[发明专利]具有可逆压缩机-膨胀器单元的压缩空气能量储存系统

说明书

技术领域

本发明的实施例主要涉及压缩空气能量储存(CAES)系统，并且更具体地涉及具有空气压缩和膨胀系统的CAES系统，该空气压缩和膨胀系统包括用于在压缩和膨胀操作模式期间压缩和膨胀空气的可逆压缩机-膨胀器单元。

背景技术

空气压缩和膨胀系统在大量行业中用于多种应用。例如，一种这样的应用为将空气压缩和膨胀系统如涡轮机那样用于产生和储存能量。压缩空气能量储存(CAES)系统通常包括具有多个压缩机的压缩组列(train)，这些压缩机压缩进入空气且将压缩的进入空气提供至储器(cavern)、地下储存装置，或其它压缩空气储存构件。然后，压缩空气随后用于驱动涡轮以产生能量，举例来说，例如电能。在CAES系统压缩阶段的操作期间，通常冷却经压缩的进入空气。在膨胀阶段的操作期间，空气从地下储存装置经由涡轮排出且膨胀，使得空气在环境压力下离开涡轮。

通常，CAES系统中的压缩机和涡轮分别通过相应的离合器而连接到发电机/马达装置上，从而容许在适合的选定时间周期期间压缩机单独地操作或涡轮单独地操作。在电网中的非高峰电力需求周期期间(即，夜晚和周末)，压缩机组列通过其离合器由发电机/马达来驱动。在此方案中，发电机/马达用作马达，从电网中获取功率。然后，压缩空气经冷却并输送至地下储存装置。在高峰需求周期期间，在涡轮离合器接合的情况下，从储存装置提取空气且然后将其经由涡轮组列加热和膨胀以通过驱动发电机/马达而提供功率。在此方案中，发电机/马达用作发电机，例如将功率提供至电网。

图1中示出了如在现有技术中所公知的CAES系统100中的空气压缩和膨胀系统的典型布置。空气压缩和膨胀系统101构造成用以交替地以压缩模式和膨胀模式操作并且包括组合马达-发电机单元102、驱动轴104，106、离合器108，110、压缩机系统112以及涡轮系统114。

马达-发电机单元102经由功率传输缆线电性地连接到基础负载功率源(或电源)上，且在压缩操作模式期间自该功率源接收功率。在压缩模式的操作期间，马达-发电机单元102产生旋转功率，该旋转功率通过驱动轴104传输至压缩机系统112。离合器108接合以将压缩机系统112联接到驱动轴104和马达-发电机单元102上，从而驱动压缩机系统112来压缩空气，该空气经储存用于随后的功率生成。

当将空气压缩和膨胀系统101切换至膨胀操作模式时，向马达-发电机单元102供送功率终止，使得向驱动轴104传递旋转功率终止且不再向压缩机系统112供给功率。然后，离合器110接合以将涡轮系统114联接到驱动轴106和马达-发电机单元102上，从而容许功率从涡轮系统114传递至马达-发电机单元102。当将所储存的压缩空气输送至涡轮系统114时，从涡轮系统114提供旋转功率，该旋转功率通过驱动轴106传递至马达-发电机单元102。

尽管在空气压缩和膨胀系统101中包括的驱动轴104，106、离合器108，110、压缩机系统112和涡轮系统114用于产生功率，但其并非没有缺陷。例如，多个驱动轴104，106和离合器108，110的布置需要许多构件和大量空间。此外，使用单独的压缩机和涡轮系统增加了此类单元的停机时间，因为它们分别仅可在CAES系统100的单个操作模式期间操作(即，压缩操作模式或膨胀操作模式)。因此，对于CAES系统100中的压缩机系统112和涡轮系统114的布置而言，出现了资金支出、操作支出和系统占地面积的增加，而操作效率将降低。

因此，将期望的是设计出克服上述缺陷的系统及方法。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于在压缩空气能量储存(CAES)系统中压缩和膨胀空气的系统及方法。CAES系统包括空气压缩和膨胀系统，其具有用于压缩和膨胀空气的可逆压缩机-膨胀器单元。可逆压缩机-膨胀器单元在压缩操作模式期间用作压缩机而交替地在膨胀操作模式期间用作膨胀器。

根据本发明的一个方面，压缩空气能量储存(CAES)系统可交替地以压缩模式和膨胀模式操作，并且包括马达-发电机单元和连接到马达-发电机单元上的驱动轴，该驱动轴构造成用以传送旋转功率往返于马达-发电机单元。CAES系统还包括至少一个可逆压缩机-膨胀器单元，其联接到驱动轴上且构造成用以有选择地压缩和膨胀空气：以及空气储存单元，其连接到可逆压缩机-膨胀器单元上且构造成用以储存从可逆压缩机-膨胀器单元所接收的压缩空气，其中，该至少一个可逆压缩机-膨胀器单元在压缩模式期间压缩空气而在膨胀模式期间使空气膨胀。