压缩空气能量储存(CAES)系统和方法技术方案

描述了一种压缩空气能量储存系统(1)。系统包括：用于压缩空气流的第一压缩机布置(3)；热能储存单元(13)，通过其，来自第一压缩机布置(3)的压缩空气相对于热积聚器件交换热；空气储存装置(17)，该空气储存装置(17)布置并且构造用于接收和积聚来自热能储存单元(13)的压缩空气；至少一个膨胀器(21)，该至少一个膨胀器(21)用于接收来自空气储存装置(17)的压缩空气，并且产生来自其的有用功率。又一压缩机布置(15)位于热能储存单元(13)和空气储存装置(17)之间。

【技术实现步骤摘要】
压缩空气能量储存(CAES)系统和方法
本公开涉及压缩空气能量储存系统，其还简短地称作CAES系统。本公开还提到用于使用CAES系统的能量储存和电能产生的方法。更具体而言，本专利技术涉及所谓的绝热CAES系统(ACAES)，其还称作先进绝热CAES系统(AACAES)。
技术介绍
CAES发电站或系统通常用作用于优化能量的利用的手段。如本领域技术人员已知的，由电分配网要求的电功率以白天期间的电功率请求的高峰和在夜间减少的功率请求而变化。大蒸汽发电站或可再生发电站产生一定量的功率，其不可随意变化。这引起在夜间在电分配网上可得到的功率的超过和高峰时间期间的功率短缺。使用燃气涡轮(尤其是航改燃气涡轮)的小发电站被实施，以便覆盖高峰功率请求。这些站可根据24小时期间的可变功率要求来开启和关闭。尽管如此，必须满足另外的措施，以便储存夜间产生的过多能量并且回收储存的能量以增加高峰时间期间的电功率产生。用于该目的的手段中的一个为CAES技术。这些系统典型地包括具有一个或更多个压缩机的压缩机组，该一个或更多个压缩机通过夜间期间的来自网的电功率驱动，即，当要求比在网上可得到的少的功率时。能够从网得到的过多功率因此转化成储存的压缩空气的压力能。压缩空气接着在白天期间利用以覆盖来自网的高峰功率请求，将压缩空气膨胀至适合的压力，并且在燃烧室中焚烧空气/燃料混合物以生成燃烧气体，该燃烧气体在涡轮中膨胀用于功率生成。为了减少这些站的环境冲击，开发了所谓的绝热或先进绝热压缩空气能量储存系统(ACAES或AACAES)。ACAES或AACAES系统不使用化石燃料来将积聚的能量转换成电功率。相反，它们储存通过空气压缩的过程生成的热，并且回收所述热以在通过一个或更多个膨胀器使压缩空气膨胀之前增大空气温度。在图1中，示意性地表示根据当前技术的AACAES或ACAES系统。ACAES系统整体标注为100。系统包括压缩机机组101，压缩机机组101在图1中示出的示例性实施例中包括具有公共轴线路109的三个连续布置的压缩机103、105、107。在压缩机入口103I处进入第一压缩机103的空气随后在增大的压力值下被压缩，并且最终在最末压缩机107的出口107E处输送。中间冷却器111布置在至少两个连续布置的压缩机之间，在实例中，布置在压缩机103和压缩机105之间。中间冷却器为换热器，其中，从上游压缩机输送的部分压缩空气在进入下一个压缩机之前被冷却，以使处理的空气的体积通过从其移除热而减小。热借助于相对于周围空气、水或任何其它冷却介质的热交换来移除。通过从部分压缩空气移除热，驱动压缩机机组101所需的机械功率的量减少。在107E处离开压缩机机组的压缩空气流过热能储存布置113，其中，热从压缩空气流移除，并且储存在适合的热能储存介质(例如，固体热储存介质(如石头)、或液体热储存介质(如油、压缩水或乙二醇))中。在一些已知的实施例中，热储存在热储存介质中，该热储存介质选择成以便经受从固体到液体的相转化，因此以潜在的液化热的形式积聚热能。冷却空气最终输送穿过安全冷却器115并且储存在空气储存装置(例如腔117)中。在图1的示意图中，指示空气流的示例性压力和温度值。仅经由实例给出这些值。离开第一压缩机103的空气可具有7bar的压力值和250℃的温度，并且在进入第二压缩机105之前在中间冷却器111中冷却至180℃。空气压力由第二压缩机105提高至28bar，并且在由最末压缩机107或压缩机机组101处理之前实现450℃的温度，在其输送侧处，空气可实现65bar的压力和650℃的温度。如果横跨所述热能储存单元的压降是可忽略的，则在热能储存单元中冷却之后，空气可具有70℃的温度和与在热能储存单元的入口侧处大致相同的压力。压缩机机组101可由可逆电机119驱动，可逆电机119能够通过第一离合器121与轴线路109选择性地连接。当过多功率能够从电功率分配网G得到时，可逆电机119在马达模式中操作。例如，可逆电机119可在夜间在马达模式中操作，以使来自网G的电功率转换成积聚在热能储存单元中的热功率，并且转换成以压缩空气储存装置117中的压缩空气的形式储存的压力能。当没有功率能够从电功率分配网G得到时，第一离合器121可解除接合，并且可逆电机119可保持处于静止。如果要求来自电功率分配网G的附加功率，则可逆电机119可切换成发电机模式，并且通过第二离合器123连接于膨胀器125。来自空气储存装置117的压缩空气可接着输送穿过热能储存单元至膨胀器125。来自空气储存装置117的压缩空气在热能储存单元中通过与热能储存单元113的热储存介质交换热而加热至例如650℃。压缩且加热的空气在膨胀器125中膨胀，这将能够在压缩且加热的空气流中得到的功率的至少部分转换成有用机械功率，该有用机械功率驱动可逆电机119，因此产生电功率，该电功率最终注入到电功率分配网G中。
技术实现思路
压缩空气能量储存系统的效率通过将压缩阶段分成第一压缩步骤和第二压缩步骤而改进。当CAES系统在空气压缩模式中操作时，热在第一压缩步骤之后和第二压缩步骤之前从部分压缩空气移除。从部分压缩空气移除的热积聚在热能储存单元中，当CAES系统在能量产生模式中操作时，回收来自其的热能。两个连续布置的压缩机之间的空气流的中间冷却可省略，并且由热移除和储存阶段替换，以使更多热能对于CAES系统的能量产生模式中的随后再使用而言为可得到的。驱动压缩机所需的功率相对于当前技术布置降低。在一些实施例中，中间冷却器仍可例如设在第一压缩机布置的连续布置压缩机之间，与热能储存单元组合，该热能储存单元布置在第一压缩机布置和第二压缩机布置之间。根据一些实施例，因此，本文中公开的主题具体涉及一种压缩空气能量储存系统，其包括：用于压缩空气流的第一压缩机布置；热能储存单元，通过其，来自第一压缩机布置的压缩空气相对于热积聚器件交换热；空气储存装置，该空气储存装置布置并且构造用于接收和积聚来自热能储存单元的压缩空气；至少一个膨胀器，该至少一个膨胀器用于产生来自压缩且加热的空气的有用功率。系统附加地包括又一压缩机布置，该又一压缩机布置位于热能储存单元和空气储存装置之间。热积聚器件可为任何装置、物质、布置等，其能够积聚和储存从部分压缩空气流移除的热能，并且将积聚的热能输送至空气的冷流等。膨胀器可包括空气膨胀器，其中，压缩且加热的空气膨胀用于产生机械功率。膨胀器还可包括燃气涡轮，其中，燃烧气体通过与燃料混合的压缩且加热的空气的燃烧生成。大体上，除非不同地指出，在本公开和所附权利要求的上下文中，用语膨胀器将看作是机器，该机器能够通过可压缩流体流的膨胀将所述流的热和压力能的至少部分转换成有用机械能。在一些实施例中，在CAES系统的能量产生操作模式期间由热能储存单元输送的压缩且加热的空气可在至少一个或更多个膨胀器中全部地膨胀，这将空气流的压力和热能转换成有用机械能，而不使用燃料。有用机械能可进而由发电机或可逆电机转换成电能。在该情形中，CAES系统为所谓的绝热或先进绝热CAES系统(AACA本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压缩空气能量储存系统，包括：/n构造成压缩空气流的第一压缩机布置，所述第一压缩机布置包括多个压缩机机组，各个压缩机机组包括多个连续布置的压缩机和用于以驱动所述连续布置的压缩机的马达，其中所述多个压缩机机组中的至少一个的马达为可逆电动机，所述可逆电动机在所述系统以电功率生成模式操作时作为发电机操作；/n热能储存单元，所述热能储存单元构造成储存从来自所述第一压缩机布置的压缩空气流移除的热能；/n第二压缩机布置，所述第二压缩机布置构造成进一步压缩离开所述热能储存单元的压缩空气流，所述第二压缩机布置包括压缩机和用以驱动所述压缩机的马达，其中所述第二压缩机布置的马达与所述多个压缩机机组中的各个的相应马达分离且不同；/n空气储存装置，所述空气储存装置构造成接收和积聚来自所述第二压缩机布置的进一步压缩的空气流；以及/n至少一个膨胀器，所述至少一个膨胀器构造成接收来自所述空气储存装置的进一步压缩的空气流，并且产生来自其的有用功率。/n

【技术特征摘要】
20131216 IT FI2013A0002991.一种压缩空气能量储存系统，包括：
构造成压缩空气流的第一压缩机布置，所述第一压缩机布置包括多个压缩机机组，各个压缩机机组包括多个连续布置的压缩机和用于以驱动所述连续布置的压缩机的马达，其中所述多个压缩机机组中的至少一个的马达为可逆电动机，所述可逆电动机在所述系统以电功率生成模式操作时作为发电机操作；
热能储存单元，所述热能储存单元构造成储存从来自所述第一压缩机布置的压缩空气流移除的热能；
第二压缩机布置，所述第二压缩机布置构造成进一步压缩离开所述热能储存单元的压缩空气流，所述第二压缩机布置包括压缩机和用以驱动所述压缩机的马达，其中所述第二压缩机布置的马达与所述多个压缩机机组中的各个的相应马达分离且不同；
空气储存装置，所述空气储存装置构造成接收和积聚来自所述第二压缩机布置的进一步压缩的空气流；以及
至少一个膨胀器，所述至少一个膨胀器构造成接收来自所述空气储存装置的进一步压缩的空气流，并且产生来自其的有用功率。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，由所述第一压缩机布置压缩的空气流具有大约40-45bar的压力和大约600-680℃的温度。


3.根据权利要求1所述的系统，其中，压缩空气输送管道将所述空气储存装置连接于所述至少一个膨胀器，所述压缩空气输送管道与所述热能储存单元成热交换关系，使得来自所述空气储存装置的压缩空气在进入所述膨胀器之前接收来自所述热能储存单元的热。


4.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个离合器，所述至少一个离合器用以选择性地将所述多个压缩机机组中的至少一个的相应马达机械地连接于所述至少一个膨胀器和/或由所述马达驱动的相应压缩机机组。


5.根据权利要求1所述的系统，其中，速度操纵装置布置在所述多个压缩机机组中的至少一个压缩机机组和驱动所述压缩机机组的相应马达之间。


6.根据权利要求1所述的系统，还包括可变频率驱动器，所述可变频率驱动器用以控制所述第二压缩机布置的马达的旋转速度。


7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个压缩机机组中的各个包括至少一个速度操纵装置，所述至少一个速度操纵装置布置在相关马达和轴线路之间，驱动相关压缩机机组的压缩机旋转。


8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述空气储存装置定位在所述第二压缩机布置和所述热能储存单元之间。


9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述热能储存单元定位在所述空气储存装置和所述膨胀器之间。


10.根据权利要求9所述的系统，还包括输送线路，所述输送线路将所述空气储存装置流体地联接至所述热能储存单元且构造成在储存在所述空气储存装置中的进一步压缩的空气进入所述膨胀器之前将所述进一步压缩的空气输送至所述热能储存单元。


11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述热能储存单元的一个流体路径在所述第一压缩机布置和所述第二压缩机布置之间，且所述热能储存单元的另一个流体路径在所述空气储存装置和所述膨胀器之间。


12.根据权利要求11所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·科萨马纳，K·K·文卡塔查拉姆，
申请(专利权)人：诺沃皮尼奥内股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT