CN102046970A - 电能/加压空气转换技术 - Google Patents

Abstract

一种用于将电力转换成加压空气和将加压空气转换成电力的系统。系统包括加压空气储存器(129)；两个高压罐(121、122)；泵(123)和可转变成水力涡轮机和发电机的电动马达；体积等于罐的容积的水；用于使每个罐(121、122)与大气、泵的入口和出口、以及空气储存器(129)独立地连接和断开的一组可控阀(101、102、103、104、105、106、107、108)。在使用中，第一罐(121)中的一定体积的水被泵送到第二罐(122)中，第二罐(122)中的空气受到压缩且流入空气储存器(129)中。通过改变阀(101、102、103、104、105、106、107)的状态，使工作重复，而罐(121、122)的作用相反。在发电模式中，通过将加压空气从空气储存器(129)传送至充满水的第一罐(121)中而使系统工作，加压的水流过水力涡轮发电机从而发电。

Description

电能/加压空气转换技术

技术领域

本发明的领域为通过加压空气的能量储存，其方式在于，能量在产量高而需求低时作为加压空气储存，而在需求高时作为电力输送。

背景技术

公知的是，可在高峰消耗时供给的能量的经济价值非常高。在所有类型的可再生能量系统的高额投资的时期，能够储存产生的能量是十分重要的，因为可再生能量与需求并不关联。例如，可在白天发电的太阳能主要是在夜间需要。已经研发了用于能量储存的一些系统和方法。这些系统中的一些为：将水泵送到较高的高架水槽中，然后释放水经过水力发电机；以及将加压空气引导至废弃的矿井或海底上的可潜入水中的可充气式罐中，且释放加压空气通过驱动发电机的水力发动机或涡轮机。这些系统及其它系统具有缺点，如：在转换过程中的能量损失，以及水槽占据大量土地，以及它们的建造很昂贵。其它系统在它们可储存的能量总量上很有限，且储存的能量会在一定时间内耗散。加压空气系统是最有前景的能量储存系统之一，然而，用于压缩空气的现有工艺效率很低。另外，使用现有的系统和方法将加压空气转换回电力是很复杂和低效的过程。对可在所有地面条件的位置处将电力转换成加压空气和将加压空气转换成电力的系统和方法的需求是十分清楚且存在的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种系统和方法，用于在非常高的效率下以非常高的压缩容量压缩空气，以便将其储存在高容积高压力的储存器中。本发明的另一目的在于实现上述目的，同时使压缩空气系统紧凑、易于构建、安装和维护。

本发明的另一目的在于提供一种空气压缩系统，其可转变成且可用作在非常高的效率下将加压空气能量转换成电力的发电机。本发明的另一目的在于提供一种将加压空气能量以高效率水平转换成电力、易于构建和维护、即刻连接到电网上且供送所需的电功率的系统及方法。

本发明包括加压空气储存器、能够以比加压空气储存器中的压力高的压力容纳加压空气的两个罐、以及高容积高压力可逆式水力发电机泵类Francis型泵，可逆式水力发电机泵单元在电力供送给马达组时将作为电动泵工作，而在高压水流过水力涡轮机(泵)组时作为水力发电机工作。这些类型的单元是本行业中公知的，且GE Francis可逆式水力发电机仅为它们的一个实例。这些单元的效率大于90％。系统还包括阀，阀使各罐的内部容积与泵的入口和出口独立地连接和断开，以便通向大气和加压空气储存器。

在工作的开始阶段，第二罐装满水，且通向外部大气，而该第二罐的下部连接到泵的入口，第一罐相对于大气密封，且该第一罐的下部连接到泵的出口上。泵开始将水泵送到第一罐，以便使水填充第一罐，同时水上方的空气在水流入第一罐中时被加压。在某一工作点时，第一罐中的空气压力达到加压空气储存器的相同压力水平，此时，阀开启且将第一罐中的加压空气与储存体中的加压空气相连，当泵继续用水填充第一罐时，加压空气从第一罐传送到加压空气储存体中。当第一罐几乎装满水时，曾在该第一罐中的所有空气现在在加压空气储存器中被加压。在此阶段，将加压空气储存器与第一罐相连的阀断开，且第一罐通向大气，而也在此阶段，现在几乎没有水的第二罐将与开放的大气断开，泵的入口将联接到第一罐的下部，而泵的出口将联接到第二罐的下部，且上文所述的循环将在两个罐具有相反作用的情况下重复。

加压空气可在需求较高的任何时间在燃气轮机中使用，以便依靠其自身或结合与加压空气混合的燃料天然气来驱动燃气轮机和发电机，燃气轮机可驱动发电机。这些可能性是本行业中公知的，且它们具有缺点。燃气轮机的构建和维护是昂贵的，发电能力的瓶颈通常是燃气轮机的容量。

如前文所述，本发明的一个目的在于提供一种以高功率容量高效地将来自于加压空气能量储存体中的加压空气转换成电力的系统和方法，该系统将易于构建和维护，且该系统可立即连接到电网上，并对环境友好。

该方法是通过将上述用于压缩空气的系统作为往复式水力发电机操作来进行的。

在本发明的此部分中，上述可逆式水力发电机泵中的泵将用作水力涡轮机，而先前驱动泵的电动马达现在将用作发电机。泵和马达分别在水力涡轮机和发电机之间的作用的改变是本行业中所公知，且可安排为标准子系统。但是，有可能在此过程中使用独立的水力发电涡轮机来替代使用可逆式水力发电机泵。使用可逆式单元的优点在于节省所需的投资，但在远离空气压缩机的较远区域需要水力发电机时，就没有理由使用可逆型水力发电机泵，而将使用常规水力涡轮发电机。

在该工作的初始阶段，第二罐填充有水，与大气断开；且该第二罐的下部连接到涡轮机的入口。第一罐填充有空气，且连接至开放的大气；且第一罐的下部连接到涡轮机的出口。该工作在将加压空气储存器连接到第二罐上的阀开启且加压空气开始流入第二罐上部时开始，加压空气压缩该槽中的水，且加压水驱动水力涡轮发电机，水力涡轮发电机通过使发电机旋转来将水的能量转换成电力。在该工作的此阶段，处于大气压力的水从水力涡轮机的出口流入第一罐中。当第二罐的大约10％容积填充加压空气时，将加压空气储存器连接到第二罐上的阀断开。处于第二罐的密封内部容积中的加压空气继续膨胀，且压缩第二罐内部容积中的水；水继续流过水力涡轮发电机进入第一罐中。当第二罐几乎没有水时，阀开启，且将第二罐的内部容积连接至开放的大气。在此时间点，一些加压空气从第二罐释放到大气中，在此情况下，该释放的加压空气包含从加压空气储存器中获得的能量的大约10％；应当注意的是，能量的另外90％已经从加压空气储存器中获得，且已经用于驱动涡轮机和发电机。

现在，第一罐填充有水，且将与开放的大气断开，第一罐的下部将通过改变阀的位置来连接到水力涡轮机的入口。第二罐通向大气，且第二罐的下部将连接到水力涡轮机的出口。在此阶段，加压空气出口连接到第二罐的上部，且该工作在罐的作用相反的情况下重复。重要的是理解以下要点：

加压空气储存器的容积比两个其它罐大，因此在工作循环期间，加压空气储存器中的压力几乎是恒定的。

该系统的第一罐和第二罐的容积相对于泵的容量而言较大，因此，每个循环的时间较长。

例如，如果两个罐的容积分别为10,000立方米，且泵的容量为100立方米/秒，而加压空气储存器的压力为32bar，在此情况下，空气压缩循环的时间将为大约100秒。

由于水泵的效率较高，且事实上系统依靠相同的水容积往复地工作，且每个循环的较长时间导致相对较低的空气温度升高，且事实上在压缩循环中，阀只在压力几乎等于压缩空气罐和加压空气储存器时才通向加压空气储存体，故该过程十分高效。

本发明的系统的空气压缩总效率可好于90％。通过本发明的系统由加压空气产生的电力的总效率可好于80％。

附图说明

图1、图2、图3和图4示出了空气压缩模式的四个阶段中的本发明的系统。

图5和图6示出了在发电模式的两个阶段中的本发明的系统。

图7示出了包括多个子系统的系统，以便功率从系统中较高且较平稳的输出。

图8示出了在系统的发电模式中各个子系统的功率与时间的关系，以及组合系统的功率与时间的关系的图表。

具体实施方式

在图1中，附图标记129为填充有加压空气的加压空气储存器。附图标记121和122为可经受内部容积压力的罐，该内部容积压力高于储存器129中的加压空气的压力。附图标记103和104为可分别使罐121和122的内部容积与开放的大气连接和断开的两个阀。附图标记101和102为可分别使加压空气储存器129与罐121和122的内部容积连接和断开的两个阀。附图标记128为将两个罐121、122连接到储存器129上的引导管路。附图标记123为高容积高压水泵，该泵由电动马达(附图中未示出)驱动，泵-马达组件可作为水力涡轮机和发电机工作，对本领域的技术人员而言已知的是，将此类组件当作可逆式泵-水力发电机-涡轮机。附图标记124为泵的出口，附图标记125为泵的入口，附图标记105和106为分别将泵的出口与罐121和122的内部容积连接和断开的阀。附图标记107和108为分别使泵的入口与罐121和122的内部容积连接和断开的阀。附图标记126和127分别为罐121和122中的水位。

对本发明的系统的空气压缩方法的描述：

图1中示出了第一阶段，在此阶段，罐122填充有水，阀104对大气开放，阀102关闭，阀106关闭，在罐122的下部处的阀108开启并将罐122中的水连接到泵123的入口，阀107关闭，阀105开启并将泵123的出口连接到罐121的下部。泵123由电动马达操作，将来自于罐122的水泵送到罐121中，当阀107、103和101关闭时，罐121内部容积中的空气体积随升高的水位126而减少，且罐121中的空气压力增大(此循环阶段将继续，直到罐121中的空气压力等于加压空气储存器129中的空气压力)。

图2中示出了第二阶段，在此阶段，除阀101外的所有阀仍处于第一阶段中的位置，阀101开启并使加压空气继续从罐121经由引导管路128进入加压空气储存器129中。该第二循环阶段将继续，直到罐121内部容积中的大致所有空气都已经进入加压空气储存器129中。

图3中示出了第三阶段。该阶段实际上与第一阶段相同，而罐121和122的作用相反。在此阶段中，阀103对大气开放，罐121填充有水，泵将水从121经由阀107和106泵送至122，阀102和104关闭，且罐122内部容积中的空气压力随罐122中空气体积减少升高的水位127而增大，该阶段将继续，直到122的内部容积中的空气压力等于储存器129中的空气压力。

图4中示出了第四阶段，除阀102外的所有阀都仍处于第三阶段中的位置，阀102现在开启并使空气131从罐122经由引导管路128进入加压空气储存器129中。该阶段将继续，直到来自于罐122的大致所有空气都进入储存器129中。

以上描述涉及的要点为：

·阶段2和阶段4中加压空气储存器和压缩空气的罐中的两个空气体之间的连接在这两个空气体的压力几乎相等时进行，使得结果为，避免空气的突然膨胀，以及改善系统的效率；

·本发明的系统连续地使用相同体积的水，通过这样，压缩空气所形成的大量热量传递至系统的水和下一循环的空气，从而改善了系统效率。这种热传递可通过使引导管路128中的空气穿过罐122和121中的水来改善。

·上述系统的水可由其它液体、诸如油的介质等来替代。

·尽管本发明的系统意在主要解决压缩较高体积的空气来储存能量的问题，但相同的发明也可用于需要较高体积的加压空气的情况。

·加压空气储存器129可为任何密封容积，如人工钢筋混凝土储存器、钢储存器、如废弃盐矿的地下空间，当水压可对内部压力给予压力支承时，其可为可潜入水中的柔性储存器。

图5和图6为示出本发明的系统处于将加压空气能转换成电力的模式的示图。

在此模式中，泵123转变成水力涡轮机，在前述模式中驱动泵的电动马达转变成发电机。附图标记124为此模式中的涡轮机入口，而附图标记125为此模式中的涡轮机出口。

此模式的第一阶段在图5中示出，罐122几乎填满水，而罐121几乎是空的，阀102开启并允许加压空气141从能量储存体129进入罐122中，阀103开启并将罐121的内部容积连接至开放的大气，阀101、104、105和108关闭。由空气141加压的罐122中的水从122的下部经由阀106流入水力涡轮机123的入口124中，由加压水驱动的涡轮机旋转并驱动发电机，该发电机发电，水经由涡轮机125的出口且经由阀107流入罐121的下部中。该阶段将继续，直到罐122的大约10％的容积填充有加压空气。

图6示出了该模式的第二阶段，阀102关闭，且罐122内的加压空气继续膨胀，同时其压力减小，且其体积增大，直到罐122中大致所有水都穿过水力涡轮机123进入罐121中，在此时，阀104将开启并使罐122中多余的加压空气释放到大气中。此时，系统准备开始分别与第一阶段和第二阶段相同的第三阶段和随后的第四阶段，在第三阶段和第四阶段中，罐121和122的作用相反。

以上描述涉及的要点为：

·储存在加压空气中的大约10％的能量通过将剩余的加压空气释放到开放的大气中而浪费掉，但相比于其它方法，其仍然是很有效的。将空气释放到大气中的压力可通过调整加压空气的体积来调整，其中，阀102如上文所述那样在第一阶段结束时关闭，例如，如果阀102在122的5％的内部容积填充有加压空气时关闭，则能量总量将浪费5％，但系统的平均输出功率将下降。

·泵和电动马达单元可与水力涡轮发电机单元完全独立，使用可逆式水力发电机泵作为一个单元的原因在于系统的成本，可通过使用上述组合来降低系统成本。

图7为用于将加压空气能量转变成电力的本发明系统另一版本的示图。

在图7中，附图标记129为加压空气储存器，其公共地连接到三个子系统A、B和C，它们中的每一个均与上文在图5和图6中所述的涡轮发电机和罐组相同。

附图标记200A、200B和200C分别为各系统的发电机电路出口。附图标记201为转变单元，其将各子系统的独立电力输出转变成公共电力输出202(A+B+C)。

该布置的优点在于，当多个子系统相连且同步工作时，可产生更为连续且均匀的电力输出。

图8示出了图7中所示的各子系统在200A、200B和200C处的功率输出与时间关系的三个图表。

下方的图表示出了总的组合功率输出：202(A+B+C)，其代表所有三个子系统的电功率总和与时间的关系。

应当理解的是，本发明不限于上述实施例，而是包括在本发明的权利要求书和构思的范围内的任何和所有实施例。

尽管参照具体的设备和具体的方法实施方式描述了本发明，但应当清楚的是，可进行各种修改和改变，且一个实施例的各种特征可包括在本发明范围内的其它实施例中。

Claims (16)

1.一种用于将电能转换成能够储存的加压空气的系统，包括：

泵-马达组，所述泵-马达组包括：

具有入口和出口的泵；以及

电动马达；

加压空气储存器；

具有大致相同的内部容积的第一罐和第二罐；以及

可控阀，所述可控阀使所述第一罐和所述第二罐与所述泵的入口和出口、开放的大气和所述加压空气储存器独立地连接或断开；

所述第一罐和所述第二罐一起包含液体的总体积，所述液体的总体积大致等于所述第一罐和所述第二罐中的一个罐的内部容积；

所述系统工作，使得当所述泵工作时，液体被从所述第一罐泵送至所述第二罐中，并促使所述第二罐中的空气压力升高至与所述加压空气储存器内的压力大致相等的点，并且

其中，在此平衡压力状态下，所述阀中的一个开启，并允许加压空气从所述第二罐流入所述加压空气储存器中；

当所述第二罐中的大致所有空气已传送至所述加压空气储存器中并且所述第二罐大致充满液体时，所述阀的位置变为所述第一罐和所述第二罐的作用相反的位置，

由此，所述系统能够往复且连续地工作，以便将电能转换成能够储存在所述加压空气储存器中的加压空气，同时所述第一罐和所述第二罐的作用改变且在每个循环中相反。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述液体为油。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一罐和所述第二罐与其周围环境热隔离。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括驱动所述泵的非电动马达。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述泵-马达组中的所述泵能够转变成水力涡轮机，而所述泵-马达组中的所述马达能够转变成水力发电机。

6.一种用于由加压空气发电的方法，包括：

提供泵-马达组，所述泵-马达组能够转变成水力涡轮机和由所述水力涡轮机驱动的水力发电机，所述水力涡轮机包括入口和出口；

提供加压空气储存器；

提供具有大致相同的内部容积的第一罐和第二罐；以及

提供可控阀，所述可控阀使所述第一罐和所述第二罐与所述水力涡轮机的入口和出口、开放的大气和所述加压空气储存器独立地连接和断开；

所述第一罐和所述第二罐一起包含液体的总体积，所述液体的总体积大致等于所述第一罐和所述第二罐中的一个罐的内部容积；

通过将液体引入所述第一罐中来开始将加压空气转换成电力的工作过程，直到所述第一罐大致充满液体，然后开启将所述第一罐连接到所述加压空气储存器和将所述第一罐连接到所述涡轮机的入口的阀，使得所述加压空气将所述第一罐中的所述液体推入所述涡轮机的入口中，促使所述水力涡轮机旋转并驱动所述发电机发电，所述液体从所述涡轮机的出口流入所述第二罐中，所述第二罐的内部容积连接至开放的大气；

当所述第一罐的一部分内部容积充满加压空气时，使所述第一罐与所述加压空气储存器断开，所述第一罐中的加压空气膨胀，直到所述第一罐大致充满空气且所述第二罐大致充满液体；以及

在此时，将所述可控阀的位置变成所述第一罐和所述第二罐的作用相反的位置，且所述工作往复、连续地继续，同时所述可控阀的位置在每个循环中改变所述第一罐和所述第二罐的作用。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，当所述第一罐的大致10％的内部容积充满加压空气时，所述第一罐与所述加压空气储存器断开。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，当所述第一罐的小于10％的内部容积充满加压空气时，所述第一罐与所述加压空气储存器断开。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述涡轮机和所述发电机彼此独立。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述液体为油或为不是水的另一液体。

11.一种用于将加压空气的能量转换成电力的方法，包括：提供多个如权利要求6中所述的系统，所述系统包括所述泵-马达组、第一罐和第二罐、以及可控阀；以及，将所述加压空气储存器联接到每个系统的所述第一罐和所述第二罐，使得所述加压空气储存器是所有所述系统共用的。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所有所述系统都同时工作，以便产生较高且更均匀的电力。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述液体为水。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述液体为除水之外的任何液体。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述泵-马达组中的所述泵不能够转变成水力涡轮机，所述泵-马达组中的所述马达不能够转变成水力发电机。

16.根据权利要求6所述的方法，其中，所述液体为水。

Images