压缩气体能量存储系统技术方案

提供了包括一体式热能存储部件的压缩气体能量存储系统。系统包括以流体连通方式串联连接的压缩级、热传递单元和气体存储器。系统可以包括一个、两个或三个压缩级和热传递单元。每个热传递单元可以包括两个或多个热能存储级。每个热能存储级可以包括一个或多个相变材料。一种存储压缩气体能量的方法，包括通过压缩级压缩气体以产生压缩气体；使压缩气体通过热传递单元以产生热移除气体；并且将热移除气体传递到气体存储器。

Compressed gas energy storage system

A compressed gas energy storage system, which includes an integrated thermal energy storage unit, is provided. The system consists of a compression stage, a heat transfer unit, and a gas memory connected in series connected in a fluid connection. The system can include one, two or three compression stages and heat transfer units. Each heat transfer unit may include two or more heat storage levels. Each heat energy storage stage can include one or more phase change materials. A method for storing compressed gas energy includes compressing gas through compression stage to generate compressed gas, making compressed gas generate heat removing gas through heat transfer unit, and transferring heat removing gas to gas memory.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】压缩气体能量存储系统相关申请的交叉引用本申请要求于2015年1月26日提交的美国专利申请号14/605,468的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术介绍
由于发电设施的增加，诸如风能和太阳能发电设施的增加，全球可再生能源供应正在迅速增加。然而，可再生能源的固有不稳定性目前存在实际限制，使得仅能计划从这些源获得最多15％-20％的电网功率。通过将电能存储（EES）技术整合到电网中，可以潜在地减轻或甚至消除这种限制。因为除了引入能源套利的可能性外，EES还将允许现有电厂的利用率得以提高，所以电能存储技术由于其环境和经济效益两者而是非常期望的。在现有的EES技术中，抽水蓄能装置在全球拥有最大的装机存储容量，估计超过130千兆瓦。地理（备选地点数量有限）和生态（与造成栖息地破坏的水坝有关）的考虑因素将可能限制抽水蓄能装置的未来发展。具有与抽水蓄能装置类似性能的唯一其它电网能量存储技术是压缩空气能量存储(CAES)。CAES最初在20世纪60年代初开发，并且将能量存储在压缩空气的弹性势能中。在可再生能源部署的迅速增加之后，随着对能量存储技术的需求，CAES也重新引起了人们的兴趣。然而，CAES的一个重要的技术问题是，当空气被压缩时，所产生的有效能的大约一半为热的形式。这种热能是如果未被正确存储则可能会损失的能量。为了减少热损失，文献中提出了不同的建议，文献建议使用各种热存储材料来存储热能。将热能存储在热存储材料中的这个构思被称为绝热式压缩空气能量存储。基于“没有单个（PCM）系统可以覆盖（较大温度）范围”（这是此类系统所需要的）的评估，文献报道已经认为，相变材料（PCM）不是用作压缩空气能量存储系统的热能存储材料的可行备选。参见例如Bullough等人在2004年于英国伦敦的用于风能整合的高级绝热式压缩空气能量存储会议上发表的“用于风能整合的高级绝热式压缩空气能量存储（AdvancedAdiabaticCompressedAirEnergyStoragefortheIntegrationofWindEnergy）”的文献。
技术实现思路
本申请总体上涉及包括一体式热能存储部件的压缩气体能量存储系统。压缩气体能量存储系统可以包括以流体连通方式串联连接的压缩级、热传递单元和气体存储器。热传递单元可以包括两个或多个热能存储级（TES），其中TES中的每个具有比热传递单元的邻近上游TES的热能传递温度（TETT）低的TETT。在一些实施例中，每个TES包括相变材料（PCM）。该系统还可以包括与热传递单元流体连通的第一膨胀级。在一些实施例中，热传递单元可以具有气体入口，该气体入口包括入口控制阀，以用于（a）允许气体从压缩级流入或（b）允许气体流出到膨胀级。在许多情况下，膨胀级可以包括燃气涡轮机。在多个实施例中，热能存储级中至少一个包括与通过TES的流体导管热接触的相变材料（PCM）；其中流体导管与热传递单元的气体入口和气体出口流体连通。在本系统中，气体存储器可以是压缩气体存储器，或者在一些情况下可以是液化气体（例如，液态空气或液态氮）存储器。在一些实施例中，本系统利用压缩空气。这种系统被称为压缩空气能量存储（CAES）系统。本系统的另一实施例包括以流体连通方式串联连接的以下部件：第一压缩级（C-1）；包括一个或多个热能存储级（TES）的第一热传递单元（HTU-1），其中热能存储级中的至少一个包括相变材料（PCM）；第二压缩级（C-2）；第二热传递单元（HTU-2）；和气体存储器。在一些实施例中，HTU-2还包括一个或多个热能存储级（TES），其中热能存储级中的至少一个包括相变材料（PCM）。相变材料可以可选地悬浮/分散在热传递流体中。在该实施例中，相变材料可以成封装形式。热传递单元HTU-1和HTU-2可以是相同的热传递单元。在其它实施例中，热传递单元HTU-1和HTU-2可以是不同的热传递单元。本系统的其它实施例包括与第一热传递单元（HTU-1）流体连通的第一压缩级（C-1）；以及与HTU-1流体连通的气体存储器。在一些实施例中，C-1可以与第一热传递单元（HTU-1）的气体入口流体连通；并且气体存储器可以与HTU-1的气体出口流体连通。HTU-1通常包括在气体入口与气体出口之间以流体连通方式串联连接的至少两个热能存储级（TES）。热能存储级中的每个可以包括相变材料（PCM）。热能存储级中的每个中的PCM通常具有比HTU-1的邻近上游TES中的PCM的熔点低的熔点。该系统还可以包括与HTU-1的气体入口流体连通的膨胀级。通常，HTU-1气体入口包括入口控制阀，以用于（a）允许气体从C-1流入或（b）允许气体流出到第一膨胀级。本系统的其它实施例可以包括以流体连通方式串联连接的以下部件：第一压缩级（C-1）、第一热传递单元（HTU-1）；和气体存储器。在一些实施例中，气体存储器可以与HTU-1的气体出口流体连通。HTU-1通常包括包含相变材料的至少一个热能存储级（“PCM级”）。HTU-1可以包括两个或多个PCM级。在该系统中，PCM级中的每个通常包括相位转移材料（PCM），该相位转移材料具有比邻近上游PCM级中的PCM的熔点低的熔点。如本文所使用的，相对于气流从第一压缩级（C-1）通过热传递单元到气体存储器的方向限定“上游”和“下游”。在其它实施例中，本系统可以包括与第一热传递单元（HTU-1）流体连通的第一压缩单元（C-1）；与HTU-1流体连通的第二压缩单元（C-2）、与C-2流体连通的第二热传递单元（HTU-2）以及与HTU-2流体连通的气体存储器（GSR）。在另一实施例中，系统可以包括在HTU-2与GSR之间以流体连通方式串联连接的第三压缩级（C-3）和第三热传递单元（HTU-3）。HTU-3通常位于C-3与GSR之间。本系统的另一实施例可以包括具有与第一热传递单元（HTU-1）的第一气体入口流体连通的出口的第一压缩级（C-1）；具有与HTU-1的第一气体出口流体连通的入口和与HTU-1的第二气体入口流体连通的出口的第二压缩级（C-2）；以及与HTU-1的第二气体出口流体连通的气体存储器。HTU-1的第一气体入口和第一气体出口可以通过第一流体导管连接；并且HTU-1的第二气体入口和第二气体出口可以通过第二流体导管连接。在其它实施例中，本系统可以包括以流体连通方式顺序地定位的以下部件：第一压缩级（C-1）；包括至少一个PCM级的第一热传递单元（HTU-1）；第二压缩级（C-2）；包括至少一个PCM级的第二热传递单元（HTU-2）；和气体存储器。气体存储器可以是压缩气体存储器或液化气体存储器。在一些方面，第一热传递单元HTU-1和第二热传递单元HTU-2可以是相同的热传递单元。本系统的另一实施例包括以流体连通方式顺序地定位的以下部件：第一压缩级（C-1）；包括至少一个PCM级的第一热传递单元（HTU-1）；第二压缩级（C-2）；包括至少一个PCM级的第二热传递单元（HTU-2）；第三压缩级（C-3）；包括至少一个PCM级的第三热传递单元（HTU-3）；和气体存储器。这种系统还可以包括定位成与第三热传递单元（HTU-3）和气体存储器流体连通的最终热传递单元。在许多情况下，HTU-1、HTU-2和HTU-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压缩气体能量存储系统，其包括以流体连通方式串联连接的以下部件：第一压缩级（C‑1）；包括至少两个热能存储级（TES）的第一热传递单元（HTU‑1），所述TES中的每个具有低于所述HTU‑1的邻近上游TES的热能传递温度（TETT）的TETT；和气体存储器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.26 US 14/6054681.一种压缩气体能量存储系统，其包括以流体连通方式串联连接的以下部件：第一压缩级（C-1）；包括至少两个热能存储级（TES）的第一热传递单元（HTU-1），所述TES中的每个具有低于所述HTU-1的邻近上游TES的热能传递温度（TETT）的TETT；和气体存储器。2.根据权利要求1所述的系统，其还包括与所述HTU-1流体连通的第一膨胀级（T-1）。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一膨胀级包括燃气涡轮机。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述TES中的至少一个包括与通过所述TES的流体导管热接触的相变材料（PCM）；并且所述流体导管与所述HTU-1的气体入口和气体出口流体连通。5.根据权利要求1所述的系统，其还包括在所述HTU-1与所述气体存储器之间以流体连通方式串联连接的第二压缩级（C-2）和第二热传递单元（HTU-2）；其中，所述HTU-2位于所述第二压缩级与所述气体存储器之间。6.根据权利要求5所述的系统，其还包括与所述HTU-2和HTU-1流体连通的第二膨胀级。7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述HTU-1和HTU-2是相同的热传递单元。8.根据权利要求1所述的系统，其还包括在所述HTU-1与所述气体存储器之间以流体连通方式串联连接的以下部件：第二压缩级（C-2）；第二热传递单元（HTU-2）；第三压缩级（C-1）和第三热传递单元（HTU-3）；和与所述HTU-2和所述HTU-1流体连通的第二膨胀级；以及与所述HTU-3和所述HTU-2流体连通的第三膨胀级。9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一压缩级（C-1）与所述第一热传递单元（HTU-1）的气体入口流体连通；并且所述气体存储器（GSR）与所述HTU-1的气体出口流体连通；所述热能存储级中的每个包括PCM；并且所述热能存储级中的每个中的PCM具有比所述HTU-1的邻近上游TES中的PCM的熔点低的熔点。10.根据权利要求1所述的系统，其还包括以流体连通方式按顺序地定位在所述第一热传递单元（HTU-1）与所述气体存储器（GSR）之间的以下部件：第二压缩级（C-2）；包括至少一个PCM级的第二热传递单元（HTU-2）；第三压缩级（C-3）；和包括至少一个PCM级的第三热传递单元（HTU-3）。11.根据权利要求10所述的系统，其还包括以流体连通方式定位在所述第三热传递单元（HTU-3）与所述气体存储器之间的显热传递单元。12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述HTU-1、所述HTU-2和所述HTU-3各自包括至少两个PCM级；并且所述PCM级中的每个包括相位转移材料（PCM），其具有比邻近上游PCM级中的PCM的熔点低的熔点。13.根据权利要求10所述的系统，其还包括定位成与所述第一热传递单元（HTU-l）流体连通的第一膨胀级（T-1）；以流体连通方式定位在所述第二热传递单元（HTU-2）与所述第一热传递单元（HTU-1）之间的第二膨胀级（T-2）；以及以流体连通方式定位在所述第三热传递单元（HTU-3）与所述第二热传递单元（HTU-2）之间的第三膨胀级（T-3）。14.根据权利要求8所述的系统，其中，所述至少两个TES由上游TES和下游TES组成，所述上游TES和下游TES以流体连通方式串联连接在所述HTU-1的气体入口与气体出口之间；并且所述第一压缩级具有约8至15的压缩比；所述上游TES包括具有约为410K至460K的熔点的PCM；并且所述下游TES包括具有约为360K至390K的熔点的PCM。15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少两个TES由上游TES和下游TES组成，所述上游TES和下游TES以流体连通方式串联连接在所述HTU-1的气体入口与气体出口之间；并且所述第一压缩级具有约4至7的压缩比；所述上游TES包括具有约为360K至390K的...

【专利技术属性】
技术研发人员：SS纳林，M特西尔，
申请(专利权)人：特伦特大学，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA