[发明专利]用于绝热压缩空气能量存储系统的热能存储装置以及形成此系统的压缩方法

说明书

技术领域

本发明的实施例总体涉及压缩空气能量存储(CAES)系统，且更具体地，涉及绝热CAES系统中的热能存储(TES)系统。

背景技术

CAES系统允许不产生大量的排放物和/或消耗大量的自然资源而存储电能。CAES系统典型地包括具有一个或更多压缩机的压缩组。该一个或更多压缩机在压缩阶段中压缩进气以存储在洞穴、多孔岩层、废弃天然气/油田或其他压缩空气存放场中。压缩空气则以后在能量发生阶段用于驱动涡轮以产生电能，电能又可提供给公用电网。如果在压缩阶段期间公用电能用来驱动压缩组，则压缩组常在公用设备的非高峰时间操作。CAES的能量发生阶段又典型地在高功率需求时间操作。备选地，来自可再生源的能量，诸如来自风力涡轮机或太阳能电池板阵列的能量，可用于在压缩阶段期间驱动该压缩组以压缩空气并将空气输送至压缩空气存储位置(例如洞穴)。这样，压缩组可在非高峰时间之外的时间操作，并且可以保存现有的公用电能。

一种类型的CAES系统已知为非绝热CAES系统。在非绝热CAES系统中，由压缩组产生的热量典型地损失至周围环境。就是说，压缩的热量可以损失至中间冷却器中的环境，而在进入洞穴或其他压缩空气存放场时留下的热量在压缩空气与洞穴空气混合时减少，并在存储期间进一步冷却至环境温度。因此，当存储在洞穴或压缩空气存放场中的压缩空气被用于驱动一个或更多涡轮以产生电能时，压缩空气典型地在进入涡轮前被再加热。此再加热步骤典型地使用位于压缩空气存放场和该一个或更多涡轮之间的燃烧天然气的燃烧器和回流换热器执行。由于此再加热步骤，非绝热CAES系统的整体效率降低，并且使用天然气来给燃烧器提供燃料导致碳排放和自然资源消耗。

绝热CAES或ACAES系统能够通过捕获并存储压缩的热量用于以后使用而改善系统效率。在此类系统中，一个或更多热能存储(TES)单元定位在压缩机和洞穴之间。典型地，TES单元在其中包含用于热量存储的介质，诸如混凝土、岩石、流体(例如油)、熔盐或相变材料。来自压缩阶段的热空气通过TES单元，从而在该过程中将其压缩热量传递至介质。因此，不同于非绝热CAES系统，ACAES系统不损失由压缩组产生的全部热量，而是将热量的一些存储在一个或多个TES单元内。压缩空气然后进入处于或接近环境温度的洞穴。

当存储在洞穴或其他压缩空气存储单元内的压缩空气要被抽出以驱动一个或更多涡轮来产生电能时，压缩空气往回通过TES单元，从而在进入该一个或更多涡轮之前再加热该压缩空气。这样，ACAES系统不需要另外的天然气来再加热离开洞穴或其他压缩空气存放场的压缩空气。因此，ACAES系统相对于非绝热CAES系统提供了改善的效率，具有较少(如果有的话)的碳排放并且极少甚至没有自然资源消耗。

构造成有效地存储在压缩组的压缩循环期间生成的热量的TES单元建造成承受与ACAES系统相关的高热量波动和高压力。例如，离开压缩组的压缩空气温度可从250℃到750℃变化，而从洞穴进入TES单元的压缩空气的温度接近环境温度。同样，TES单元设计成承受65-85巴的压力。为了承受此类高温和压力，对于TES单元的当前建议包括建造填充有用于热量存储的介质的大型混凝土圆柱体。由于它们的大直径，这些TES单元形成为具有厚的、预加应力的且钢增强的混凝土壁，其使得TES单元能够承受壁中由其中的压力所产生的高张力。然而，此类厚混凝土壁的建造导致极大的工程困难和高成本，从而降低了实施与较低效的非绝热CAES系统相对的ACAES系统的可行性。此外，高操作温度以及温度循环导致破坏性的热应力进入该混凝土壁，并且这些应力随着混凝土壁变厚而被放大。

因此，设计克服与TES单元建造相关的前述缺点的装置和方法将是期望的。

发明内容

本发明的多个方面提供了用于TES系统的系统和方法，该TES系统具有配置成承受高温和高压的至少一个TES单元。该至少一个TES单元建造并布置成使得该至少一个TES单元的壁具有最小的厚度。

根据本发明的一个方面，公开了一种热能存储系统，该热能存储系统包括布置成彼此紧邻的多个压力容器，各压力容器均具有包括外表面和内表面的壁，该内表面与该外表面由相应的壁厚度隔开，并且包围该压力容器的内部容积。该内部容积具有与一个或更多压缩机以及一个或更多涡轮成流体连通的第一端，以及与一个或更多附加的压缩机、一个或更多附加的涡轮以及至少一个压缩空气存放场的至少其中一个成流体连通的第二端。该热能存储系统还包括定位在该多个压力容器的每一个的内部容积中的热存储介质。