CN103080542A - 用于储存热能的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一个热能储存系统，该热能储存系统包括位于一个周围水体内的容器并且该容器包括一个容器壁。该壁具有一个内表面，该内表面暴露在该容器的内部体积并且限定了该容器的内部体积，以及具有一个外表面，该外表面与该内表面相反并且暴露在该周围水体中。该内部体积是基本上装满水的，并且该容器被配置成用于将该内部体积内的水沿着该内表面与该周围水体中的水沿着该外表面进行热分离。一个热源，与该内部体积内的水是处于热连通的热源被配置成用于将热势传递至该内部体积内的水。

Description

用于储存热能的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请对在2010年7月14日提交的美国临时申请61/364,364以及在2010年7月14日提交的美国临时申请61/364,368要求优先权，这些申请的披露内容被结合在此。

发明背景

本发明的实施例总体上涉及热能储存系统，并且更具体地涉及将热能储存在水下储存装置中的系统和方法。

在减少非可再生能源和高的碳排放量的时代，可再生能量（RE）源提供了传统能源的替代物。然而，RE源往往得不到充分利用，因为当存在高峰需求时，可再生能量的许多形式是不可供使用的。例如，RE源可能在不希望的非高峰时段是最可供使用的，或可能位于远离最需要动力的人口集中区或居民区的区域，从而必须在高峰时段与所有的其他峰值电源一起分享电网。

RE源可以包括水力发电、地热能、海洋温差发电（OTEC）作为实例。例如，水力发电在与储存器相组合时是一种可以调大和调小以匹配或在负荷上跟随不同功率负荷的RE源。地热能和OTEC也是良好的基荷RE源；然而，地热能和OTEC的可行区域是有限的。应理解的是，海洋温差发电器虽然在传统上是跨过海洋的温跃层而使用的，但是可以额外地应用于具有地表水与深层水之间的温度差的新鲜水体。RE源还可以包括太阳能、风能、波浪和潮汐能作为实例。然而，这些能源在其提供动力的能力方面往往是间歇性的。因此，需要进行能量储存以使这些能源实质性地对电网能量供应做贡献。

电网存储的成本有效的储存从电力服务交付的开始就一直是所追求的，但目前尚未可得。在没有负担得起的储存的情况下，一整天与季节到季节的电力需求变化需要电力资产仅在部分时间被使用，这会增加在低于全容量的情况下使用的资产的资本、运营以及维护成本。并且，一些电力资产难以节流或关掉、并且难以迅速恢复到全电力。能量储存可以提供缓冲作用以便更好地将电力的需求和供应进行匹配，从而允许电源在更高容量下并且因此以更高的效率来运行。

压缩空气能量储存（CAES）是一种有吸引力的能量储存技术，该技术克服了已知能量储存技术的许多缺点。图1展示了用于CAES的一个途径。CAES系统10包括输入动力12，例如该输入动力可以来自可再生能源，如风力、波浪动力（例如，通过“鸭式发电装置（Salter Duck）”）、涌流动力、潮汐动力、或太阳能动力作为实例。在另一个实施例中，输入动力12可以来自电力电网。在可再生能量（RE）源的情况下，这样的能源可以提供间歇性的动力。在电力电网的情况下，系统10可以被连接到其上并且以一种方式来控制：电力可以在非高峰时段（例如在深夜或清晨的时段）被引出并且被储存为压缩流体能，并且接着在高峰时段被恢复，此时从系统10引出的能量可以按付费的方式（即，电能套利）被出售或增强基荷动力系统（例如煤）以便通过储存廉价的基荷动力来提供峰值容量。

输入动力12连接到机械动力14上以便压缩来自流体入口16的流体，并且产生了流体压缩18。可以通过泵和热交换器或通过压缩流体与冷却流体之间的直接接触来引入冷却作用。来自流体压缩作用18的流体经由流体输入口22传送至压缩流体储存器20。

当希望从系统10中引出储存的能量时，压缩流体可以经由流体输出口24从压缩流体储存器20中被引出，并且发生了流体膨胀26，这产生了可以被传送至例如机械装置的可用能量，该机械装置提取机械动力28以用于发电30。所产生的电力可以被传送到电网或希望被输送电力的其他装置。出口流体32以大致标准的压力或环境压力被排到环境中。

当接近等温（即，拟等温）操作时，系统10包括强制对流冷却34以便冷却来自流体压缩作用18的流体、以及强制对流加热36以便加热来自流体膨胀作用26的流体。因为压缩流体储存是在大致环境温度和压力下发生的，则用于流体压缩18的冷却作用34以及流体膨胀26之后的加热作用36二者可以通过使用围绕系统10的大量环境流体在环境温度和压力下进行。

图2展示了CAES系统10的基于海洋的拟等温实施方式。系统10的部件被定位在大海40的水面附近的平台38上。平台38被海底42支撑。压缩空气储存组件44被定位在平均深度46处并且压缩器/膨胀器系统（C/E）48被连接到发电机50上。C/E48可以包括用于拟等温操作的多个压缩级和膨胀级，并且一个热交换器包（此图未示出）可以分别地在这些压缩级或膨胀级之间冷却或再加热流体。

流体软管或管道、或加压流体传送系统52在大海40的表面处将流体储存袋组件44与C/E48相连接。当动力被输入54至C/E48时，C/E48运行以压缩流体、经由流体软管或管道52将其传送至流体储存管组件44并将该能量储存在其中。动力54可以经由可再生能源如风、波动、潮汐运动来提供，或者可以经由作为电动机运行的发电机50来提供，该发电机从例如电网中引出能量。而且，C/E48可以逆向地通过从流体储存管组件44经由流体软管或管道52引出所储存的压缩能量以驱动该发电机50产生AC或DC电力而运行。

虽然CAES系统10以基于海洋的拟等温运行方式运行利用了来自成本有效的能源的能量产生，但是拟等温的CAES系统典型地在多个压缩级中压缩流体，并且经由泵和热交换器实现了多个级数之内或之间的冷却或加热。然而，绝热的CAES系统允许对在流体压缩过程中产生的热能进行储存，该热能没有被丢弃而是随后用于在流体膨胀之前或过程中对压缩空气进行预热。

如果存在足够的压缩级，则该系统可以简单地通过与外部环境的足够热交换来以接近等温的效率进行运行。然而，具有大量级数的压缩系统可能相当昂贵。

在更新的绝热CAES设计中，热能被储存在要求昂贵介质和容纳系统的高温下。例如，对热能储存的一个建议包括使用填充了石头或陶瓷砖的热能储存容器，在600°C下储存。这样的高温系统的包封和绝缘是具挑战性的并且是昂贵的。一方面水具有非常高的热容，是非常廉价的，但是由于其在低等或中等压力下的较低沸点而对于用作储存介质而言是具有挑战性的。

可能有利的是具有结合了水或其他低成本、无毒液体作为能量储存介质的热能储存系统。只要热能储存系统可以被布置在陆地和海岸上、或部分地布置在陆地上并且部分地布置在海岸上，则有利的是具有可以在这两种环境中结合低成本热存储方式的热能储存系统。

简要说明

根据本发明的一方面，一种热能储存系统包括一个容器，该容器位于一个周围水体内并且包括一个容器壁。该壁具有一个内表面，该内表面暴露在该容器的内部体积并且限定了该容器的内部体积，并且具有一个外表面，该外表面与该内表面相反并且暴露在该周围水体中。该内部体积是基本上装满水的，并且该容器被配置成用于将该内部体积内的水沿着该内表面与该周围水体中的水沿着该外表面进行热分离。与该内部体积内的水是处于热连通的热源被配置成用于将热势传递至该内部体积内的水。

根据本发明的另一方面，一种用于布置热能储存系统的方法包括将热能储存容器定位在水体内。该热能储存容器包括一个壁，该壁具有：一个第一表面，该第一表面面向位于该容器内部的第一体积，以及一个与该第一表面相反并且面向该水体的第二表面。该方法还包括将热源热连接到基本上填充了该第一体积的夹带水体积上，该热源被配置成用于将热量传递至该夹带的水体积。该壁被配置成用于阻碍热源从水体至该夹带水体积的传递。

根据本发明的另一方面，一种压缩空气能量储存系统（其中空气被压缩并且随后被膨胀以进行工作）包括：一个变更压力系统，该变更压力系统被配置成通过多个压缩级来压缩空气并且被配置成通过多个膨胀级来膨胀该压缩空气。被热连接到该变更压力系统上的一个热系统被包括并且被配置成在每个压缩级从该压缩空气中去除热量并且被配置成在每个膨胀级将热量提供到该压缩空气。该系统进一步包括：一种热能储存介质，该热能储存介质包括一种水性溶液，该水性溶液被配置成用于储存由该热回收系统去除的热量并且将所储存的热量供应到该热添加系统；并且包括一个热包壳，该热包壳被配置成用于将大量的该热能储存介质储存在其一个储存体积中并且包括一个被定位在该储存体积上方的蒸汽阻挡层。

从以下详细说明和附图中，不同的其他特征和优点将是清楚的。

附图简要说明

这些附图展示了目前所考虑的用于执行本发明的优选的实施例。

在附图中：

图1是展示了压缩空气能量储存（CAES）系统的示意图。

图2是展示了图1的CAES系统处于海洋环境中而无热能储存的一个示意图。

图3是展示了根据本发明的一个实施例的图1系统在海洋环境中的绝热操作的示意图。

图4是展示了根据本发明的一个实施例被热连接到热交换器上的热能储存容器的示意图。

图5是展示了根据本发明的另一个实施例的图4热能储存容器的截面视图。

图6是根据本发明的一个实施例的图4热能储存容器的分解视图。

图7是展示了根据本发明的另一个实施例被热连接到热交换器上的热能储存容器的示意图。

图8展示了根据本发明的另一个实施例被热连接到热交换器上的图7热能储存容器的示意图。

图9是展示了根据本发明的一个实施例的热能储存容器的多层壁的视图。

图10是展示了根据本发明的一个实施例的多级压缩和膨胀系统的工艺流程图。

图11是根据本发明的一个实施例的热包壳的等距视图。

图12是根据本发明的另一个实施例的热包壳的截面视图。

图13是根据本发明的另一个实施例的热包壳的等距视图。

图14是根据本发明的另一个实施例的热包壳的等距视图。

详细说明

本发明的实施例结合了具有多个级、用绝热和拟等温元件进行操作的一个变更压力装置。在压缩阶段中，该装置对气体提供若干压缩级，其中在每级之后压缩热被去除，因此控制每级中的温度升高。接着，压缩热被捕集到一个热能储存器中，因此该热能储存器可以与具有热能储存的完全绝热的系统相比以相对适度的温度来进行操作。在膨胀阶段，逆向地运行的同一个变更压力装置、或在其他实施例中一个不同的变更压力装置，对之前压缩的气体提供若干膨胀级，其中在每个膨胀级之前热量被添加到该气体中。在其他实施例中，可以在每级过程中而不是在这些级之间对该气体提取或添加热量。

例如，如果将空气在四个级中从环境温度20°C以及1atm压缩至25atm的压力，则每级中发生的温度升高可以被保持在76°C，并且该热能储存介质的温度可以被保持在100°C以下、低于1atm下水的沸点。这与主要包括廉价聚合物薄膜以及可能已经位于现场的土或水的热能储存容器相结合可以允许实现具有热能储存的非常低成本的CAES系统，其中该热能储存容器中的热能储存介质是在相对于环境压力而言相对低的压力差下被储存的。

在该热能储存容器位于水下或该热能储存容器是压力容器的各个实施例中，可能的是设计出具有更少级数的系统并且使用更高温度下的水作为储存介质。例如，如果该热能储存容器是在具有约10atm压力的90米深度处，则最大操作温度可高达180°C。

本发明的实施例包括热能储存容器的布置或安装以及水体，如海洋、大海、湖泊、水库、海湾、港口、小湾、河流、或任何其他人造或天然的水体。如在此使用的，“大海”是指任何这样的水体，并且“海底”是指其底部。如在此使用的，“沉积物”（例如，“海底沉积物”）是指来自大海的底部或底层的海洋物质并且通过举例可以包括沉降到大海底层上的砾石、砂、淤泥、粘土、泥浆、有机物质或其他物质。

图3是展示了结合本发明的一个实施例的图1的系统在海洋环境中的绝热操作的示意图。与图2所示出的相似，CAES系统10包括C/E48，其被连接至动力输入54上并且被连接至发电机/发动机50上。C/E48还通过流体软管52被连接至压缩空气储存器44，该压缩空气储存器位于海底42。

与图2所示出的相比，图3的CAES系统10结合了一个热能储存容器56，该热能储存容器具有用于储存在C/E48的流体压缩级中产生的热量的热能储存介质。泵58被热连接到C/E48上并且被设计成有助于C/E48中的压缩流体与热能储存容器56的热能储存介质之间的热量传递。如下面的实施例中所描述的，该工作流体与该热能储存介质之间的热量传递可以与C/E48相邻地或与该热能储存容器56相邻地发生。本发明的实施例在此将热能储存介质描述为使用水（淡水亦或盐水）用于热能储存介质。然而，也可以使用其他热能储存流体介质，如其他的水性溶液或其他液体，如二醇或油。

在绝热操作过程中，热能储存容器56以使得在此发生热分层的这样的方式进行操作；因此，热水可以被输送到热能储存容器56的顶部并且从中引出，并且冷水可以被输送到热能储存容器56的底部并且从中引出。因此，在一个实例中，在压缩过程中，冷水可以从容器56的底部（相对冷的）部分引出并且在压缩之后返回至顶部（相对热的）部分。相反地，在膨胀过程中，热水可以从容器56的顶部（相对热的）部分引出并且返回至底部（相对冷的）部分或任选地根本不返回到该容器、而仅返回到周围的水中。因此，在这两种C/E操作模式中，实现了该热能储存罐的稳定分层，从而保护在稳定条件下由水的低的固有热扩散率引起的这些水部分的热差异。

图4是展示了根据本发明的一个实施例被热连接到热交换器60上的热能储存容器56上的示意图。热能储存容器56包括一个壁62，该壁形成了或界定了一个基本上用水填充的封闭的内部体积64，在这个实施例中，水是热能储存介质。壁62的内表面66面向封闭的体积64，而壁62的外表面68面向周围的水体。壁62被构建成用于将封闭体积64内的水沿着该内表面66与环境温度下的水沿着该外表面68进行热分离。然而，在该内表面66与该外表面68之间可以发生热传递，尽管是以比这些水体积之间的直接接触更慢的速率。

在一个实施例中，壁62由一种可伸缩材料构成，如织物材料或聚合物膜。该织物材料或聚合物膜可以结合嵌入的拉伸构件以便在一个特定方向或在所有方向上增加其强度和刚度。在另一个实施例中，壁62可以由分立的拉伸构件（例如，缆线）构成，这些构件具有一个覆盖层或通过薄的柔性材料部分相互连接。

壁62包括形成了拱顶形状的一个顶部部分70。在一个实施例中，该拱顶形状创建了一个基本上椭圆形的拱顶。拱顶70被配置成用于容纳封闭体积64内的水的最热部分。将顶部部分70形成为拱顶减少了壁62中的皱褶并且对于每单位体积提供了高的结构支撑以及更少的热传递表面。

壁62的底部部分72包括被连接到底壁76上的一个侧壁74。如所示出的侧壁74是锥形的并且当侧壁74接近底壁76时，其直径变小。然而，考虑了用于侧壁74的其他形状。例如，参照图5，侧壁74是圆柱形的。

返回参照图4，热能储存容器56可以用重的压载物质78来压载以便提供重量和摩擦从而抵消由于该内部体积64内的水的浮力或例如由于该周围水体中的涌流而施加到其上的力。在一个实施例中，压载物质78包括从布置位置附近或从海底的另一位置挖出的沉积物。在另一个实施例中，压载物质78包括非海底本地的物质，该物质比水更重或密度更大，例如像砂、砾石、石头、铁矿石、混凝土、矿渣、废料以及类似物。除了压载物质78外，一个或多个障碍物80可以围绕底壁76进行定位以便起到楔子的作用，用以保持该容器56的压载物填充的部分不横跨海底滑动。

参照图4和图6，一种绝缘材料82被连接到壁62上并且与之邻接布置以便增大该封闭体积64内的水对周围环境中的水的热绝缘性。绝缘材料82可以由一种或多种绝缘性材料构成，例如下面关于图9所描述的那些。这些绝缘性材料可以是可伸缩的。因此，绝缘材料82可以增大被配置成用于包含最热的水的顶部部分70的绝缘性，同时使底部部分72更自由地与外界环境进行热交换。在该冷流体明显比环境温度更冷的情况下，该底部部分72可以可替代地包含绝缘物以便保护冷储存体不受周围环境温度的影响。

再次参照图4，一个热管道84从泵58延伸进入封闭的体积64中并且热管道84的一个开孔86被被定位成用于从封闭体积64中引入热水或用于将热水输出至封闭体积64中。为了减小在热水从热管道84中输出时该封闭体积64内的水的竖直混合，被连接至开孔86附近的热管道84上的一个末端流动板88基本上水平地、或在一个或多个垂直于封闭体积64内的热量梯度方向的方向上引导该输出流。在其他实施例中，没有末端流动板88。一个冷管道90从泵58延伸进入封闭体积64中并且冷管道90的一个开孔92被定位成从封闭体积64中引入冷水或被定位成将冷水输出至封闭体积64中。冷管道90还可以包括一个末端流动板94以便基本上水平引导该冷水输出流。根据如以虚线示出的另一个实施例，冷管道90可以经由侧壁74以基本上等于冷水穿过冷管道90时的预期的输入/输出温度的一个温度梯度水平穿过热能储存容器56。为了进一步减小或阻碍水温的竖直混合，顶部部分70可以包括具有一个或多个开口98的一个或多个挡板96以便管理体积64的多个部分中的竖直流动。

在一些实施例中，将环境温度下的周围水用作冷储存器可能是有利的，并且因此该冷水相接管道90可以终止在周围的环绕水体中而不是该容器内侧，如虚线所示出的。在这些实施例中，侧壁74中的多个孔洞99（以虚线示出）允许底部部分72中的水流进和流出，从而容纳被去除或添加到顶部部分70的热水。顶部部分70中的温水通过热分层（以及相关联的有差别的液体密度）并且通过挡板96（如果包括的话）保持与环境水或被冷却的水相隔离。只要通向外部水的开口99被定位成低于温水可以到达的最低点，则温水将留在包壳56中。

热交换器60被定位在C/E48内或与之相邻而使得在该C/E48的工作流体与该热交换器60内的流体之间发生热传递。在这个实施例中，泵58将水从封闭的体积64泵送穿过热交换器60以便将热量传进水中或传出水外。例如，在C/E48的压缩级中，泵58可以将冷水通过冷管道90引出并且将该冷水供应到热交换器60以便将该压缩热量中的热量传递到冷水中。因此，该冷水被加热，并且泵58接着可以将该热水通过热管道84供应到封闭体积64的顶部。在一个实施例中，热交换器60被配置成用于将热量传递至水中以便将该水的温度升高到其在1个大气压下的沸点之上（约100摄氏度）。虽然这个温度高于水在正常大气压下的沸点，但是在大海40中热能储存容器56的位置处的环境水压力允许该高温水在更高压力下保持液态。在C/E48的膨胀级中，这个过程可以颠倒：从封闭体积64的一部分中引出热水并且将冷水供应到其另一部分中。

根据本发明的一个实施例，封闭体积64中的水可以是盐水或淡水。与为了忍受盐水暴露所要求的相比，使用淡水的优点包括该热传递系统部件的腐蚀更少并且部件构造更简单。

图7是展示了根据本发明的一个实施例被热连接到热交换器60上的热能储存容器56的示意图。热能储存容器56包括一个半球状或椭圆形的壁100，该壁限定了或界定了一个基本上用水填充的开放的内部体积102，在这个实施例中，水是热能储存介质。壁100的内表面104面向内部体积102，并且壁100的外表面106面向周围的水体。壁100被构建成用于将内部体积102内的水沿着该内表面104与该周围水体中的水沿着该外表面106进行热绝缘。绝缘材料82可以由一种或多种可伸缩的、绝缘性材料构成，例如像下面关于图9所描述的那些。因此，内表面104与外表面106之间的热传递被显著地减少。

在内部体积102的底部处，可能有一个挡板或皮层107（以虚线示出），该挡板或皮层将减小内部体积102中的水与周围水的混合速率，这可能包含涌流。在一些实施例中，这个皮层107可以被设计成是防水的并且与壁100一起围绕该内部体积102提供了完整的包壳。

图7还示出了可连接到热能储存容器56上的另一个锚固实施例。多个锚或支架108可以附着到海底，并且被连接在锚108与热能储存容器56之间的多个锚索110固定了热能储存容器56的浮性以及其相对于周围水体中的横向涌流的位置。

与图4所示的相似，热管道84延伸进入热能储存容器56的顶部部分112。在一个实例中，冷管道90可以延伸进入热能储存容器56的底部部分114。根据另一个实例，因为允许来自周围环境的水进入内部体积102中（这是由于将热水从中抽出），冷管道90可以延伸进入周围水体中。

图8是展示了根据本发明的另一个实施例被热连接到热交换器116上的图7热能储存容器56的示意图。图8展示了内部体积102中的水与热源49C/E的工作流体之间的热交换的位置是在内部体积102自身之内而不是如图4或图7所展示的在C/E48处。在这个实施例中，泵58被配置成致使C/E48的工作流体流动穿过热能储存容器56并且进入热交换器116中以便加热或冷却内部体积102中的水。在一些实施例中，该热源可以具有其自身的泵送功能以便使该工作流体移动穿过该回路和热交换器60。以此方式，在内部体积102中建立的热梯度的脱层化没有通过水从热管道或冷管道中吸入或输出而得到增强。

图8还示出了可连接到热能储存容器56上的替代性锚118。在一个实例中，锚118包括由海底现场或非现场的压载物质78填充的袋，如以上所描述的。在另一个实例中，锚118可以是任何足够重的加重物体以便在经受平移力时基本上维持热能储存容器56的位置。

图9展示了根据本发明的一个实施例的热能储存容器56的多层壁120。图9不必是按比例绘制的。壁120包括由可伸缩的增强纤维的聚合物膜构成的第一层122。该膜是例如约55%纤维158的一种纤维增强的聚合物基体124，这些纤维被包裹（例如像通过热轧）公共热塑126的层中的两侧上。这样的基体124结构可以是例如约0.14毫米厚（0.055英寸）。这种类型的基体124允许薄的、廉价的、可伸缩的、并且非常结实的容器用于海洋应用。热塑性材料160可以是塑料，如LDPE（低密度聚乙烯）、HDPE（高密度聚乙烯）、PVC（聚氯乙烯）、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、或聚酯、以及含氟聚合物。还考虑其他材料。该材料还可以由混合材料塑料或回收塑料制成，该回收塑料是来自使用或操作中被去除的流体储存管，例如当这类流体储存管从装置中去除以便使得在安装现场不留下去除的流体储存管时。还考虑其他可回收的塑料源。

纤维128可以由例如像玻璃纤维、碳纤维或金属纤维的材料构成并且被定向成一个定向复合层压板，举例而言，该定向复合层压板的方向可以对应于一个或多个主应力方向。例如，玻璃纤维是非常廉价的并且总体上是非常能承受长期水浸泡的。玻璃纤维还广泛地用于海洋工业中，确切地是因为其耐用性、可靠性、寿命长、对海洋环境的适应性以及对盐水的耐受性。不同类型的玻璃纤维在不同应用中各自具有其自身的优势。在一个实例中，这些玻璃纤维可以是一种相对昂贵的S-2玻璃材料，该材料的拉伸强度可以被优化。在另一个实例中，这些玻璃纤维可以是E玻璃材料。

纤维128是热能储存容器56中的一个重要的结构元件。这些纤维的拉伸强度可以在比将要使用的热塑性基体高一百倍的数量级上。该纤维的张力反抗热能储存流体的浮力以及来自该锚固系统（例如沉积物压载的重量）的力和该容器中所得的轴向应力。这些张力仅需要竖直地输送穿过容器56。对所使用的任何纤维材料来说，该设计保护了纤维128不受盐水影响。试图单独从塑料来实现材料强度可能会大大增加制造成本，并且所得到的厚度可能不是充分柔性的或可伸缩的。

实际上暴露在海水中的热塑性纤维增强的聚合物基体124的基体材料已被广泛使用在海水环境中。纤维128在正常情况下不会直接暴露在海水中，因为它们被嵌在热塑性纤维增强的聚合物基体124中并且接着被叠加了顶部130和底部132以便完全地包裹这些纤维128。用于外部层压物130、132的材料总体上与薄的“面层”中的热塑性材料126相同以便完全地包裹纤维128。

纤维增强的聚合物基体124材料还被设计成是可修复的。例如，如果材料124中形成了孔洞或裂口，则可以通过围绕该孔洞重连接材料124或通过将相同材料的补丁或将另一个可附接的补丁附接到该孔洞周围的材料上来进行修补。在深处布置的情况下，这样的补丁可以通过远程操作的车辆而不是潜水员来施加。

壁120的第二层134包括一种由夹带了气体的聚合物材料构成的绝缘材料。在另一个实施例中，该聚合物材料夹带了氮气，因此形成了一种氯丁橡胶型绝缘材料。壁120的第三层136包括由夹带了气体的聚合物材料构成的另一种绝缘材料。在一个实施例中，第三层136的聚合物材料夹带了空气，因此形成了一种泡沫包装型绝缘材料。

如所示出的，第一层122位于第二层134与第三层136之间。其他实施例包括将一个或多个绝缘层定位在第一层122的仅一侧上。

本发明的实施例包括除了其他非CAES系统（其中水下的热能储存是希望的）之外对于现有的海洋CAES系统来设计和操作热能储存容器。根据本发明的一个实施例，水下的热能储存容器允许实现低成本的热存储系统的制造和布置。

不在水中也可以创建热能储存（TES）结构。图10展示了一个一般过程图：其中一个多级压缩和膨胀系统150收获来自该压缩过程的热能、将其存储在热能存储介质中并且然后将该热量提供给膨胀过程。该热能存储介质被储存在热包壳152中，例如像以上所描述的热包壳。用嵌套在内部的不同元件示出了该压缩/膨胀过程。被选择用于该应用的级数154可以根据空气被压缩到的极限压力以及热能储存罐152中的所希望的最大温度而变化。用级154的一般级数N来示出。每级154内部有一个压缩步骤以及用于压缩顺序的热交换过程。该热交换可以是连续的（即，热量可以从压缩后的压缩空气中去除）或在一些实施例中，该热交换可以与压缩同时进行。按顺序地压缩空气。即，同一空气从一级154进到下一级，其中压力随着每个步骤逐渐增大。该热交换的典型实施例是将更冷却器热材料的歧管并列地提供给所有的级数154。即，该热材料仅穿过一级154，所以例如如果存在五个级，则总体上有五个平行流从TES152中的共用冷区被供送并且类似地被组合在一起并且以公共的温度被注入TES152的暖区中。泵156被用来将该热材料循环穿过这些级数154。机械动力158被用来驱动该压缩空气穿过该系统。

总体上，该膨胀过程是该压缩过程的反转。实际上，在一些实施例中，可以使用仅从高压源运行返回至环境状况从而产生机械动力的相同设备。该热交换过程类似于该压缩过程，但是从该TES152中引出的热量是在膨胀之前或与之同时地被添加（与压缩模式中在此之后或与之同时成对比）。同样，依次调制空气压力，并且平行于热交换过程来提供热材料。

图11展示了一个热包壳248，它具有拱顶顶部250、圆柱形壁252以及基底254。这样的结构可以被放置在地坪或一个支撑表面256上，如地面。在一个实施例中，基底254可以是弯曲的或拱形的，并且热包壳248可以被定位在地坪以下而使得热包壳248的至少一部分在支撑表面256的表面下方延伸。这样的大型热包壳248可以按合理的成本来构造，该热包壳具有良好的结构和绝热特性。可以添加额外的绝缘物来增大热包壳248的绝热能力。

图12展示了在地坪以下的热能储存罐258的一个实例。凹陷或凹坑260被形成在地面261以下并且可以用绝缘材料262填充，如泡沫（例如聚异氰脲酸酯）或总体上天然的绝缘材料，如低导电性的矿物（例如蛭石或硅藻土）或稻草。还可以使用干土，其是相对廉价的并且可能已经存在于凹陷或凹坑260的基底处。在绝缘材料262的顶上放置了一个防水衬层264，该防水衬层可以类似于土工织物或简单的热塑性膜或很像用于内衬堆填区的薄片。替代地，衬层264可以包括本领域技术人员所熟悉的向上倾斜的或其他简单的混凝土结构。考虑水或热材料的温度可能影响该衬层材料的选择。丁基橡胶衬层被普遍用于一些太阳能热水箱并且在某些情况下包括合适的材料。一个重要的热损耗机制是蒸发冷却。一个抗水蒸汽的盖件266实质性减少了蒸发性热损耗。如果有待用于储箱258中的储存介质不是在高于其在外部环境压力下的沸点温度的温度下操作，则由于该储存介质的蒸汽压力而不需要加强该盖件266的结构。对于这类情况，盖件266在遇到类似的温度时可以是一个与衬层264相类似的膜。在一些实施例中，储箱258的设计能够应对高于该储存介质的环境沸点的储存介质温度。在这些情况中，盖件266可以被配置成能够承受一个实质性量的蒸汽压力。在一些实施例中，可以使用拱形的盖件结构266，如虚线所示。在一些实施例中，拱形的盖件结构266可以由混凝土构成。另外，当蒸汽压力较低时，盖件266可以由薄的柔性膜构成。在一些实施例中，存在一层或多层添加的绝缘物268。包壳258的盖件266可以具有在其底部的冷凝性热能储存材料，该材料总体上具有高的热传递系数。一层绝缘物268可以采用夹带了气体的聚合物材料的形式，如泡沫包装、喷雾泡沫聚氨酯、或氯丁橡胶。它可能是一种纤维材料，如稻草或玻璃纤维。还可以是抵抗辐射热损耗的绝缘层，如涂覆了铝的PET薄反射片。还普遍使用泡沫包装以减少这些应用中的辐射热损耗，作为涂覆了铝的叠层组件的一部分。绝缘层268可以具有能有助于其承受外部环境因素（如天气条件、太阳辐射、大风和降水）的特征。在一些实施例中，这类特征包括在高于其边缘的高度处支撑该盖件层268的一个或多个部分以便遮挡降水并且在大风中提供某种间隙支撑。层268可以具有若干层：其中内绝缘层被优化以用于抵抗该热量储存介质的热量和水分，一个额外的低成本绝缘层、并且然后是具有UV抗性、外部防水性以及应对风和其他气候因素的足够强度和刚度的外层。

图13展示了一个自含式的热包壳280，该包壳利用ISO运输容器作为支撑这些内部部件的壳体。在其他实施例中，该包壳可以是具有标准ISO运输容器大小的另一个容器并结合了处理接口以获得额外的模块性。这个视图是去除了顶壁和侧壁的一个剖视图，以便有助于展示热包壳280的部件。绝缘物282可以抵靠该包壳的壁281放置。在侧边283和底面285上的衬层284可以是保持该绝缘物282干燥的单一零件。一个类似绝缘物282的衬层材料284可以被放置在该顶壁和侧壁上（未示出）。在这个实施例中，热和冷的管线或管道290、288进入包壳280中彼此靠近以便于同轴连接该系统的其余部分。在这个实施例中，该冷管道288通过若干可能路径之一接着被路由至储箱280的底部。可能有利的是使热管道290和冷管道288分别接通将该储箱280的顶部和底部附近的区域，以便最大化该热包壳280中的热势。如果冷管线288横向于有待用于包壳280中的热流体较暖部分，则该冷管线可以在该包壳内部被绝缘以便减少热交换。该冷管线288或热管线290也可以在该包壳外部被绝缘。示出的两个挡板292可以有助于维持热分层，但在不同的实施例中可以存在更多或更少的挡板292。

图14展示了一个绝缘的压力容器294。这种设计的一个优点是可以实现最高温度。例如，使用广泛可得的以水作为储存介质的丙烷储箱将允许220摄氏度的峰值温度。与不能获得显著内部压力的容器相比，这比从环境升高至最大储存温度的温度升高量高出了两倍。它还用于更昂贵的容器。然而，通过该多级变更压力系统的设计，对输入温度的管理允许该温度升高并且因此该容器成本是合理的。

在一个实施例中，通过将这些容器294嵌套在一起（以这些圆形储箱294之间和周围的间隙体积作为空气间隙或用绝缘物填充），可以将多个压力容器294包装成矩形的、棱柱形的安排中。接着将组合后的组件放置在一个具有ISO大小的容器中并且可以将多个容器进行组合以便构建一个更大并且高效的热能储存系统。

当储存热量时总体上提高热绝缘并且因此改进热量损失的一个关键因素是最大化该储存体积比热包壳表面积。这样，边际效益是设计出具有接近统一（例如球体或立方体）的高径比的形状。对于使用像图13所示的模块式热包壳的这些实施例而言，多个热包壳可以被堆叠并且被非常靠近地包装在一起以便通过将对容器与邻近其他模块的壁之间的接缝进行密封来减小暴露在环境温度中的外部表面积。以此方式，甚至对于更小的子元件和不够理想的形状也可以实现高的体积比有效外表面积。

因此，根据本发明的一个实施例，一个热能储存系统包括位于周围水体内的容器并且该容器包括一个容器壁。该壁具有一个内表面，该内表面暴露在该容器的内部体积并且限定了该容器的内部体积，以及具有一个外表面，该外表面与该内表面相反并且暴露在该周围水体中。该内部体积是基本上装满水的，并且该容器被配置成用于将该内部体积内的水沿着该内表面与该周围水体中的水沿着该外表面进行热分离。一个与该内部体积内的水处于热连通的热源被配置成用于将热势传递至该内部体积内的水。

根据本发明的另一实施例，一种用于布置热能储存系统的方法包括将热能储存容器定位在水体内。该热能储存容器包括一个壁，该壁具有：一个第一表面，该第一表面面向位于该容器内部的第一体积，以及一个与该第一表面相反并且面向该水体的第二表面。该方法还包括将热源热连接到基本上填充了该第一体积的夹带水体积上，该热源被配置成用于将热量传递至该夹带的水体积。该壁被配置成用于阻碍热源从该水体至该夹带的水体积的传递。

根据本发明的另一实施例，一个压缩空气能量储存系统（其中空气被压缩并且随后被膨胀以进行工作）包括：一个变更压力系统，该变更压力系统被配置成通过多个压缩级来压缩空气并且被配置成通过多个膨胀级来膨胀该压缩空气。一个被热连接到该变更压力系统上的热系统被包括并且被配置成在每个压缩级处从该压缩空气中去除热量并且被配置成在每个膨胀级处将热量提供到该压缩空气中。该系统进一步包括一个热能储存介质，该热能储存介质包括一种水性溶液，该水性溶液被配置成用于储存由该热回收系统去除的热量并且被配置成将该储存的热量供应到该热添加系统，并且包括一个热包壳，该热包壳被配置成将大量的热能储存介质储存在其一个储存体积中并且该热包壳包括一个被定位在该储存体积上方的蒸汽阻挡层。

本书面说明使用实例来披露本发明，包括其最佳模式，并且还用于使得本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行所结合的任何方法。本发明的可获专利权的范围是由权利要求限定的、并且可以包括本领域技术人员能想到的其他实例。这样的其他实例如果具有并非不同于权利要求书的文字语言的结构要素、或者如果它们包括与权利要求书的文字语言无实体区别的等效结构要素，则被确定是位于权利要求书的范围之内。

Claims (33)

1.一种热能储存系统，包括：

一个容器，该容器位于一个周围水体内并且包括一个容器壁，该容器壁具有：

一个内表面，该内表面暴露于该容器的一个内部体积中并且限定了该内部体积；以及

一个外表面，该外表面与该内表面相反并且暴露于该周围水体中；

其中该内部体积是基本上装满水的；

其中该容器被配置成用于将该内部体积内的水沿着该内表面与该周围水体中的水沿着该外表面进行热分离；

一个热源，该热源与该内部体积内的水是处于热连通的并且被配置成用于将热势传递至该内部体积内的水。

2.如权利要求1所述的系统，其中该容器壁是可伸缩的。

3.如权利要求2所述的系统，其中该容器壁包括织物材料和聚合物膜中的一种。

4.如权利要求2所述的系统，进一步包括围绕该容器的一个第一部分布置的一种绝缘材料。

5.如权利要求4所述的系统，其中该绝缘材料包括一种夹带了气体的聚合物材料。

6.如权利要求4所述的系统，其中该绝缘材料包括一种多聚合物层材料，其中每个聚合物层之间的空间允许该水体中的水位于每个聚合物层之间。

7.如权利要求2所述的系统，其中该容器包括一个基本上椭圆形的拱顶。

8.如权利要求2所述的系统，进一步包括挡板，该挡板被定位在该内部体积内并且被配置成用于阻碍该内部体积内的水的循环。

9.如权利要求2所述的系统，其中该热能系统进一步包括：

一个管道，该管道位于该容器内并且从该容器的顶部、在第一方向上延伸一个第一距离，该管道具有一个第一开口，该开口被配置成用于将该第一管道的内部体积与该容器的内部体积流体地连接；以及

一个末端流动引导器，该引导器被连接到与该第一开口邻近的管道上并且被配置成用于将该热能介质引导至在一个基本上水平方向上、从该第一开口流动。

10.如权利要求2所述的系统，其中该热能介质包括淡水。

11.如权利要求2所述的系统，进一步包括一个锚，该锚被连接到该容器上并且被配置成用于抵消施加到该容器壁上的外部力。

12.如权利要求2所述的系统，其中该热能是一个变更压力装置。

13.如权利要求1所述的系统，其中被配置成用于传递该热势的热源被配置成用于将热量传递至该内部体积内的水，以便将该内部体积内的水的温度升高至超过其在大气压1下的沸点的温度。

14.一种用于将热能储存系统部署的方法，包括：

将热能储存容器定位在一个水体内，该热能储存容器包括一个壁，该壁具有：

一个第一表面，该表面面向位于该容器内部的第一体积；以及

一个第二表面，该第二表面与该第一表面相反并且面向该水体；

将热源热连接到基本上填充了该第一体积的夹带水体积上，该热源被配置成用于将热量传递至该夹带的水体积；并且

其中该壁被配置成用于阻碍热能从该水体贯穿至该夹带的水体积的传递。

15.如权利要求14所述的方法，其中该热源是一个变更压力装置。

16.如权利要求14所述的方法，其中该壁是可伸缩的。

17.如权利要求16所述的方法，其中将该热能储存容器定位在该水体内包括将该热能储存容器以伸缩的状态定位在该水体中。

18.如权利要求16所述的方法，其中该壁包括织物材料和聚合物膜中的一种。

19.如权利要求16所述的方法，进一步包括将绝缘材料连接到该壁上，该绝缘材料被配置成用于阻碍热能从该水体贯穿至该壁的传递。

20.如权利要求16所述的系统，进一步包括将该热能储存容器锚固到该水体的底板上以便抵消施加到该容器壁上的力。

21.一个压缩空气能量储存系统，其中空气被压缩并且随后被膨胀以进行工作，压缩空气能量储存系统包括：

一个变更压力系统，该变更压力系统被配置成通过多个压缩级来压缩空气并且被配置成通过多个膨胀级来膨胀该压缩空气；

一个热系统，该热系统被热连接到该变更压力系统上并且被配置成在每个压缩级处从该压缩空气中去除热量并且被配置成在每个膨胀级处将热量供应到该压缩空气中；

一个热能储存介质，该热能储存介质包括一种水性溶液，该水性溶液被配置成用于储存由该热回收系统去除的热量并且被配置成将该储存的热量供应到该热添加系统；

一个热包壳，该热包壳被配置成用于将大量热能储存介质储存在其一个储存体积中并且该热包壳包括一个被定位在该储存体积上方的蒸汽阻挡层。

22.如权利要求21所述的系统，其中该热包壳是在水下面的。

23.如权利要求21所述的系统，其中该热包壳包括被定位在地表面之下的一个基底壁。

24.如权利要求21所述的系统，其中该包壳进一步包括构成地表的一个壁。

25.如权利要求21所述的系统，其中该热包壳进一步包括被定位在该热能储存介质上方的一个拱顶盖。

26.如权利要求25所述的系统，其中该拱顶盖包括绝缘的混凝土。

27.如权利要求21所述的系统，其中该热包壳进一步包括与该隔汽层绝缘定位的绝缘层，该绝缘层包括具有夹带气体的聚合物

28.如权利要求21所述的系统，其中该热包壳是一个绝缘的压力容器。

29.如权利要求21所述的系统，其中该热包壳的内侧压力是基本上等于该该热包壳外侧压力的。

30.如权利要求21所述的系统，其中该热包壳被配置成用于包含一种基本上大于该热包壳外侧压力的压力。

31.如权利要求21所述的系统，其中该热系统包括多个热交换器，这些热交换器以平行方式流体地连接到该热能储存介质。

32.如权利要求31所述的系统，其中每个热交换器被配置成用于将来自该压缩空气中的热量在对应的压缩级处去除。

33.如权利要求32所述的系统，其中每个热交换器进一步被配置成用于将热量在对应的膨胀级处供应到该压缩空气。

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