CN102953823B - 绝热的压缩空气能量储存器系统及方法 - Google Patents
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Abstract
在一种绝热的压缩空气储存器（ACAES）系统50运行过程中，在所述（ACAES）系统中的热能储存器（TES）60与在所述空气已经从所述ACAES系统50的压缩空气储存器62释放之后将给定体积的压缩空气的温度升高到希望的涡轮机进入温度Ti所需要的热能的量之间可能出现不平衡。为至少部分地矫正这种能量不平衡，本发明提议在所述给定体积的压缩空气已经从所述TES60接收热能之后且在它通过涡轮机58膨胀之前选择性地供给附加热能到所述给定体积的压缩空气。所述附加热能从所述ACAES系统外部的源供给，例如在燃烧器56中燃烧燃料。在所述给定体积的压缩空气已经从所述TES接收热能之后添加到所述给定体积的压缩空气的热能的量远远小于通过所述涡轮机58从所述给定体积的压缩空气得到的有用功的量。
Description
技术领域
本发明涉及一种压缩空气能量储存器（CAES）系统的领域，更具体地，本发明涉及绝热的CAES（ACAES）系统的能量平衡。
背景技术
CAES系统能够用于储存大量的能量。在运行的“填充”阶段期间，当电力需求低时，例如在夜间，在可用的在线发电能力超过需求时，空气使用电动泵或压缩机被压缩到高压并且储存到一个或多个大的腔室或空腔中。在CAES系统运行的“释放”阶段期间，在存在电力需求有超过电网供给能力的危险的期间，所述储存的压缩空气用于驱动被连接到发电机的涡轮机，藉此将电能供给到实用电网。这种应用的一个非常相关的实例出现在使用可更新的能源（例如风和太阳能）发电的领域中，其中，缺少在它们工作时储存它们的能量并且在它们不工作或产生低功率水平时释放的装置，不可能保证使用这些资源发电保持持续时间的稳定水平。在用于所述实用电网的发电的背景下，所述实用电网必须满足在日常循环中电力需求的峰值要求，这种缺少稳定性和可预测性使可更新能源发电系统与全化石燃料和核燃料的电站相比处于极其不利的境地。
CAES系统的现有技术的实例，参见例如美国专利No.4,100,745;3,985,493;3,988,897。
如上所述，CAES系统提供一种提供这种能量储存的装置。现在已知两种形式的CAES：非绝热的和绝热的。第一代CAES系统是非绝热的（DCAES），包括使用例如天燃气的燃料与压缩的空气混合和燃料以在较高效率运转所述涡轮机。另一方面，绝热的CAES（ACAES）系统储存作为所述空气的初始压缩结果产生的热能到分离的热能储存器中。然后这个热能后来用于在释放的空气流过所述涡轮机以前升高它的温度，能够使所述涡轮机在较高水平的效率下运行（参见例如美国专利NO.3,677,088和4,147,204）。因此，不像DCAES系统，ACAES系统已经设计成不需要燃料增加。
在ACAES系统中压缩使空气加热到高温，并且通过提取和储存压缩热的热能，热能储存单元（TES）用于冷却这个被压缩的空气。绝热压缩给定体积的空气例如从1到100巴将使空气从25℃升温到约837℃，这出现了问题。然而，能够承受这种高出口温度的压缩机在商业上是不可得到的或者在成本适宜的价格方面是不可得到的。因此，使用商业上可得到的压缩机，所述压缩使用多级中间冷却的轴向和径向式压缩机来执行以降低最大释放温度。然而，这个装置导致的缺陷是例如因存在换热器和附加热能储存单元而增加了基本费用；因多级压缩和膨胀而增加了压力损失；增加了系统的复杂度；和因受限的额定功率而限制所述系统的能量密度。
而且，在高压低温时，根据环境条件，所述空气中的湿气可能在（每个）热能储存单元中凝结。这个凝结导致因而发生所述TES被冷却和它的热能的一部分被损失。
发明内容
在本发明的第一方面中，本发明提出一种绝热的压缩空气能量储存器（ACAES）系统，包括：
压缩空气储存器；
空气压缩装置，其用压缩空气填充所述压缩空气储存器；
热能储存器（TES）；
涡轮机装置，其用于在从所述压缩空气储存器释放压缩空气期间从所述压缩空气提取有用功；以及
能量平衡装置，其用于矫正在所述TES和在一旦从所述压缩空气储存器释放给定体积的压缩空气将所述给定体积的压缩空气的温度升高到希望的温度所需要的热能需要量之间的能量不平衡；
所述能量平衡装置包括能量输入装置，所述能量输入装置选择性地运行以在所述给定体积的压缩空气从所述TES接收热能之后并且在它通过所述涡轮机装置膨胀之前供给附加热能到所述给定体积的压缩空气，所述附加热能从所述ACAES系统外部的源供给，在所述给定体积的压缩空气已经从TES接收热能之后添加到所述给定体积的压缩空气的热能的量小于从所述给定体积的压缩空气通过所述涡轮机装置获得的有用功的量。
所述热能输入装置可以布置成将热能直接添加到所述压缩空气。例如，所述热能输入装置可以包括下述中的至少一种：（a）燃烧器，它可运行以燃烧在所述压缩空气流中的燃料；（b）电加热元件，它位于所述压缩空气流中；（c）太阳能源，当所述压缩空气流过封闭地密封的太阳能接收器时，所述太阳能源输入热能到所述压缩空气流。
替代地，所述热能输入装置可以布置成将热能经换热装置添加到所述压缩空气。例如，中间换热介质，例如水或熔盐，可以循环通过从所述热能输入装置接收热的换热器的第一侧，然后循环通过将所述热量给予所述压缩空气的换热器的第二侧。在这种情况下，所述能量输入装置可以包括下述中的至少一种：（a）燃烧器，它可运行以燃烧所述ACAES系统的增压部分外部的燃料并且输入所述燃烧热到所述中间换热介质；（b）电加热元件，它布置成将热量输入到所述中间换热介质；（c）太阳能源，它输入热能到封闭地密封的太阳能接收器，所述太阳能接收器输入热量到所述中间换热介质并且用作所述换热器的第一侧；（d）地热能源，它布置成将热量输入到所述中间换热介质。
反直觉的是，已经设计出ACAES系统以便消除所述将热能添加到所述从所述空腔释放的压缩空气的需求，燃烧燃料的再次引入或使用其他外部能量能够提议作为对ACAES系统的改善。然而，在这里解释这种改善怎样能够通过明智的热能输入以辅助ACAES系统恢复热能平衡的。
值得注意的是，在所述释放的压缩空气已经在所述热储存器中被加热后，所述燃烧器或其他热源在更高温度提供热量，因而降低炯损。所述系统能量定义为在将所述系统达到蓄热器平衡的处理过程中可能的最大有用功。
在所述ACAES系统中，引起上述能量不平衡的可能原因可以是下述中的一个或多个：a）从ACAES系统的TES的热能损失，例如通过其内水蒸气的凝结；b）在所述压缩空气压缩后，热能不充分地传递到所述TES；c）因为压缩空气从压缩空气储存器泄漏，来自所述压缩空气储存器的压缩空气的损失；d）由于其内的水蒸气凝结，在所述压缩空气储存器中的压缩空气的质量损失。
已经考虑所述ACAES系统可以还包括用于平衡所述ACAES系统的热储存器和空气储存部件之间的能量的辅助装置，例如下述中的一个或多个：
用于在所述压缩空气储存器的填充过程中暂时中断所述TES中热能储存的装置；
用于在从所述压缩空气储存器释放空气过程中节流压缩空气输入到所述TES的装置；以及
用于从所述压缩空气储存器排放压缩空气代替通过所述TES释放所述压缩空气的装置。
在第二方面中，本发明提出一种用于矫正在一个绝热的压缩空气能量储存器（ACAES）系统的热能储存器（TES）与在所述空气已经从所述ACAES系统的压缩空气储存器释放后将给定体积的压缩的温度升高到希望的温度所需要的热能的需求水平之间的能量不平衡的方法，所述方法的步骤包括在所述给定体积的空气已经从所述TES接收热能之后且在通过所述ACAES系统的涡轮机装置膨胀之前选择性地将附加热能供给到所述给定体积的压缩空气，所述附加热能从所述ACAES系统外部的源供给，在所述给定体积的压缩空气已经从所述TES接收热能之后添加到所述给定体积的压缩空气的热能的量小于从所述给定体积的压缩空气通过所述涡轮机装置获得的有用功的量。
通过研讨下面的描述和所附的权利要求书将使本发明的其他方面变得显而易见。
附图说明
下面将参考附图描述优选实施例，其中：
图1以示意性略图的形式显示当前非绝热的压缩空气储存器系统；
图2以示意性略图的形式显示当前绝热的压缩空气储存器系统；以及
图3以示意性略图的形式显示改进的绝热的压缩空气储存器系统。
具体实施方式
在绝热的压缩空气能量储存器（ACAES）系统中，因为各种原因，即使与储存在所述热能储存器（TES）中的热能相结合，储存在所述空腔中的空气的势能可能不足以驱动涡轮机以高效率发电。为了克服这个问题，或者至少改善这个问题，本发明提出一种改进的ACAES系统，它包括选择地运行以平衡储存在所述TES中的热能与加热给定体积的压缩空气到希望的且优选的最佳温度以驱动涡轮机从而例如发电的能量需求的装置。
在优选实施例中，所述ACAES系统包括用于提高被储存在所述ACAES系统的热能储存单元（TES）中的热能水平的加热装置。各种这样的装置被考虑，并且除其他装置外，包括燃烧器，例如气体燃烧器或固体燃料燃烧器，电阻加热器、地热能或太阳能。
而且，可能便利的是提供可在所述循环的填充部分过程中运行的装置以控制从所述压缩空气传递到所述TES的热能的量；例如通过选择性地使所述空气旁通(by-pass)所述TES。替代地或附加地，可提供在所述循环的释放部分可运行的装置以便选择性地控制从所述TES传递到所述压缩空气的热能的量，例如通过节流流过所述TES的流速，或通过从所述空腔排放过量的空气。
参照图1和2，下面的描述阐明当前非绝热的和绝热的CAES系统的特征和操作。然后，接下来的描述参照图3，讨论本方面的改进和它的特征与操作是怎样基于当前系统获得有利的效果的。
参照图1，简单类型的DCAES系统1包括压缩机2和贮存器6，其中，压缩机2可操作地压缩空气3的输入流，所述压缩空气直接通过单向阀V1进入贮存器6并且保留在贮存器6中，贮存器6包括压力密封容器，例如适当地适配的空腔。压缩机2通过驱动轴9a利用驱动装置驱动，所述驱动装置例如是电动机，如马达/发电机4。所述马达从例如实用电网或可更新能源发电站（如风力农场）供给电能。所述空气的压缩增加它的热能和势能。在DCAES系统中，所述增加的热能从所述压缩空气使用热传递装置提取，例如中间冷却器5a和/或后压缩换热器5b，但是所述提取的热量不能被储存。所述空气一旦被压缩和冷却，在降低的温度下传递到空腔6中。储存在DCAES系统中的能量因此主要只有所述空气的势能（压力）。当希望所述势能转换成有用功，例如用于发电时，空腔6中希望部分的压缩体积的空气通过阀门V2释放并且输送到涡轮机8。为了发电，涡轮机8通过驱动轴9b机械联接发电机，在这种情况下是马达/发电机4，也可操作地驱动压缩机2。
涡轮机8将储存在压缩空气中的势能转换成输入驱动轴9b中的力矩。涡轮机8的效率随着输入温度的增加而升高，并且因此有利的是，所述压缩空气被加热到优选的最佳温度以使所述涡轮机的效率最高。所述压缩空气的温度利用加热装置7，例如气体燃烧器供给。所述热量传递到所述压缩空气以藉此升高它的温度和提高所述涡轮机的效率。
DCAES系统1因此内在地需要附加能量输入的“制造费用”以便将它储存的势能有效地转换成有用功。如果从用来压缩所述空气的总功率与在发电机4产生的总功率相比的角度考虑，这个制造费用增加了成本并且降低了整个系统的效率。
图2显示简单的ACAES系统11，它用于减轻上述缺陷，其中，压缩机12利用马达14经驱动轴15驱动以压缩输入空气3。压缩空气13然后流过热能储存器（TES）20内的热能储存材料中的换热通道。TES20中的热储存材料包括固体或液体材料，例如除其他材料外（amongstothers）包括石头、水泥和熔盐。对于在600℃区域中的高空气流温度，熔盐是TES材料的优选材料。
图2的ACAES系统11还包括形式为装配有中间冷却器16的压缩机23的第二级压缩。压缩机23用与压缩机12相同的轴15驱动，并且还压缩来自压缩机12的空气以在TES20冷却所述空气后达到储存器所需要的压力。而且，由于中间冷却器16的动作，所述进一步被压缩的空气在压缩机23的出口也处于储存器所需要的温度，并允许通过单向阀V1进入到空腔16中。
当需要将所述储存的空气的势能转换成有用功时，储存的压缩空气24从空腔16通过阀门V2释放。然而，代替燃烧燃料，ACAES系统11使用储存在TES20中的热能升高流过它的内部通道的压缩空气24的温度。然后，再次加热的压缩空气26通过涡轮机18膨胀以在发电机21中发电，发电机21通过轴22受到涡轮机18的驱动。因而，在这种情况下，不需要附加燃料或其他能源辅助空腔16中的压缩空气发电。
然而，这种ACAES系统11易于损失来自所述系统的能量，例如通过因不完善的绝缘而损失来自TES20的热能，或者通过从空腔16逸出一部分压缩空气，或者因为所述压缩空气的水蒸气凝结在所述空腔的壁上。这些损失引起在TES20中可用热能的量和使空腔16中压缩空气达到需要的温度以在希望的效率水平下通过发电涡轮机18所需要的能量的量之间产生不平衡。
图3显示改进的ACAES50系统，它包括用于克服或至少减轻这个问题的装置。根据优选实施例，ACAES系统50提供第一压缩机52，第一压缩机52可以运行以压缩空气3的输入流到例如30至35巴的压力。在这个压缩过程中，所述空气升高到大约550-600℃的温度。这个第一压缩机52轴向式压缩机或径向式压缩机，但是为了实现最大压缩和温度性能，压缩机52优选是耐用的轴向式压缩机，所述耐用的轴向式压缩机源于发电站所用类型的重型气体涡轮机的压缩机，例如ALSTOMGT26，因此具有在高温、压力下长期运行的能力。
优选地，所述压缩机利用马达14经驱动轴15驱动。马达14可以是能够运行以在驱动轴15中产生力矩的使任意形式的马达，但优选是电动机。
热压缩空气13从第一压缩机52的出口流过TES60，在这里储存所述压缩热，如同已经联系图2所描述的。
有时可能发生在ACAES50的填充和释放循环过程中，与空腔62中储存的空气的能量相比，TES60可以积累过量的热能。在所述循环的填充部分过程中通过选择地使用TES60的旁通管路59，藉此暂时中断热能储存，这能够便利地进行处理。
在到达进行第二级压缩的第二压缩机54之前，在TES60的出口设置例如温度控制装置53。这个温度控制装置53可运行以调整进入到第二压缩机的入口温度到可变的最佳温度，能够使所述第二压缩机在希望的温度下输送压缩空气到空腔62。这个希望的温度能够是从20℃到150℃的范围内，并且取决于所述空腔中的压力、以及环境空气温度和工作条件（额定或部分负荷）。优选地，利用这个温度控制装置53从所述压缩空气提取的任意热能例如用热泵61传递到TES60中，在图中以虚线示意性地显示。
一旦达到第二压缩机54的适当的入口温度，所述压缩空气进入第二压缩机54以进行另一级压缩。第二压缩机54在结构上可以不同于第一压缩机52。例如，可以设想所述第二压缩机可以是化学或石油天燃气工业在商业上可得到的类型的径向式或轴向式压缩机，目的是实现适于输入到所述空腔的预定输出压力和温度，但也与所述压缩机的长期工作能力相兼容，第二压缩机54或者用驱动轴15由马达14驱动，或者替代地，由第二、分离的发动机和驱动轴（未显示）驱动。
一旦所述压缩空气由第二压缩机压缩到优选60到80巴的压力，所述压缩空气然后流过第二温度控制装置，例如中间冷却器55，或者其他形式的换热器。通过这个中间冷却器55的运行，所述压缩空气的温度被调整到储存到空腔62所需要的温度。优选地，利用中间冷却器55从所述压缩空气提取的任意热能利用例如热泵61传递到TES60。
所述压缩空气通过单向阀V1进入空腔62，并且储存根据所述实用电网的要求水平确定的一段时间。空腔62通常是地下空间，例如适当地适配的石灰石洞穴、废弃的矿井或盐洞。可替代地，它能够是例如高压气箱的容器，或者例如配置在湖泊或海洋中水下的塑料容器的压力容器。
当希望储存在空腔62中的压力空气的一部分能量和TES60中的热能转变成有用功，例如发电时，空腔62的出口阀门V2打开以从中释放一部分压缩空气64流过TES60。储存在TES60中的热能将所述压缩空气加热到优选尽可能接近理想运行温度的温度，在理想运行温度时，涡轮机58的效率达到最大。
如上所述，储存在TES60中的热能损失，或者空腔62中的空气的势能损失可能导致在TES60中可得到的热能与充分加热从空腔62释放的所有空气到需要温度所需要的热能的需要量之间出现不平衡。校正因TES中不能充分得到热能的简陋方法将是从所述空腔中排放部分空气。例如，如果与保持在TES60中的热能相比所述储存的空气的势能过量10%，通过在所述填充阶段将已经注射到空腔62中的空气排放10%能够对此进行校正。假设ACAES系统能够储存1.5GWh，空气损失10%对应大约10%的能量损失，即150MWh。
读者应理解例如减小空腔62中的空气质量,由它的水分的凝结或者TES60中的温度分布的去层理作用产生的,这些问题也可以包括ACAES系统50的效率。
如果在ACAES系统50运行过程中，在TES60中可得到的热能与在给定体积的压缩空气已经从压缩储存器释放后将所述给定体积的压缩空气的温度升高到希望的温度所需要的热能需要量之间出现不平衡，本发明提出通过提供包括热能输入装置的能量平衡装置以便除TES60给予所述能量外选择性地给予有限的热能到所述压缩空气，至少部分地恢复ACAES系统50的能量平衡。
所述ACAES系统可以通过用于从空腔62排放一部分所述压缩空气的装置和/或用于在所述压缩空气进入涡轮机58以前节流所述压缩空气的装置进一步补充。所述用于排放一部分所述压缩空气的装置可以包括开关阀63，所述用于节流所述压缩空气的装置可以包括降压阀65。
上述热能输入装置是热源，尤其是燃烧器，例如气体燃烧器56，它设置在TES60和涡轮机58之间。燃烧器56可运行以燃烧气体燃料，例如天燃气，从而在所述压缩空气离开TES60以后将热能添加到所述压缩空气。已经考虑燃烧器56能够在ACAES系统50的增压回路外侧运行，并且因此能够在大气压下运行。所述燃烧器将输入热量到循环通过换热器（未显示）的第一侧的中间换热介质。所述换热介质将循环到所述换热器的第二侧，所述换热器的第二侧布置成将燃烧热量给予所述压缩空气流。来自这个燃烧器的热能藉此将经由换热器在所述空气进入涡轮机58的入口之前的点上传递到ACAES系统50内侧的压缩空气。替代地，燃烧器56可以被增压并且配置在所述压缩空气流通过的沟道中，以便将燃料直接输送到空气流中。然而，这个实施例需要燃烧控制单元（如本领域技术人员所已知的），所述燃烧控制单元能够适应已知的燃烧过程参数（例如燃料/空气比和后燃烧稀释）以便克服空气流的压力随时间的变化，否则将有害地影响来自所述燃烧过程的排气。这种控制单元还将感测所述系统中的温度，如下面所描述的，并且适当地增加或减少燃料燃烧。
虽然所述热能输入装置在上面指定为燃烧器，所述燃烧器能够用布置在压缩空气流中以直接将热量输入到所述压缩空气中的电加热元件或太阳能源替换或补充。替代地，所述燃烧器能够用布置在所述ACAES系统的增压部分外部以将热量经由换热装置间接输入到所述压缩空气中的电加热元件或太阳能源替换或补充。在从太阳能源输入热量的情况下，所述热量输入能够用密闭地密封的太阳能接收器提供，所述太阳能接收器将在压缩空气通过所述接收器时将热能直接输入到压缩空气流，或者间接地经由所述换热装置，通过中间换热介质循环通过用作所述换热器第一侧的接收器，将热能输入到所述压缩空气流。
热量输入的另一可能热源可以是地热热源。在这种情况下，所述热输入到所述压缩空气将是间接的，其中所述地热热源用于加热在所述换热器的第一侧中的中间换热介质。
应理解，如上面概述的，添加到所述系统的热能的量限制到恢复在所述压缩空气的储存的热能与所述压缩空气的储存的势能之间的能量平衡所必需的量，因此希望在所述给定体积的压缩空气流过TES60之后且在它流过涡轮机58之前添加到所述给定体积的压缩空气的热能的量将显著小于通过所述涡轮机从所述给定体积的压缩空气获得的有用功的量。
在下面的实例中阐明在如图3所示的系统中使用燃烧器校正能量不平衡的三种情景。对于每种情景，计算在缺少这里所述的改进措施时将要损失的能量并且与所述改进措施的运行所需要的附加热能相比较。应理解在所有三种情景下，天燃气的使用代表增加了的运行灵活性：运行人可以在分析排放一部分所述压缩空气的成本与减小工厂可用性的结果后选择排放一部分所述压缩空气，或者使用天燃气。这个选择可能受到多个因素影响包括燃料成本、CO2排放成本（这里设想如果CO2排放限值在燃料燃烧的短期内是适当的），工厂可用性和电力价格。
情况1：这种情景在TES60中的热储存器使用液体时最可能出现。在开始释放阶段时，空腔62中储存的空气的压力是80巴。TES60的热液体在不充分的温度下保证所述空气涡轮机入口温度高于充分运行所需要的某要求值。在缺少用于克服热能亏损的装置时，所述压力需要被降低以增加涡轮机58的出口温度，藉此阻止这个温度降低到可接受的温度以下例如10℃。假设空气没有被从所述空腔中排放，而是通过节流使其压力降低，所述空气温度在涡轮机入口只比最低允许水平低10℃，即TES60的温度已经损失了至少10℃，需要的压力降低能够量化为在低于所述需要的温度下方每摄氏度0.5巴。（注意：在实际运行中，当所述TES一般在530℃运行时，在所述TES中的温度损失将可能达到40℃）在所述TES中损失10℃的实例中，所述空气的压力应在节流阀65中降低5巴，即从80到75巴。这意味着在所述填充阶段，为增加空腔62中的空气压力从75巴到80巴所完成的工作将被浪费。这等于在所述压缩机中大约每公斤空气125千焦在压缩机源于ALSTOMGT26气体涡轮机的情况下，它是大约75MW。另一方面，如果所述空气的温度在它到达所述涡轮机的入口时使用附加的天燃气的燃烧，从500℃增加到510℃，所需要的附加热能将仅仅是10.93kJ/kg空气。因此，更显著有效地供给这个附加热能和提高所述空气的温度以补偿所述损失而不是浪费已经储存在空气中的势能。类似地，如果TES60的温度在所需要的温度下方50℃（极端情况），所述相同的分析将给出160kJ/kg空气的潜在浪费，而矫正所述热能亏损所需要的热能将是大约54kJ/kg空气。
情况2：这个情景在TES60包括固体材料微粒或“卵石”的填充床时更可能出现。在这种情况下，当所述空腔压力降低时，所述空气温度在涡轮机58的入口常常降低。在这种情景下，空腔62将在“n”小时后释放，并且在“m”小时后，TES60的维持温度对涡轮机58的有效运行而言太低了。对于所述维持“n-m”小时，所述选择是或者从所述空腔排放气体或者向它添加热能。在第一近似下，很显然，例如通过燃烧天燃气添加热能的收益与排放压缩空气相比处于情况1的相同范围内。
情况3：在第三情景下，相对于TES60的热能，所述压缩空气的能量过量10%，也就是说，在TES60用完有用热能后，在空腔62中将留下10%的空气。在没有当前的提议时，这种状况涉及在所述填充操作中排放已经注射到空降62中的10%的空气。假设ACAES系统能够储存1.5GWh，损失10%的空气对应该能量损失大约10%，即150MWh。假设空腔62具有300000m3的体积和50到80巴的压力范围，将要释放的空气的总量是大约10*106kg，因而10%是10*105kg，它将要从大约40℃（在所述空腔中）加热到510℃（涡轮机入口）。这将需要来自天燃气的大约140MWh（热能）。因而能量的总体节约将由在涡轮机入口前燃料天燃气加热所述释放的空气引起。
如上所述，燃烧器56或其他能量输入装置，优选用控制单元57控制。为了能够精细地控制所述能量输入，这种控制单元能够对接传感器以确定在任意给定时间在所述系统中一点或多点的温度。例如，如附图标记Ti所表示的，传感器能够有利地放置在涡轮机58的入口，使得所述控制单元能够侦测在那里的不充分温度并且通过燃烧燃料或其他方式升高所述温度。
另一传感器T0可以例如置于涡轮机58的出口，使得涡轮机58的效率能够通过调整所述入口温度进行优化。例如，如果所述涡轮机出口温度太低，这意味着所述控制单元将运行以通过增加燃料燃烧器56的热量输出来增加涡轮机58的入口温度。
应理解ACAES系统50的上述描述仅涉及优选实施例，可以设想它的各种特征在不偏离所附权利要求书的保护范围的情况下可以进行改变。例如，所述压缩级的确切数量可以在所述空腔中需要获得希望的压力时或者响应压缩机的商业可用性或压缩机的类型时进行改换。还可以设想多TES单元也是可以使用的，一个在每个压缩级之间，或者TES单元能够设置成少于压缩级的数量。在这种情况下设想热泵可以有利地用来从一个或多个压缩级捕获热而TES单元不位于该压缩级的出口，捕获在该压缩级的出口的压缩空气的热能，和将它传递到所述TES单元中的一个或多个。
本发明不提倡在ACAES系统运行过程中常规使用燃料燃烧或其他热能输入装置。这些措施应只是选择性地、明智地使用，作为在所述系统中存在实质能量不平衡时改善储存的能量浪费的一种方法，如上面所解释的那样。
上面的实施例已经单纯作为实例进行了描述，在所附权利要求书的保护范围内能够做出它的改型。因而，所述权利要求书的宽度和保护范围不应局限于上述示例性实施例。在说明书中（包括权利要求书和附图）公开的每个特征可以用实现相同、等同或类似目的的替代特征替换，除非明确说明。
除非在上下文中明确需要，在整个描述和权利要求书中，措辞“包括”、“包含”等应解释为与排他的或彻底的意义相对的包括……在内；也就是说，从“包括但不限于”的意义上讲。
Claims (13)
1.一种绝热的压缩空气能量储存器（ACAES）系统，包括：
第一压缩机，用于压缩空气；
热能储存器（TES），构造成使来自所述第一压缩机的压缩空气通过；
第二压缩机，用于压缩来自所述热能储存器（TES）并经过温度控制装置(53)的空气；
压缩空气储存器，用于储存来自所述第二压缩机并经过中间冷却器(55)冷却的压缩空气；
涡轮机装置，用于在压缩空气从所述压缩空气储存器中释放过程中从所述压缩空气提取有用功；以及
能量平衡装置，用于矫正在所述TES和在一旦从所述压缩空气储存器释放给定体积的压缩空气时将所述给定体积的压缩空气的温度升高到希望的温度所需要的热能的需要量之间的能量不平衡；
所述能量平衡装置包括热能输入装置，所述热能输入装置可选择性地运行以在所述给定体积的压缩空气已经从所述TES接收热能之后并且在所述给定体积的压缩空气通过所述涡轮机装置膨胀之前供给附加热能到所述给定体积的压缩空气，所述附加热能从所述ACAES系统外部源供给，在所述给定体积的压缩空气已经从所述TES接收热能之后添加到所述给定体积的压缩空气的热能的量小于从所述给定体积的压缩空气通过所述涡轮机装置得到的有用功的量。
2.根据权利要求1所述的ACAES系统，其特征在于，
所述热能输入装置布置成将热能直接添加到所述压缩空气。
3.根据权利要求1所述的ACAES系统，其特征在于，
所述热能输入装置布置成将热能经换热装置添加到所述压缩空气。
4.根据权利要求2所述的ACAES系统，其特征在于，
所述热能输入装置包括下述中的至少一个：（a）燃烧器，其可运行以燃烧所述压缩空气中的燃料；（b）电加热元件；（c）太阳能源。
5.根据权利要求3所述的ACAES系统，其特征在于，
所述热能输入装置包括下述中的至少一个：（a）燃烧器，其可运行以燃烧所述ACAES系统的增压部分外部的燃料；（b）电加热元件；（c）太阳能源；（d）地热能源。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的ACAES系统，其特征在于，
所述ACAES系统还包括用于在所述压缩空气储存器的填充过程中暂时中断所述TES中热能储存的装置。
7.根据权利要求1至5中的任意一项所述的ACAES系统，其特征在于，
所述ACAES系统还包括用于在空气从所述压缩空气储存器释放过程中节流压缩空气输入到所述TES的装置。
8.根据权利要求1至5中的任意一项所述的ACAES系统，其特征在于，
所述ACAES系统还包括用于从所述压缩空气储存器排放压缩空气代替通过所述TES释放它的装置。
9.一种矫正在绝热的压缩空气能量储存器（ACAES）系统的热能储存器（TES）与在所述空气已经从所述ACAES系统的压缩空气储存器释放之后将给定体积的压缩空气的温度升高到希望的温度所需要的热能的需要水平之间的能量不平衡的方法，所述ACAES系统包括：第一压缩机，用于压缩空气；热能储存器（TES），构造成使来自所述第一压缩机的压缩空气通过；第二压缩机，用于压缩来自所述热能储存器（TES）并经过温度控制装置(53)的空气；压缩空气储存器，用于储存来自所述第二压缩机并经过中间冷却器(55)冷却的压缩空气；涡轮机装置，用于在压缩空气从所述压缩空气储存器中释放过程中从所述压缩空气提取有用功；以及能量平衡装置，用于矫正在所述TES和在一旦从所述压缩空气储存器释放给定体积的压缩空气时将所述给定体积的压缩空气的温度升高到希望的温度所需要的热能的需要量之间的能量不平衡，
其中，所述方法包括在所述给定体积的压缩空气已经从所述TES接收热能之后且在它通过所述ACAES系统的涡轮机装置膨胀之前选择地供给附加热能到所述给定体积的压缩空气的步骤，所述附加热能从所述ACAES系统外部的源供给，在所述给定体积的压缩空气已经从所述TES接收热能之后添加到所述给定体积的压缩空气的热能的量小于通过所述涡轮机装置从所述给定体积的压缩空气得到的有用功的量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述选择性地供给附加热能到所述给定体积的压缩空气的步骤包括将热能直接添加到所述压缩空气。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述选择性地供给附加热能到所述给定体积的压缩空气的步骤包括将附加热能经换热过程添加到所述压缩空气。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
通过下述中的至少一种方法添加热能：（a）燃烧所述压缩空气中的燃料；（b）电加热所述压缩空气；（c）用太阳能加热所述压缩空气。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，
通过下述中的至少一种方法添加热能：（a）燃烧所述ACAES系统的增压部分外部的燃料以加热中间换热介质；（b）电加热中间换热介质；（c）太阳能加热中间换热介质。
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