專利名稱：具有可逆壓縮機-膨脹器單元的壓縮空氣能量儲存系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例主要涉及壓縮空氣能量儲存(CAES)系統(tǒng)，并且更具體地涉及具有空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)的CAES系統(tǒng)，該空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)包括用于在壓縮和膨脹操作模式期間壓縮和膨脹空氣的可逆壓縮機-膨脹器単元。
背景技術(shù)：
空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)在大量行業(yè)中用于多種應(yīng)用。例如，一種這樣的應(yīng)用為將空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)如渦輪機那樣用于產(chǎn)生和儲存能量。壓縮空氣能量儲存(CAES)系統(tǒng)通常包括具有多個壓縮機的壓縮組列(train)，這些壓縮機壓縮進入空氣且將壓縮的進入空氣提供至儲器(cavern)、地下儲存裝置，或其它壓縮空氣儲存構(gòu)件。然后，壓縮空氣隨后用于驅(qū)動渦輪以產(chǎn)生能量，舉例來說，例如電能。在CAES系統(tǒng)壓縮階段的操作期間，通常冷卻經(jīng)壓縮的進入空氣。在膨脹階段的操作期間，空氣從地下儲存裝置經(jīng)由渦輪排出且膨脹，使得空氣在環(huán)境壓カ下離開渦輪。通常，CAES系統(tǒng)中的壓縮機和渦輪分別通過相應(yīng)的離合器而連接到發(fā)電機/馬達裝置上，從而容許在適合的選定時間周期期間壓縮機単獨地操作或渦輪單獨地操作。在電網(wǎng)中的非高峰電カ需求周期期間(即，夜晚和周末)，壓縮機組列通過其離合器由發(fā)電機/ 馬達來驅(qū)動。在此方案中，發(fā)電機/馬達用作馬達，從電網(wǎng)中獲取功率。然后，壓縮空氣經(jīng)冷卻并輸送至地下儲存裝置。在高峰需求周期期間，在渦輪離合器接合的情況下，從儲存裝置提取空氣且然后將其經(jīng)由渦輪組列加熱和膨脹以通過驅(qū)動發(fā)電機/馬達而提供功率。在此方案中，發(fā)電機/馬達用作發(fā)電機，例如將功率提供至電網(wǎng)。圖1中示出了如在現(xiàn)有技術(shù)中所公知的CAES系統(tǒng)100中的空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)的典型布置?？諝鈮嚎s和膨脹系統(tǒng)101構(gòu)造成用以交替地以壓縮模式和膨脹模式操作并且包括組合馬達-發(fā)電機単元102、驅(qū)動軸104，106、離合器108，110、壓縮機系統(tǒng)112以及渦輪系統(tǒng)114。馬達-發(fā)電機単元102經(jīng)由功率傳輸纜線電性地連接到基礎(chǔ)負(fù)載功率源(或電源)上，且在壓縮操作模式期間自該功率源接收功率。在壓縮模式的操作期間，馬達-發(fā)電機単元102產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)功率，該旋轉(zhuǎn)功率通過驅(qū)動軸104傳輸至壓縮機系統(tǒng)112。離合器108 接合以將壓縮機系統(tǒng)112聯(lián)接到驅(qū)動軸104和馬達-發(fā)電機単元102上，從而驅(qū)動壓縮機系統(tǒng)112來壓縮空氣，該空氣經(jīng)儲存用于隨后的功率生成。當(dāng)將空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)101切換至膨脹操作模式吋，向馬達-發(fā)電機単元102 供送功率終止，使得向驅(qū)動軸104傳遞旋轉(zhuǎn)功率終止且不再向壓縮機系統(tǒng)112供給功率。然后，離合器110接合以將渦輪系統(tǒng)114聯(lián)接到驅(qū)動軸106和馬達-發(fā)電機単元102上，從而容許功率從渦輪系統(tǒng)114傳遞至馬達-發(fā)電機単元102。當(dāng)將所儲存的壓縮空氣輸送至渦輪系統(tǒng)114吋，從渦輪系統(tǒng)114提供旋轉(zhuǎn)功率，該旋轉(zhuǎn)功率通過驅(qū)動軸106傳遞至馬達-發(fā)電機單元102。盡管在空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)101中包括的驅(qū)動軸104，106、離合器108，110、壓縮機系統(tǒng)112和渦輪系統(tǒng)114用于產(chǎn)生功率，但其并非沒有缺陷。例如，多個驅(qū)動軸104，106 和離合器108，110的布置需要許多構(gòu)件和大量空間。此外，使用単獨的壓縮機和渦輪系統(tǒng)増加了此類單元的停機時間，因為它們分別僅可在CAES系統(tǒng)100的單個操作模式期間操作 (即，壓縮操作模式或膨脹操作模式)。因此，對于CAES系統(tǒng)100中的壓縮機系統(tǒng)112和渦輪系統(tǒng)114的布置而言，出現(xiàn)了資金支出、操作支出和系統(tǒng)占地面積的增加，而操作效率將降低。因此，將期望的是設(shè)計出克服上述缺陷的系統(tǒng)及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供了一種用于在壓縮空氣能量儲存(CAES)系統(tǒng)中壓縮和膨脹空氣的系統(tǒng)及方法。CAES系統(tǒng)包括空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)，其具有用于壓縮和膨脹空氣的可逆壓縮機-膨脹器単元?？赡鎵嚎s機-膨脹器単元在壓縮操作模式期間用作壓縮機而交替地在膨脹操作模式期間用作膨脹器。根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，壓縮空氣能量儲存(CAEQ系統(tǒng)可交替地以壓縮模式和膨脹模式操作，并且包括馬達-發(fā)電機単元和連接到馬達-發(fā)電機単元上的驅(qū)動軸，該驅(qū)動軸構(gòu)造成用以傳送旋轉(zhuǎn)功率往返于馬達-發(fā)電機單元。CAES系統(tǒng)還包括至少ー個可逆壓縮機-膨脹器単元，其聯(lián)接到驅(qū)動軸上且構(gòu)造成用以有選擇地壓縮和膨脹空氣以及空氣儲存單元，其連接到可逆壓縮機-膨脹器単元上且構(gòu)造成用以儲存從可逆壓縮機-膨脹器單元所接收的壓縮空氣，其中，該至少ー個可逆壓縮機-膨脹器単元在壓縮模式期間壓縮空氣而在膨脹模式期間使空氣膨脹。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于在壓縮空氣能量儲存(CAES)系統(tǒng)中壓縮和膨脹空氣的方法包括以下步驟在壓縮操作階段期間將旋轉(zhuǎn)功率提供至可逆壓縮機-渦輪單元，其中，旋轉(zhuǎn)功率從組合馬達-發(fā)電機単元且經(jīng)由驅(qū)動軸提供至可逆壓縮機-渦輪單元。 該方法還包括以下步驟在壓縮操作階段期間響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)功率而在可逆壓縮機-渦輪單元中壓縮空氣、將壓縮空氣儲存在空氣儲存単元中持續(xù)所期望的時間周期、在膨脹操作階段期間將壓縮空氣從空氣儲存單元傳遞至可逆壓縮機-渦輪單元，以及在膨脹操作階段期間在可逆壓縮機-渦輪單元中使壓縮空氣膨脹，其中，可逆壓縮機-渦輪單元由所傳遞的壓縮空氣驅(qū)動。該方法還包括以下步驟在膨脹操作階段期間將由可逆壓縮機-渦輪單元所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)功率經(jīng)由驅(qū)動軸傳遞至組合馬達-發(fā)電機単元，從而致使組合馬達-發(fā)電機単元產(chǎn)生電功率。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種壓縮空氣能量儲存(CAEQ系統(tǒng)交替地以壓縮模式和膨脹模式操作并且包括組合馬達-發(fā)電機単元以及驅(qū)動軸，其中，組合馬達-發(fā)電機単元構(gòu)造成用以產(chǎn)生機械功率和電功率兩者，以及驅(qū)動軸連接到馬達-發(fā)電機単元上且構(gòu)造成用以傳送旋轉(zhuǎn)功率往返于馬達-發(fā)電機單元。CAES系統(tǒng)還包括可逆壓縮機-膨脹器単元和空氣儲存単元，其中，可逆壓縮機-膨脹器単元固定地聯(lián)接到驅(qū)動軸上，以及空氣儲存単元連接到可逆壓縮機-膨脹器単元上且構(gòu)造成用以儲存從可逆壓縮機-膨脹器単元所接收的壓縮空氣。可逆壓縮機-膨脹器単元在不使用離合器的情況下聯(lián)接到驅(qū)動軸上，使得可逆壓縮機-膨脹器単元操作以在壓縮模式期間壓縮空氣而在膨脹模式期間使空氣膨脹。各種其它特征和優(yōu)點將根據(jù)以下詳細說明和附圖而變得清楚。


附圖示出了當(dāng)前構(gòu)想出的用于執(zhí)行本發(fā)明的優(yōu)選實施例。在附圖中圖1為如在現(xiàn)有技術(shù)中所公知的壓縮空氣能量儲存(CAES)系統(tǒng)的框圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的CAES系統(tǒng)的框圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明實施例的絕熱CAES系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了ー種具有空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)的壓縮空氣能量儲存 (CAES)系統(tǒng)，該空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)包括用于壓縮和膨脹空氣的可逆壓縮機-膨脹器單元。可逆壓縮機-膨脹器単元在壓縮操作模式期間用作壓縮機而交替地在膨脹操作模式期間用作膨脹器。參看圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的CAES系統(tǒng)10。CAES系統(tǒng)10構(gòu)造成用以交替地如由操作人員所確定那樣以壓縮模式和膨脹模式操作，以便有選擇地產(chǎn)生能量，舉例來說，例如電能。CAES系統(tǒng)10包括組合馬達-發(fā)電機単元12、驅(qū)動軸14、包括ー個或多個可逆壓縮機-膨脹器単元18的空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16，以及空氣儲存単元或儲器20。如圖2中所示，空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16包括兩個壓縮機-膨脹器単元18，使得空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16構(gòu)造為兩級壓縮和膨脹系統(tǒng)。然而，認(rèn)識到的是，空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16可包括更多或更少數(shù)目的壓縮機-膨脹器単元18。因此，舉例而言，空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16可為僅具有一個壓縮機-膨脹器単元18的單級系統(tǒng)形式，或作為備選，空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16可為具有三個壓縮機-膨脹器単元18的三級系統(tǒng)形式。因此，本發(fā)明的實施例可根據(jù)CAES系統(tǒng)10的設(shè)計考慮如所期望地包括任何數(shù)目的壓縮機-膨脹器単元18。各個可逆壓縮機-膨脹器単元18均構(gòu)造成用以在CAES系統(tǒng)10的相應(yīng)壓縮和膨脹操作模式期間交替地壓縮空氣和使空氣膨脹。即是說，可逆壓縮機-膨脹器単元18構(gòu)造成用以在壓縮模式期間當(dāng)由馬達-發(fā)電機単元12和驅(qū)動軸14驅(qū)動時操作為壓縮機并且構(gòu)造成用以在膨脹操作模式期間當(dāng)供有來自于空氣儲存単元20的壓縮空氣時操作為膨脹器。因此，壓縮機-膨脹器単元18在壓縮和膨脹操作模式中的各個期間都進行操作。有利的是，壓縮機-膨脹器単元18的頻繁操作減少了與單元啟動相關(guān)的問題，因為單元幾乎總是〃曖熱的〃。由于可逆壓縮機-膨脹器単元18在壓縮和膨脹操作模式中的各個期間都進行操作，故壓縮機-膨脹器単元以無離合器布置而聯(lián)接到驅(qū)動軸14上。由于單元18構(gòu)造成用以在壓縮操作模式期間當(dāng)由馬達-發(fā)電機単元12和驅(qū)動軸14驅(qū)動時操作為壓縮機且構(gòu)造成用以在膨脹操作模式期間當(dāng)供有來自于空氣儲存単元20的壓縮空氣時操作為膨脹器，故不需要離合器來使可逆壓縮機-膨脹器単元18與驅(qū)動軸14有選擇地聯(lián)接和斷開。因此， 由可逆壓縮機-膨脹器単元18所提供的無離合器布置簡化了 CAES系統(tǒng)10中空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16的操作，從而降低了與空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16相關(guān)的資金支出和操作支出成本，例如単元生產(chǎn)成本、維護成本等。相比于包括単獨的壓縮機単元和渦輪單元的系統(tǒng)，在空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16中使用可逆壓縮機-膨脹器単元18還減小了系統(tǒng)的整體占地面積(footprint)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，可逆壓縮機-膨脹器単元18可采用眾多形式中的ー種。例如，可逆壓縮機-膨脹器単元18可構(gòu)造為徑向型壓縮機-膨脹器単元或軸向型壓縮機-膨脹器單元?？赡鎵嚎s機-膨脹器単元18還可構(gòu)造為螺桿型壓縮機-膨脹器単元或活塞型壓縮機-膨脹器単元。包括在CAES系統(tǒng)10中的可逆壓縮機-膨脹器単元18其尺寸形成為提供范圍在大約200MW至300MW的功率生成。仍參看圖2，在CAES系統(tǒng)10的壓縮操作模式期間，馬達_發(fā)電機単元12電性地連接到基礎(chǔ)負(fù)載功率源(未示出)上以便自其接收功率。電功率的輸入致使馬達-發(fā)電機單元12以馬達模式操作，從而響應(yīng)于電功率而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)功率的機械輸出。旋轉(zhuǎn)功率傳遞至驅(qū)動軸14，從而導(dǎo)致驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)。因此，壓縮機-膨脹器単元18由旋轉(zhuǎn)功率驅(qū)動以壓縮向其供送的空氣。根據(jù)圖2的實施例，空氣通過第一壓縮機-膨脹器単元22壓縮至低壓且隨后經(jīng)由壓縮-膨脹通路沈傳送至第二壓縮機-膨脹器単元對，其中，壓縮-膨脹通路沈流體地連接該第一和第二単元。空氣由第二壓縮機-膨脹器単元24進ー步壓縮至高壓，且然后經(jīng)由壓縮-膨脹通路沈傳遞至空氣儲存単元20以備隨后使用。根據(jù)本實施例，在壓縮空氣儲存在空氣儲存単元20中之前，該壓縮空氣傳送經(jīng)過多個冷卻単元觀，這些冷卻単元觀在儲器的儲存之前從壓縮空氣中除熱。冷卻単元觀定位在第一壓縮機-膨脹器単元22和第二壓縮機-膨脹器単元M中的各個的下游，以便對空氣在各級的壓縮之后進行冷卻。當(dāng)期望CAES系統(tǒng)10以膨脹操作模式操作吋，通向馬達_發(fā)電機単元12的電功率終止，且空氣從空氣儲存單元20取回以便膨脹。從儲存単元20取回的先前壓縮的空氣提供至壓縮-膨脹通路沈且經(jīng)由其傳遞至第二壓縮機-膨脹器単元對。壓縮空氣致使第二壓縮機-膨脹器単元M用作膨脹器/渦輪，且空氣因此通過第二壓縮機-膨脹器単元M 從高壓膨脹至較低壓力(即，“低"壓)。然后，空氣繼續(xù)傳送穿過壓縮-膨脹通路沈以由第一壓縮機-膨脹器単元22接收。第一壓縮機-膨脹器単元22由低壓壓縮空氣驅(qū)動且用作膨脹器/渦輪以便使空氣進一歩膨脹。壓縮空氣在第一壓縮機-膨脹器単元22和第 ニ壓縮機-膨脹器単元M中的各個中的膨脹產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)功率。旋轉(zhuǎn)功率傳遞至驅(qū)動軸14，驅(qū)動軸14接收旋轉(zhuǎn)功率且將該功率傳遞至馬達-發(fā)電機単元12。馬達-發(fā)電機単元12在膨脹操作模式期間以發(fā)電機模式操作，且因此響應(yīng)于從渦輪系統(tǒng)22所接收的旋轉(zhuǎn)功率輸出而產(chǎn)生電功率。根據(jù)本實施例，在壓縮空氣由第一壓縮機-膨脹器単元22和第二壓縮機-膨脹器単元M而膨脹之前，該壓縮空氣傳送經(jīng)過對壓縮空氣加熱的多個加熱単元或燃燒器30。加熱單元30定位在第一壓縮機-膨脹器単元22和第二壓縮機-膨脹器単元M中的各個的上游，以便對壓縮空氣在各級的膨脹之前進行加熱?，F(xiàn)在參看圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的絕熱壓縮空氣能量儲存(ACAES)系統(tǒng) 32的框圖。ACAES系統(tǒng)32構(gòu)造成用以交替地如由操作人員所確定那樣以壓縮模式和膨脹模式操作，以便有選擇地產(chǎn)生能量，舉例來說，例如電能。ACAES系統(tǒng)32包括組合馬達-發(fā)電機單元12、驅(qū)動軸14、包括ー個或多個可逆壓縮機-膨脹器単元18的空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16、空氣儲存単元或儲器20，以及用于在壓縮和膨脹操作模式期間加熱和冷卻空氣的ー 個或多個熱能儲存(TEQ単元34。
如圖3中所示，空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16包括兩個壓縮機-膨脹器単元18，使得空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16構(gòu)造為兩級壓縮和膨脹系統(tǒng)。然而，認(rèn)識到的是，空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)16可包括更多或更少數(shù)目的壓縮機-膨脹器単元18?？赡鎵嚎s機-膨脹器単元18中的各個均構(gòu)造成用以在ACAES系統(tǒng)32的相應(yīng)壓縮和膨脹操作模式期間交替地壓縮空氣和使空氣膨脹。即是說，可逆壓縮機-膨脹器単元18構(gòu)造成用以在壓縮模式期間當(dāng)由馬達-發(fā)電機單元12和驅(qū)動軸14驅(qū)動時操作為壓縮機且構(gòu)造成用以在膨脹操作模式期間當(dāng)供有來自于空氣儲存単元20的壓縮空氣時操作為膨脹器。因此，壓縮機-膨脹器単元18在壓縮和膨脹操作模式中的各個期間都進行操作。在ACAES系統(tǒng)32的壓縮操作模式期間，馬達_發(fā)電機単元12電性地連接到基礎(chǔ)負(fù)載功率源(未示出)上以便自其接收功率。電功率的輸入致使馬達-發(fā)電機単元12以馬達模式操作，從而響應(yīng)于電功率而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)功率的機械輸出。旋轉(zhuǎn)功率傳遞至驅(qū)動軸14， 從而導(dǎo)致驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)。因此，壓縮機-膨脹器単元18由旋轉(zhuǎn)功率驅(qū)動以壓縮向其供送的空氣。根據(jù)圖3的實施例，空氣通過第一壓縮機-膨脹器単元22壓縮至低壓且隨后經(jīng)由壓縮-膨脹通路26傳送至第二壓縮機-膨脹器単元對，其中，壓縮-膨脹通路沈流體地連接該第一和第二単元。空氣由第二壓縮機-膨脹器単元M進ー步壓縮至高壓且然后經(jīng)由壓縮-膨脹通路沈傳遞至空氣儲存単元20以備隨后使用。另外在ACAES系統(tǒng)32的壓縮操作模式期間，空氣在各級的壓縮之后傳送經(jīng)過TES 単元34。TES単元34用于在壓縮操作模式期間冷卻(S卩，除熱)傳送經(jīng)過壓縮-膨脹通路的空氣。TES単元34在其中包括熱填料(fill)36，其由足量的儲熱材料構(gòu)成以在儲存于空氣儲存単元20之前儲存在壓縮階段期間所產(chǎn)生的壓縮熱，其中，所儲存的熱隨后在ACAES 系統(tǒng)32的膨脹階段/操作模式期間傳送回至壓縮空氣。在膨脹操作模式期間，空氣從空氣儲存単元20取回以便膨脹。從儲存単元20取回的先前壓縮的空氣提供至壓縮-膨脹通路26且經(jīng)由其傳送至第二壓縮機-膨脹器単元對。壓縮空氣致使第二壓縮機-膨脹器単元M用作膨脹器/渦輪，且空氣因此通過第二壓縮機-膨脹器単元M從高壓膨脹至較低壓力(即，“低"壓)。然后，空氣繼續(xù)傳送經(jīng)過壓縮-膨脹通路26以由第一壓縮機-膨脹器単元22接收。第一壓縮機-膨脹器単元22由低壓壓縮空氣驅(qū)動且用作膨脹器/渦輪以使空氣進一歩膨脹。壓縮空氣在第一壓縮機-膨脹器單元22和第二壓縮機-膨脹器単元M中的各個中的膨脹產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)功率。旋轉(zhuǎn)功率傳遞至驅(qū)動軸14，驅(qū)動軸14接收旋轉(zhuǎn)功率且將該功率傳遞至馬達-發(fā)電機單元12。馬達-發(fā)電機單元12在膨脹操作模式期間以發(fā)電機模式操作，且因此響應(yīng)于從渦輪系統(tǒng)22所接收的旋轉(zhuǎn)功率輸出而產(chǎn)生電功率。另外在ACAES系統(tǒng)32的膨脹操作模式期間，空氣在各級的膨脹之前傳送經(jīng)過TES 単元34。TES単元34用于在膨脹操作模式期間加熱傳送經(jīng)過壓縮-膨脹通路沈的空氣。 在壓縮操作模式期間產(chǎn)生的儲存在TES単元34中的熱隨著壓縮空氣在ACAES系統(tǒng)32的膨脹操作模式期間經(jīng)由其傳送回而加回至壓縮空氣。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，壓縮空氣能量儲存(CAEQ系統(tǒng)可交替地以壓縮模式和膨脹模式操作且包括馬達-發(fā)電機単元和連接到馬達-發(fā)電機単元上的驅(qū)動軸，該驅(qū)動軸構(gòu)造成用以傳遞旋轉(zhuǎn)功率往返于馬達-發(fā)電機單元。CAES系統(tǒng)還包括至少ー個可逆壓縮機-膨脹器單元以及空氣儲存単元，其中，可逆壓縮機-膨脹器單元聯(lián)接到驅(qū)動軸上且構(gòu)造成用以有選擇地壓縮空氣和使空氣膨脹，以及空氣儲存單元連接到可逆壓縮機-膨脹器単元上且構(gòu)造成用以儲存自其所接收的壓縮空氣，其中，該至少ー個可逆壓縮機-膨脹器単元在壓縮模式期間壓縮空氣而在膨脹模式期間使空氣膨脹。根據(jù)另ー實施例，一種用于在壓縮空氣能量儲存(CAES)系統(tǒng)中壓縮和膨脹空氣的方法包括以下步驟在壓縮操作階段期間將旋轉(zhuǎn)功率提供至可逆壓縮機-渦輪單元，其中，旋轉(zhuǎn)功率從組合馬達-發(fā)電機単元且經(jīng)由驅(qū)動軸提供至可逆壓縮機-渦輪單元。該方法還包括以下步驟在壓縮操作階段期間響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)功率而在可逆壓縮機-渦輪單元中壓縮空氣、將壓縮空氣儲存在空氣儲存単元中持續(xù)所期望的時間周期、在膨脹操作階段期間將壓縮空氣從空氣儲存単元傳遞至可逆壓縮機-渦輪單元，以及在膨脹操作階段期間在可逆壓縮機-渦輪單元中使壓縮空氣膨脹，其中，可逆壓縮機-渦輪單元由所傳遞的壓縮空氣驅(qū)動。該方法還包括以下步驟在膨脹操作階段期間將由可逆壓縮機-渦輪單元所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)功率經(jīng)由驅(qū)動軸傳遞至組合馬達-發(fā)電機単元，從而致使組合馬達-發(fā)電機單元產(chǎn)生電功率。根據(jù)本發(fā)明的又ー實施例，一種壓縮空氣能量儲存(CAES)系統(tǒng)交替地以壓縮模式和膨脹模式操作且包括組合馬達-發(fā)電機単元以及驅(qū)動軸，其中，組合馬達-發(fā)電機単元構(gòu)造成用以產(chǎn)生機械功率和電功率二者，以及驅(qū)動軸連接到馬達-發(fā)電機単元上且構(gòu)造成用以傳送旋轉(zhuǎn)功率往返于馬達-發(fā)電機単元。CAES系統(tǒng)還包括固定地聯(lián)接到驅(qū)動軸上的可逆壓縮機-膨脹器単元以及連接到可逆壓縮機-膨脹器単元上的空氣儲存単元，其中，空氣儲存單元構(gòu)造成用以儲存從可逆壓縮機-膨脹器単元所接收的壓縮空氣。可逆壓縮機-膨脹器單元在不使用離合器的情況下聯(lián)接到驅(qū)動軸上，使得可逆壓縮機-膨脹器単元操作以在壓縮模式期間壓縮空氣而在膨脹模式期間使空氣膨脹。本書面說明使用了包括最佳模式的實例來公開本發(fā)明，且還使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所結(jié)合的方法。本發(fā)明可取得專利的范圍由權(quán)利要求限定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員構(gòu)想出的其它實例。如果這些其它實例具有與權(quán)利要求的字面語言并無不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這些其它實例包括與權(quán)利要求的字面語言無實質(zhì)差異的同等結(jié)構(gòu)元件，則認(rèn)為這些實例落在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種交替地以壓縮模式和膨脹模式操作的壓縮空氣能量儲存(CAES)系統(tǒng)，所述 CAES系統(tǒng)包括馬達-發(fā)電機単元；驅(qū)動軸，其連接到所述馬達-發(fā)電機単元上且構(gòu)造成用以傳送旋轉(zhuǎn)功率往返于所述馬達-發(fā)電機單元；至少ー個可逆壓縮機-膨脹器単元，其聯(lián)接到所述驅(qū)動軸上且構(gòu)造成用以有選擇地壓縮和膨脹空氣；以及空氣儲存単元，其連接到所述可逆壓縮機-膨脹器単元上且構(gòu)造成用以儲存從所述可逆壓縮機-膨脹器単元所接收的壓縮空氣；其中，所述至少ー個可逆壓縮機-膨脹器単元在所述壓縮模式期間壓縮空氣而在所述膨脹模式期間使空氣膨脹。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，所述可逆壓縮機-膨脹器單元構(gòu)造成用以當(dāng)由所述驅(qū)動軸驅(qū)動時用作壓縮機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，所述可逆壓縮機-膨脹器單元構(gòu)造成用以當(dāng)供有來自于所述空氣儲存単元的壓縮空氣時用作膨脹器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，所述可逆壓縮機-膨脹器単元包括徑向型壓縮機-膨脹器単元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，所述可逆壓縮機-膨脹器単元包括軸向型壓縮機-膨脹器単元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，所述可逆壓縮機-膨脹器単元包括螺桿型壓縮機-膨脹器単元。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，所述可逆壓縮機-膨脹器単元包括活塞型壓縮機-膨脹器単元。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，所述至少ー個可逆壓縮機-膨脹器単元包括第一可逆壓縮機-膨脹器単元；以及第二可逆壓縮機-膨脹器単元；其中，所述第一可逆壓縮機-膨脹器単元和所述第二可逆壓縮機-膨脹器単元由壓縮-膨脹通路流體地連接以形成兩級壓縮膨脹系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，所述CAES系統(tǒng)還包括至少ー個熱能儲存(TES)単元，使得所述CAES系統(tǒng)構(gòu)造為絕熱CAES系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，至少ー個可逆壓縮機-膨脹器単元以無離合器布置而固定地聯(lián)接到所述驅(qū)動軸上。
11.一種用于在壓縮空氣能量儲存(CAES)系統(tǒng)中壓縮和膨脹氣體的方法，包括在壓縮操作階段期間將旋轉(zhuǎn)功率提供至可逆壓縮機-渦輪單元，所述旋轉(zhuǎn)功率從組合馬達-發(fā)電機單元旦經(jīng)由驅(qū)動軸而提供至所述可逆壓縮機-渦輪單元；在所述壓縮操作階段期間響應(yīng)于所述旋轉(zhuǎn)功率而在所述可逆壓縮機-渦輪單元中壓縮空氣；將所述壓縮空氣儲存在空氣儲存単元中持續(xù)所期望的時間周期；在膨脹操作階段期間將所述壓縮空氣從所述空氣儲存單元傳遞至所述可逆壓縮機-渦輪單元；在所述膨脹操作階段期間使所述壓縮空氣在所述可逆壓縮機-渦輪單元中膨脹，所述可逆壓縮機-渦輪單元由所傳遞的壓縮空氣驅(qū)動；以及將在所述膨脹操作階段期間由所述可逆壓縮機-渦輪單元所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)功率經(jīng)由所述驅(qū)動軸傳遞至所述組合馬達-發(fā)電機単元，從而致使所述組合馬達-發(fā)電機単元產(chǎn)生電功率。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在干，在所述可逆壓縮機-渦輪單元中壓縮空氣包括在徑向型壓縮機-膨脹器単元中壓縮空氣。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在干，在所述可逆壓縮機-渦輪單元中壓縮空氣包括在軸向型壓縮機-膨脹器単元中壓縮空氣。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在干，在所述可逆壓縮機-渦輪單元中壓縮空氣包括在螺桿型壓縮機-膨脹器単元中壓縮空氣。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在干，在所述可逆壓縮機-渦輪單元中壓縮空氣包括在活塞型壓縮機-膨脹器単元中壓縮空氣。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在干，在所述可逆壓縮機-渦輪單元中壓縮和膨脹空氣包括分別在所述壓縮操作階段和所述膨脹操作階段期間在第一可逆壓縮機-膨脹器単元中壓縮和膨脹空氣；以及分別在所述壓縮操作階段和所述膨脹操作階段期間在第二可逆壓縮機-膨脹器単元中壓縮和膨脹空氣。
17.ー種交替地以壓縮模式和膨脹模式操作的壓縮空氣能量儲存(CAEQ系統(tǒng)，所述 CAES系統(tǒng)包括組合馬達-發(fā)電機單元，其構(gòu)造成用以產(chǎn)生機械功率和電功率兩者；驅(qū)動軸，其連接到所述馬達-發(fā)電機單元上且構(gòu)造成用以傳送旋轉(zhuǎn)功率往返于所述馬達-發(fā)電機單元；可逆壓縮機-膨脹器単元，其固定地聯(lián)接到所述驅(qū)動軸上；以及空氣儲存単元，其連接到所述可逆壓縮機-膨脹器単元上且構(gòu)造成用以儲存從所述可逆壓縮機-膨脹器単元所接收的壓縮空氣；其中，所述可逆壓縮機-膨脹器単元在不使用離合器的情況下聯(lián)接到所述驅(qū)動軸上， 使得所述可逆壓縮機-膨脹器単元操作以在所述壓縮模式期間壓縮空氣而在所述膨脹模式期間使空氣膨脹。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，所述可逆壓縮機-膨脹器單元構(gòu)造成用以在所述壓縮操作模式期間當(dāng)由所述驅(qū)動軸驅(qū)動時用作壓縮機。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，所述可逆壓縮機-膨脹器單元構(gòu)造成用以當(dāng)供有來自于所述空氣儲存単元的壓縮空氣時用作膨脹器。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，所述可逆壓縮機-膨脹器単元包括徑向型壓縮機-膨脹器単元、軸向型壓縮機-膨脹器単元、螺桿型壓縮機-膨脹器單元以及活塞型壓縮機-膨脹器単元中的ー個。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的CAES系統(tǒng)，其特征在干，所述CAES系統(tǒng)包括至少ー個附加的可逆壓縮機-膨脹器単元，使得所述可逆壓縮機-膨脹器単元和所述至少一個附加的可逆壓縮機-膨脹器単元形成多級空氣壓縮和膨脹系統(tǒng)。
全文摘要
公開的是一種用于在壓縮空氣能量儲存(CAES)系統(tǒng)中壓縮和膨脹空氣的系統(tǒng)及方法。提供了CAES系統(tǒng)，其交替地以壓縮模式和膨脹模式操作且在其中包括馬達-發(fā)電機單元和連接到馬達-發(fā)電機單元上的驅(qū)動軸，其中，驅(qū)動軸構(gòu)造成用以傳送旋轉(zhuǎn)功率往返于馬達-發(fā)電機單元。CAES系統(tǒng)還包括至少一個可逆壓縮機-膨脹器單元以及空氣儲存單元，其中，可逆壓縮機-膨脹器單元聯(lián)接到驅(qū)動軸上且構(gòu)造成用以有選擇地壓縮和膨脹空氣，以及空氣儲存單元連接到可逆壓縮機-膨脹器單元上且構(gòu)造成用以儲存從可逆壓縮機-膨脹器單元所接收的壓縮空氣，其中，該至少一個可逆壓縮機-膨脹器單元在壓縮模式期間壓縮空氣而在膨脹模式期間使空氣膨脹。
文檔編號F02C6/16GK102597458SQ201080049816
公開日2012年7月18日 申請日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者A·辛普森, C·阿爾伯格, G·阿斯特, M·勒哈, M·芬肯拉特, R·奧曼, S·M-N·霍夫曼, T·弗里 申請人:通用電氣公司