CN102612592A - 用于绝热压缩空气能量储存系统的增强热能储存压力容器 - Google Patents

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Abstract

一种热能储存系统包括构造成承受第一压力的压力容器，其中该压力容器具有包括外表面和包围该压力容器的内部容积的内表面的壁。压力容器的内部容积具有与一个或更多压缩机和一个或更多涡轮流体连通的第一端，以及与至少一个压缩空气储存构件流体连通的第二端。蓄热介质定位在该内部容积中，并且至少一个增强结构附于壁的外表面上，其中该至少一个增强结构构造成增强该壁，以承受大于第一压力的第二压力。

Description

用于绝热压缩空气能量储存系统的增强热能储存压力容器
技术领域
本发明的实施例总体上涉及压缩空气能量储存(CAES)系统，且更具体地涉及绝热CAES系统中的热能储存(TES)压力容器。
背景技术
CAES系统允许在不产生大量排放物和/或消耗大量自然资源的情况下生成电力。CAES系统典型地包括具有一个或更多压缩机的压缩链。一个或更多压缩机在压缩阶段中压缩进气，以用于储存在洞穴、多孔岩层、废弃的天然气/油田或其它压缩空气储存构件中。压缩空气继而在以后用于驱动涡轮，以在能量生成阶段中产生电能，该电能又可提供给公用电网。通常，如果在压缩阶段期间使用公用能量来驱动压缩链，则压缩链在公用电厂的非高峰时段操作。CAES的能量生成阶段典型地又在高能量需求时段操作。备选地，来自可再生资源的能量，诸如来自风力设备或太阳能面板阵列的能量，可用于在压缩阶段期间驱动压缩链，以压缩空气并将其输送到压缩空气储存位置(例如，洞穴)。这样，压缩链可在非高峰时段以外的时段操作，并且可保存已有的公用能量。
一种CAES系统称为传热CAES系统。在传热CAES系统中，压缩链所生成的热典型地丧失至周围环境。亦即，压缩热在进入洞穴或其它压缩空气储存构件时可大量存在，但其能值和可利用率随着压缩空气与洞穴空气混合并在储存期间进一步冷却到环境温度而减弱。因此，当储存在洞穴或压缩空气储存构件中的压缩空气待用于驱动一个或更多涡轮以产生电能时，压缩空气典型地在进入涡轮前被再热。该再热步骤典型地使用定位在压缩空气储存构件与一个或更多涡轮之间的燃烧天然气的蓄热器来执行。由于该再热步骤，传热CAES系统的总体效率降低，并且使用天然气来对蓄热器提供燃料带来碳排放物和自然资源消耗。
绝热CAES即ACAES系统能够通过捕集并储存压缩热以用于以后使用来提高系统效率。在这种系统中，一个或更多热能储存(TES)单元定位在压缩机与洞穴之间。典型地，TES单元中包含用于蓄热的介质，诸如混凝土、石料、流体(例如，油)、熔盐或相变材料。来自压缩阶段的热空气经过TES单元，从而在该过程中将其压缩热传递到上述介质。因此，与传热CAES系统不同，ACAES系统不会损失压缩链所生成的全部热，而是将一部分热储存在一个或更多TES单元内。然后，压缩空气在环境温度下或接近环境温度进入洞穴。
当要提取储存在洞穴或其它压缩空气储存单元内的压缩空气以驱动一个或更多涡轮来产生电能时，压缩空气经TES单元返回，从而在进入一个或更多涡轮前再热压缩空气。这样，ACAES系统不需要另外的燃烧天然气的蓄热来再热离开洞穴或其它压缩空气储存构件的压缩空气。因此，以较少(如果有的话)碳排放物和少量或零自然资源消耗，ACAES系统提供超越传热CAES系统的提高的效率。
建造成有效地储存在压缩链的压缩循环期间生成的热的TES单元构造成承受与ACAES系统相关的高热起伏和高压力。例如，离开压缩链的压缩空气温度可从250℃至750℃不等，而从洞穴进入TES单元的压缩空气的温度处于或接近环境温度。同样，TES单元设计成承受65-85bar的压力。为承受此类高温和高压，目前对TES单元的建议包括建造充填有用于蓄热的介质的大型混凝土筒。由于它们的大直径，这些TES单元形成为具有厚、预先压缩和钢增强的混凝土壁，混凝土壁使得TES单元能够承受壁中由于其中的压力而形成的高张力。然而，这种厚混凝土壁的建造导致相当大的施工难度和高成本，从而降低了实现ACAES系统的可行性，与较低效的传热CAES系统相反。此外，高操作温度和温度循环引起进入混凝土壁中的破坏性的热应力，并且这些应力随着混凝土壁变得越来越厚而放大。
因此，希望设计一种克服前述与TES单元建造有关的缺点的设备和方法。
发明内容
本发明的多个方面提供了用于TES单元的系统和方法，该TES单元具有附于其上的至少一个增强结构，以允许TES单元承受高压力和高温度两者。该至少一个增强结构使TES单元的壁能够具有最小厚度。
根据本发明的一方面，公开了一种热能储存系统，该热能储存系统包括构造成承受第一压力的压力容器，其中该压力容器具有包括外表面和包围压力容器的内部容积的内表面的壁。压力容器的内部容积具有与一个或更多压缩机和一个或更多涡轮流体连通的第一端，以及与至少一个压缩空气储存构件流体连通的第二端。蓄热介质定位在该内部容积中，并且至少一个增强结构附于壁的外表面上，其中该至少一个增强结构构造成增强该壁，以承受大于第一压力的第二压力。
根据本发明的另一方面，描述了一种形成热能储存压力容器的方法。该方法包括形成具有预定高度和厚度的壁，其中该壁的内表面界定其中的内部容积。该方法还包括在第一位置将增强结构附于壁的表面上，在沿壁的高度的另一位置将至少一个附加增强结构附于壁的表面上，并且将多孔蓄热介质布置在内部容积内。
根据本发明的又另一方面，公开了一种热能储存压力容器，该热能储存压力容器包括界定内部容积的混凝土圆柱形壁，其中该内部容积构造成允许空气通过其中，以及附于混凝土圆柱形壁的外表面上的至少一个增强结构。该热能储存压力容器还包括布置在混凝土圆柱形壁的内部容积内的多孔热基质材料，其中多孔热基质材料构造成允许空气通过其中。
各种其它特征和优点将从下文的详细描述和附图变得明显。
附图说明
附图图示了在此为实施本发明而构想的优选实施例。
在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的ACAES系统的示意性布置。
图2是根据本发明的一个实施例的TES单元的侧视图。
图3是根据本发明的一个实施例的图2的TES单元的截面图。
图4是根据本发明的另一实施例的TES单元的侧视图。
图5是根据本发明的另一实施例的图4的TES单元的截面图。
图6是根据本发明的又另一实施例的TES单元的截面图。
具体实施方式
根据本发明的实施例，提供一种包括TES单元的系统，该TES单元具有附于其上的至少一个增强结构，以允许TES单元承受高压力和温度起伏。
首先，参照图1，示出了常规ACAES系统的主要元件的示意性布置。ACAES系统100包括联接到低压压缩机104上的电动机102。电动机102可在非高峰公用时段经由常规方法即公用电网电气驱动。备选地，电动机102可由经由风电场、太阳能电池阵或其它可再生资源提供的电力驱动。电动机102驱动低压压缩机104使得低压压缩机104对进气106进行加压。来自低压压缩机104的经加压的空气108然后被提供给高压压缩机112，以使空气能够经历进一步的压缩。类似于低压压缩机104，高压压缩机112由电动机110驱动。电动机110也可由公用电网或可再生资源如风电场和太阳能电池阵驱动。虽然ACAES系统100示出了在“压缩链”中使用两个压缩机，但应理解，可使用更多或更少的压缩机。
随着空气经过相应的低压压缩机104和高压压缩机112，空气被加压到65-85bar的水平并随后被加热到高达650℃的温度。该经加压、加热的空气114然后进入热能储存(TES)单元116。TES单元116典型地包括布置在其中的多孔蓄热介质，该多孔蓄热介质能够在其经过TES单元116时保持大量由空气114散发的热。多孔蓄热介质可为各种固体材料，诸如天然石料、陶瓷、混凝土、铸铁或陶瓷和盐的混合物。备选地，多孔蓄热介质可为液体材料，诸如硝酸盐和矿物油的混合物。
在经加热的空气114经过TES单元116之后，压缩空气118在降低的温度下离开TES单元116，以使压缩空气118能够被储存在洞穴122或其它压缩空气储存构件中。不过，在进入洞穴122前，压缩空气118可能需要通过可选的中冷器120进一步冷却使得压缩空气118在例如大约50℃的最高温度下进入洞穴122。洞穴122使空气能够被加压到约60-80bar的水平以便储存更长的时间而没有明显的压缩损失。
仍参照图1，当希望使用所储存的空气来生成电力时，可使压缩空气124从洞穴122排出。压缩空气124离开洞穴122并在大约20-50℃的温度下重新进入TES单元116。随着压缩空气经过TES单元116的多孔热蓄热介质，它被再热到高达600℃的温度，该温度接近以前从高压压缩机112排出的经加热空气114的温度。该再热的压缩空气126(其在此阶段被加压到约55-75bar的水平)然后进入由再热的压缩空气126驱动的蒸汽轮机128。与传热CAES系统不一样，压缩空气126已在TES单元116内被再热，因此不需要在蒸汽轮机处进行另外的热再生或气体燃烧以再热压缩空气。随着蒸汽轮机128运转，排气130从其排出，并且蒸汽轮机128驱动发电机132。发电机132所生成的电能然后可被提供给公用电网以用于消耗。如可容易地理解的那样，ACSES系统100代表一种生成电力的方法，该方法可大幅减少(如果未消除的话)电能产生过程中的自然资源消耗和/或碳排放物。
如上文参照图1所述，TES单元116在ACAES系统100的操作期间可承受相当高的压力(65-85bar)和温度(高达650℃)。结果，TES单元116构造成承受此类高压力和温度水平。参照图2和3，示出了根据本发明的一个实施例的TES单元116。图2图示了TES单元116的侧视图。TES单元116作为具有预定长度和厚度的壁202的圆柱形压力容器被示出。然而，TES单元116并不限于圆柱形形状，并且可呈任何合适的形状。壁202一般由混凝土形成，但可使用具有合适的强度和硬度的任何材料诸如钢构成。TES单元116的截面204还示出了多个增强结构206，这些增强结构206沿TES单元116的长度附于壁202的外表面218上。虽然示出了多个增强结构206，但应理解，本发明的实施例并不限于所示的增强结构206的数量和放置。
图2还示出了TES单元116的剖视截面208。如通过剖视截面208可见，每个增强结构206均包括完全穿过内部容积212和壁202的至少一个杆210。内部容积212中包含多孔蓄热介质，诸如天然石料或陶瓷材料，其设计成吸收并保持来自经过TES单元116的压缩空气的热，如上所述。每个杆210均附于壁202的外表面上，从而提供TES单元116内的结构增强。
现参照图3，示出了根据本发明的一个实施例的TES单元116的截面图。如图3中可见，多个杆210构造成穿过壁202和内部容积212两者，从而在内部容积212内形成轮辐形框架。杆210优选地由钢制成，但可由能够承受高压力和温度的任何合适的材料制成。杆210通过锚具(anchor)214固定地附接到壁202的外表面218上。锚具214可通过任何合适的手段(例如，通过栓接或焊接)附于壁202的外表面218上。杆210还在位于内部容积212内的共用中心毂216处联接。优选地，杆210具有足够的长度，以在其相对侧上完全穿过壁202并穿过内部容积212和中心毂216，以附于两个相对的锚具214上。例如，如图3中所示，增强结构206具有通过中心毂216互相连接的四个杆210。每个杆210均经由附接到壁202的相对侧上的一对相应的锚具214附接到壁202的外表面218上。
根据另一实施例，不是作为单个杆完全穿过壁202和内部容积212延伸，杆210可构造成穿过壁202并朝中心毂216延伸。这样，每个杆210的一端均由相应的锚具214保持，而另一端由中心毂216保持或者联接到中心毂216上。
应理解，图3中所示的构型仅为示例性的，并且虽然示出了如上所述的四个或八个杆210，但本发明的实施例包括在每个增强结构206中使用更多或更少的杆210和锚具214。
通过以图2和3所示的方式增强TES单元116，可大致释放壁202内由高空气压力导致的壁应力。结果，壁202可构造成具有减小的总体厚度，因为增强结构206用于释放早先通过增大的壁厚而克服的壁202上的应力。通过这种减小的壁厚，TES单元116也不会承受具有厚壁的压力容器中存在的极大热应力。此外，与常规TES单元相比建造和运输TES单元116都更容易并且更便宜。由此，本发明的实施例允许建造和采用ACAES系统作为用于产生电能的可变替代选择。
现参照图4和5，示出了本发明的另一实施例。图4图示了包括具有预定长度和厚度的壁402的TES单元416的侧视图。虽然将TES单元示出为呈圆柱形，但它并不局限于此，并且可呈任何合适的形状。壁402一般由混凝土形成，但可使用具有合适的强度和硬度的任何材料诸如钢构成。TES单元416的截面404示出了沿TES单元416的长度附于壁402的外表面周围的多个增强结构406。虽然图4示出了沿TES单元416附着的多个增强结构406，但增强结构的数量和放置并不限于所示数量和放置，因为根据本发明的实施例可以将一个或更多增强结构406附于壁402上。
图4还示出了TES单元416的剖视截面408。与上文参照图2所述的增强结构206不同，增强结构406并未经过TES单元416的内部容积412。相反，增强结构406包括沿壁402的外表面422附着的桁架式框架410。由此，每个桁架式框架410均提供沿TES单元416的壁402的外表面422的结构增强。内部容积412和上文参照图2和3所述的内部容积212一样包含多孔蓄热介质，该多孔蓄热介质设计成保持来自经过TES单元416的压缩空气的热。
图5图示了TES单元416的截面图。如图5中可见，桁架式框架410包括附于多个锚具418上的多个杆414，多个杆414进一步附于轮辋(rim)420上并受轮辋420约束。锚具418可通过任何公知手段诸如通过螺栓或通过焊接附于壁402上。杆414和轮辋420可由钢制成，但并不局限于此，并且可由任何合适的材料制成。杆414布置在锚具418与轮辋420之间，以在壁402的外表面周围形成桁架式框架。应理解，所使用的杆414和锚具418的精确数量对本发明来说并不重要的，而是所采用的杆414和锚具418的数量应该是足以允许桁架式框架对壁402进行加压的量。
使用如上文参照图4和5中所示的实施例所述的桁架式框架410，可大致释放壁402内由高空气压力导致的壁应力，从而允许壁402具有显著小于常规TES单元的厚度。减小的壁厚用于减轻压力容器中存在的相当大的热应力，该热应力随着壁变得越来越厚而变得更加普遍地存在。作为一个附加益处，TES单元416与常规TES单元相比可既更容易又更经济地建造和运输。
接下来，图6图示了本发明的又另一实施例。图6是TES单元516的截面图，该TES单元516将图2、3中所示的TES单元116的轮辐形增强结构的概念与图4、5中所示的TES单元415的外部桁架式框架相结合。特别地，TES单元516包括构造成穿过壁502和内部容积512的多个杆510，从而在内部容积512内形成轮辐形框架。杆510通过锚具518固定地附接到壁502的外表面上并在定位在内部容积512内的公共中心毂522处联接。TES单元516还包括布置在壁502的外表面周围的桁架式框架524。桁架式框架524包括附于锚具518上的多个杆514，多个杆414进一步附于轮辋520上并受轮辋520约束。杆514布置在锚具518与轮辋520之间，以在壁502的外表面周围形成桁架式框架。
如可容易地理解的，图6中所示的轮辐形增强结构和外部桁架式框架的组合利用比常规TES单元的壁更薄的壁而给壁502提供了对与压力有关的应力的充分保护。因此，TES单元516与上述TES单元116和TES单元416一样可构造成具有比常规TES单元更薄的壁，从而降低建造TES单元的成本和复杂性，并进一步降低ACAES系统的定期操作过程中受热应力影响的可能性。
因此，根据本发明的一个实施例，公开了一种热能储存系统，该热能储存系统包括构造成承受第一压力的压力容器，其中该压力容器具有包括外表面和包围压力容器的内部容积的内表面的壁。压力容器的内部容积具有与一个或更多压缩机和一个或更多涡轮流体连通的第一端，以及与至少一个压缩空气储存构件流体连通的第二端。蓄热介质定位在该内部容积中，并且至少一个增强结构附于壁的外表面上，其中该至少一个增强结构构造成增强该壁，以承受大于第一压力的第二压力。
根据本发明的另一实施例，描述了一种形成热能储存压力容器的方法。该方法包括形成具有预定高度和厚度的壁，其中该壁的内表面界定其中的内部容积。该方法还包括在第一位置将增强结构附于壁的表面上，在沿壁的高度的另一位置将至少一个附加增强结构附于壁的表面上，并且将多孔蓄热介质布置在内部容积内。
根据本发明的又另一实施例，公开了一种热能储存压力容器，该热能储存压力容器包括界定内部容积的混凝土圆柱形壁，其中该内部容积构造成允许空气通过其中，以及附于混凝土圆柱形壁的外表面上的至少一个增强结构。该热能储存压力容器还包括布置在混凝土圆柱形壁的内部容积内的多孔热基质材料，其中多孔热基质材料构造成允许空气通过其中。
此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法。本发明可取得专利权的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的保护范围内。

Claims (20)

1.一种热能储存系统，包括：
构造成承受第一压力的压力容器，所述压力容器具有壁，所述壁包括：
外表面；和
包围所述压力容器的内部容积的内表面，所述内部容积具有：
与一个或更多压缩机以及一个或更多涡轮流体连通的第一端；和
与至少一个压缩空气储存构件流体连通的第二端；
定位在所述内部容积中的蓄热介质；以及
附于所述壁的所述外表面上的至少一个增强结构；所述至少一个增强结构构造成增强所述壁，以承受大于所述第一压力的第二压力。
2.根据权利要求1所述的热能储存系统，其特征在于，所述至少一个增强结构包括互相连接以在所述壁的所述外表面周围形成桁架式框架的多个钢质杆。
3.根据权利要求2所述的热能储存系统，其特征在于，所述热能储存系统还包括设置在所述桁架式框架的外周周围的钢质轮辋。
4.根据权利要求1所述的热能储存系统，其特征在于，所述至少一个增强结构延伸到所述压力容器的所述内部容积中。
5.根据权利要求4所述的热能储存系统，其特征在于，所述至少一个增强结构包括在所述压力容器的所述内部容积内形成轮辐形框架的多个钢质杆。
6.根据权利要求1所述的热能储存系统，其特征在于，所述至少一个增强结构包括：
在多个壁安装式锚具与周向轮辋之间互相连接以在所述壁的所述外表面周围形成桁架式框架的多个第一杆；以及
在所述压力容器的所述内部容积内形成轮辐形框架的多个第二杆。
7.根据权利要求1所述的热能储存系统，其特征在于，所述至少一个增强结构包括沿所述压力容器的长度设置的多个增强结构。
8.根据权利要求1所述的热能储存系统，其特征在于，所述压力容器的壁由混凝土形成。
9.根据权利要求1所述的热能储存系统，其特征在于，所述蓄热介质是设置在所述压力容器的所述内部容积内的多孔蓄热介质。
10.根据权利要求9所述的热能储存系统，其特征在于，所述多孔蓄热介质包括天然石料、陶瓷、混凝土、铸铁、硝酸盐和矿物油中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的热能储存系统，其特征在于，所述压力容器在形状上为圆柱形。
12.一种形成热能储存压力容器的方法，所述方法包括：
形成具有预定高度和厚度的壁，其中所述壁的内表面界定其中的内部容积；
在第一位置将增强结构附于所述壁的表面上；
在沿所述壁的高度的另一位置将至少一个附加增强结构附于所述壁的表面上；并且
将多孔蓄热介质设置在所述内部容积内。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将增强结构附于所述壁的表面上包括：
将多个锚具附于所述壁的外表面上；
在所述杆的第一端处将多个杆附接到所述锚具上；并且
在所述杆的第二端处将所述多个杆附接到轮辋上，使得所述多个锚具、所述多个杆和所述轮辋在所述壁的外表面周围形成桁架式框架。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述增强结构附于所述壁的表面上包括：
将多个锚具附于所述壁的外表面上；并且
将多个杆附于所述多个锚具上，所述多个杆穿过所述壁，以在所述壁的内部容积内形成轮辐形框架。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述增强结构附于所述壁的表面上包括：
将多个锚具附于所述壁的外表面上；
在所述第一杆的第一端将多个第一杆附接到所述锚具上；
在所述第一杆的第二端将所述多个第一杆附接到轮辋上，使得所述多个锚具、多个第一杆和所述轮辋在绕所述壁的外表面周围形成桁架式框架；并且
将多个第二杆附于所述多个锚具上，所述多个第二杆穿过所述壁，以在所述壁的所述内部容积内形成轮辐形框架。
16.一种热能储存压力容器，包括：
界定内部容积的混凝土圆柱形壁，其中所述内部容积构造成允许空气通过其中；
附于所述混凝土圆柱形壁的外表面上的至少一个增强结构；以及
设置在所述混凝土圆柱形壁的所述内部容积内的多孔热基质材料，其中所述多孔热基质材料构造成允许空气通过其中。
17.根据权利要求16所述的热能储存压力容器，其特征在于，所述至少一个增强结构包括钢圈和互相连接以在所述混凝土圆柱形壁的外表面周围形成框架的多个桁架。
18.根据权利要求16所述的热能储存压力容器，其特征在于，所述至少一个增强结构延伸到所述混凝土圆柱形壁的所述内部容积中。
19.根据权利要求18所述的热能储存压力容器，其特征在于，所述至少一个增强结构包括在所述混凝土圆柱形壁的所述内部容积内附于公共中心处的多个互相连接的钢质杆。
20.根据权利要求16所述的热能储存压力容器，其特征在于，所述至少一个增强结构通过多个锚具固定在所述混凝土圆柱形壁的外表面上。
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