情况下，对需求费用进行估价。还可在不管该时期期间有效的平均消耗费用的情况下对此需求费用进行估价，而所述平均消耗费用可能远比峰值更低。即使使用的总平均费用明显较低，但需求费用可能基于在此时期期间经历很短时间的高得多的峰值或电涌。

这些定价惯例被设计为有助于公用事业公司抵消和/或补偿建造如上所述的设计为满足峰值需求期的公用事业电场和电网的高成本。他们还鼓励商业和工业财产拥有者和运营者减小在峰值期期间的能量消耗，以及如果可能的话尝试发现可替代能量源。然而，由于大多数商业和工业财产拥有者和运营者必须在白天运营他们的商业，并且可替代能量源不总是容易得到的，因此他们经常发现自己必须在最高费用期期间使用来自电网的能量。而且，因为能量消耗率可能波动，并且可能在不同时期发生电涌和峰值，所以可能会涉及潜在的巨大需求费用。

发明内容

尽管在美国以及其它国家的能量生产者具有很多良好意图，他们鼓励使用可替代能源，但底线是，不包括政府补助，生产能量的成本必须使得它产生长期的经济效益以建造所需的设施，来生产、向用户供给和输送能量。

在这方面，美国的大部分居住区已充分接入了供应由当地公用事业公司产生的能量的电网，并且还欣然支付接入现有电网的费用。除了那些可能发生停电的极少地方之外，大部分能量用户期望他们能简单地连接到最近的电网，并从该最近的电网获得电力。

然而，在一些遥远的乡村地区，电能不总是容易得到的，并且必须努力为这些区域供应所需的电力。例如，可能需要高成本安装的新输电线以使远离电网区域的设备和居住和/或工作在远离电网区域的人能够接收电能的入口。然而，建造从该地点到最近电网的输电线的成本可能惊人地高。更糟地是，这些成本必须经常由终端用户承担，诸如当涉及私人的非政府开发区和工厂时。并且，一旦连接，他们必须继续向公用事业公司支付费用以使用能量。

然而，由于土地的成本日益增加，并且需要销售有竞争力价格的产品，所以很多工厂设法将他们的工厂和其它工业中心设置在遥远的位置，这里拥有和/或租赁土地的费用仍是担负得起的，并且这里仍可得到低价的技术劳动力。尽管具有与建造这些类型的工厂相关的附加成本，包括往返于该位置的旅行成本，但是在很多情况下，建造和运行这种工厂的决定仍能够产生经济效益。

然而，伴随将工厂设置在距离电网如此远的位置的一个问题是将工厂连接到电网以获得所需的能量从而以经济的方式使工厂运行的成本。在很多情况中，诸如当建造新的工厂时，也必须建立新的输电线，以连接到电网，如上所述，这可能是惊人昂贵的。由于线路安装的劳动密集型特性，在很多情况下，安装低容量线路的成本几乎与安装中到高容量线路的成本一样高。当工厂对能量的需求相对小，即，与线路的容量相比相对小时(在这种情况下，通过该线路传输的能量可能从没有达到它的容量)，这些成本可能是特殊的负担。

这些问题通过如下事实组合：能量必须仍然从向电网供应能量的公用事业公司购买。在这种情况下，根据工厂使用了多少能量，以及何时使用，即在峰值需求期期间时，与使用来自电网的能量相关的成本可能是显著的。如上所述，工厂可能需要支付峰值能量费用，所述峰值能量费用产生在能量需求最高时，即在峰值的白天时段期间。如上所述，还可能承担附加需求费用。

归因于连接到电网以及将传输线延伸长距离的能量损耗也能减小系统的效率并增加运行的成本。通常，当传输线能够传输大量的电能时，在传输期间会损失大量的能量，特别是当涉及长距离时。

在一方面，本发明涉及一种如下的改进方法：在风能可自然利用的位置，经由管道以压缩空气的形式存储风生成的能量，然后经由同一管道将该压缩空气能输送到需要能量的社区或工厂，无论该社区或工厂距离电网远还是近。它优选包括一系列压缩机和相对长的管道，并且一个或多个涡轮膨胀机和/或发电机服务于该社区或工厂，其中通过管道供给的能量由此能够成为专用的能量源，或者能够补充来自电网的电力。

在第一构造中，管道中的压缩空气能用于驱动连接到发电机的涡轮膨胀机，从而能够产生可被终端用户社区或工厂使用的电。此外，随同电一起产生的废冷气副产品能够用于其它目的。例如，在社区或工厂，来自涡轮膨胀机的废冷气能用于制冷和空气调节的目的，这当系统设置在温暖气候的地区时是特别有益的。在这种情况下，没有设置附加的热源，从而系统能够充分利用当释放压缩空气时同时产生的废冷气。

在此实施例中，不仅发电，而且系统优选产生最多的冷气，所述冷气不仅能用于制冷和空气调节的目的，而且还能用于淡化的目的。预期与本发明结合使用的淡化系统是这样的系统：使用冷气来冷冻水，以有效地帮助将水中的杂质与水分离并除去，从而生成淡的饮用水。热能存储系统也能用于将通过冷气产生的冷却水存储在辅助的存储单元中，用于以后的使用。这些实施例特别适合于温暖的气候，诸如在难以获得淡饮用水的沙漠中。

与此第一实施例相关，可提供另一方案，在该方案中，使用特别适于仅提供用于工厂冷却的涡轮膨胀机来仅产生冷气，即，不产生电。这可用于，例如，可从电网得到用于工厂运行的充足能量的地方，但是工厂需要低成本源来驱动空气调节装置。

在第二构造中，在有限的基础上设置加热以改善电力生产。例如，在此实施例中，优选热源是当压缩空气时由压缩机生成的废热，该废热能分配回到管道中以加热压缩空气。在此实施例中，尽管使用加热元件，但是作出努力以消除任何附加能量源的使用，所述附加的能量源将需要更多的能量来运行。此实施例还具有如下优点：除了能够产生电能之外，还能够产生一定量的冷气作为副产品。类似第一实施例，此实施例优选例如当释放压缩空气时，利用由涡轮膨胀机同时产生的冷气，以提供用于冷却目的的冷气，只是在此实施例中，由于来自压缩机的附加废热，冷气没有那么冷。

在第三构造中，当释放压缩空气时，可提供各种热源，包括来自压缩机的废热以及加热器元件，从而使通过发电机的电生成最大化，但以不产生冷气为代价。在此实施例中，预期能够使用三种不同类型的加热系统中的至少一种来向压缩空气提供热量，所述三种加热系统包括1)使用来自太阳的能量的太阳热收集器，包括将管道涂成黑色并将管道设置在直射的阳光下，诸如设置在沙漠地面上，以利用太阳的热量，2)废热收集器，以使通过压缩机产生的废热循环到存储在管道中的压缩空气，以及3)诸如矿物燃料燃烧器的独立加热元件，以将热量引入到管道中，或者当通过涡轮膨胀机释放压缩空气时，将热量增加到涡轮膨胀机的输入。如果需要，本发明还预期使用向压缩空气提供热量的其它方法，诸如燃烧室等。

在第四构造中，除了或代替产生电能之外，系统还能适于提供压缩空气能形式的能量来驱动气动设备，包括工具和机器等。在这方面，管道能适于向通常运行气动驱动设备的工厂提供能量，其中管道中的压缩空气能直接使用，无须首先将该压缩空气能转换成电，从而提高了系统的效率。在此实施例中，压缩空气能可用于补充可从电网得到的电能，即，压缩空气能可用于运行气动设备，而来自电网的电可用于其它功能，在这种情况下，没有从该压缩空气能中产生电。可选地，除了驱动气动设备之外，系统可具有从压缩空气能中发电的装置，从而工厂将无需连接到电网。在这种情况下，系统能适于在一方面使用压缩空气能发电与另一方面直接驱动气动设备之间进行切换。它们也能同时发生。

在第五构造中，除了或代替合并风电场以产生用于管道的压缩空气能之外，管道系统可连接到现有的能量源，诸如公用事业设施，即地热发电站、核电站、水电站等或电网，其中系统可设计为在低需求期，诸如在夜间压缩空气并存储能量，而在高需求期，诸如在白天使用所存储的能量。这样，公用事业设施能够以其最有效的级别并在恒定负载级别下持续运行，并能够存储在夜间低需求时产生的能量，来补充在高需求期所需的能量。

从能量生产的观点看，利用此实施例，在高需求期，公用事业设施能够提供更多的能量，而不必建造更大和更高容量的发电站，因为这样做的成本将更高。而且，公用事业设施能够在一致的高级别和恒定的速率下夜以继日地产生能量，从而使设备的效率最大化。系统优选能够向终端用户提供不间断和稳定的能量。此外，对于在高需求期使用的能量，公用事业公司能够更多地收费，尽管该能量实际上是在低需求、低成本期产生的。从用户的观点看，能够开发系统使得高需求期的能量率较低，并且使得较少发生电涌、尖峰脉冲和停电。

在第六构造中，可将上述与前五种构造相关的特征的一个或多个并入单一系统中，并能够用于沿管道的长度向多个社区和/或工厂提供能量。例如，当系统设置在热沙漠中并为使用气动设备的工厂服务时，可在没有加热元件的情况下安装系统，从而系统能够同时发电并产生用于空气调节目的的冷气。系统还可设置成使用压缩空气来驱动气动设备，从而提高总效率。同样地，系统能够适于使得压缩空气能可既通过风电场又通过公用事业设施产生--由于与使用风作为能量源相关的不确定性，所以经常有利的是提供第二能量源，诸如来自公用事业设施或电网的能量。

本发明的一方面涉及管道系统的使用(在地面上或者在地下)，来自风轮机的压缩空气能分配到该管道系统中，其中管道不仅能用于存储压缩空气，而且能够将压缩空气能从一个遥远的位置(诸如风条件理想的位置)输送到需要能量的地方(需要能量的工厂或社区)。压缩空气以这种方式的存储使得由风而得到的能量能够存储一段时间，直到需要它。管道还能够用作输送所存储能量的装置，诸如从风电场所处的位置输送到需要能量的位置，其中管道本身能用作存储和输送装置。

使用此类型系统的益处在于，传输装置(在此情形中是管道)不仅能够将能量从一个位置输送到另一位置，而且能够存储能量。这样，与仅能通过管道传输能量的传统输电线不同，预定量的能量能被存储，从而即使在能量源的能量变得暂时不可利用，即，风停止吹动或公用事业设施停止运转时，能量也将是可得到的。它还能够存储在低需求期，诸如在夜间产生的能量，从而它可在能量费用较高的高需求期分配和使用。在这种情况下，系统将能够在预定量的时间内以较低的成本向终端用户持续供给能量。

申请人的发明的另一方面考虑如下：当确定风电场的位置以及确定将管道设置在何处时，该方法优选考虑现有的道路、便利设施、地下管道、铁轨、线路、电缆等，以及它们所处的位置，从而能够沿可能的最经济和/或便利的路径来铺设管道。也就是说，管道优选沿直接线路或路径设置，所述线路或路径沿着或至少紧靠着现有道路、铁路、便利设施、管路、管道、电缆等延伸，从而不需要建造新的道路、入口和开阔场地等，并且能使用或依靠现有的地役权、土地使用许可、环境影响报告等来安装管道。实际上，在具有废弃的管路系统的地方，诸如天然气或下水管，本发明预期连接到或者全部或部分地使用现有的管路，以及它们的便利设施、入口区、道路等，以更经济地安装管道系统。

在一个实施例中，本发明预期建造管道，使得通过将管道直接设置和连接到铁路枕木上或与其相邻而邻近或连接到现有铁轨。也就是说，本发明预期利用已建成的遍及整个国家的经常延伸到遥远位置的铁轨的便利设施和网络来以减少成本并更有效的方式建造管道。本发明优选包括使用连接器将管道连接到诸如在地面上的铁路枕木本身，该管道平行于轨道延伸，从而通过沿着轨道行进，能够容易地对管道执行维护工作。这样，将不需要把管道埋在地下，从而降低了安装和维护的成本。

本发明还预期沿暴露于烈日下的沙漠地面建造管道，从而由于太阳热量，管道内的压力能够有利地增加。在这方面，可以看到沿着也通过沙漠延伸的现有铁轨而设置管道的优点，这使得烈日能够有助于增加管路内的压力，这样当释放管路内的压力时能够生成附加的能量。

在这方面，通过本发明预期的另一协同效应是将工厂设置在沙漠中，在这里，当释放压缩空气能时产生的冷气能用于补充工厂的空气调节能力。这使得工厂能够减小对电能的依靠，为空气调节装置提供电力，从而有效地提高系统的总效率。

附图说明

图1显示了设置在遥远位置的风电场，其通过沿计划路线，诸如沿现有道路或便利设施而在风电场与终端用户之间延伸的管道系统被连接，该终端用户可以是社区、工厂或电网，由此能够存储来自风电场的压缩空气能并通过管道将其输送到社区、工厂或电网；

图2显示了设置在遥远位置的两个风电场，它们通过沿计划路线，诸如沿现有道路或便利设施而在风电场与终端用户之间延伸的管道系统被连接，该终端用户可以是社区、工厂或电网，其中沿计划路线设置了附加的风电站来提供间歇的压缩空气能的源，以沿计划路线保持管道中的空气压力；

图3显示了风轮机，示意性显示了如何从风轮机经由电动机和发电机提取能量来驱动将压缩空气能供给到管道系统中的压缩机；

图4显示了几个管道的实施例，包括设置在水下的管道系统、沿沙漠地面设置的管道系统以及邻近铁轨(并连接到铁路枕木)设置的管道系统，并提及了管路的优选长度，即100英里长和优选管路尺寸(3到4英尺内径)；以及

图5显示了包括本发明的一些特征的可变应用系统的示意图，其中来自存储的压缩空气能可用于直接供给能量以运行气动设备、经由涡轮膨胀机发电、以及提供当产生电时同时产生的冷气，用于冷却，即运行空气调节设备，其中废热和燃烧器被设置成为可选装置，用于在由涡轮膨胀机释放压缩空气之前加热该压缩空气；

图6a显示了一实施例的示意图，在该实施例中，管道用于为具有气动设备的若干工业区服务，其中管道长100英里，内径4英尺；能量通过地热发电站、柴油机发电站或核电站产生，并且在夜间存储管道中的压缩空气能，使得它能够在白天使用；

图6b显示了一实施例的示意图，在该实施例中，管道用于为具有气动设备与电需求和空气调节需求的组合的若干工业区服务，其中管道长100英里，内径4英尺，具有各种能量源，但其中基于如图11中所示的可归因于能量使用的能量损耗量，具有电需求和空气调节需求的最远工业区距离能量源仅25英里，而具有气动设备的工业区可设置在100英里远的位置。注意：在这种情况下，如果利用3英尺的管路能够满足工业区的气动设备需求，则剩余75英里管道的尺寸可较小，诸如3英尺的内径，尽管这具有较大的压力损耗；

图6c显示了一实施例的示意图，在该实施例中，管道用于为具有空气调节需求的若干工业区服务，其中管道长100英里，内径4英尺；能量通过地热发电站、柴油机发电站或核电站产生，并且在夜间存储管道中的压缩空气能，使得它能够在白天使用；

图6d显示了一实施例的示意图，在该实施例中，管道用于为具有淡化设施和空气调节需求的若干工业区服务，其中管道长100英里，内径4英尺；能量通过地热发电站、柴油机发电站或核电站产生，并且在夜间存储在管道中的压缩空气能，使得它能够在白天使用；终端用户安装用于它们自己工业区的涡轮压缩机、涡轮膨胀机以及淡化系统；

图7a显示了一实施例的示意图，在该实施例中，管道用于为具有气动设备的若干工业区服务，其中管道长100英里，内径4英尺；能量通过风电场产生并且来自风的能量存储在管道中；

图7b显示了一实施例的示意图，在该实施例中，管道用于为具有气动设备与电需求和空气调节需求的组合的若干工业区服务，其中管道长100英里，内径4英尺；能量通过风电场产生，但基于如图11中所示的可归因于能量使用的能量损耗量，具有电需求和空气调节需求的最远工业区距离风电场仅25英里，而具有气动设备的工业区可设置在100英里远的位置，并且终端用户可安装涡轮发电机以提供气动、电和空气调节。注意：在这种情况下，如果利用3英尺的管路能够满足气动设备需求，则剩余75英里管道的尺寸可较小，诸如3英尺的内径，尽管这具有较大的压力损耗；

图7c显示了一实施例的示意图，在该实施例中，管道用于为具有空气调节需求的若干工业区服务，其中管道长100英里，内径4英尺；能量通过风电场产生并存储在管道中，并且终端用户可安装涡轮压缩机和涡轮膨胀机以提供空气调节；

图7d显示了一实施例的示意图，在该实施例中，管道用于为具有淡化设施和空气调节需求的若干工业区服务，其中管道长100英里，内径4英尺；能量通过风电场产生并存储在管道中；终端用户安装用于其自己工业区的涡轮压缩机、涡轮膨胀机以及淡化系统；

图8显示了100英里长、4英尺内径并且其中具有1200磅/平方英寸(psig)的压力的管道的示意图，管道连接有各种能量源，包括风电场、地热发电站和核电站，并具有各种终端用户，包括具有气动设备和淡化装置的工业区；

图9显示了具有用于产生冷气的涡轮压缩机和涡轮膨胀机的系统的示意图；

图10显示了曲线图，图示了随着空气温度升高，涡轮膨胀机膨胀和效率的级别；

图11显示了曲线图，图示了作为管路直径、管道内的压力以及压缩空气的使用方式的函数的管道内可能经历的压力损耗量，所述使用方式即为用于发电(这种情况压力和流速相对高)或者用于驱动气动设备(这种情况压力能够相对低)；以及

图12显示了图11中图示的发电系统与气动设备驱动系统之间的比较，其中100英里长、3英尺内径并具有1200磅/平方英寸压力的管道用于比较当没有附加压力增加到管道时，管道内的压力将能够持续多久。

具体实施方式

本发明的一个优选方面涉及风能生成和存储系统，该系统能够将风生成的能量从风条件理想的区域输送到需要能量的区域，而无需延展长且昂贵的输电线，并且无需建造昂贵的压缩空气储罐等，如图1和图2中所示。在此方面中，本系统优选包括选择风条件很可能稳定并可预报的区域，或者至少比其它可利用的区域更稳定和可预报的区域，这将适合于产生风能。就其特性而言，这些区域经常位于距人们居住的社区很多英里并且距离现有电网遥远的区域。它们可能例如位于沙漠、峡谷、离岸地区中，以及位于远离文明的山峰或山顶上。它们还经常位于财产值相对低的地方。

本方法的另一优选方面包括，通过在风条件理想地适合产生稳定和可预报量的能量的位置处设置一个或多个风轮机，而在优选或理想条件下利用风能。尽管所有位置都遭受某种程度的不可预见性和不确定性，但是存在明显比其它位置更好的位置，而本方法优选考虑这些优选位置的使用。

本发明的另一优选方面涉及如图3中所示的至少一种风轮机的使用，也就是，1)专门用于发电以运转至少一个压缩机(下文“电风轮机”，或者2)专门用于产生机械转动能以机械地驱动至少一个压缩机(下文“机械风轮机”)。风轮机类型的每一个优选专门用于产生可存储在管道系统中的压缩空气能。优选地，基于终端用户工厂和社区所需的能源量以及基于将用于为远离风电场的区域服务的管道尺寸和长度的确定，将系统设计为具有预定数量的风轮机。优选，在生成适当量的能量中，系统是既经济而又能量有效的。

每个电风轮机类型优选具有水平轴风轮机(HAWT)和位于风力发动机的短舱中的发电机，从而由风引起的旋转运动经由电动马达和发电机直接转换成电能，如图3中示意性所示。这可例如通过将发电机直接连接到风轮机的水平旋转轴而实现，从而从风中获得的机械能能够直接驱动发电机。发电机又可用于驱动压缩机，该压缩机产生压缩空气能，可将该压缩空气能存储在管道中。

该机械风轮机类型在将机械旋转能从高的地上短舱向下带到地平面作为旋转机械能方面稍微更复杂。每个站的水平定向的风轮机优选具有连接到第一齿轮箱的水平轴，该第一齿轮箱连接到向风轮机塔下延伸的垂直轴，该垂直轴又连接到与位于地面上的另一水平轴相连的第二齿轮箱。然后下面的水平轴优选连接到压缩机，从而从风获得的机械旋转能可用于机械驱动压缩机，该压缩机产生压缩空气能。

此机械能可用于直接驱动压缩机，而无需首先将机械能转换成电。通过将压缩机设置在位于轴上的齿轮箱下游，并通过直接使用风轮机的机械旋转能，能避免通常由于其它类型的配置所产生的能量损耗。通过每个机械风轮机生成的能量可用于直接为至少一个压缩机提供动力，所述压缩机可用于将空气能压缩至管道系统中。然而，具有与经由垂直轴传输风能相关的固有问题，该垂直轴容易由于沿长轴的共振而振动，其中应对所述振动进行控制，以使系统正常发挥作用。

通过每个风轮机生成的压缩空气能优选经由一个或多个压缩机分配到管道中。压缩空气能的存储使得从风得来的能量能够长时段地存储。通过以这种方式存储能量，能在适当的时间，诸如当风小或没有风时和/或在高峰需求期期间释放压缩空气并使其膨胀。然后在“根据需要”的基础上，即当实际需要能量时，该释放和膨胀的压缩空气能够用于供给得自风的能量以生成电能，这可与风实际吹动的时间一致或者可以不一致。

本发明使用管道系统，来自风轮机的压缩空气优选分配到该管道系统中，并且该压缩空气能能够在管道系统中存储和输送。压缩空气能的存储使得从风得来的能量能够长时段地存储，直至需要它。管道还优选用作一种将存储的压缩空气能从风电场输送到需要能量的位置的装置。风轮机和压缩机优选设置在管道的一端，而涡轮膨胀机、交流发电机和/或气动设备等或释放和使用压缩空气能的其它装置优选设置在该管道的相对端，如图5中所示，或者沿管道的长度设置。

可以看到上述风轮机能够用于直接产生立即输送到管道的压缩空气能。还可以看到该压缩空气能能够存储在管道中以时移能量的输送，从而即使在与风实际吹动的时间不一致的时期，即，即使当没有风吹动时，和/或在高峰需求期期间，也能够在遥远的位置获得风生成的能量。尽管存在风速的起伏和波动，但是通过协调和管理到达需要能量的工厂和社区的能量输送，这些要素的协调和使用使当前系统能够以稳定的方式为终端用户提供连续和不间断的能量。

在特定位置的风的模式随时间改变，即从一个季节到另一季节、从一个月到另一个月、并且最重要地是每天、每小时以及每分钟都改变。通过当最可利用时存储能量，然后当最需要时使用该能量，而与能量的存储结合地处理这些起伏和波动，从而系统能够以基本恒定的速率、以减小的成本向公用事业公司提供连续的输出。在这方面，本发明预期运行这样的风电场，该风电场使用疾风期覆盖微风期，并平滑风能的输送。长的传输管道能够实现在白天向终端用户输送恒定的能量输出级别，从而使得公用事业公司能够对于在夜间以较低成本产生的能量收取更多的费用。

系统预期能够监控在任意给定时间管道内压缩空气能的量-它优选测量在任意给定时间被压缩进入存储和被释放的压力的量以及内部压力的总量。这样，通过控制多少能量被供给到管道中而多少能量被释放，系统能够保持管道内足够的压力量。对于保持管道中的适当压力级别所述控制是必须的，为了确保系统决不会用完压缩空气能，其中优选将压力保持在至少200磅/平方英寸的级别。

管道可埋在地面下或设置在地面上并且在风轮机与需要能量的社区和/或工厂之间延伸，可以为几英里的距离。通过以这种方式存储能量，优选将压缩空气存储在管道系统中并通过该管道系统沿计划路线输送，如图1和2中所示。这明显不同于标准传输线，该标准传输线仅仅传输能量，即，当能量源不再能够提供能量时，通过线路将不能得到能量。使用本系统的益处在于传输装置(即管道)能够存储能量。这样，与仅能够传输能量的传统输电线不同，能存储预定量的能量，从而即使能量源暂时不可利用，即，风停止吹动，但能量也将是可得到的。在这种情况下，尽管没有风，但是系统也将能够在预定量的时间内继续供给能量。

本发明的另一优选方面包括使用与安装管道系统相关的计划路线来将风能从风条件理想的遥远位置输送到需要能量的位置。计划路线基本是从能量源延伸到终端用户即工厂或社区的直接线路或路径。例如，在很多情况下，这种路径优选沿诸如维修设施用通道的现有道路或在其附近延伸，所述道路允许沿已清理的路径安装管道，还提供到达风电场的更容易的通路。这还能够更容易地安装管道，以及更容易地进入以进行修理和维修。

选择的路径也可沿现有的便利设施，诸如沿现有的地下管道，诸如电线或气体管线、下水管等来设定路线，这能够减少安装的成本。这是因为可以使用和/或依靠安装现有管道所获得的现有地役权、土地使用许可、通行权、环境影响报告等，这将能够更快和以更低的成本安装管道。

在具有被废弃的现有地下管路系统，诸如气体管线或下水管的情况下，本发明预期能够全部或部分地使用该被废弃的管路，来帮助形成新的管道系统，并减少其成本。在此方面，如果现有管道不具有合适的尺寸，或者没有延伸到全部的长度，或者没有被完全废弃，则本发明预期使用现有管路的至少一部分，即，能够使用的任何部分。如果必要的话，新管道还可邻近现有管道设置。对于新管道系统，可使用和/或依靠针对现有管道所获得的所有地役权、土地使用许可和环境影响报告。

在一个实施例中，如图4中示意性所示，本发明预期建造管道，使得通过将管道直接设置和连接到铁路枕木上或与铁路枕木相邻，该管道与现有的铁轨相邻或连接到现有的铁轨。本发明预期利用已建成的经常从现有社区延伸到遥远位置的铁轨的便利设施和网络，从而以减少的成本并以更有效的方式建造管道。本发明优选包括使用连接器将管道连接到铁路枕木本身，该管道平行于轨道延伸，从而通过沿着轨道行进，能够容易地对管道执行维护工作。这样，将不需要把管道埋在地下，从而降低了安装和维护的成本。本发明还预期能够沿着管道间歇地设置某些出口点，在这些出口点中能够释放压缩空气以运行诸如修理铁轨可能需要的设备。

在另一实施例中，也在图4中示意性示出，本发明预期沿暴露于烈日下的沙漠地面建造管道，从而由于该热量，管道内的压力能够有利地增加。外部可涂成黑色或其它的深颜色以增强能量的吸收。管道壁厚的热惯性能够提供一种吸收能用于增加管道内压力的热量的有用方法，并防止系统在膨胀期间冻结。在这方面，可以看到沿沙漠地面设置管道具有优点，使得烈日能够有助于增加管路内的压力，当该压力释放时在管路中能够生成附加的能量。本发明预期管道和/或相关部件以及它们的质量可设计为吸收和释放热量以将所存储的压缩空气保持在相对稳定的温度。

在某些情况下，对于相同的距离，可归因于使用管道存储和输送压缩空气能的总能量损耗小于可归因于通过标准传输线传输电的能量损耗。因此，本发明预期建造风轮机或风电场，并且代替使用标准传输线，使用管道来存储和输送压缩空气能，其中，能够减少使用传统传输线的固有损耗。本发明的分析显示在特定的距离和环境内，沿管道长度所经历的能量损耗百分比能小于归因于标准传输线的损耗的百分比，并且在本发明的情况下，已发现管道越大，能经历的能量损耗的减少越多。

本发明优选考虑可归因于使用管道存储和输送压缩空气能的能量损耗的总百分比，已发现该能量损耗的总百分比是若干不同因素的函数，这些因素包括管道的直径、管道内的压力、使用压缩空气的方式，即压缩空气是否用于发电，或者是否用于驱动气动设备或提供用于HVAC单元的冷却。有效率地运行系统所需的能量存储容量的适当量的确定优选考虑保持沿管道长度的减少的能量损耗百分比的需求，该需求优选考虑当释放压缩空气时可能发生的摩擦，以及此处所述的其它因素。

建造位于偏远地方的风电场来传输电能的缺点之一是构建输电线的成本以及它的相关问题，包括沿线路长度所经历的能量损耗。本发明预期确定有效率地运行系统所需的能量存储容量的适当量，然后使得管道内的适当量的存储空间适于容纳预期的负载。如所提及的，已经发现通过增加管道的直径能够减小归因于管道的能量损耗的百分率。

在这方面，如图11中所示，已发现当使用具有较大容积的较大尺寸的管路时，能够减小由于摩擦而导致的沿管路长度的能量损耗的总百分比，即，通过使用较大的管路能够减小能量损耗的总百分比。例如，根据图11，当将内径为3英尺的100英里长的管道填充到大约200磅/平方英寸时，在释放压缩空气以驱动气动设备时能够预期压降超过20磅/平方英寸。另一方面，当相同长度的管道的直径为4英尺且填充到相同的压力(即200磅/平方英寸)并用于相同的目的时，能够预期该压降小于10磅/平方英寸。还能够看到，当将直径为3英尺的100英里长的管道填充到大约600磅/平方英寸时，且用于发电时，在管道的相对端处释放压缩空气时，能够预期压降超过60磅/平方英寸。另一方面，当相同长度的管道的直径为4英尺且填充到相同的压力(即600磅/平方英寸)并用于相同的目的时，能够预期该压降小于10磅/平方英寸。因此，能够看到，沿管道长度所经历的压力损耗量至少部分是管路直径的函数。

还已经确定，在使用涡轮膨胀机来发电时具有更大的压力损耗，与使用压缩空气驱动气动设备的情况相比，涡轮膨胀机需要相对高的压力和更大的气流速度，而使用压缩空气驱动气动设备不需要那样高的压力或速度来运行，即，平均来说仅需要在30到150磅/平方英寸之间。例如，根据图11，能够看到，如果将3英尺直径的管路填充到200磅/平方英寸并用于发电，则归因于摩擦的压力损耗将是很明显的，即，表示损耗的线不在图表中，使它不适合于此特定的应用。另一方面，能够看到，如果将相同的3英尺直径的管路填充到相同的200磅/平方英寸但用于驱动气动设备，则归因于摩擦的压力损耗将仅比20磅/平方英寸多一点，这无疑是可控制的。此差别主要由于如下事实：与仅仅在30到150磅/平方英寸之间的驱动气动设备所需的气流速度相比，使用涡轮膨胀机发电所需的气流速度更大，即至少200磅/平方英寸(并优选更多)。因此，管道中的压降量也是能量应用类型的函数，该能量应用类型即为用于发电还是用于驱动气动设备。

还已经确定，当在任意给定时刻管道内的压力越小时，压力损耗越大。例如，根据图11，能够看到，如果将3英尺直径的管路填充到200磅/平方英寸的压力并用于驱动气动设备，则归因于摩擦的压力损耗将比20磅/平方英寸多一点。另一方面，能够看到，如果将相同的3英尺直径的管路填充到1200磅/平方英寸并用于相同的目的，则归因于摩擦的压力损耗将小于5磅/平方英寸。此差别主要由于如下事实：总压力能够影响如何能克服通过管道的摩擦。管道中的压力越大，越能容易克服摩擦，而管道中的压力越小，越难以克服摩擦。因此，管道中的压降量也是管路中空气压力的函数。

因此，期望提供具有足够尺寸和长度的管道系统，以对于使用该管道的应用类型保持合理的压力级别和能量损耗级别。目标是提供将使系统能够有效率运行的管道尺寸和长度，对于为它所设计的所有不同应用和最终用途，具有沿管路长度的减小的能量损耗。例如，优选作出确定，以确定系统将要使用的存储容积或空间的适当量，随后确定将铺设的管道的长度，以及距终端用户的距离和终端用户的类型，然后确定为系统提供适当量的存储空间所需的管路的尺寸(直径)。还能够确定诸如确定通过能量源供给的功率容量级别、管道中保持的压力级别以及预期的压力损耗的附加计算。这样，整个管道系统能够设计用于预期存在的特定负载，而无需任何进一步地建造附加管道或任何额外存储罐，这会增加其成本。这与显示用于存储能量的电网或管道网并规定了最大可商业购买的管路尺寸的Tackett美国专利No.4118637不同。

所能提供的管道的一个变型是更靠近能量源地设置需要发电的终端用户，如图6b和7b中所示。在这种情况下，可预期地是更靠近源地设置那些需要发电的用户，从而在通过涡轮膨胀机释放压缩空气时，沿管道长度所经历的压力损耗将更小。因为压力损耗是沿管路长度的摩擦的函数，该摩擦受到管路直径、能量应用类型和压力量的影响，所以管道本身可设计使得，例如，管路的首先的25英里为4英尺直径，以容纳由电用户所需的较高的压力，而管道的其余75英里可制造得较小，即诸如3英尺的直径，这应当足够驱动气动设备。

即使当使用统一尺寸即内径为4英尺的管路时，当多个终端用户沿管道的长度接入管道且总长度相当长时，即100英里时，也可期望将想要使用涡轮膨胀机发电的终端用户设置成更靠近能量源，即距离源25英里之内，而不是沿管道长度的更下游。如果管道直径仅为3英尺，而不是4英尺，这是特别重要的，因为如图11中所示，当压力开始降低时在管道内能够经历的压力损耗可能是相当大的。

并且，在使用仅在一天的特定时期运行的能量源的情况下，即仅在夜间存储能量的设备和仅当风吹动时存储能量的风电场的情况下，很可能存在没有附加的压缩空气能被增加到管道中的间歇期。因此，很可能存在管道内的压力变得相当低的时期，在这种情况下，压力损耗可能变得相当大。由于上面的原因，当使用直径为3英尺或更小的管道时，期望将想要使用涡轮膨胀机发电的终端用户设置在距离能量源25英里之内，而当使用4英尺直径的管道时，想要发电的终端用户可被设置得更远，因为即使当管道内的压力降低到600磅/平方英寸之下时，压力损耗也将不会那么明显。

尽管如上文所述，但是本发明的一个优选方面在于管道应是合适的，使得当在未来需求上升时，即当需求扩展时，能够将附加的终端用户接入管道中，如图8中所示。也就是说，应将管道预先设计为容纳多个终端用户，然后容纳具有各种需求的现有的以及可预见的未来的终端用户，无论它们需要电还是空气调节还是气动能量。在这方面，应值得注意的是，系统应根据未来将扩展需求的预期来进行设计。容纳此扩展的一种方式是，如果可能的话，使用直径至少为4英尺的管道。

管路中的压力量优选在大约200到1200磅/平方英寸的范围内，其中如果可能的话，期望将该压力保持在600磅/平方英寸或600磅/平方英寸以上，特别是如果终端用户期望使用涡轮膨胀机来发电。当终端用户仅需要使用压缩空气用于空气调节或驱动气动设备时，尽管优选管道中总是具有至少200磅/平方英寸的压力，但是该压力可以是较低的，即在200磅/平方英寸之下。

当确定压缩空气能(即管道内的压力)在将需要增加附加的压力之前将持续多久时，也应考虑压力损耗。这将确定需要更大容量能量源的程度，无论是更多的风轮机还是增加的设备功率容量。它还能够确定是否应使用更大直径的管路和/或更长或更短的管道，以及应允许何种类型和位置的终端用户接入管道以实现最优的结果。

如图12中所示，在诸如风电场的提供10兆瓦功率的源的情况下，使用3英尺直径、100英里长的管道，并且以1200磅/平方英寸的压力开始，已发现在需要将更多的压力增加到管道之前，该管道能够提供多达大约32小时的电能。这意味着如果仅有一个终端用户，则管道中的空气能最多持续32小时，但如果具有四个终端用户，则它仅能持续8小时。在此示例中，在管道内总共存储了320兆瓦-小时的能量。在局部的分支中还可能存储有附加的量。

此处强调的重点在于，当压力开始下降时，由于能量的消耗，并且没有往回增加附加的能量，所以压力损耗开始变得明显，这在管道的直径较小时也是更严重的。当管道直径较大，即4英尺或更大时，管道中不仅具有更大量的压缩空气，因此管道中具有更多的能量，而且当使用压缩空气时，管道中的空气也将经历减小量的摩擦和压力损耗，如上所述。

本发明还预期沿管道路线使用具有压缩机或其它间歇地将附加压力供给到管道中的装置的附加风轮机站，诸如与电网的连接，如图2中所示。优选，为减小成本，这些风轮机可具有比主风轮机更小的容量。例如，风电场的主风轮机可具有总共10兆瓦的额定值，而支持风轮机可具有2兆瓦的额定值。这样，能够将附加压力引入管道中，以减小压力损耗，并提供能被终端用户工厂和社区持续使用的压缩空气能的稳定源。也能够使用诸如那些设置在其它遥远位置的附加风轮机或风电场，将它们连接到管道，如图2中所示，以向系统中提供附加的压缩空气能。

本发明为管道中存储的压缩空气能的用途设想了若干不同的构造，如图6a、6b、6c、6d、7a、7b、7c和7d中所示。不仅多个终端用户能够连接到管道以抽出压缩空气能，而且每个终端用户能够沿管道长度设置在沿管道的不同位置处，并且能够具有不同的用途和应用。只要管道的尺寸被适当设置并适于存储足够量的压缩空气能以适应接入管道中的终端用户的数量、类型和性质，并考虑到压力量以及归因于每个终端用户的损耗，那么对于管道能够服务的终端用户的数量和种类没有限制。

图6a显示了将管道用于为配备气动设备的若干工业区服务的实施例，在该实施例中，管道长100英里，内径4英尺。在此示例中，能量通过地热发电站、柴油机发电站或核电站产生，并且使用电动机为产生压缩空气能的压缩机提供动力。而且，在此实施例中，压缩空气优选在夜间存储在管道中，使得它能够在白天使用，以更有效地使用通过源供给的能量。局部分支管道的直径可以为3英尺，因为每个分支管道仅服务单一工业区。

图6b显示了将管道用于为均具有气动设备与电需求和空气调节需求的组合的若干工业区服务的实施例，在该实施例中，管道长100英里，内径4英尺。再次地，在此实施例中，能量通过地热发电站、柴油机发电站或核电站产生，并且，管道中的压缩空气能在夜间存储，使得它能够在白天使用。但在此实施例中，具有电需求和空气调节需求的工业区优选设置在距离能量源最多仅大约25英里的位置，从而能够满足服务涡轮膨胀机的较大空气压力需求。同时，仅需要压缩空气驱动气动设备的工业区可设置得更远，诸如100英里远，因为气动设备的运行需要较小的压力和流速。以这种方式定位终端用户的决定基于可归因于能量使用的压力和能量损耗量，如图11中所示。在这种情况下，如果能够满足下游终端用户的气动设备需求，剩余75英里管道的内径可为3英尺(如需要)，尽管这具有较大的压力损耗。局部分支管道的直径可以为3英尺，因为每个分支管道仅服务单一工业区。终端用户能够安装涡轮发电机以提供气动、电和空气调节。

在另一方案中，当在源处需要更大的功率，即40000kW的功率而不是如10000kW的传输功率时，考虑到沿管道长度可能发生的压力损耗，可能期望使用更短的管道并增加管路尺寸。例如，代替使用100英里长、4英尺内径的管道，将管道的长度减少至如20英里，并使用两个4英尺直径的管路可能是更有效的，从而能够存储更多的能量，并且在不发生太多能量损耗的情况下更多的能量能够到达终端用户。由此产生的系统优选由能够传输40000kW的两个4英尺直径、20英里长的管道组成。此结论以如何产生收益为基础，所述收益基于功率消耗、补偿建造系统的成本的需求、以及当试图以更高的流速传输更多的压缩空气能以满足更高的功率需求时管道中可能产生的增加的压力损耗。注意，如果沿路线具有其它能量源可将能量沿途增加到管道，则能将此20英里的系统串联以满足100英里的系统。可设置若干中继站以弥补由于沿管道的摩擦而可能产生的压力损耗。

图6c显示了将管道用于为具有空气调节需求的若干工业区服务的实施例，在该实施例中，管道长100英里，内径4英尺。再次地，在此实施例中，能量通过地热发电站、柴油机发电站或核电站产生，并且管道中的压缩空气在夜间存储，使得它能够在白天使用。终端用户能够安装涡轮压缩机和涡轮膨胀机以提供空气调节。局部分支管道的直径可以为3英尺，因为每个分支管道仅服务单一工业区。

图6d显示了将管道用于为具有淡化装置和空气调节需求的若干工业区服务的实施例，在该实施例中，管道长100英里，内径4英尺。此外，在此实施例中，能量通过地热发电站、柴油机发电站或核电站产生，并且管道中的压缩空气在夜间存储，使得它能够在白天使用。终端用户能够安装用于其自己工业区的涡轮压缩机和涡轮膨胀机和淡化系统。局部分支管道的直径可以为3英尺，因为每个分支管道仅服务单一工业区。

图7a显示了将管道用于为配备气动设备的若干工业区服务的实施例，在该实施例中，管道长100英里，内径4英尺。在此示例中，能量通过风电场产生，并通过发电机将来自风的能量进行转换以驱动电动机，该电动机又驱动压缩机。然后压缩机将压缩空气能存储在管道中。局部分支管道的直径可以为3英尺，因为每个分支管道仅服务单一工业区。

图7b显示了将管道用于为均具有气动设备与电需求和空气调节需求的组合的若干工业区服务的实施例，在该实施例中，管道长100英里，内径4英尺。再次地，在此实施例中，能量通过风电场产生，并通过发电机将来自风的能量进行转换以驱动电动机，该电动机又驱动压缩机。然后压缩机将压缩空气能存储在管道中。但在此实施例中，具有电需求和空气调节需求的工业区优选设置在距离风电场最多仅大约25英里的位置，从而能够满足服务涡轮膨胀机的较大空气压力需求。同时，仅需要压缩空气驱动气动设备的工业区可设置得更远，诸如100英里远，因为气动设备的运行需要较小的压力和流速。以这种方式定位终端用户的决定基于可归因于能量使用的压力和能量损耗量，如图11中所示。在这种情况下，如果能够满足下游终端用户的气动设备需求，则剩余75英里管道的内径可以较小，诸如为3英尺，尽管这具有较大的压力损耗。局部分支管道的直径可以为3英尺，因为每个分支管道仅服务单一工业区。终端用户能够安装涡轮发电机以提供气动、电和空气调节。

图7c显示了将管道用于为具有空气调节需求的若干工业区服务的实施例，在该实施例中，管道长100英里，内径4英尺。再次地，在此实施例中，能量通过风电场产生，并通过发电机将来自风的能量进行转换以驱动电动机，该电动机又驱动压缩机。然后压缩机将压缩空气能存储在管道中。终端用户能够安装涡轮压缩机和涡轮膨胀机以提供空气调节。局部分支管道的直径可以为3英尺，因为每个分支管道仅服务单一工业区。

图7d显示了将管道用于为具有淡化装置和空气调节需求的若干工业区服务的实施例，在该实施例中，管道长100英里，内径4英尺。再次地，在此实施例中，能量通过风电场产生，并通过发电机将来自风的能量进行转换以驱动电动机，该电动机又驱动压缩机。然后压缩机将压缩空气能存储在管道中。终端用户安装用于其自己工业区的涡轮压缩机、涡轮膨胀机和淡化系统。局部分支管道的直径可以为3英尺，因为每个分支管道仅服务单一工业区。

预期具有不同构造的各个实施例。

1、第一构造：

在一个实施例中，本发明使用在通过利用涡轮膨胀机释放压缩空气能而产生电时产生的废冷气副产品来运行HVAC单元，用于空气调节和/或用于制冷，或用于两者。优选设置诸如涡轮膨胀机的用于释放压缩空气的装置，以能够使压缩空气释放和膨胀。这样，管道中所存储的压缩空气能能够用于驱动发电机，以在“根据需要”的基础上生成电能。并且当释放压缩空气能发电的同时，系统能够同时产生作为释放压缩空气的废弃副产品的冷气。

该冷气能够进行再循环并直接地使用，即以冷气的形式使用，该冷气能够与环境空气混合或注入HVAC单元中，以保持终端用户设备冷却。尽管管道中的输入空气开始处于大约70华氏度的环境温度，但是作为发电的副产品而产生的冷气能达到-170华氏度或更低那么冷。而且，同时，系统优选将压缩空气能转换成可用于照明、加热、冷却以及其它传统用途的电。例如，如果在终端用户设备处需要电，则可将涡轮膨胀机和发电机连接到管道，从而能够释放压缩空气以产生电能，并同时产生冷气，这样能够提高设备的总效率。这样，整个系统能够以使设备比当单独使用标准电气系统时的情形更有效运行的方式建造和使用。

在这方面，在此实施例中，优选不设置热源或如果设置热源，则应将它关闭，如图5中所示，从而产生更多的冷气，这使得系统能够完全利用当释放压缩空气时所产生的废冷气。不仅产生了电，而且系统优选产生最多的冷气，该冷气不仅能用于制冷和空气调节，而且能用于淡化。

预期与本发明结合使用的淡化系统是这样的系统：使用冷气来冷冻水，以有效地帮助将海水和其它微咸水中的杂质与水分离，从而生成淡的饮用水。在缺乏淡的饮用水的区域，通过释放压缩空气所产生的冷气能够用于淡化水。可将冷气注入喷射有海水的冷冻结晶室中，以产生冰，由此淡化水。热能存储系统也能用于将通过冷气产生的冷却水存储在辅助的存储单元中，用于以后的使用。这些实施例特别适合于温暖的气候，诸如在难以获得淡的饮用水的沙漠中。

此实施例的另一方案可适于通过使用释放压缩空气能产生冷气以冷却设备的涡轮膨胀机来仅提供冷气，而不提供电。这种情形在工厂已经连接到电网并且能够从该电网获得电能(即用于其它的功能)但想要以低成本的方式为工厂提供冷却时能够发生。在这种情况下，工厂可购买其自己的涡轮膨胀机，将分支管道连接到主管道，并接入压缩空气能以产生冷气。

针对此方案的可能构造在图9中显示，在图9中涡轮压缩机使用来自管道的压缩空气来对缓冲罐加压，这有助于平滑能量的输送。然后，当涡轮压缩机由于输入压力而旋转时，它带动涡轮膨胀机旋转。缓冲罐继续加压，而涡轮膨胀机继续加速，直到在缓冲罐内具有比输入压力更高的稳态压力。因此，存在输入空气的连续转换，以产生输出空气，该输出空气处于降低的温度和环境压力。例如，输入压力可为90磅/平方英寸，该压力在缓冲罐中能增加到200磅/平方英寸，并且由此产生输出温度能够处于-70到-170华氏度的数量级，而输出压力处于14.67磅/平方英寸(0磅/平方英寸(表压))。

在该实施例的变型中，公用事业公司能够负担管道的费用，而个人终端用户能够负担抽取和使用存储在管道中的压缩空气能的设备的费用，诸如涡轮膨胀机、HVAC单元、淡化系统等的费用。在这种情况下，公用事业公司能够安装管道并在合理的时间内实现对投资的回报，而终端用户能够购买其自己的设备，而该设备具有其自身的回报期。

2、第二构造：

在第二实施例中，优选在有限的基础上设置加热。例如，在此实施例中，优选仅使用一个现存的热源，诸如当压缩空气时通过压缩机生成的废热，该热源可存储在管道中。通过将管道设置在沙漠地面的地面之上而能够使用来自太阳的附加的热。这样，尽管以较少的冷气为代价，但是具有更高的电能输送效率。然而，在此实施例中，作出努力以消除使用任何附加的能量源来提供热量，热量的提供需要其自身的能量源来运行。

此实施例具有如下优点：除了能够产生电能之外，还能够产生一定量的冷气。此实施例优选当释放压缩空气时，利用通过涡轮膨胀机产生的冷气，以提供用于冷却目的的冷气。例如，来自涡轮膨胀机的废冷气可用于制冷和空气调节的目的，这在当管道所服务的社区或工厂位于温暖气候的位置时是特别有益的。当使用废热时，如第一实施例那样，系统预期能够将管道中的压缩空气从大约70华氏度的正常环境温度加热到大约250华氏度的温度，而其中同时产生的冷气的温度由此可增加到大约-75华氏度。

3、第三构造：

在第三实施例中，系统有利地设有多个加热器以增强从压缩空气进行的电的生成。例如，当释放压缩空气时可提供来自压缩机的废热或其它热源，由此以最大化电的生成。例如，此实施例预期使用三种不同类型的加热系统中的至少一种，所述三种加热系统包括1)使用来自太阳的能量的太阳热收集器，包括将管道设置在地面之上，以有效的利用太阳的热量，2)废热收集器，以使通过压缩机产生的废热循环到管道中的压缩空气，以及3)诸如矿物燃料燃烧器的独立加热元件，以将热量引入到管道中，或者当通过涡轮膨胀机释放压缩空气时，将热量增加到涡轮膨胀机的输入。如果需要，本发明还预期使用向压缩空气提供热量的其它标准方法，诸如燃烧室等。当使用这些加热器时，系统预期能够将压缩空气从通过废热单独获得的250华氏度加热到490华氏度，其中由此在释放压缩空气之后输出的空气可为舒适的正70华氏度。利用此实施例，具有更高的电能输出效率，但以完全没有冷气为代价。

升高的温度提供了若干优点。第一，已经发现热量明显有助于通过涡轮膨胀机所做的总功的效率，因此，通过升高压缩空气的温度，从相同尺寸的存储容积中能够产生更大量的能量。第二，通过升高空气的温度，压力能够得以升高，这样通过涡轮膨胀机能够产生更高的流速。第三，加热空气有助于避免通过涡轮膨胀机进行的空气膨胀而以其它方式导致的冷冻。在没有任何热源的情况下，所释放的空气温度能够达到接近冷冻级别，其中水蒸汽和二氧化碳气体可能冷冻并降低了系统的效率。此实施例优选能够将膨胀空气的温度保持在可接受的级别，以帮助保持系统的运行效率。根据图10，当使用涡轮膨胀机时，能够看到输入温度越高，输出温度越高，而功率效率降低。

4、第四构造：

在第四实施例中，将压缩空气通过管道输送到工业区或其它工厂，并且在该工业区或工厂直接使用压缩空气来运行气动设备。这可以在产生电能之外或替代产生电能而进行，还能同时产生冷气。当工厂没有安装到电网时，工厂可适配于涡轮膨胀机产生电并同时使用压缩空气驱动气动设备，从而提高系统的效率和经济性，并减轻对电网的过度负载。涡轮膨胀机还能够用于产生作为副产品的冷气，在这种情况下，它能够用于空气调节和其它冷却目的。在大多数情形下，工厂将既需要气动能量又需要电力，即气动能量用于运行其沉重的设备和工具，而电力用于其它功能。冷气还能够作为释放空气的副产品使用。另一方面，当工厂安装到电网时，工厂可适于仅抽出气动能量。在这种情况下，压缩空气能能够用于补充已在该地点得到的电能。

为最大程度地利用供给到指定工厂的气动能量，使用压缩空气能的工厂应当是一个在其日常运行中通常使用气动驱动设备的工厂。当使用压缩空气运行气动设备时，无须首先将压缩空气能转换成电，系统的效率得以提高。尽管在管道长度上可能具有由于如上所述的摩擦而引起的一定量的能量损耗，但是因为在无须首先将能量转换成电的情况下使用压缩空气，所以没有与将压缩空气能转换成电能相关的其它损耗。因此，能够消除与气动能量到电能的转换相关的低效。

在这方面，本发明涉及一种如下的改进方法：经由管道以压缩空气的形式存储能量，然后经由同一管道将该压缩空气输送到运行气动驱动设备的工厂，从而该压缩空气能够用于运行设备，而无须首先将压缩空气能转换成电。与需要首先将压缩空气能转换成电的过去的风电场和过去的压缩空气系统不同，本发明能够使用管道系统来存储压缩空气能，并将它输送到能使用它的位置，而无须首先将压缩空气能转换成电。

使用气动系统还具有明显的运行和经济优点。例如，气动工具具有较小的摩擦，因此它们往往比传统的机械工具更加耐用。而且，当保持它们清洁并润滑时，可能几乎是不可能破坏它们的。它们具有很少的运动件，并且它们通常冷却使用。通过本发明预期的一些气动设备包括如下：喷枪；铆钉枪；气动钉枪；气力喷砂机；喷射枪；喷砂机；填缝枪；气动棘轮扳手；气锤；风凿；风钻；气动扳手；电磨；切削刀具；磨胎机；气力滑锯；气动曲线剪；气动凸缘冲压工具；风动螺丝刀；风动剪断机；气动磨光机等。可提供产生变压力等级的一系列控制阀以驱动气动设备，诸如50磅/平方英寸、100磅/平方英寸以及150磅/平方英寸。

5、第五构造：

在第五实施例中，除了结合风电场以生成能量之外或代替结合风电场以生成能量，可将诸如传统燃料燃烧驱动的涡轮发电机、地热发电站、核电站、水电站等或电网的公用事业公司的电站连接到管道。在这方面，考虑到出于安全的原因，即万一可能释放潜在的放射云，核电站理想地是设置在足够远离人口中心的位置，因此使用本发明的管道的益处在于能够将电站设置在足够远离需要能量的社区或工厂的位置。

在此实施例中，管道系统可连接到诸如公用事业设施或电网的现有能量源，其中系统可设计为在低需求期，诸如在夜间压缩空气并存储能量，而在高需求期，诸如在白天使用所存储的能量。这样，公用事业设施能够以其最有效的级别持续运行，并能够存储在低需求时产生的能量，来补充在高需求期所需的能量。从能量生产的观点看，这不仅有助于减小能量的成本，而且也有益于能量的使用者。

使用此系统，在高需求期，公用事业公司能够提供更多的能量来解决较高的需求，而不必建造更高容量的发电站，因为这样做的成本将更高。所产生的能量可在夜间存储在管道中，并经由管道而不是标准传输线输送到终端用户，并在白天使用。这考虑到当面对恒定的需求能量记录时，公用事业设施在恒定负载下最有效地运行。本发明克服的问题是，通常的发电站面对每天都变化的需求能量记录，其中气动传输管道选取每天变化的需求能量记录，并将它转换成恒定的需求能量记录。传统的燃料燃烧驱动涡轮发电机、地热发电站和核电站优选夜以继日地运行在相同的功率级别下。改变能量级别运行往往使高速旋转部件在其终止期间产生疲劳。传输管道能够消除功率级别的这些改变。而且，公用事业公司能够在一致的高级别和恒定的功率输出级别下产生能量，这使设备的效率最大化。此外，对于在高需求期使用的能量，公用事业公司能够更多地收费，尽管该能量实际上是在低需求、低成本期产生的，即夜间的能量以白天的费用出售。

从用户的观点看，高需求期的能量费用能够较低，并且与电涌、尖峰脉冲和停电事故相关的风险更小。

6、第六构造：

在第六实施例中，可将与前五种构造相关的上述特征的一个或多个并入单一系统中，并能够用于沿管道的长度向多个社区和工厂提供能量。社区或工厂的每一个都可使用与主管道相连的局部分支管道接入该主管道中，即，例如主管道可以为100英里长，而每个分支可以为5英里长。每个分支还能为压缩空气能的存储提供附加容积。

作为组合系统的示例，管道可设置在热沙漠中，并用于为使用电和气动能量的工厂服务。在这种情况下，系统优选被安装成没有加热元件或具有加热元件但该加热元件是关闭的，从而系统能够发电，并同时产生最多的冷气。系统还可设置使得一些压缩空气能可驱动气动设备，从而提高系统的总效率。同样地，系统能够适于使得压缩空气能可既通过风电场又通过公用事业公司产生，以解决与使用风作为能量源相关的不确定性。提供诸如公用事业公司或电网的第二能量源有时是有利的，当风小或没有风时，可使用该第二能量源。

优选，沿管道提供一系列伺服止回阀、计量器和控制逻辑，从而能够控制和监控在每个终端用户站处存储和释放压缩空气的量和速度。在这方面，为适当地分配使用本系统供给的能量的量，必须通过确定在任意给定时间管道中的实际压力是多少来了解多少压缩空气能是可利用的，然后能够以适当的速度释放它。

本发明优选包括充足的存储容量，以便即使当风一次停止吹动超过一星期时，也能够存储和释放充足的能量。这通过预测风条件和特征并进而使用此数据来有效地设计和开发时间表来实现，目的是当风能输出级相对高时使系统能够将最大量的能量压入存储状态。通过上述方式能够存储压缩空气能并在适宜的时间释放能量，本系统优选能够以减小或避免风能起伏和波动的方式有效地协调、管理和稳定能量的输送。这使得该系统稳定和平滑了能量的输送，并避免了能够不利地影响能量输送系统的突然电涌和摆幅。

Claims (24)

1.一种存储和输送压缩空气能的方法，包括：

将至少一个风轮机设置在第一位置；

使所述至少一个风轮机适配于压缩机来将通过风生成的能量存储为压缩空气能；

提供与所述至少一个风轮机相关联的管道，用于存储所述压缩空气能并将所述压缩空气能输送到远离所述第一位置的第二位置；

利用涡轮膨胀机从所述管道中释放所述压缩空气能，以在所述第二位置提供能量，其中设置发电机以在所述第二位置发电；以及

使用所述压缩空气能来：

1)利用所述涡轮膨胀机共同生成冷气，并使用所述冷气在所述第二位置提供制冷和/或空气调节；

2)利用所述涡轮膨胀机共同生成冷气，并使用所述冷气在所述第二位置淡化水；或

3)在所述第二位置驱动至少一个气动工具或设备，而无须首先将所述压缩空气能转换成电。

2.根据权利要求1所述的方法，其中设置至少一个加热器以改善电力生产，其中所述加热器选自：1)太阳热，2)来自所述压缩机的废热，3)燃烧器。

3.根据权利要求1所述的方法，其中不设置附加的热源，并且通过所述涡轮膨胀机共同生成最多的冷气。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述管道中的压力在正常运行期间保持在600磅/平方英寸或以上，并适于在任意给定时刻保持200磅/平方英寸的最小值，并且其中所述管道的内径至少为3英尺，以及长度至少为25英里。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述涡轮膨胀机用于释放所述压缩空气能并驱动所述发电机，其中所述方法包括能够在产生能量以驱动所述发电机来产生电与驱动所述至少一个气动工具或设备之间切换。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在所述第一与第二位置之间设置至少一个附加能量源，其中所述至少一个附加能量源生成附加的压缩空气能，以帮助减小在所述管道内存在的压力损耗。

7.根据权利要求1所述的方法，其中将公用事业设施或电网连接到所述管道，其中所述方法使得所述公用事业设施或电网能够在低需求期期间生成压缩空气能并将所述压缩空气能存储到所述管道中，并且能够在高需求期期间使用所述压缩空气能。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述管道设置在铁轨上或邻近铁轨，和/或设置在暴露于太阳的沙漠地面上。

9.一种存储和输送压缩空气能的方法，包括：

提供至少一个能量源以驱动至少一个压缩机，用于在第一位置生成压缩空气能；

提供与所述至少一个能量源相关联的管道，用于存储所述压缩空气能并将所述压缩空气能输送到远离所述第一位置的第二位置；

运行所述至少一个能量源以驱动所述压缩机，并将所述压缩空气能存储在所述管道中；

利用涡轮膨胀机从所述管道中释放所述压缩空气能以在所述第二位置提供能量，其中设置发电机以在所述第二位置发电；以及

使用所述压缩空气能以利用所述涡轮膨胀机来共同生成冷气，并在所述第二位置提供制冷和/或空气调节，和/或在所述第二位置淡化水。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述至少一个能量源是设置在所述第一位置的风电场、公用事业设施或电网，所述风电场、公用事业设施或电网与所述管道相连通，以生成压缩空气能并将所述压缩空气能存储在所述管道中。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述方法包括使用所述压缩空气能在所述第二位置驱动至少一个气动工具或设备，而无须首先将所述压缩空气能转换成电。

12.根据权利要求9所述的方法，其中设置加热器以改善电力生产，其中所述加热器选自：1)太阳热，2)来自所述压缩机的废热，以及3)燃烧器。

13.根据权利要求9所述的方法，其中不提供附加的热量，并且通过所述涡轮膨胀机共同生成最多的冷气。

14.根据权利要求9所述的方法，其中所述管道中的压力在正常运行期间保持在600磅/平方英寸或以上，并适于在任意给定时刻保持200磅/平方英寸的最小值，并且其中所述管道的内径至少为3英尺，以及长度至少为25英里。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述涡轮膨胀机用于释放所述压缩空气能并驱动所述发电机，其中所述方法包括能够在产生能量以驱动所述发电机来产生电与使用所述压缩空气能直接驱动所述至少一个气动工具或设备之间切换。

16.根据权利要求9所述的方法，其中所述方法包括在所述第一与第二位置之间设置至少一个附加能量源，其中所述至少一个附加能量源生成附加的压缩空气能以帮助减小在所述管道内存在的压力损耗。

17.根据权利要求9所述的方法，其中所述管道设置在铁轨上或邻近铁轨，和/或设置在暴露于太阳的沙漠地面上。

18.一种存储和输送压缩空气能的方法，包括：

提供至少一个能量源以驱动至少一个压缩机，用于在第一位置生成压缩空气能；

提供与所述至少一个能量源相关联的管道，用于存储所述压缩空气能并将所述压缩空气能输送到远离所述第一位置的第二位置；

运行所述至少一个能量源以驱动所述压缩机，并将所述压缩空气能存储在所述管道中；以及

从所述管道中释放所述压缩空气能以在所述第二位置提供能量，其中在所述第二位置设置至少一个气动工具或设备，并且使用所述压缩空气能来驱动所述至少一个气动工具或设备，而无须首先将所述压缩空气能转换成电。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述至少一个能量源是风电场、公用事业设施或电网，所述风电场、公用事业设施或电网与所述管道相连通以生成压缩空气能并将所述压缩空气能存储在所述管道中。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述管道中的压力在正常运行期间保持在600磅/平方英寸或以上，并适于在任意给定时刻保持200磅/平方英寸的最小值，并且其中所述管道的内径至少为3英尺，以及长度至少为25英里。

21.根据权利要求18所述的方法，其中涡轮膨胀机被设置并用于释放所述压缩空气能并驱动发电机发电。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述方法包括能够在产生能量以驱动所述发电机来产生电与驱动所述至少一个气动工具或设备之间切换。

23.根据权利要求18所述的方法，其中所述方法包括在所述第一与第二位置之间设置至少一个附加能量源，其中所述至少一个附加能量源生成附加的压缩空气能，以帮助减小在所述管道内存在的压力损耗。

24.根据权利要求18所述的方法，其中所述管道设置在铁轨上或邻近铁轨，和/或设置在暴露于太阳的沙漠地面上。

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