[发明专利]布置在水体中的能量存储系统

说明书

相关申请的交叉引用

本发明要求于2013年3月14日提交的美国临时专利申请号61/782,153的优先权，其全部内容通过参引并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及能量存储系统，并且更具体地涉及布置在水体中的能量存储系统。

背景技术

需要公共设施规模的能量存储系统来实现若干相互关联的能量产生目标。这些目标包括：提高能量产生系统的效率，满足消费者的变化的需求，以及支承替代性的、可再生的能源产生源的布置。目前存在许多能量存储系统和方法，这些现存的系统和技术具有一系列局限性，并且因此不能完全地满足公共设施规模的布置的需求。

能量产生系统的效率受到电能必须在其产生后尽快使用、否则电能将会损失的事实的影响。因为在每一天的过程期间对于电能的需求是变化的，电能产生源在非高峰时段比如夜间期间会具有过量的能量，并且在高峰时段比如白天期间的能量不足以满足需求。通过允许存储非高峰时段的过量的能量并且在高峰时段传递所存储的能量，从而使得能量存储系统提高能量产生系统和其传递的能量的效率和值。

消费者希望当他们需要电能时就存在电能。为了满足该期望，公用事业公司必须具有非常大的能够以所存储的能量的形式获得的储备能力。该能量必须能够在几秒或几分钟内传送到线路上，以维持电网的稳定。

希望使用可再生能源——比如风能和太阳能——来减少对化石燃料的依赖，从而减少导致全球气候变化的温室气体的产生。然而，可再生能量产生源——比如风能和太阳能——由于其间歇性的特性需要能量存储方法以便能够进行始终一致的传送。在风电场的情况下，当风增大或者减小时输出剧烈地变化。当经过的云减小或消除了早已只在白天时段运行的太阳能系统的输出时，太阳能也存在类似的问题。与间歇性能量源——比如风能和太阳能——协同工作的能量存储系统允许收获间歇性能源用于后续至电网和消费者的始终一致的传送。

存在许多类型的公共设施规模的能量存储方法来满足提高效率、满足消费者要求、以及能够布置替代性的可再生能源比如风能和太阳能的目标。这些存储系统包括电池形式的化学存储、电容式电存储、压缩气体或弹簧形式的机械存储、飞轮形式的运动式能量存储、以及抽水储能形式的重力势能存储。化石燃料是借助自然过程历经数百万年将太阳能存储在植物物质中的(非可再生的)能量存储的形式。

现有的能量存储方法存在一个或更多个涉及成本、技术和环境问题的限制。由于这些限制，能量存储系统尚不能完全满足提高效率、满足消费者需求、以及能够布置替代性的可再生能源比如风能和太阳能的需要。

现有的能量存储方法的一组限制涉及大规模能量存储系统的成本和安装要求。能量存储方法的资金成本可能太高而不可行，其成本远远大于通过该方法获得的益处。另外，该方法的选址要求可能限制太多从而在商业上不可行，或甚至在给定的环境或位置上不可行。例如，由于保护环境的地方规章，给定的位置可能不适合构建用于存储抽水储蓄能量的大的蓄水器。随着人口密度的增加，找寻能够支承大型公用事业布置的位置变得越来越困难。此外，存储方法可能无法为了满足常规公用设施安装的需要而进行扩展。例如，化学电池存储每千瓦能量占用的空间非常大。

其他限制基于能量存储方法的潜在的技术而产生。一个共同的限制是，该方法支持的充/放电循环的数量对于支持公用事业级别的应用可能不够高。例如化学电池就是这种情况，其必须以很大的成本进行周期性的更换。另外，所存储的能量可能随着时间的推移而减少，比如飞轮由于与移动部件的摩擦而逐渐地损失能量。

另外，当前可用的能量存储系统可能产生环境问题。例如，抽水储能系统通过将水从较低高度的蓄水器泵送至较高高度的蓄水器来运行。这些大的蓄水器通常建在陆地上，取代了以前存在的生态系统。如另一示例，具有有限的生命周期的化学电池在其使用期限结束时存在环境处理问题。

考虑到对于能量存储系统的需求以及现有系统的局限性，需要一种能量存储系统，该能量存储系统提高能量产生的效率、满足变化的消费者需求以及能够布置替代性的可再生能源比如风能和太阳能，并且不受有关成本、规模和环境影响的限制。

发明内容