[发明专利]用于储存热能的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请对在2010年7月14日提交的美国临时申请61/364,364以及在2010年7月14日提交的美国临时申请61/364,368要求优先权，这些申请的披露内容被结合在此。

发明背景

本发明的实施例总体上涉及热能储存系统，并且更具体地涉及将热能储存在水下储存装置中的系统和方法。

在减少非可再生能源和高的碳排放量的时代，可再生能量（RE）源提供了传统能源的替代物。然而，RE源往往得不到充分利用，因为当存在高峰需求时，可再生能量的许多形式是不可供使用的。例如，RE源可能在不希望的非高峰时段是最可供使用的，或可能位于远离最需要动力的人口集中区或居民区的区域，从而必须在高峰时段与所有的其他峰值电源一起分享电网。

RE源可以包括水力发电、地热能、海洋温差发电（OTEC）作为实例。例如，水力发电在与储存器相组合时是一种可以调大和调小以匹配或在负荷上跟随不同功率负荷的RE源。地热能和OTEC也是良好的基荷RE源；然而，地热能和OTEC的可行区域是有限的。应理解的是，海洋温差发电器虽然在传统上是跨过海洋的温跃层而使用的，但是可以额外地应用于具有地表水与深层水之间的温度差的新鲜水体。RE源还可以包括太阳能、风能、波浪和潮汐能作为实例。然而，这些能源在其提供动力的能力方面往往是间歇性的。因此，需要进行能量储存以使这些能源实质性地对电网能量供应做贡献。

电网存储的成本有效的储存从电力服务交付的开始就一直是所追求的，但目前尚未可得。在没有负担得起的储存的情况下，一整天与季节到季节的电力需求变化需要电力资产仅在部分时间被使用，这会增加在低于全容量的情况下使用的资产的资本、运营以及维护成本。并且，一些电力资产难以节流或关掉、并且难以迅速恢复到全电力。能量储存可以提供缓冲作用以便更好地将电力的需求和供应进行匹配，从而允许电源在更高容量下并且因此以更高的效率来运行。

压缩空气能量储存（CAES）是一种有吸引力的能量储存技术，该技术克服了已知能量储存技术的许多缺点。图1展示了用于CAES的一个途径。CAES系统10包括输入动力12，例如该输入动力可以来自可再生能源，如风力、波浪动力（例如，通过“鸭式发电装置（Salter Duck）”）、涌流动力、潮汐动力、或太阳能动力作为实例。在另一个实施例中，输入动力12可以来自电力电网。在可再生能量（RE）源的情况下，这样的能源可以提供间歇性的动力。在电力电网的情况下，系统10可以被连接到其上并且以一种方式来控制：电力可以在非高峰时段（例如在深夜或清晨的时段）被引出并且被储存为压缩流体能，并且接着在高峰时段被恢复，此时从系统10引出的能量可以按付费的方式（即，电能套利）被出售或增强基荷动力系统（例如煤）以便通过储存廉价的基荷动力来提供峰值容量。

输入动力12连接到机械动力14上以便压缩来自流体入口16的流体，并且产生了流体压缩18。可以通过泵和热交换器或通过压缩流体与冷却流体之间的直接接触来引入冷却作用。来自流体压缩作用18的流体经由流体输入口22传送至压缩流体储存器20。

当希望从系统10中引出储存的能量时，压缩流体可以经由流体输出口24从压缩流体储存器20中被引出，并且发生了流体膨胀26，这产生了可以被传送至例如机械装置的可用能量，该机械装置提取机械动力28以用于发电30。所产生的电力可以被传送到电网或希望被输送电力的其他装置。出口流体32以大致标准的压力或环境压力被排到环境中。

当接近等温（即，拟等温）操作时，系统10包括强制对流冷却34以便冷却来自流体压缩作用18的流体、以及强制对流加热36以便加热来自流体膨胀作用26的流体。因为压缩流体储存是在大致环境温度和压力下发生的，则用于流体压缩18的冷却作用34以及流体膨胀26之后的加热作用36二者可以通过使用围绕系统10的大量环境流体在环境温度和压力下进行。

图2展示了CAES系统10的基于海洋的拟等温实施方式。系统10的部件被定位在大海40的水面附近的平台38上。平台38被海底42支撑。压缩空气储存组件44被定位在平均深度46处并且压缩器/膨胀器系统（C/E）48被连接到发电机50上。C/E48可以包括用于拟等温操作的多个压缩级和膨胀级，并且一个热交换器包（此图未示出）可以分别地在这些压缩级或膨胀级之间冷却或再加热流体。