JP3242176U - 陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム及び電力システム - Google Patents

Abstract

【課題】地理的条件に制限されず、ガス貯蔵装置の建設コストを削減し、ガス貯蔵空間を拡張し、陸上風力発電を近くで直接結合する効果を有する陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム及び電力システムを提供する。
【解決手段】陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムは空気圧縮システム、陸上共同ガス貯蔵装置及び空気膨張システムを含み、空気圧縮システムの出力端は陸上共同ガス貯蔵装置の入力端に接続され、陸上共同ガス貯蔵装置の出力端は空気膨張システムの入力端に接続され、そのうち、陸上共同ガス貯蔵装置はタワーチューブと地下ガス貯蔵装置を含み、タワーチューブは第１ガス貯蔵キャビティを含み、地下ガス貯蔵装置はタワーチューブ下方の地下に設けられており、地下ガス貯蔵装置は第２ガス貯蔵キャビティを含み、第１ガス貯蔵キャビティと第２ガス貯蔵キャビティが連通する。
【選択図】図１

Description

本考案は圧縮空気のエネルギー貯蔵技術分野に関し、具体的には、陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム及び電力システムに関する。

エネルギー貯蔵は再生可能なエネルギー革命を実現する肝心なサポート技術であり、圧縮空気のエネルギー貯蔵システムは単段容量が大きく、エネルギー貯蔵効率が高く、ライフサイクルが長く、余熱が回収可能であり且つ「風光相補」と結合するなど潜在的な利点を有し、発展の将来性を有する大規模な物理的エネルギー貯蔵技術と考えられる。陸上風況は安定風況、突風風況及び徐変風風況などを含むように多様であるため、陸上風力発電機群の発電量が風況に影響され、風力発電に間欠性、変動性及び制御不能性が存在することを引き起こし、風力発電連系変動がグリッドに衝撃を与える。そのため、従来技術では、圧縮空気のエネルギー貯蔵装置を用いてグリッドの不安定性を調整し且つピークを削減してバレーを充填する。具体的には、地下洞窟空間で形成された天然封止貯蔵媒体を利用し又はその内壁に可撓性気密高分子フィルムを敷設して高圧空気を貯蔵し、又は直接地上ガス貯蔵装置を利用して高圧空気を貯蔵する。グリッドの供給量が求め以上である場合、圧縮空気サブシステムを利用して電気エネルギーを力学的エネルギーに変換し、さらに圧力ポテンシャルエネルギー及び熱エネルギーに変換してそれぞれガス貯蔵装置及び熱貯蔵装置に貯蔵し、グリッドの供給量が求め未満である場合、空気膨張サブシステムを利用してガス貯蔵装置及び熱貯蔵装置の圧力ポテンシャルエネルギー及び熱エネルギーを力学的エネルギーに変換して外部に出力する。

しかしながら、従来の解決手段において、地下洞窟は塩洞窟、地下含水層、硬岩層洞窟、天然塩洞窟、廃棄天然ガス又は石油ガス貯蔵室を含み、地上ガス貯蔵は金属貯蔵タンク／配管、熱可塑性管を含み、これらのガス貯蔵装置は地理的条件に制限され又はコストが高く、一方、長いガス輸送管路を敷設する必要があり、建設コストが高く、且つ現在応用される圧縮空気のエネルギー貯蔵プロジェクトはいずれもグリッド側の不安定電源を調整し、圧縮空気のエネルギー貯蔵システム及び風力光などのソース側電源系統連系はいずれも長い送配電線路を敷設する必要があり、コストが高い。

本考案が解決しようとする技術的問題は従来技術における地下洞窟が地理的条件に制限され、地上ガス貯蔵装置の建設コストが高く、ガス輸送管路と送電線路のコストが高いという欠陥を克服し、それにより陸上風力発電機とタワーチューブ及び地下人工チャンバを直接利用して共同ガス貯蔵装置とする陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム及び電力システムを提供することである。

上記問題を解決するために、本考案は陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムを提供し、空気圧縮システム、陸上共同ガス貯蔵装置及び空気膨張システムを含み、空気圧縮システムの出力端は陸上共同ガス貯蔵装置の入力端に接続され、陸上共同ガス貯蔵装置の出力端は空気膨張システムの入力端に接続され、そのうち、陸上共同ガス貯蔵装置はタワーチューブと地下ガス貯蔵装置を含み、タワーチューブは第１ガス貯蔵キャビティを含み、地下ガス貯蔵装置はタワーチューブ下方の地下に設けられており、地下ガス貯蔵装置は第２ガス貯蔵キャビティを含み、第１ガス貯蔵キャビティと第２ガス貯蔵キャビティが連通する。

任意選択的に、タワーチューブは軸方向に沿って別体に設置された複数のタワーチューブセグメントを含み、第１ガス貯蔵キャビティは１つ又は複数のタワーチューブセグメント内に設けられている。

任意選択的に、タワーチューブセグメント内に１つのガス貯蔵ユニットが設けられており、又はタワーチューブセグメント内に複数のガス貯蔵ユニットが設けられており、複数のガス貯蔵ユニットはタワーチューブセグメントの内周を回って間隔的に設置され、複数のガス貯蔵ユニットの間は管路を介して連通する。

任意選択的に、タワーチューブは径方向に沿って套設された外筒体と内筒体を含み、外筒体と内筒体との間の環状隙間は第１ガス貯蔵キャビティを構成する。

任意選択的に、地下ガス貯蔵装置は人工チャンバを含み、人工チャンバのインナーキャビティは第２ガス貯蔵キャビティを構成し、人工チャンバはタワーチューブの下方に設けられており、タワーチューブの底部は人工チャンバと貫通して連通し、又は、第１ガス貯蔵キャビティは管路を介して第２ガス貯蔵キャビティと連通する。

任意選択的に、タワーチューブが複数設けられており、人工チャンバが複数設けられており、複数の人工チャンバがタワーチューブの底部に一対一に設けられており、複数の第１ガス貯蔵キャビティと複数の第２ガス貯蔵キャビティが一対一に連通する。

任意選択的に、タワーチューブが複数設けられており、人工チャンバが１つ設けられており、複数のタワーチューブの第１ガスキャビティは管路を介して人工チャンバの第２ガス貯蔵キャビティと連通する。

任意選択的に、人工チャンバはタワーチューブの底部と一体的に設置される。

任意選択的に、空気圧縮システムと陸上共同ガス貯蔵装置との間に降圧装置が設けられており、空気圧縮システムの出力端は降圧装置の入力端に接続され、降圧装置の出力端は陸上共同ガス貯蔵装置の入力端に接続され、陸上共同ガス貯蔵装置と空気膨張システムとの間に加圧装置が設けられており、加圧装置の入力端は陸上共同ガス貯蔵装置の出力端に接続され、加圧装置の出力端は空気膨張システムの入力端に接続される。

本考案の別の態様は電力システムを提供し、グリッド、陸上風力発電機群及び以上の技術的解決手段のいずれか一項に記載の陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムを含み、空気圧縮システムはグリッドに電気的に接続され、又は空気圧縮システムは陸上風力発電機群に電気的に接続され、空気膨張システムはグリッドに電気的に接続される。

本考案は以下の利点を有する。
１．本考案の陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムを利用し、エネルギーを貯蔵する時に、空気圧縮システムによって空気を圧縮し且つ陸上共同ガス貯蔵装置に貯蔵し、エネルギーを放出する時に、陸上共同ガス貯蔵装置にある圧縮空気を放出し、空気膨張システムに出力し、膨張によって仕事をして発電する。
陸上共同ガス貯蔵装置を設置することにより、そのうち、タワーチューブに第１ガス貯蔵キャビティが設置され、タワーチューブ自体の空間を一部の貯蔵空間として利用することができ、且つ地下ガス貯蔵装置が設置され、地下ガス貯蔵装置に第２ガス貯蔵キャビティが設置され、第１ガス貯蔵キャビティと第２ガス貯蔵キャビティが連通し、地下ガス貯蔵装置とタワーチューブとの共同ガス貯蔵を実現し、陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵空間を拡大することができ、地下ガス貯蔵装置はタワーチューブ下方の地下に設けられ、タワーチューブの基礎と同時に建設することができ、地下洞窟を利用することに比べ、地理的条件に制限されず、且つ輸送管路の長さを短縮し、建設コストを削減し、且つタワーチューブと地下ガス貯蔵装置が連携し、陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵空間を拡張し、また、風力発電場の立地、地質条件などの実際のエネルギー貯蔵需要に応じて、第１ガス貯蔵キャビティと第２ガス貯蔵キャビティのエネルギー貯蔵容量を柔軟に割り当てることができる。
２．タワーチューブは軸方向に沿って１つ又は複数のタワーチューブセグメントが設置され、第１ガス貯蔵キャビティは１つ又は複数のタワーチューブセグメント内に設けられており、又はタワーチューブには外筒体と内筒体が設置され、両者の間の環状隙間は第１ガス貯蔵キャビティを構成し、タワーチューブの実際の状況に応じて、第１ガス貯蔵キャビティの設置方式を柔軟に選択することができ、タワーチューブ自体はライン状の鋼製タンク構造であるため、タワーチューブ内部の空間構造を最適化及び利用することにより、従来の地下又は地上ガス貯蔵空間を代替し、地下又は地上ガス貯蔵空間の建設コストを低減させる。
３．空気圧縮システムに多段圧縮機が直列に設置され、且つ各段の圧縮機の後に冷却器が接続され、エネルギーを貯蔵する時に、空気に対して多段の圧縮と冷却を行うことができ、圧力ポテンシャルエネルギーと温度熱エネルギーをそれぞれ陸上共同ガス貯蔵装置と集熱装置に貯蔵する。空気膨張システムに多段ガス膨張機が直列に設置され、且つ各段のガス膨張機の後に再熱器が接続され、エネルギーを放出する時に、陸上共同ガス貯蔵装置にある高圧空気が集熱装置により昇温され、高圧高温空気を形成し、さらにガス膨張機に注入して膨張して仕事をする。空気圧縮システム及び空気膨張システムは空気を超臨界状態まで圧縮することができ、システム効率を顕著に向上させ且つガス貯蔵の占有スペースを低減させ、空気を非超臨界状態まで圧縮することもでき、陸上風力発電所又はグリッドバレー電気に貯蔵する必要がる電気エネルギーの電力及び時間に基づき、エネルギー貯蔵システムの具体的なガス貯蔵状態を柔軟に選択することができる。
４．本考案の電力システムを利用し、陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムと陸上風力発電所をその場で直接結合し、再生可能なエネルギーの分散型エネルギー貯蔵と領域性スマートマイクログリッドを実現し、遠距離の送電配電コストを低減させる。

本考案の具体的な実施形態又は従来技術における技術的解決手段をより明瞭に説明するために、以下は具体的な実施形態又は従来技術の説明に使用する必要がある図面を簡単に紹介し、明らかに、以下の説明における図面は本考案のいくつかの実施形態であり、当業者にとっては、創造的な労力を要することなく、これらの図面に基づいて他の図面を得ることもできる。

本考案の実施例の提供する陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムの構造概略図を示す。 本考案の提供する陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムにおけるタワーチューブの第１の実施例の構造概略図を示す。 本考案の提供する陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムにおけるタワーチューブの第２の実施例の構造概略図を示す。 本考案の提供する陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムにおけるタワーチューブの第３の実施例の構造概略図を示す。 本考案の提供する陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムにおける陸上共同ガス貯蔵装置の第１の実施例の構造概略図を示す。 本考案の提供する陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムにおける陸上共同ガス貯蔵装置の第２の実施例の構造概略図を示す。 本考案の提供する陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムにおける陸上共同ガス貯蔵装置の第３の実施例の構造概略図を示す。 本考案の実施例の提供する電力システムの構造概略図を示す。 本考案の実施例の提供する陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムにおける複数のタワーチューブと複数の地下ガス貯蔵装置の接続構造概略図を示す。 本考案の実施例の提供する陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムにおける複数のタワーチューブと１つの地下ガス貯蔵装置の接続構造概略図を示す。

以下は図面を参照しながら本考案の技術的解決手段を明瞭、完全に説明し、明らかに、説明された実施例は本考案の一部の実施例であり、全ての実施例ではない。本考案における実施例に基づき、当業者が創造的な労力を要さずに得た他の実施例は、いずれも本考案の保護範囲に属する。

本考案の説明において、説明すべきものとして、用語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「内」、「外」などに指示された方位又は位置関係は図面に基づいて示された方位又は位置関係であり、単に本考案を説明しやすく説明を簡略化するためであり、言われる装置又は素子が特定の方位を有し、特定の方位で構造及び操作しなければならないことを指示又は示唆するものではなく、したがって本考案に対する制限として理解することができない。また、用語「第１」、「第２」、「第３」は目的を説明するためだけに用いられ、相対的な重要性を指示又は示唆するものと理解することができない。

本考案の説明において、説明すべきものとして、他に明確な規定と限定がない限り、用語「取り付け」、「連結」、「接続」は広義に理解すべきであり、例えば、固定接続であってもよく、取り外し可能な接続、又は一体的な接続であってもよく、機械的接続であってもよく、電気的接続であってもよく、直接連結してもよく、中間媒体を介して間接連結してもよく、２つの素子内部の連通であってもよい。当業者にとって、具体的な状況に応じて上記用語の本考案における具体的な意味を理解することができる。

また、以下に説明する本発明の異なる実施形態に係る技術的特徴は、互いに矛盾しない限り、互いに組み合わせてもよい。

本考案の技術的解決手段を紹介しやすいために、以下は図面及び具体的な実施例を参照して詳細に説明するが、実施例は本考案に対する制限とみなすべきではない。

実施例１
陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム１００であって、図１～図７を参照すると、空気圧縮システム１、陸上共同ガス貯蔵装置２及び空気膨張システム３を含み、空気圧縮システム１の出力端は陸上共同ガス貯蔵装置２の入力端に接続され、陸上共同ガス貯蔵装置２の出力端は空気膨張システム３の入力端に接続され、そのうち、陸上共同ガス貯蔵装置２はタワーチューブ２１と地下ガス貯蔵装置２２を含み、タワーチューブ２１は第１ガス貯蔵キャビティ２１４を含み、地下ガス貯蔵装置２２はタワーチューブ２１下方の地下に設けられており、地下ガス貯蔵装置２２は第２ガス貯蔵キャビティ２２２を含み、第１ガス貯蔵キャビティ２１４は第２ガス貯蔵キャビティ２２２と連通する。

本考案の陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム１００を利用し、エネルギーを貯蔵する時に、空気圧縮システム１によって空気を圧縮し且つ陸上共同ガス貯蔵装置２に貯蔵し、エネルギーを放出する時に、陸上共同ガス貯蔵装置２にある圧縮空気を放出し、空気膨張システム３に出力し、膨張によって仕事をして発電する。

陸上共同ガス貯蔵装置２を設置することにより、そのうち、タワーチューブ２１に第１ガス貯蔵キャビティ２１４が設置され、タワーチューブ２１自体の空間を一部の貯蔵空間として利用することができ、且つ地下ガス貯蔵装置２２が設置され、地下ガス貯蔵装置２２に第２ガス貯蔵キャビティ２２２が設置され、第１ガス貯蔵キャビティ２１４と第２ガス貯蔵キャビティ２２２が連通し、地下ガス貯蔵装置２２とタワーチューブ２１との共同ガス貯蔵を実現し、陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵空間を拡大することができ、地下ガス貯蔵装置２２はタワーチューブ２１下方の地下に設けられ、タワーチューブ２１の基礎と同時に建設することができ、地下洞窟を利用することに比べ、地理的条件に制限されず、且つ輸送管路の長さを短縮し、建設コストを削減し、且つタワーチューブ２１と地下ガス貯蔵装置２２が連携し、陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵空間を拡張する。

風力発電場の立地、地質条件などの実際の貯蔵需要に応じて、第１ガス貯蔵キャビティ２１４と第２ガス貯蔵キャビティ２２２のエネルギー貯蔵容量を柔軟に割り当てることができる。具体的には、タワーチューブ２１の第１ガス貯蔵キャビティ２１４の容積が大きく、且つ実際のエネルギー貯蔵需要が低い場合、地下ガス貯蔵装置２２の容積を適切に縮小することができ、地下ガス貯蔵装置２２の建設コストを低減させる。タワーチューブ２１の第１ガス貯蔵キャビティ２１４の容積が小さく、且つ実際のエネルギー貯蔵需要が高い場合、地下ガス貯蔵装置２２の容積を適切に拡大することができ、それによって陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵需要を満たす。設計者は実際の状況に応じて第１ガス貯蔵キャビティ２１４と第２ガス貯蔵キャビティ２２２の貯蔵容量を柔軟に割り当てることができる。

具体的には、空気圧縮システム１の出力端は空気圧縮システム１がガスを出力するポートを指し、排気端とも言える。陸上共同ガス貯蔵装置２の入力端は、陸上共同ガス貯蔵装置２が圧縮空気を入力するポートを指し、吸気端とも言える。陸上共同ガス貯蔵装置２の出力端は圧縮空気を出力するポートを指し、排気端とも言える。空気膨張システム３の入力端は、空気膨張システム３内に圧縮空気を入力するポートであり、吸気端とも言える。

任意選択的に、図２はタワーチューブ２１の第１の実施例の構造概略図を提供し、タワーチューブ２１は軸方向に沿って別体に設置された複数のタワーチューブセグメント２１１を含み、第１ガス貯蔵キャビティ２１４は１つ又は複数のタワーチューブセグメント２１１内に設けられている。具体的には、タワーチューブ２１の軸方向に沿って、タワーチューブセグメント２１１の接続端にフランジが設置され、隣接する２つのタワーチューブセグメント２１１の間はボルトによって接続される。タワーチューブセグメント２１１の内径は、下方から上方に向かって徐々に小さくなっており、従って、複数のタワーチューブセグメント２１１内の第１ガス貯蔵キャビティ２１４の容積も下方から上方に向かって減少している。任意選択的に、タワーチューブセグメント２１１内にガス貯蔵タンクを設置し、ガス貯蔵タンクのインナーキャビティは第１ガス貯蔵キャビティ２１４を構成する。

任意選択的に、タワーチューブセグメント２１１内に１つのガス貯蔵ユニットが設けられており、又はタワーチューブセグメント２１１内に複数のガス貯蔵ユニットが設けられており、複数のガス貯蔵ユニットはタワーチューブセグメント２１１の内周を回って間隔的に設置され、複数のガス貯蔵ユニットの間は管路を介して連通する。大内径のタワーチューブセグメント２１１内には、ガス貯蔵ユニットが複数設置され、且つタワーチューブセグメント２１１の内周を回って間隔的に配置される。任意選択的に、複数のガス貯蔵ユニットはタワーチューブセグメント２１１の内周を回って均等に分布する。隣接するタワーチューブセグメント２１１の間のガス貯蔵ユニットは管路を介して互いに連通している。具体的には、ガス貯蔵ユニットはガス貯蔵タンクであってもよく、すなわち、タワーチューブセグメント２１１内に１つ又は複数のガス貯蔵タンクを設置する。設計者は実際の状況に応じてガス貯蔵ユニットの形状、数、容積などを選択することができ、ここでは限定しない。

任意選択的に、タワーチューブセグメント２１１にマンホール２１５が設けられており、タワーチューブ２１内に入って点検しやすい。

任意選択的に、図３及び図４を参照すると、タワーチューブ２１は径方向に沿って套設された外筒体２１２と内筒体２１３を含み、外筒体２１２と内筒体２１３との間の環状隙間は第１ガス貯蔵キャビティ２１４を構成する。

タワーチューブ２１の第２の実施例として、図３を参照すると、内筒体２１３の長さは外筒体２１２の長さより短く、内筒体２１３の外壁と外筒体２１２の内壁との間に囲まれた空間は第１ガス貯蔵キャビティ２１４を構成する。

タワーチューブ２１の第３の実施例として、図４を参照すると、内筒体２１３の長さは外筒体２１２の長さに等しく、内筒体２１３の外壁と外筒体２１２の内壁との間の環状隙間は第１ガス貯蔵キャビティ２１４を構成する。

以上の２種類の第１ガス貯蔵キャビティ２１４の設置方式を、設計者がタワーチューブ２１の実際の状況及びエネルギー貯蔵需要に応じて柔軟に選択することができ、それによりタワーチューブ２１の内部空間を十分に利用する。

任意選択的に、図５～図７を参照すると、地下ガス貯蔵装置２２は人工チャンバ２２１を含み、人工チャンバ２２１のインナーキャビティは第２ガス貯蔵キャビティ２２２を構成し、人工チャンバ２２１はタワーチューブ２１の下方に設けられており、タワーチューブ２１の底部は人工チャンバ２２１と貫通して連通し、すなわち人工チャンバ２２１はタワーチューブ２１の底部の基礎とすることができ、タワーチューブ２１の底部は人工チャンバ２２１と貫通し、そうすると、タワーチューブ２１のインナーキャビティは人工チャンバ２２１のインナーキャビティと直接連通する。

陸上共同ガス貯蔵装置２の第１の実施例は、図５に示すように、上記第１の実施例のタワーチューブ２１と人工チャンバ２２１によって接続管２１６を介して接続構成され、タワーチューブ２１の第１ガス貯蔵キャビティ２１４及び人工チャンバ２２１の第２ガス貯蔵キャビティ２２２が接続管２１６を介して連通し、接続管２１６の直径はタワーチューブ２１の直径より小さい。

陸上共同ガス貯蔵装置２の第２の実施例は、図６に示すように、上記第２の実施例のタワーチューブ２１と人工チャンバ２２１によって接続管２１６を介して接続構成され、タワーチューブ２１の第１ガス貯蔵キャビティ２１４及び人工チャンバ２２１の第２ガス貯蔵キャビティ２２２が接続管２１６を介して連通し、接続管２１６の直径はタワーチューブ２１の直径より小さい。

陸上共同ガス貯蔵装置２の第３の実施例は、図７に示すように、上記第３の実施例のタワーチューブ２１と人工チャンバ２２１によって接続管２１６を介して接続構成され、タワーチューブ２１の第１ガス貯蔵キャビティ２１４及び人工チャンバ２２１の第２ガス貯蔵キャビティ２２２が接続管２１６を介して連通し、接続管２１６の直径はタワーチューブ２１の直径に等しい。

当然のことながら、置き換え可能な接続方式として、第１ガス貯蔵キャビティ２１４は管路及び第２ガス貯蔵キャビティ２２２を介して連通する。具体的には、タワーチューブ２１の底部は人工チャンバ２２１に、貫通しないように接続され、第１ガス貯蔵キャビティ２１４は管路を介して第２ガス貯蔵キャビティ２２２と連通する。具体的には、タワーチューブ２１には第１ガス貯蔵キャビティ２１４と連通する第１接合口が設けられており、人工チャンバ２２１には第２ガス貯蔵キャビティ２２２と連通する第２接合口が設けられており、第１接合口と第２接合口との間は管路によって接続され、それにより第１ガス貯蔵キャビティ２１４と第２ガス貯蔵キャビティ２２２を連通する。

任意選択的に、人工チャンバ２２１はコンクリートで製造されてもよい。人工チャンバ２２１はタワーチューブ２１の底部に一体的に設置され、このように、人工チャンバ２２１はタワーチューブ２１の基礎とすることができ、それにより、タワーチューブ２１を建設する時に人工チャンバ２２１を一括して建設し、陸上共同ガス貯蔵装置２の建設コストをさらに低減させることができる。

任意選択的に、図９を参照すると、タワーチューブ２１は複数設けられており、人工チャンバ２２１は複数設けられており、複数の人工チャンバ２２１はタワーチューブ２１の底部に一対一に設けられており、複数の第１ガス貯蔵キャビティ２１４と複数の第２ガス貯蔵キャビティ２２２は一対一に連通する。陸上では通常アレイ式で複数の風力発電機が設置されるため、したがって、陸上では複数のタワーチューブ２１が設けられており、それに応じて、人工チャンバ２２１も複数設けられ、複数のタワーチューブ２１と複数の人工チャンバ２２１が一対一に接続され、すなわち複数の第１ガス貯蔵キャビティ２１４と複数の第２ガス貯蔵キャビティ２２２が一対一に連通する。

任意選択的に、図１０を参照すると、いくつかの他の実施例において、タワーチューブ２１が複数設けられており、人工チャンバ２２１が１つ設けられており、複数のタワーチューブ２１の第１ガス貯蔵キャビティ２１４は管路を介して人工チャンバ２２１の第２ガス貯蔵キャビティ２２２と連通する。

圧縮空気の貯蔵状態は気体状態及び非気体状態を含み、非気体状態は液体状態及び超臨界状態を含む。

陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム１００の第１の実施例として、図１を参照すると、空気圧縮システム１は順次直列接続された多段圧縮機１１を含み、各段の圧縮機１１の後に冷却器１２が接続されており、具体的には、冷却器１２は２つの圧縮機１１の間に設けられているインタークーラ及び末端の圧縮機１１の下流に設けられているアフタークーラを含む。空気膨張システム３は順次直列接続された多段ガス膨張機３１を含み、各段のガス膨張機３１の後に再熱器３２が接続されており、空気圧縮システム１と陸上共同ガス貯蔵装置２との間、空気膨張システム３と陸上共同ガス貯蔵装置２との間にいずれも蓄冷熱交換器６が接続されており、空気圧縮システム１の出力端は蓄冷熱交換器６の第１入力端に接続され、蓄冷熱交換器６の第１出力端は陸上共同ガス貯蔵装置２の入力端に接続され、陸上共同ガス貯蔵装置２の出力端は蓄冷熱交換器６の第２入力端に接続され、蓄冷熱交換器６の第２出力端は空気膨張システム３に接続される。

動作原理は、エネルギーを貯蔵する時に、多段圧縮機１１及び段間冷却器１２は空気に対して多段圧縮及び冷却を行うことができ、空気を圧縮し、且つ陸上共同ガス貯蔵装置２に貯蔵し、圧縮空気の貯蔵状態は気体状態であり、エネルギーを放出する時に、圧縮空気はガス膨張機３１内に注入され、多段膨張及び加熱を経て、膨張仕事して出力することである。

陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム１００の第２の実施例として、空気圧縮システム１と陸上共同ガス貯蔵装置２との間に蓄冷熱交換器６が設けられており、空気圧縮システム１は蓄冷熱交換器６と陸上共同ガス貯蔵装置２との間に設けられている降圧装置４を含む。蓄冷熱交換器６は第１入口、第１出口、第２入口及び第２出口を有する。圧縮機１１の出力端は蓄冷熱交換器６の第１入口に接続され、蓄冷熱交換器６の第１出口は降圧装置４の入力端に接続され、降圧装置４の出力端は陸上共同ガス貯蔵装置２の入力端に接続される。エネルギーを貯蔵する時に、高圧ガスは多段圧縮機１１及び段間冷却器１２を通過して圧縮及び冷却を行い、蓄冷熱交換器６を通過して熱交換を行い、再び冷却し、降圧装置４を通過して降圧した後に常圧で陸上共同ガス貯蔵装置２に貯蔵され、圧縮空気の貯蔵状態は非気体状態である。任意選択的に、高圧装置４は液体膨張機４１又は絞り弁を含む。

任意選択的に、空気膨張システム３は加圧装置５を含み、加圧装置５の入力端は陸上共同ガス貯蔵装置２の出力端に接続され、加圧装置５の出力端は蓄冷熱交換器６の第２入口に接続され、蓄冷熱交換器６の第２出口はガス膨張機３１の入力端に接続される。エネルギーを放出する時に、陸上共同ガス貯蔵装置２内の圧縮空気は加圧装置５により加圧され、さらに蓄冷熱交換器６により常温まで加熱され、その後多段ガス膨張機３１及び段間再熱器３２により膨張及び加熱を行い、最後に出力する。任意選択的に、加圧装置５はクライオポンプ５１を含む。

動作原理について、
エネルギーを貯蔵する時に、多段圧縮機１１及び冷却器１２は空気に対して多段圧縮及び冷却を行うことができ、高圧空気を熱交換して降圧した後、超臨界状態又は液体状態で貯蔵する。エネルギーを放出する時に、超臨界状態又は液体空気は増圧熱交換を経た後、多段加熱及び膨張を行い、外部に対して仕事をして出力する。空気圧縮システム１及び空気膨張システム３は空気を超臨界状態まで圧縮することができ、システム効率を顕著に向上させることができ、空気を液体状態まで圧縮することもでき、陸上風力発電所又はグリッドバレー電気に貯蔵する必要がる電気エネルギーの電力及び時間に基づき、エネルギー貯蔵システムの具体的なガス貯蔵状態を柔軟に選択する。例えば、電力消費ピーク又は風力が小さいなどの他の要因によりエネルギー貯蔵が需要より低い場合、超臨界状態の空気は非超臨界状態の空気より占有する空間が小さいため、したがって、空気を超臨界状態まで圧縮することができ、それによって従来の陸上共同ガス貯蔵装置２の容積を向上させて実際のエネルギー貯蔵需要を満たす。

任意選択的に、陸上共同ガス貯蔵装置２と空気圧縮システム１との間、及び陸上共同ガス貯蔵装置２と空気膨張システム３との間にいずれも緩衝貯蔵装置８が設置される。具体的には、エネルギー貯蔵回路において、降圧装置４、緩衝貯蔵装置８及び陸上共同ガス貯蔵装置２は順次接続され、エネルギー放出回路において、陸上共同ガス貯蔵装置２、緩衝貯蔵装置８及び加圧装置５が順次接続される。圧縮空気は陸上共同ガス貯蔵装置２に出入りする時に、まず緩衝貯蔵装置８によって緩衝貯蔵される。任意選択的に、緩衝貯蔵装置８は緩衝貯蔵タンクを含む。

任意選択的に、エネルギー貯蔵回路における緩衝貯蔵装置８とエネルギー放出回路における緩衝貯蔵装置８は１つになり、１つの緩衝貯蔵装置８を共用する。

任意選択的に、陸上共同ガス貯蔵装置２の入力端と出力端は１つのポートを共用し、且つガス輸送管路によって緩衝貯蔵装置８に接続され、ガス輸送管路に制御弁９が設置され、陸上共同ガス貯蔵装置２と緩衝貯蔵装置８との間の双方向連通を実現し、すなわち、エネルギー貯蔵過程において、緩衝貯蔵装置８から陸上共同ガス貯蔵装置２へ連通し、エネルギーを放出する過程において、陸上共同ガス貯蔵装置２から緩衝貯蔵装置８へ連通する。

任意選択的に、陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム１００は集熱装置１０をさらに含む。空気圧縮システム１における各冷却器１２の放熱端は複数の管路によって集熱装置１０の熱入口に並列接続され、空気膨張システム３における各再熱器３２の吸熱端は複数の管路によって集熱装置１０の熱出口に並列接続される。このように設置することにより、空気が圧縮過程で発生する熱を集熱装置１０に回収することができ、集熱装置１０における熱はまた空気膨張過程で空気を加熱するために用いることができ、システムの熱交換効率を向上させ、エネルギー損失を低減させる。任意選択的に、集熱装置１０はサーマルタンクを含む。

そのうちの１つの圧縮方式として、低圧空気を超臨界状態まで圧縮し、且つ多段インタークーラ及びアフタークーラを介して常温まで冷却した後、蓄冷熱交換器６に貯蔵された冷熱エネルギーを利用してそれを等圧冷却して液化し、絞り弁又は液体膨張機４１を介して降圧した後に常圧で陸上共同ガス貯蔵装置２に貯蔵し、同時に空気圧縮熱は回収されて熱タンクに貯蔵される。

任意選択的に、陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム１００は蓄冷装置２０をさらに含む。空気膨張システム３における各再熱器３２の放冷端は複数の管路によって蓄冷装置２０の冷入口に並列接続され、空気圧縮システム１における各冷却器１２の吸冷端は複数の管路によって蓄冷装置２０の冷出口に並列接続される。このように設置し、空気が膨張過程で放出された冷熱エネルギーが蓄冷装置２０に回収され、且つ空気圧縮過程で空気を冷却するために用いられ、それにより、システムの熱交換効率を向上させ、エネルギー損失を低減させる。任意選択的に、蓄冷装置２０はコールドタンクを含む。

任意選択的に、空気圧縮システム１はさらに先端に設けられているフィルタ７を含み、フィルタ７を設置することにより空気中の砂利、粒子状物質、固形物、不純物などを濾過することができ、圧縮機１１内に入る空気が純粋であることを保証し、陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムの耐用年数を保証する。

実施例２
電力システムであって、図８を参照すると、グリッド２００、陸上風力発電機群３００及び実施例１における陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム１００を含み、空気圧縮システム１はグリッド２００に電気的に接続され、又は空気圧縮システム１は陸上風力発電機群３００に電気的に接続され、空気膨張システム３はグリッド２００に電気的に接続される。陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム１００とグリッド２００、陸上風力発電機群３００とを結合し、陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム１００における駆動電力をグリッド２００により供給されてもよく、陸上風力発電機群３００より供給されてもよい。

本考案の電力システムを利用し、陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム１００と源側の陸上風力発電所を近くで直接結合し、再生可能なエネルギーの分散型エネルギー貯蔵と領域性スマートマイクログリッド２００を実現し、遠距離の送電配電コストを低減させる。

動作原理について、
空気貯蔵状態が電気エネルギーを貯蔵する電力及び時間の長さに基づいて選択することができるため、以下は超臨界状態で貯蔵することを例として説明する。

エネルギーを貯蔵する時に、陸上風力発電機群３００又はグリッド２００の負荷バレーにおける余った電気エネルギーを利用して多段圧縮機１１を駆動し、低圧空気を超臨界状態まで圧縮し、且つ多段クーラーによって常温まで冷却した後、蓄冷熱交換器６に貯蔵された冷熱エネルギーを利用してそれを等圧で冷却液化し、降圧装置４によって降圧した後、陸上共同ガス貯蔵装置２に常圧貯蔵し、同時に空気圧縮熱を回収して集熱装置１０に貯蔵し、
エネルギーを放出する時に、陸上共同ガス貯蔵装置２における超臨界状態の空気は加圧装置５によって加圧された後、蓄冷熱交換器６によって常温まで加熱され、多段再熱器３２を通過し、且つ集熱装置１０における圧縮熱を吸収し、最後に多段ガス膨張機３１の膨張仕事によって外部に出力し、同時に空気膨張冷は蓄冷装置２０に回収されて貯蔵される。

明らかに、上記実施例は説明を明瞭にするために例示したものであり、実施形態を限定するものではない。当業者であれば、上記説明に基づいて他の異なる形態の変化又は変更を行うことができる。ここで、全ての実施形態を網羅する必要はない。このように延伸された明らかな変化又は変動は依然として本発明の保護範囲内にある。

１ 空気圧縮システム
１１ 圧縮機
１２ 冷却器
２ 陸上共同ガス貯蔵装置
２１ タワーチューブ
２１１ タワーチューブセグメント
２１２ 外筒体
２１３ 内筒体
２１４ 第１ガス貯蔵キャビティ
２１５ マンホール
２１６ 接続管
２２ 地下ガス貯蔵装置
２２１ 人工チャンバ
２２２ 第２ガス貯蔵キャビティ
３ 空気膨張システム
３１ ガス膨張機
３２ 再熱器
４ 降圧装置
４１ 液体膨張機
５ 加圧装置
５１ クライオポンプ
６ 蓄冷熱交換器
７ フィルタ
８ 緩衝貯蔵装置
９ 制御弁
１０ 集熱装置
２０ 蓄冷装置
１００ 陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム
２００ グリッド
３００ 陸上風力発電機群

Claims (10)

1. 陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムであって、空気圧縮システム（１）、陸上共同ガス貯蔵装置（２）及び空気膨張システム（３）を含み、前記空気圧縮システム（１）の出力端は前記陸上共同ガス貯蔵装置（２）の入力端に接続され、前記陸上共同ガス貯蔵装置（２）の出力端は前記空気膨張システム（３）の入力端に接続され、そのうち、前記陸上共同ガス貯蔵装置（２）は、
   第１ガス貯蔵キャビティ（２１４）を含むタワーチューブ（２１）と、
   前記タワーチューブ（２１）下方の地下に設けられており、第２ガス貯蔵キャビティ（２２２）を含み、前記第１ガス貯蔵キャビティ（２１４）は前記第２ガス貯蔵キャビティ（２２２）と連通する地下ガス貯蔵装置（２２）と、を含む、ことを特徴とする陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム。
2. 前記タワーチューブ（２１）は軸方向に沿って別体に設置された複数のタワーチューブセグメント（２１１）を含み、前記第１ガス貯蔵キャビティ（２１４）は１つ又は複数の前記タワーチューブセグメント（２１１）内に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム。
3. 前記タワーチューブセグメント（２１１）内に１つのガス貯蔵ユニットが設けられており、又は前記タワーチューブセグメント（２１１）内に複数のガス貯蔵ユニットが設けられており、複数の前記ガス貯蔵ユニットは前記タワーチューブセグメント（２１１）の内周を回って間隔的に設置され、複数の前記ガス貯蔵ユニットの間は管路を介して連通する、ことを特徴とする請求項２に記載の陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム。
4. 前記タワーチューブ（２１）は径方向に沿って套設される外筒体（２１２）及び内筒体（２１３）を含み、前記外筒体（２１２）と前記内筒体（２１３）との間の環状隙間は前記第１ガス貯蔵キャビティ（２１４）を構成する、ことを特徴とする請求項１に記載の陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム。
5. 前記地下ガス貯蔵装置（２２）は人工チャンバ（２２１）を含み、前記人工チャンバ（２２１）のインナーキャビティは前記第２ガス貯蔵キャビティ（２２２）を構成し、前記人工チャンバ（２２１）は前記タワーチューブ（２１）の下方に設けられており、前記タワーチューブ（２１）の底部は前記人工チャンバ（２２１）と貫通して連通し、又は、前記第１ガス貯蔵キャビティ（２１４）は管路を介して前記第２ガス貯蔵キャビティ（２２２）と連通する、ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム。
6. 前記タワーチューブ（２１）が複数設けられており、前記人工チャンバ（２２１）が複数設けられており、複数の前記人工チャンバ（２２１）が前記タワーチューブ（２１）の底部に一対一に設けられており、複数の前記第１ガス貯蔵キャビティ（２１４）と複数の前記第２ガス貯蔵キャビティ（２２２）が一対一に連通する、ことを特徴とする請求項５に記載の陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム。
7. 前記タワーチューブ（２１）が複数設けられており、前記人工チャンバ（２２１）が１つ設けられており、複数の前記タワーチューブ（２１）の第１ガス貯蔵キャビティ（２１４）は管路を介して前記人工チャンバ（２２１）の第２ガス貯蔵キャビティ（２２２）と連通する、ことを特徴とする請求項５に記載の陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム。
8. 前記人工チャンバ（２２１）が前記タワーチューブ（２１）の底部と一体的に設置される、ことを特徴とする請求項５に記載の陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム。
9. 前記空気圧縮システム（１）と前記陸上共同ガス貯蔵装置（２）との間に降圧装置（４）が設けられており、前記空気圧縮システム（１）の出力端は前記降圧装置（４）の入力端に接続され、前記降圧装置（４）の出力端は前記陸上共同ガス貯蔵装置（２）の入力端に接続され、
   前記陸上共同ガス貯蔵装置（２）と前記空気膨張システム（３）との間に加圧装置（５）が設けられており、前記加圧装置（５）の入力端は前記陸上共同ガス貯蔵装置（２）の出力端に接続され、前記加圧装置（５）の出力端は前記空気膨張システム（３）の入力端に接続される、ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システム。
10. 電力システムであって、グリッド（２００）、陸上風力発電機群（３００）及び請求項１～４のいずれか一項に記載の陸上圧縮空気のエネルギー貯蔵システムを含み、前記空気圧縮システム（１）は前記グリッド（２００）に電気的に接続され、又は前記空気圧縮システム（１）は前記陸上風力発電機群（３００）に電気的に接続され、前記空気膨張システム（３）は前記グリッド（２００）に電気的に接続される、ことを特徴とする電力システム。

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