CN110099859B - 用于储存压缩气体的系统及其构造方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于储存压缩气体的气体储存系统以及用于构造该系统的方法。该系统包括具有第一钻孔部分和第二钻孔部分的钻孔。可充气气囊布置在第二钻孔部分内。安装在可充气气囊的顶部上的上支撑构件配置成用于将可充气气囊锚固到填充第一钻孔部分的密封材料。下支撑构件布置在可充气气囊的底部。该系统包括用于从气体压缩系统填充可充气气囊的入口气体管和用于释放压缩气体的出口气体管。压实的填充材料放置在可充气气囊、上支撑构件、下支撑构件和第二钻孔部分的内表面之间形成的间隙内。一个或多个填充材料管沿着钻孔延伸到间隙，以向间隙提供填充材料。

Description

用于储存压缩气体的系统及其构造方法

技术领域

本发明总体涉及一种储存和利用压缩流体的系统，更具体地说，涉及这样一种系统，其中压缩气体储存在地下并且后来用作能量。

背景技术

众所周知，压缩气体可以储存和用于许多目的。例如，储存的压缩气体可用于玻璃和塑料容器工业中。然而，由于使用压缩空气的注塑机的操作性质，玻璃和塑料容器生产设备中的压缩空气的消耗是不规则的。每个注射机每隔几秒就需要一小阵高压空气(每次注射一阵)。当几个这样的机器布置在生产线中时，空气消耗曲线是不稳定且不规则的。典型的设备包括压缩机组，其中电动压缩机压缩某种气体，例如空气。由于压缩空气的不稳定和不规则的消耗曲线，压缩机的为了供应高压空气的操作导致长且经常发生的空闲时间段，因此造成能量浪费。可以通过增加操作压力来减轻消耗曲线的不规则行为，这也导致能量浪费。因此，使用容纳和储存压缩空气的高容量罐可以提供能够克服上述问题的解决方案。

此外，储存的压缩气体的势能可用于产生电力。例如，可以从自然能源中收集势能，所述自然能源是有效取之不尽的并且在世界范围内以各种形式(例如风能、太阳能、潮汐能和波浪能)可大量获得。从自然能源获得的能量可以以压缩气体的势能的形式储存，以便在功率需求期间根据需要可释放。因此，需要高压罐来储存压缩气体。

各种压缩空气储存系统通常已知用于储存压缩气体。例如，气体储存罐可以构造在地上、地下和水下。

构建在地上的气体储存罐已被证明在需要的体积大时不经济可行。此外，它们需要高水平的维护，并且必须符合许多安全规定。

在城市地区，通常构建地下压缩气体储存罐，以便有效利用地下建筑所在地区的地面，并保护场地的外观。

例如，公开号为2010/307147的美国专利申请描述了一种用于储存能量的系统，其包括埋入的柔性气囊。气囊覆盖着过量填注的土、石头或任何其它材料。气囊上方的过量填注物的重量使储存在气囊中的流体加压。当流体填充气囊时，气囊会膨胀并顶起过量填注物的质量以抵抗重力。系统将储存顶起过量填注物所需的能量。当需要时，流体可以从气囊中释放，并且气囊上方的过量填注物的重力将迫使流体离开气囊并进入连接到气囊的排出管。释放后，气囊的体积减小。

公开号为2013/119327的美国专利申请描述了一种用于储存由空气压缩系统提供的压缩空气的压缩空气储存系统。该系统包括：地下压力罐，其具有布置在地中制成的钻孔中的腔；以及可充气气囊，其布置在腔中，配置成用于储存压缩空气。可充气气囊被放置在可充气气囊与钻孔的内表面之间的压实填充材料包围。

专利号为5,052,856的美国专利描述了一种用于地下储存气体的方法，其中储存的气体或顶部气体与垫层气体物理分离，以避免两种气体的不希望的混合。气体分离可以通过如下操作来实现：使用柔性膜将地下储存洞穴分成两部分，其中柔性膜的周边附接到洞穴的壁，在洞穴中安装用垫层气体充气的多个气囊或者在洞穴中安装用垫层气体充气的单个大气囊。通过将洞穴另外分离成多个部分，可以将多种气体同时储存在单个洞穴中。

发明内容

尽管存在用于储存和利用压缩气体的地下系统领域中的现有技术，但是本领域仍需要进一步改进以提供更经济和低成本的气体储存系统及其构造方法。

具有改进的系统和方法也是有利的，该系统和方法可以有效地利用来自风轮机和其它发电系统的可用能量，并将其储存以供以后使用。

本发明部分地消除了用于储存和利用压缩气体的现有技术系统的缺点，并提供了一种用于储存压缩气体的新型压缩气体储存系统。例如，气体可以由气体压缩系统提供。压缩气体储存系统包括在地中制成的钻孔。钻孔具有限定在钻孔的顶部的第一钻孔部分和限定在钻孔的底部的第二钻孔部分。

第一钻孔部分具有第一钻孔部分深度和第一钻孔部分宽度。第一钻孔部分填充有填充或密封材料。填充和密封材料可以是混凝土、可流动填充物、泥土或任何类型的水泥混合物。第二钻孔部分具有大于第一钻孔部分深度的第二钻孔部分深度，以及低于所述第一钻孔部分宽度的第二钻孔部分宽度。

压缩气体储存系统还包括气囊装置。气囊装置包括可充气气囊，该气囊布置在第二钻孔部分内并且配置成用于储存压缩气体。可充气气囊具有气囊口，用于提供进入可充气气囊的内部容积的入口。气囊装置还包括安装在可充气气囊的顶部上的上支撑构件，和布置在可充气气囊的底部的下支撑构件。

上支撑构件具有等于或大于第二钻孔部分宽度的上支撑宽度，并且配置成用于将所述可充气气囊锚固到填充第一钻孔部分的所述密封材料并使可充气气囊的顶部在第二钻孔的顶部居中。下支撑构件配置成使可充气气囊在第二钻孔部分的底部居中。

压缩气体储存系统还包括气体管组件。该气体管组件包括至少一个入口气体管和至少一个出口气体管，所述入口气体管配置成用于从所述气体压缩系统填充可充气气囊，所述出口气体管联接到所述可充气气囊的气囊口，并且配置成用于释放压缩气体。

压缩气体储存系统还包括排水管，该排水管延伸到可充气气囊的容积中至其底部。

压缩气体储存系统还包括压实的填充材料，该填充材料放置在可充气气囊、上支撑构件、下支撑构件和第二钻孔部分的内表面之间形成的间隙内。压实的填充材料完全包围可充气气囊，并且处于刚性和不动的状态。

压缩气体储存系统还包括一个或多个沿钻孔延伸到所述间隙的填充材料管。填充材料管配置成用于向所述间隙提供填充材料。

根据本发明的一个实施方式，第一钻孔部分深度在约1米至20米的范围内，并且第一钻孔部分宽度在约1米至10米的范围内。

在本发明中，术语“约”是指近似或接近参考值的值、量或程度。术语“约”表示在统计上有意义的值范围内，并且表示由表征系统的各种参数之间的差异引起的合理的偏差量，其结果不会引起相当大的变化。对于术语“约”所包含的参考值的变化程度是对于公差水平或测量条件而言典型的变化程度。术语“约”所包含的可允许的变化取决于所考虑的特定系统，并且可以被本领域普通技术人员容易地理解。例如，为了本发明的目的，这种近似可以被解释为至少包括10％的误差，只要由于偏差导致天线的性能没有显著变化即可。

根据一个实施方式，第二钻孔部分深度在约5至100米的范围内，并且第二钻孔部分宽度在约1米至5米的范围内。

根据本发明的实施方式，密封材料填满上支撑构件和地平面之间的整个体积。

根据本发明的一个实施方式，密封材料包括注入到上支撑构件的顶部上的水泥基材料层。水泥基材料层例如可以是在第一钻孔部分的底部处安装在上支撑构件的顶部上的板的形式。

根据本发明的一个实施方式，入口气体管布置在出口气体管的内腔中。根据本发明的另一个实施方式，出口气体管布置在入口气体管的内腔中。

本发明的压缩气体储存系统具有现有技术的许多优点，同时克服了通常与之相关的一些缺点。

根据本发明的压缩气体储存系统可以容易且有效地制造和销售。

根据本发明的压缩气体储存系统具有耐用和可靠的构造。

根据本发明的压缩气体储存系统可以具有相对低的制造成本。

根据本发明的另一个总体方面，提供一种用于构造用于储存压缩气体的压缩气体储存系统的方法。该方法包括在地中形成钻孔。钻孔具有限定在钻孔的顶部的第一钻孔部分和限定在钻孔的底部的第二钻孔部分。

所述第一钻孔部分具有第一钻孔部分深度和第一钻孔部分宽度。所述第一钻孔部分填充有密封材料。所述第二钻孔部分具有比所述第一钻孔部分深度大的第二钻孔部分深度，以及比所述第一钻孔部分宽度小的第二钻孔部分宽度。

根据本发明的一个实施方式，所述第一钻孔部分和所述第二钻孔部分具有中空的圆柱形形状。所述第一钻孔部分和所述第二钻孔部分的横截面具有选自圆形、椭圆形和多边形的形状。

根据本发明的另一个实施方式，从所述第一钻孔部分和所述第二钻孔部分中选择的至少一个部分具有倒置的圆锥形形状，其中下圆锥形基部布置在所述第一钻孔部分和所述第二钻孔部分的相应底部处。

根据本发明的另一实施方式，所述第一钻孔部分包括两个或更多个圆柱形子部分，每个子部分均具有不同的宽度和深度。

根据本发明的又一个实施方式，所述第二钻孔部分是在地中形成的椭圆形腔的形式。

本发明的方法还包括提供气囊装置，该气囊装置包括处于塌缩状态的可充气气囊，并将所述可充气气囊布置在所述第二钻孔部分内。

根据本发明的一个实施方式，所述将所述可充气气囊布置在所述第二钻孔部分内的步骤包括向下拉动所述可充气气囊并使所述可充气气囊在所述第二钻孔部分的底部居中。

可充气气囊具有气囊口，用于提供进入所述可充气气囊的内部容积的入口。所述气囊装置包括安装在所述可充气气囊的顶部上的上支撑构件以及布置在所述可充气气囊的底部的下支撑构件。

根据本发明的一个实施方式，所述上支撑构件的宽度大于所述第二钻孔部分宽度。

本发明的方法还包括提供气体管组件，该气体管组件包括至少一个入口气体管和至少一个出口气体管，并将所述气体管组件联接到所述可充气气囊的所述气囊口。

本发明的方法还包括提供延伸到所述可充气气囊的容积中至其底部的排水管。所述排水管配置成用于从所述可充气气囊中提取水。

本发明的方法还包括提供至少一个填充材料管，该填充材料管沿所述钻孔延伸到在所述可充气气囊、所述上支撑构件、所述下支撑构件和所述第二钻孔部分的内表面之间限定的间隙。

然后，通过将密封材料注入所述上支撑构件的顶部上以填满所述上支撑构件和所述地平面之间的整个体积而用所述密封材料密封地中的所述钻孔，从而将所述可充气气囊锚固至放置在所述第一钻孔部分内的所述密封材料。

本发明的方法还包括将所述密封材料固化所需时长以获得预定的压缩强度、拉伸强度以及所述密封材料与所述钻孔之间的摩擦力。预定的压缩强度可以例如在约10mPa至200mPa的范围内。压缩强度和拉伸强度取决于气体的操作储存压力、固化时间和固化的密封材料与钻孔的内表面之间的摩擦力。

本发明的方法还包括用水填充所述可充气气囊，然后将填充材料提供到所述可充气气囊、所述上支撑构件、所述下支撑构件和所述第二钻孔部分的内表面之间的所述间隙中。注入所需量的填充材料，以便用填充材料完全包围可充气气囊，填充材料在凝固后变为刚性和不动的状态。

根据本发明的一个实施方式，通过在高压下注入所述填充材料来进行所述填充材料的所述提供，从而将所述填充材料压实和固结在所述可充气气囊周围。填充材料可以例如包括水泥浆、可流动填充物或任何类型的水泥基材料。填充材料还可以包括不同类型的聚氨酯。

一旦填充材料凝固，就通过将加压气体引入气囊中而将水从可充气气囊经由排水管释放。最后，可以用压缩气体填充气囊。

应当理解，本发明的系统不限于气体储存应用，还可以用于在低压和/或高压下储存任何类型的流体。

因此，已经相当广泛地概述了本发明的更重要的特征，以便可以更好地理解下文中的其详细描述，并且可以更好地理解对本领域的贡献。本发明的其它细节和优点将在详细说明中阐述。

附图说明

为了理解本发明并明白其在实践中如何实施，现在将参考附图仅以非限制性实施例的方式描述实施方式，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施方式的压缩气体储存系统的示意性剖视图；

图2A至图2D示出了根据本发明的为压缩气体储存系统钻出的钻孔的若干实施例的纵向顶部剖视图；以及

图3至图6示出了根据本发明的一个实施方式的构造压缩气体储存系统的方法步骤。

具体实施方式

参考附图和所附说明，可以更好地理解根据本发明的地下压缩气体储存系统的原理和操作。应该理解的是，这些附图仅用于说明目的，并不意味着限制。应当注意，为了清楚起见，示出本发明的系统的各种实施例的图未按比例绘制，并且不成比例。应当注意，这些图中的框以及其它元素仅旨在作为功能实体，使得示出实体之间的功能关系，而不是任何物理连接和/或物理关系。在本发明的整个说明书中，相同的附图标记和字母字符用于识别在液压-气动能量储存系统中共同的那些部件及其在附图中示出的部件。为所选元素提供构造的实施例。本领域技术人员应该理解，所提供的许多实施例具有可以使用的合适的另选方案。

参考图1，示出了根据本发明的一个实施方式的压缩气体储存系统10的示意性剖视图。压缩气体储存系统10包括在地中制成的钻孔11。根据本发明的一个实施方式，钻孔11包括限定在钻孔顶部12a处的第一钻孔部分111和限定在钻孔底部12b处的第二钻孔部分112。第一钻孔部分111具有第一钻孔部分深度和第一钻孔部分宽度。第二钻孔部分112具有第二钻孔部分深度和第二钻孔部分宽度。根据该实施方式，第二钻孔部分深度大于第一钻孔部分深度，并且第二钻孔部分宽度小于第一钻孔部分宽度。如下文中将描述的，该设置能够增加构造与第一钻孔部分111周围的土壤的摩擦。

压缩气体储存系统10还包括气囊装置13。气囊装置13包括布置在第二钻孔部分112内的可充气气囊131，并配置成用于储存压缩气体。广义使用术语“气囊”来描述可用于将压缩流体(气体或液体)保持在所需压力下的任何可充气容器、腔室或器皿。

可充气气囊131可以例如由可变形、耐用、坚固的塑料材料、橡胶材料或任何类型的聚合物基材料制成，其具有可以承受大变形的编织物或其它增强物。大的变形可以例如在约10％至500％的体积变化范围内。还要求气囊的材料可以抵抗地下化学反应(例如，土壤沉积)和水分(例如雨水)渗透。

可充气气囊131具有气囊口132，用于提供进入可充气气囊的内部容积的入口。气囊口132可以布置在可充气气囊131的任何合适位置处(例如，布置在可充气气囊的顶部)，并且可以配置成用于加压气体的进出。

气囊装置13还包括安装在可充气气囊131顶部的上支撑构件133。上支撑构件133例如可以是能够在构造储存系统期间承受放置在上支撑构件133上的材料的重量的金属板。

选择上支撑构件133的厚度以承受密封材料17的重量，使得它不会塑性变形。上支撑构件133可以例如具有在约1毫米至50毫米范围内的厚度、在1米至5米范围内的宽度以及在约5千克至5000千克范围内的重量。第一钻孔部分111填充有密封材料17，该密封材料17填充上支撑构件133与地平面18之间的整个体积。例如，密封材料可以是刚性和不动的状态的混凝土材料。上支撑构件133布置在第一钻孔部分111的底部115上，并且配置成用于支撑填满第一钻孔部分111的整个体积的密封材料17。

为了增加上支撑构件133与密封材料17以及围绕上支撑构件133的土壤19的摩擦，上支撑构件133的宽度可以大于第二钻孔部分112的宽度。因此，上支撑构件133将可充气气囊131锚固到填充第一钻孔部分111的密封材料17以及围绕第一钻孔部分111的土壤。

根据本发明的一个实施方式，填充第一钻孔部分111的密封材料17包括混凝土材料层113，该混凝土材料层113在第一钻孔部分111的底部处在上支撑构件133的顶部上形成为板。层113的强度大于其余密封材料17的强度。为了增加密封材料17和土壤19之间的摩擦，混凝土层113的宽度可以等于或大于第一钻孔部分111的底部115的宽度。

气囊装置13还包括布置在可充气气囊131的下部的下支撑构件134。下支撑构件134配置成使可充气气囊131在所述第二钻孔部分112的底部117处居中并且在其安装在第二钻孔部分内期间向下拉气囊131。

压缩气体储存系统10还包括气体管组件14，该气体管组件14包括穿过上支撑构件133的至少一个入口气体管141和至少一个出口气体管142，为此目的上支撑构件133具有通孔136，并且气体管组件14经由气囊口132液压地联接到可充气气囊131的内部容积。入口气体管141配置成用于从气体压缩系统(未示出)填充可充气气囊131。出口气体管142配置成用于释放压缩气体以供使用。

根据图1中所示的实施方式，入口气体管141穿过出口气体管142布置在出口气体管142的内腔中并延伸到可充气气囊131的容积中。然而，当需要时，出口气体管142可以布置在入口气体管141的内腔中。当在填充和释放压缩气体期间填充系统的进入气体流与外出气体流同时通过时，该设置使得进入气体流与外出气体流分离，从而防止进入气体流与外出气体流在操作期间在可充气气囊131中混合。

包括流体分离的管装置可以促进从外出气体流中提取水。具体地，当具有高湿度的大气用作用于储存在本发明的储存系统中的气体时，由外出气体流携带的水滴可以积聚在气囊131处。因此，从系统释放并且相对湿度低于外出气体流的相对湿度的进入气体流不与外出气体流混合。

根据本发明的一个实施方式，压缩气体储存系统10还包括排水管143，排水管143延伸到可充气气囊131的容积中至其底部。排水管143的目的是在操作期间抽出由于凝结而可从气体凝结的水。如图1中所示，排水管143可以布置在出口气体管142的内腔中，但是也可以考虑其他配置。例如，排水管143可以布置在入口气体管141内，或者可以与气体管组件14分离。

压缩气体储存系统10还包括一个或多个填充材料管15，其沿着钻孔11延伸到所述第二钻孔部分112的底部117，到达形成在可充气气囊131、上支撑构件133、下支撑构件134以及第二钻孔部分112的内表面116之间的间隙16。填充材料管15可以例如固定到下支撑构件134。填充材料管15穿过具有通孔135的上支撑构件133。填充材料管15配置成用于将填充材料160提供到间隙16中以用填充材料填充间隙16，该填充材料在压缩气体储存系统10的构造期间被压实(如下面将详细描述的)。压实的填充材料160完全包围可充气气囊131，并且处于刚性和不动的状态。

图2A至图6示出了根据本发明的一个实施方式构造压缩气体储存系统10的方法。

为了构造压缩气体储存系统10，钻孔11在地中被钻到预定深度。如上所述，钻孔11包括限定在钻孔顶部12a处的第一钻孔部分111和限定在钻孔底部12b处的第二钻孔部分112。图2A示出了钻孔11的纵向顶部剖视图的实施例。尽管图2A中示出的第一钻孔部分111和第二钻孔部分112具有中空圆柱形形状，但也可以考虑其它形状。还应该理解的是，第一钻孔部分111和第二钻孔部分112的横截面可以是例如圆形、椭圆形、多边形或具有任何其它所需形状。

图2B示出了根据另一实施例的钻孔11的示意性纵向顶部剖视图。在这种情况下，第一钻孔部分111和第二钻孔部分112具有截顶圆锥形形状(截头圆锥)，其倒置布置，下基部布置在相应的底部。根据另一实施例(未示出)，仅一个部分(第一钻孔部分111或第二钻孔部分112)可以具有截顶圆锥形形状。

根据另一实施例，如图2C中所示，第一钻孔部分111可以包括两个或更多个圆柱形子部分111a和111b，每个子部分均具有不同的宽度和深度。

根据另一实施例，如图2D中所示，第二钻孔部分112可以是形成在地中的椭圆形腔的形式；然而，也可以考虑腔的其它形状。

钻孔11的整个深度以及第一钻孔部分111和第二钻孔部分112的深度之间的关系主要由土壤特性和储存在可充气气囊131中的压缩气体的所需压力大小的最大值确定。第一钻孔部分111和第二钻孔部分112的宽度主要由压缩气体储存系统10的所需尺寸和压缩气体的压力大小限定。例如，为了增加由密封材料17施加的摩擦力，第一钻孔可以构造成具有更高的深度或更高的宽度。

将针对图2A中所示的实施方式描述构造本发明的压缩气体储存系统的其它步骤。根据该实施方式，第二钻孔部分深度可以大于或小于第一钻孔部分深度。然而，第二钻孔部分宽度可以低于或等于第一钻孔部分宽度。钻孔的深度使得可充气气囊(图1中的131)位于地内相对较深处以便由于填充第一钻孔部分111的密封材料的阻力和围绕可充气气囊的填充材料的阻力而被锚固。该配置使得能够防止可充气气囊131的容积在安装压缩气体储存系统10之后变化，从而避免在用气体填充气囊131和释放气体以供使用期间将位于气囊上方的密封材料17和土壤19顶起和降下。

例如，第一钻孔部分深度可以在约1至20米的范围内，并且第一钻孔部分宽度在约1至10米的范围内，而第二钻孔部分深度可以在约5至100米的范围内，并且第二钻孔部分宽度在约1至5米的范围内。

一旦钻出钻孔11，就将处于塌缩状态的可充气气囊131放置在第二钻孔部分112处(如图3中所示)。下支撑构件134用于向下拉气囊131并使可充气气囊在第二钻孔部分112内居中。将上支撑构件133布置在第二钻孔部分112上方、在第一钻孔部分111的底部115处。

如图4中所示，压缩气体储存系统10的构造方法还包括设置：气体管组件14，该气体管组件14包括入口气体管141和出口气体管142；另一个填充材料管15，其沿着钻孔延伸到间隙16，该间隙16被限定在可充气气囊131、排水管143(例如在出口气体管142的内腔中)、上支撑构件133、下支撑构件134和第二钻孔部分的内表面116之间。填充材料管15固定到下支撑构件134，用于将填充材料注入第二钻孔112的底部中。

入口气体管141和出口气体管142在一端经由气囊口132液压地联接到可充气气囊131的内部容积。在另一端，入口气体管141配置成用于联接到气体压缩系统(未示出)，而出口气体管142配置成用于释放压缩气体以供使用。

根据一个实施方式，构造压缩气体储存系统10的方法还包括设置排水管143，该排水管143延伸到可充气气囊131的容积中至其底部。如图4中所示，排水管143布置在出口气体管142的内腔中，但是也可以考虑其它构造。

此外，如图5中所示，用注入到上支撑构件133的顶部上的密封材料17密封地中的钻孔11。密封材料17填充第一钻孔部分111的位于上支撑构件133与地平面18之间的整个体积，从而将所述可充气气囊锚固至密封材料。

根据一个实施方式，密封材料可以包括注入到上支撑构件133的顶部上的混凝土材料层113。在固化之后，混凝土层113形成布置到上支撑构件133的顶部上的板。进行所需时长的混凝土层113的固化来获得具有所需压缩和拉伸强度的板，以支撑填充材料17的重量。混凝土层113的压缩强度可以在例如约10mPa至200mPa的范围内。

混凝土层113的高度可以例如在1米到20米的范围内。混凝土层113可以占据第一钻孔部分111在上支撑构件133与地平面18之间的整个体积或仅占该体积的一部分。在后一种情况下，在混凝土层113固化之后，用另一密封材料覆盖第一钻孔部分111的位于混凝土层113与地平面18之间的其余体积52，该密封材料例如可以是受控的低强度材料(CLSM)和/或在钻出钻孔11期间挖掘的土壤。

参考图6，然后经由气体管组件14(例如，经由入口气体管141)将可充气气囊131连接到水泵61，并且用水填充可充气气囊131。水泵61联接到水箱62，并且配置成将水从水箱62传输到可充气气囊131。

然后，经由填充材料管15将填充材料提供到可充气气囊131、上支撑构件133、下支撑构件134和第二钻孔部分112的内表面116之间的间隙16中，从而用填充材料完全包围可充气气囊131(由附图标记160表示)。适用于本发明的目的的填充材料的实施例包括但不限于水泥基填充材料(例如，水泥浆)、聚氨酯，混凝土等。

填充材料在高压下注入间隙16中。结果，注入的填充材料的压力被可充气气囊131的压力抵消，从而使第二钻孔部分112中的填充材料160压实并固结并且使围绕钻孔11的土壤19沿着土壤剪切平面620压实并固结，土壤剪切平面620沿着向外逐渐变细的锥形延伸，从上支撑构件133朝向地平面18扩展。

为了防止顶起上支撑构件133并防止第一钻孔部分111中的密封材料失效，控制注入的填充材料的压力以便不超过压力阈值。布置在上支撑构件133的顶部上的混凝土层(板)113为顶起上支撑构件133提供阻力。

可以例如基于莫尔-库仑失效准则τ＝c+σtanφ来计算压力阈值，τ＝c+σtanφ表示失效平面上的土壤剪切强度τ和正应力σ之间的关系，其中c是材料的内聚力，并且φ是摩擦剪切角。正应力σ取决于注入的水泥浆的压力以及土壤的力学性质。

通常，土壤本构模型将填充材料视为弹塑性材料。可以根据莫尔-库仑破坏准则计算填充材料和周围土壤19可以承受的应力和应变(阈值)的最大量值。一旦超过该阈值，密封材料将移位而不是压实。

发明人评估，为了获得最佳的压实结果，注入的填充材料的压力可以例如在约10巴至500巴的范围内。在干燥之后，可充气气囊周围的填充材料固结，并且在利用压缩气体储存系统10期间气囊131不能进一步改变其体积，因为填充材料保持在刚性和不动的状态。

最后，通过经由入口气体管141引入加压气体将水从气囊131经由排水管143抽出。一旦从气囊131抽出所有水，压缩气体储存系统10就可以用于储存压缩气体。

这样，本发明所属领域的技术人员可以理解，虽然已经根据优选实施方式描述了本发明，但是本公开所基于的概念可以容易地用作设计用于实施本发明的若干目的的其它结构、系统和过程的基础。

应当理解，本发明的压缩气体储存系统不限于储存压缩气体。它也可以成功地用于储存包括气体和/或液体的混合物的任何其它流体。

尽管针对图2A中所示的钻孔描述了本发明的压缩气体储存系统的构造，但是压缩气体储存系统也可以加以必要的变更配置成用于图2B至和图2D中所示的钻孔。

而且，应该理解，本文中采用的措辞和术语是为了描述的目的，不应该被认为是限制性的。

最后，应该注意，在所附权利要求中使用的词语“包括”应被解释为表示“包括但不限于”。

因此，重要的是，本发明的范围不应被解释为受本文所述的说明性实施方式的限制。在所附权利要求中限定的本发明的范围内，其它变化是可能的。可以通过在本申请或相关申请中修改本权利要求或提出新权利要求来要求保护特征、功能、元件和/或性质的其它组合和子组合。这些修改的或新的权利要求，无论它们是针对不同的组合还是针对相同的组合，无论是与原始权利要求的范围不同、更宽、更窄还是相同，也被认为包括在本说明书的主题内。

Claims (17)

1.一种压缩气体储存系统，该系统用于储存由气体压缩系统提供的压缩气体，该系统包括：

制成的位于地中的钻孔，该钻孔包括：

至少第一钻孔部分，该第一钻孔部分限定在钻孔顶部并具有第一钻孔部分深度和第一钻孔部分宽度，所述第一钻孔部分填充有密封材料；和

第二钻孔部分，该第二钻孔部分限定在钻孔底部并且具有比所述第一钻孔部分深度大的第二钻孔部分深度，以及比所述第一钻孔部分宽度小的第二钻孔部分宽度；

气囊装置，该气囊装置包括：

可充气气囊，该可充气气囊布置在所述第二钻孔部分内并配置成用于储存所述压缩气体，所述可充气气囊具有气囊口，用于提供进入所述可充气气囊的内部容积的入口；

上支撑构件，该上支撑构件安装在所述可充气气囊的顶部，所述上支撑构件具有比所述第二钻孔部分宽度大的上支撑宽度，并且配置成用于将所述可充气气囊锚固到所述第一钻孔部分；以及

下支撑构件，该下支撑构件布置在所述可充气气囊的下部，并且配置成使所述可充气气囊在所述第二钻孔部分的底部居中；

气体管组件，该气体管组件包括：

至少一个入口气体管，该入口气体管配置成用于从所述气体压缩系统填充所述可充气气囊；以及

至少一个出口气体管，该出口气体管联接到所述可充气气囊的所述气囊口，并配置成释放所述压缩气体；

排水管，该排水管延伸到所述可充气气囊的容积中至其底部；

压实的填充材料，所述压实的填充材料放置在所述可充气气囊、所述上支撑构件、所述下支撑构件和所述第二钻孔部分的内表面之间形成的间隙内；所述压实的填充材料完全包围所述可充气气囊，并处于刚性和不动状态；

以及

至少一个填充材料管，该填充材料管沿着所述钻孔延伸到所述间隙，并且配置成用于向所述间隙提供填充材料。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一钻孔部分深度在1米至20米的范围内，并且第一钻孔部分宽度在1米至10米的范围内。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二钻孔部分深度在5米至100米的范围内，并且第二钻孔部分宽度在1米至5米的范围内。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一钻孔部分和所述第二钻孔部分具有中空的圆柱形形状。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一钻孔部分和所述第二钻孔部分的横截面具有选自圆形、椭圆形和多边形的形状。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，从所述第一钻孔部分和所述第二钻孔部分中选择的至少一个部分具有倒置的截顶圆锥形形状，其中下圆锥基部布置在所述第一钻孔部分和所述第二钻孔部分的相应底部处。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一钻孔部分包括两个或更多个圆柱形子部分，每个子部分均具有不同的宽度和深度。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二钻孔部分是在地中形成的椭圆形腔的形式。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述密封材料填满所述上支撑构件与地平面之间的整个体积。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述密封材料包括注入所述上支撑构件的顶部上的混凝土材料层。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述混凝土材料层是在所述第一钻孔部分的底部处安装在所述上支撑构件的顶部处的板的形式。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述入口气体管布置在所述出口气体管的内腔中。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述出口气体管布置在所述入口气体管的内腔中。

14.一种构造用于储存由气体压缩系统提供的压缩气体的压缩气体储存系统的方法，该方法包括：

在地中形成钻孔，该钻孔包括：至少第一钻孔部分，该第一钻孔部分限定在钻孔顶部并具有第一钻孔部分深度和第一钻孔部分宽度；和第二钻孔部分，该第二钻孔部分限定在钻孔底部并且具有比所述第一钻孔部分深度大的第二钻孔部分深度，以及比所述第一钻孔部分宽度小的第二钻孔部分宽度；

提供气囊装置，该气囊装置包括：

处于塌缩状态的可充气气囊，所述可充气气囊具有气囊口，用于提供进入所述可充气气囊的内部容积的入口；

上支撑构件，该上支撑构件安装在所述可充气气囊的顶部，所述上支撑构件具有比所述第二钻孔部分宽度大的上支撑宽度；以及

下支撑构件，该下支撑构件布置在所述可充气气囊的下部；

将所述可充气气囊布置在所述第二钻孔部分内；

设置气体管组件，该气体管组件包括至少一个入口气体管以及至少一个出口气体管，并且将所述气体管组件联接到所述可充气气囊的所述气囊口；

提供排水管，该排水管延伸到所述可充气气囊的容积中至其底部，并且配置成用于从所述可充气气囊提取水；

提供至少一个填充材料管，该填充材料管沿着所述钻孔延伸到限定在所述可充气气囊、所述上支撑构件、所述下支撑构件以及所述第二钻孔部分的内表面之间的间隙；

通过将密封材料注入所述上支撑构件的顶部上以填满所述上支撑构件和地平面之间的整个体积而用所述密封材料密封地中的所述钻孔，从而将所述可充气气囊锚固至所述密封材料；

将所述密封材料固化所需时长以获得预定的压缩强度；

用水填充所述可充气气囊；

将填充材料提供到所述可充气气囊、所述上支撑构件、所述下支撑构件和所述第二钻孔部分的所述内表面之间的所述间隙中，从而用处于刚性和不动状态的填充材料完全包围所述可充气气囊，其中通过在高压下注入所述填充材料来进行所述填充材料的所述提供，从而将所述填充材料压实和固结在所述可充气气囊周围；

经由所述排水管从所述可充气气囊释放所述水；和

用所述压缩气体填充所述可充气气囊。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述将所述可充气气囊布置在所述第二钻孔部分内的步骤包括向下拉动所述可充气气囊并使所述可充气气囊在所述第二钻孔部分的底部居中。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述预定的压缩强度在10mPa至200mPa的范围内。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述填充材料包括水泥浆。

Images