[发明专利]一种用于存储和传输流体的设备，以及存储和传输包含在这种设备内的压缩气体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于存储和传输压缩气体的设备，特别是通过压缩然后扩展的气体来存储和传输电能。 

本发明也包括一种设备，其用于提取和存储由压缩气体所产生的热量并且在气体扩展前或扩展中将热量恢复到该气体中。 

背景技术

压缩气体的使用，特别是压缩空气的使用，对于目前大多数行业来说，是一个主要的成本项目。尽管这不是一个详尽的清单，这些行业包括航空行业、航天行业、农业综合企业行业、汽车行业、化学行业、冶金行业、玻璃器皿行业、石油行业和玻璃行业。仅压缩空气的生产就消耗了工业中所使用电量的10％。 

以工业中通常使用的压力，在六巴到十几巴的范围内，提供这些气体的高存储能力是很少被采用的，因为存储中气体的低密度和传送中的可变压力。 

这意味着气体必须在其使用过程的同时被压缩，这产生了显著的额外成本，比如由于在最贵的时间内或大型压缩单元的电量消耗。 

电能的存储，作为压缩气体的应用之一，在以下方面是至关重要的：能够有助于输电网络的稳定性，满足高峰时期的需求，参与集成诸如风能或太阳能的间歇性能源，可在低需求时期，即输送电最便宜的时候，存储廉价或清洁的能源，在高需求时期，即它最贵的时候，在高峰时期补充无 电抗生产装置，来提出一些应用。 

很多技术已经在涉及大规模存储方面有所发展，最为普遍的是泵送水力存储和压缩空气能量存储，在压缩空气能量存储中，电能被用来压缩空气，该空气以压缩形式存储于人工或天然的存储器中。该空气的扩展通过涡轮扩展器传送出一部分被用于压缩的电能。 

各种热力循环被用于这项技术。最简单的是利用电机驱动的压缩机来压缩空气，其允许具有中间冷却时间的多级压缩，以便在空气压缩中使用尽可能少的能量，接近等温压缩及扩展。压缩空气随后存储于一个存储器中。目前的高容量存储器是天然或人工的地下洞穴。当电能待传输时，压缩空气从存储器中被提取，通过添加外部热能源加热，比如使用燃油、天然气、电力或其它任何热能源，并且通过一个驱动发电机的涡轮机而扩展。这种循环具有相当低的能源效率，特别是考虑到需要在空气穿过涡轮机之前提供外部热能源来加热空气，因为对于这个循环，损失了在空气压缩中产生的热量。 

很多其他热力学循环被提出，并且具有在涡轮机输出端恢复热量来提高循环的综合效率。 

这些循环之一，被称为“绝热(adiabatic)”循环，使用多变压缩机来从压缩的每一级里的压缩空气中提取热量，并存储该热量，该压缩空气被存储于一个存储器中。当电能待传输时，压缩空气从存储器中被提取出来，由压缩过程中存储的热量加热，并且通过一个驱动发电机的涡轮机而扩展。这种“绝热”循环避免了使用额外的外部加热，并提供了高于70％的效率，这是由于压缩过程中产生的热量的恢复。它不排放二氧化碳。 

目前，大容量气体存储装置使用天然或人工的地下洞穴或制成的刚性容器来存储压缩空气。 

地下洞穴要求特定的地质环境：流体气密性，周围岩石能承受的压力和地震风险。可用位置的可能性是有限的，而且并不一定与用来存储电能 的理想区域一致，比如因为它们远离将消耗或产生能量的地方或这些区域的输电网络不充足。 

这些设施的主要缺点之一是在空气存储和传送过程中它们不允许保持恒压。 

那么，这要求下列两者之一：一个能在可变输出压力下运行的压缩设施，一个能在可变输入压力下运行的扩展设施，以及储气库的使用，该储气库的压力范围等于压缩和扩展设施运行压力范围；或者将来自储气库的输出压力调节到储气库运行范围的最小值。这些压力变化很大程度上影响了工厂的效率以及它存储压缩空气的服务容量。比如，德国亨托夫市的设施使用310,000立方米的地下存储室，其压力范围为43到70巴。美国的麦金托什设施使用370,000立方米的地下存储室，其压力范围为45到80巴。可以注意到，在给定地下洞穴的稳定性约束的情况下，最大压力被限制至80巴，可用压力范围大约为40巴。这两个因素严重限制了可以被存储于存储器中每个单位体积的能量。 

关于在地下洞穴中的存储，美国专利4355923中提出的一个概念，通过将洞穴和置于更高点的液压存储器连接起来以获得恒压。这个概念要求具有非常特别的地理条件，以及将存储器中的压力限定为由液压存储器产生的流体静压力。