(57)【要約】  断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）システム（１０）は、コンプレッサシステム（１６）と、空気貯蔵ユニット（２０）と、タービンシステム（１８）とを備える。ＡＣＡＥＳシステムはさらに、容器（４４）と、複数の熱交換器（５４、５６）と、容器を複数の熱交換器（５４、５６）に流体結合する液体ＴＥＳ媒体導管システム（５８）と、容器（４４）内に貯蔵された液体ＴＥＳ媒体とを備えた熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システム（４０）を備える。ＴＥＳシステムはさらに、液体ＴＥＳ媒体導管システムに結合され、複数の熱交換器（５４、５６）と容器（４４）との間で液体ＴＥＳ媒体（４６）を輸送するように構成された複数のポンプ（６０、６２）と、容器（４４）内に配置され、液体ＴＥＳ媒体の低温の第１の部分（５２）を液体ＴＥＳ媒体の高温の第２の部分（５０）から熱的に分離するように構成された熱分離システム（４８）とを備える。【選択図】図１
2013509530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された空気を圧縮するように構成されたコンプレッサシステムであって、複数のコンプレッサと、前記複数のコンプレッサを流体接続し、かつ空気入口および空気出口を有するコンプレッサ導管とを備えたコンプレッサシステムと、
前記コンプレッサ導管の前記空気出口に接続され、前記コンプレッサシステムから受け取った圧縮空気を貯蔵するように構成された空気貯蔵ユニットと、
前記空気貯蔵ユニットから供給された圧縮空気を膨張させるように構成されたタービンシステムであって、複数のタービンと、前記複数のタービンを流体接続し、かつ空気入口および空気出口を有するタービン導管とを備えたタービンシステムと、
前記コンプレッサ導管を通る圧縮空気から熱エネルギーを除去して、前記タービン導管を通る空気に熱エネルギーを戻すように構成された熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムであって、容器と、複数の熱交換器と、前記容器を前記複数の熱交換器に流体結合する液体ＴＥＳ媒体導管システムと、前記容器内に貯蔵された液体ＴＥＳ媒体と、前記液体ＴＥＳ媒体導管システムに結合され、前記複数の熱交換器と前記容器との間で前記液体ＴＥＳ媒体を輸送するように構成された複数のポンプと、前記容器内に配置され、前記液体ＴＥＳ媒体の低温の第１の部分を前記液体ＴＥＳ媒体の高温の第２の部分から熱的に分離するように構成された熱分離システムとを備えた熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムとを備えた、断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）システム。
【請求項２】
前記熱分離システムが、前記容器内の第１の温度の液体ＴＥＳ媒体の量に応じて、前記容器内で位置を変えるように構成された浮動分離ピストンを備えた、請求項１記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項３】
前記熱分離システムが、前記容器内の固定位置にある媒体を含む、請求項１記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項４】
前記熱分離システムが、コンクリート、岩、れんが、および金属の１つを含む、請求項３記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項５】
前記液体ＴＥＳ媒体導管システムが、複数の熱交換器を並行モードで流体結合する、請求項１記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項６】
前記液体ＴＥＳ媒体導管システムに流体結合され、前記容器内で前記熱分離システムの第１の側にある一定量の前記液体ＴＥＳ媒体を、前記複数の熱交換器に送るように構成された第１のポンプと、
前記液体ＴＥＳ媒体導管システムに流体結合され、前記容器内で前記熱分離システムの第２の側にある一定量の前記液体ＴＥＳ媒体を、前記複数の熱交換器に送るように構成された第２のポンプとをさらに備えた、請求項１記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項７】
前記複数のコンプレッサが、低圧コンプレッサおよび高圧コンプレッサを備え、
前記複数のタービンが、低圧タービンおよび高圧タービンを備え、
前記複数の熱交換器が、前記低圧コンプレッサと前記高圧コンプレッサとの間で前記コンプレッサ導管に接続され、前記低圧タービンと前記高圧タービンとの間で前記タービン導管に接続された第１の熱交換器と、前記高圧コンプレッサと前記空気貯蔵ユニットとの間で前記コンプレッサ導管に接続され、前記高圧タービンと前記空気貯蔵ユニットとの間で前記タービン導管に接続された第２の熱交換器とを備えた、請求項１記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項８】
前記コンプレッサ導管が、第１の圧力の空気を前記第１の熱交換器に通し、次に第２の圧力の空気を前記第２の熱交換器に通すように構成され、
前記タービン導管が、前記第２の圧力の空気を前記第２の熱交換器に通し、次に前記第１の圧力の空気を前記第１の熱交換器に通すように構成された、請求項７記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項９】
前記第１の圧力の空気が低圧空気を含み、前記第２の圧力の空気が高圧空気を含む、請求項８記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項１０】
前記第１の熱交換器と前記高圧コンプレッサとの間で前記コンプレッサ導管に接続された中間冷却器をさらに備えた、請求項７記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項１１】
前記コンプレッサシステムおよび前記タービンシステムに結合可能な駆動軸であって、前記コンプレッサシステムに回転力を伝達し、かつ前記タービンシステムから回転力を受けるように構成された駆動軸と、
前記駆動軸に結合された電動発電機ユニットであって、外部エネルギー源からの電気エネルギーを受け、回転力を発生させて前記駆動軸に伝達するように構成され、前記駆動軸から回転力を受け、それに応じて電気エネルギーを発生させるように構成された電動発電機ユニットとをさらに備えた、請求項１記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項１２】
空気をコンプレッサシステムに供給するステップであって、前記コンプレッサシステムが、コンプレッサ導管により流体接続された複数のコンプレッサユニットを備えたステップと、
圧縮段階で前記コンプレッサシステム内の前記空気を圧縮するステップと、
圧縮空気貯蔵ユニットに前記圧縮空気を貯蔵するステップと、
前記圧縮空気貯蔵ユニットからタービンシステムへ前記圧縮空気を供給するステップであって、前記タービンシステムが、タービン導管により流体接続された複数のタービンユニットを備えたステップと、
膨張段階で前記タービンシステム内の前記空気を膨張させるステップと、
前記圧縮段階および前記膨張段階のそれぞれにおいて、前記コンプレッサ導管および前記タービン導管にそれぞれ結合された液体熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムに前記空気を通すステップであって、前記液体ＴＥＳシステムが、液体貯蔵体積部と、前記液体貯蔵体積部に流体結合された複数の熱交換器と、第１の側にある前記液体貯蔵体積部内の液体を、第２の側にある前記液体貯蔵体積部内の液体から熱的に分離するように構成された熱分離ユニットとを備えたステップとを含む、断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）のための方法。
【請求項１３】
前記熱分離ユニットの前記第１の側にある前記液体貯蔵体積部内の前記液体を、前記圧縮段階において並行モードで前記複数の熱交換器を通して汲み上げて、前記コンプレッサ導管を通る前記空気から熱を除去するステップと、
前記熱分離ユニットの前記第２の側にある前記液体貯蔵体積部内の前記液体を、前記膨張段階において並行モードで前記複数の熱交換器を通して汲み上げて、前記タービン導管を通る前記空気に熱を加えるステップとをさらに含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記複数のＴＥＳユニットに前記空気を通すステップが、
前記コンプレッサ導管に前記空気を通すときに、前記複数の熱交換器のうち第１の熱交換器に前記空気を通し、次に前記複数の熱交換器のうち第２の熱交換器に前記空気を通して、低圧空気が前記第１の熱交換器を通り、高圧空気が前記第２の熱交換器を通るようにするステップと、
前記タービン導管に前記空気を通すときに、前記第２の熱交換器に前記空気を通し、次に前記第１の熱交換器に前記空気を通して、高圧空気が前記第２の熱交換器を通り、低圧空気が前記第１の熱交換器を通るようにするステップとをさらに含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
供給された空気を圧縮するように構成されたコンプレッサシステムであって、複数のコンプレッサと、前記複数のコンプレッサを接続し、かつ空気入口および空気出口を有するコンプレッサ導管とを備えたコンプレッサシステムと、
前記コンプレッサ導管の前記空気出口に接続され、前記コンプレッサシステムから受け取った圧縮空気を貯蔵するように構成された空気貯蔵ユニットと、
前記空気貯蔵ユニットから供給された圧縮空気を膨張させるように構成されたタービンシステムであって、複数のタービンと、前記複数のタービンを接続し、かつ空気入口および空気出口を有するタービン導管とを備えたタービンシステムと、
前記コンプレッサ導管を通る圧縮空気から熱エネルギーを除去して、前記タービン導管を通る空気に熱エネルギーを戻すように構成されたＴＥＳ液体を含む液体熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムであって、前記ＴＥＳ液体を貯蔵するように構成された貯蔵体積部と、前記貯蔵体積部に流体結合された複数の熱交換器と、前記容器内に位置し、前記貯蔵体積部内で前記ＴＥＳ液体の高温体積部を前記ＴＥＳ液体の低温体積部から熱的に分離するように構成された熱分離器とを備えた、断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）システム。
【請求項１６】
前記熱分離器が、前記容器内の前記液体ＴＥＳの前記低温体積部の量に浮動するように構成された浮動ピストンを備えた、請求項１５記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項１７】
前記熱分離器が、コンクリート、岩、れんが、および金属の１つを含む、前記容器内の固定位置媒体を含む、請求項１５記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項１８】
前記ＴＥＳシステムが、前記複数の熱交換器を前記貯蔵体積部に流体結合するＴＥＳ導管システムをさらに備え、前記ＴＥＳ導管システムがさらに前記複数の熱交換器を並行モードで結合する、請求項１５記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項１９】
前記ＴＥＳ導管システムが、
前記ＴＥＳ液体の一定量の前記高温体積部を、前記容器から前記複数の熱交換器に送るように構成された第１のポンプと、
前記ＴＥＳ液体の一定量の前記低温体積部を、前記容器から前記複数の熱交換器に送るように構成された第２のポンプとをさらに備えた、請求項１８記載のＡＣＡＥＳシステム。
【請求項２０】
前記複数のコンプレッサが、低圧コンプレッサおよび高圧コンプレッサを備え、
前記複数のタービンが、低圧タービンおよび高圧タービンを備え、
前記複数の熱交換器が、前記低圧コンプレッサと前記高圧コンプレッサとの間で前記コンプレッサ導管に流体結合され、前記低圧タービンと前記高圧タービンとの間で前記タービン導管に流体結合された第１の熱交換器と、前記高圧コンプレッサと前記空気貯蔵ユニットとの間で前記コンプレッサ導管に流体結合され、前記高圧タービンと前記空気貯蔵ユニットとの間で前記タービン導管に流体結合された第２の熱交換器とを備え、
前記コンプレッサ導管が、第１の圧力の空気を前記第１の熱交換器に通し、次に第２の圧力の空気を前記第２の熱交換器に通すように構成され、
前記タービン導管が、前記第２の圧力の空気を前記第２の熱交換器に通し、次に前記第１の圧力の空気を前記第１の熱交換器に通すように構成された、請求項１５記載のＡＣＡＥＳシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムに関し、特に、断熱ＣＡＥＳシステムにおける多段熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気圧縮および膨張システムが、多くの産業において様々な適用で使用されている。例えば、このような適用の１つは、エネルギーを貯蔵するために空気圧縮および膨張システムを使用することである。圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムは、一般に、吸入空気を圧縮し、圧縮された吸入空気を空洞、地下貯蔵部、または他の圧縮空気貯蔵部品に供給する複数のコンプレッサを有する圧縮トレインを備える。圧縮空気を後で使用してタービンを駆動し、電気エネルギーを生成する。ＣＡＥＳシステムの圧縮段階の動作時に、圧縮された吸入空気が通常冷却される。膨張段階の動作時に、空気が膨張して周囲圧力でタービンから出るように、空気がヒータおよびタービンを通して地下貯蔵部から排出される。
【０００３】
一般に、ＣＡＥＳシステムのコンプレッサおよびタービンは、それぞれクラッチを通して発電電動装置に接続され、適切な選択された期間にコンプレッサのみ、またはタービンのみの動作を可能にする。電力網の電力需要のオフピーク時（すなわち夜間および週末）には、コンプレッサトレインが発電電動機によりクラッチを通して駆動される。この方法では、発電電動機はモータとして機能し、電力網から電力を引き出す。その後、圧縮空気が冷却されて、地下貯蔵部に送られる。ピーク需要時には、タービンクラッチを入れた状態で、空気が貯蔵部から引き出され、タービントレインを通して加熱、膨張されて、発電電動機の駆動により電力を供給する。この方法では、発電電動機は発電機として機能し、例えば、電力網に電力を供給する。
【０００４】
提案されている１つの特定のタイプのＣＡＥＳシステムは、断熱圧縮空気エネルギー貯蔵システム（ＡＣＡＥＳ）であり、１または複数の熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニットを使用して、圧縮空気を空洞に貯蔵する前に冷却し、空気を空洞から引き出してタービントレインに供給するときに再加熱する。このため、ＡＣＡＥＳシステムは、空気圧縮中に発生する熱を廃棄せずに後で使用して、タービンを通る排出中に圧縮空気を再加熱するため、非断熱システムよりも高い効率でエネルギーを貯蔵することができる。
【０００５】
現在提案されているＡＣＡＥＳシステムの構成は、一般に、単一のＴＥＳユニットを組み込んだものである。単一のＴＥＳユニットを使用すると、ＴＥＳユニットを高温および高圧で動作させることになる。例えば、単一のＴＥＳユニットは、６５０℃もの動作温度および６０バールの圧力に達し得る。ＴＥＳユニットが高温、高圧、および高負担であると、材料、熱膨張、熱損失、大きさ、および機械的応力に関して技術的課題が生じる。このような技術的課題に対処する必要があるため、費用が高く、開発期間が長くなり、大きな市場障壁が生じる。
【０００６】
さらに、単一のＴＥＳユニットを使用すると、ＡＣＡＥＳシステムの効率が低下する。すなわち、高い温度比および圧力比で動作するターボ機械（すなわち、コンプレッサおよびタービン）の効率が、低い温度比および圧力比での動作を強いられるターボ機械よりも低くなる。コンプレッサとタービンの段階の間にさらなるＴＥＳユニットが加えられた構成は、温度比および圧力比を下げるように機能するため、ＡＣＡＥＳシステムのターボ機械の効率が増加する。
【０００７】
２つのＴＥＳユニットを組み入れたＡＣＡＥＳシステムが、ドイツ航空宇宙センター（ＤＬＲ）により提案されているが、このような２つのＴＥＳユニットの構成は、温度および圧力の問題に、まだ完全には対処していない。すなわち、２つのＴＥＳユニットを使用することによって温度および圧力が低下しても、ＴＥＳユニットは依然として約５００°Ｃの温度での動作を強いられる。このような高温の動作があることが、商業運転でＡＣＡＥＳシステムを実施するための実質的な障害となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】独国特許第２６３６４１７号公報
【発明の概要】
【０００９】
したがって、前述した欠点を克服するシステムおよび方法を設計することが望ましい。
【００１０】
本発明の一態様によれば、断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）システムは、供給された空気を圧縮するように構成されたコンプレッサシステムを備える。コンプレッサシステムは、複数のコンプレッサと、複数のコンプレッサを流体接続し、かつ空気入口および空気出口を有するコンプレッサ導管とを備える。ＡＣＡＥＳシステムはさらに、コンプレッサ導管の空気出口に接続され、コンプレッサシステムから受け取った圧縮空気を貯蔵するように構成された空気貯蔵ユニットと、空気貯蔵ユニットから供給された圧縮空気を膨張させるように構成されたタービンシステムとを備える。タービンシステムは、複数のタービンと、複数のタービンを流体接続し、かつ空気入口および空気出口を有するタービン導管とを備える。ＡＣＡＥＳシステムはさらに、コンプレッサ導管を通る圧縮空気から熱エネルギーを除去して、タービン導管を通る空気に熱エネルギーを戻すように構成された熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムを備える。ＴＥＳシステムは、容器と、複数の熱交換器と、容器を複数の熱交換器に流体結合する液体ＴＥＳ媒体導管システムと、容器内に貯蔵された液体ＴＥＳ媒体とを備える。ＴＥＳシステムはさらに、液体ＴＥＳ媒体導管システムに結合され、複数の熱交換器と容器との間で液体ＴＥＳ媒体を輸送するように構成された複数のポンプと、容器内に配置され、液体ＴＥＳ媒体の低温の第１の部分を液体ＴＥＳ媒体の高温の第２の部分から熱的に分離するように構成された熱分離システムとを備える。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）のための方法は、空気をコンプレッサシステムに供給するステップを含み、コンプレッサシステムは、コンプレッサ導管により流体接続された複数のコンプレッサユニットを備える。方法はさらに、圧縮段階でコンプレッサシステム内の空気を圧縮するステップと、圧縮空気貯蔵ユニットに圧縮空気を貯蔵するステップとを含む。方法はさらに、圧縮空気貯蔵ユニットからタービンシステムへ圧縮空気を供給するステップであって、タービンシステムが、タービン導管により流体接続された複数のタービンユニットを備えたステップと、膨張段階でタービンシステム内の空気を膨張させるステップとを含む。方法はさらに、圧縮段階および膨張段階のそれぞれにおいて、コンプレッサ導管およびタービン導管にそれぞれ結合された液体熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムに空気を通すステップを含み、液体ＴＥＳシステムは、液体貯蔵体積部と、液体貯蔵体積部に流体結合された複数の熱交換器と、第１の側にある液体貯蔵体積部内の液体を、第２の側にある液体貯蔵体積部内の液体から熱的に分離するように構成された熱分離ユニットとを備える。
【００１２】
本発明のさらに別の態様によれば、断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）システムは、供給された空気を圧縮するように構成されたコンプレッサシステムを備え、コンプレッサシステムは、複数のコンプレッサと、複数のコンプレッサを接続し、かつ空気入口および空気出口を有するコンプレッサ導管とを備える。ＡＣＡＥＳシステムはさらに、コンプレッサ導管の空気出口に接続され、コンプレッサシステムから受け取った圧縮空気を貯蔵するように構成された空気貯蔵ユニットと、空気貯蔵ユニットから供給された圧縮空気を膨張させるように構成されたタービンシステムとを備える。タービンシステムは、複数のタービンと、複数のタービンを接続し、かつ空気入口および空気出口を有するタービン導管とを備える。ＡＣＡＥＳシステムはさらに、コンプレッサ導管を通る圧縮空気から熱エネルギーを除去して、タービン導管を通る空気に熱エネルギーを戻すように構成されたＴＥＳ液体を含む液体熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムを備え、液体ＴＥＳシステムはさらに、ＴＥＳ液体を貯蔵するように構成された貯蔵体積部と、貯蔵体積部に流体結合された複数の熱交換器と、容器内に位置し、貯蔵体積部内でＴＥＳ液体の高温体積部をＴＥＳ液体の低温体積部から熱的に分離するように構成された熱分離器とを備える。
【００１３】
その他の様々な特徴および利点が、以下の詳細な説明および図面から明らかになろう。
【００１４】
図面は、本発明を実施するために現在考えられる好ましい実施形態を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態による断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）システムの概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態は、ＴＥＳシステムを備えた多段ＡＣＡＥＳシステムを提供する。多段ＡＣＡＥＳシステムは、好ましくは、低圧段階および高圧段階を含む２段階圧縮／膨張システムを備えるが、本発明の実施形態は、３段階以上を含んでいてもよい。ＴＥＳシステムは、好ましくは、圧縮／膨張の各段階について熱交換器を有する液体ＴＥＳシステムを備える。またＴＥＳシステムは、好ましくは、動作中に熱交換器を通して同時に汲み上げられる液体ＴＥＳ媒体を保持する単一のタンクを備える。タンクは、好ましくは、分離システムを介して内部の高温液体ＴＥＳ媒体を内部の低温液体ＴＥＳ媒体から分離するように構成される。分離システムは、例えば、（１）重力による層化と、混合および対流を防止するシステム、（２）浮動ピストンによる分離、または（３）変温層、および固体残留材料を含む復熱式熱貯蔵部を含むことができる。
【００１７】
図１を参照すると、本発明の実施形態による断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）システム１０の概略ブロック図が示される。
【００１８】
ＡＣＡＥＳシステム１０は、電動発電機ユニット１２（複合ユニットまたは別個のユニットのいずれでもよい）、駆動軸１４、コンプレッサシステムまたはトレイン１６、タービンシステムまたはトレイン１８、圧縮空気貯蔵体積部または空洞２０を備える。空洞２０を、例えば、多孔岩層、枯渇した天然ガス田／天然油田、および塩層または岩層の空洞とすることができる。あるいは、空洞２０を、例えば、天然ガスを輸送するために使用されるものと同様の高圧パイプライン等の地上システムとしてもよい。
【００１９】
電動発電機ユニット１２は、発電プラント（図示せず）に電気的に接続されて発電プラントから電力を受ける。電動発電機ユニット１２および駆動軸１４は、クラッチ（図示せず）を通してコンプレッサシステム１６およびタービンシステム１８に選択的に結合される。圧縮動作モード時に、コンプレッサシステム１６は電動発電機ユニット１２および駆動軸１４に結合され、タービンシステム１８は電動発電機ユニット１２および駆動軸１４から分離される。膨張動作モード時に、タービンシステム１８は電動発電機ユニット１２および駆動軸１４に結合され、コンプレッサシステム１６は、電動発電機ユニット１２および駆動軸１４から分離される。
【００２０】
本発明の実施形態によれば、電動発電機ユニット１２は、圧縮動作モード時（すなわち圧縮段階）に駆動軸１４を駆動する。次に、駆動軸１４は、低圧コンプレッサ２２および高圧コンプレッサ２４を備えたコンプレッサシステム１６を駆動し、一定量の周囲空気が周囲空気入口２６に流入してコンプレッサシステム１６により圧縮されるようにする。低圧コンプレッサ２２は、圧縮経路または導管２８を介して高圧コンプレッサ２４に結合される。本実施形態によれば、低圧コンプレッサ２２は周囲空気を圧縮する。圧縮された周囲空気は次に圧縮経路２８に沿って高圧コンプレッサ２４へ流れ、そこでさらに圧縮された後に、圧縮経路出口３０で圧縮経路２８から出て空洞２０へ移る。
【００２１】
圧縮空気が空洞２０に貯蔵された後、圧縮空気は、膨張動作モード時（すなわち膨張段階）に、膨張経路またはタービン導管３４の入口３２に流入することができる。圧縮空気は、膨張経路３４を通って、低圧タービン３６および高圧タービン３８を備えたタービンシステム１８まで進む。タービンシステム１８の構成により、圧縮空気はタービンシステム１８を通るときに膨張することができるため、タービンシステム１８のタービン３６、３８を回転させて発電を促す。タービンシステム１８の回転により駆動軸１４が回転する。次に、駆動軸１４が電動発電機ユニット１２を駆動することにより、ユニットは電気を生成する発電機として機能する。
【００２２】
図１に示すように、ＡＣＡＥＳシステム１０はさらに、圧縮および膨張経路２８、３４を通る空気がコンプレッサおよびタービンシステム１６、１８により圧縮／膨張されるときに、この空気を冷却および加熱するように構成された多段熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システム４０を備える。多段ＴＥＳシステム４０は液体ＴＥＳユニット４２を備え、液体ＴＥＳユニット４２は、格納容器４４、液体ＴＥＳ媒体４６、および任意選択の熱分離器４８を備える。ＴＥＳ液体４６は、圧縮サイクル中に発生した圧縮熱を貯蔵するのに十分な量の熱貯蔵材料である。本発明の実施形態では、ＴＥＳ液体４６は非加圧で、鉱物油、合成油、溶融塩等の液体を含むことができる。
【００２３】
熱分離器４８は、できるだけ二値温度システムに近づけて、格納容器４４内で一側の低温ＴＥＳ液体４６と他側の高温ＴＥＳ液体４６との間に大きな温度勾配を生成してＴＥＳ液体４６の温度を下げるように設計される。このようにして、格納容器４４の一端５０の高温ＴＥＳ液体４６が、格納容器４４の他端５２の低温ＴＥＳ液体４６から熱的に分離される。一実施形態では、熱分離器４８が、熱を貯蔵可能かつ高温および低温ＴＥＳ液体４６を熱的に分離可能な材料を含む。本実施形態では、他の熱分離器４８を格納容器４４に設置して変温層を生成することはできず、材料は、例えば、コンクリート、岩、れんが、金属等を含むことができる。別の実施形態では、熱分離器４８は、高温および低温ＴＥＳ液体４６を分離するように構成された浮動分離ピストンを備える。このようにして、低温ＴＥＳ液体４６を格納容器４４の端部５２から除去すると、浮動分離ピストンが対応して格納容器４４内で下降して、高温ＴＥＳ液体４６が端部５０で格納容器４４に加えられ、また逆の場合も同様に行われる。したがって、浮動分離ピストンは低温ＴＥＳ液体４６の体積部に浮動し、これとともに上下する。一実施形態では、浮動分離ピストンは、金属、プラスチック、またはこれらの複合材料を含むことができる。
【００２４】
さらに別の実施形態では、ピストンではなく熱分離器が、容器に設置された、重力差により分離されたままの高温および低温液体の対流および混合を防止するように構成された多数の平面装置からなる。
【００２５】
多段ＴＥＳシステム４０は、ＴＥＳ導管システム５８を介して液体ＴＥＳユニット４２内のＴＥＳ液体４６に流体結合される対の熱交換器５４、５６を備える。ＴＥＳ導管システム５８は、熱交換器５４、５６を並行モードで結合して、各熱交換器５４、５６それぞれに流入するＴＥＳ液体４６の温度がほぼ同じになるようにし、かつ各熱交換器５４、５６から流出するＴＥＳ液体４６の温度がほぼ同じになるようにする。一実施形態では、熱交換器５４が低圧熱交換器であり、熱交換器５６が高圧熱交換器である。熱交換器５４、５６は、圧縮経路２８および膨張経路３４に熱的に結合される。高温側ポンプ６０が、高温ＴＥＳ液体４６を格納容器４４の端部５０から熱交換器５４、５６を通して格納容器４４の端部５２へ汲み上げるように構成される。低温側ポンプ６２が、低温ＴＥＳ液体４６を格納容器４４の端部５２から熱交換器５４、５６を通して格納容器４４の端部５０へ汲み上げるように構成される。
【００２６】
動作時に、多段ＴＥＳシステム４０は、ＡＣＡＥＳシステム１０の圧縮または「給気」段階／動作モード時に圧縮空気から熱を除去するように機能する。空気がコンプレッサシステム１６により圧縮され、圧縮経路２８に沿って空洞２０まで流れるときに、後述するように多段ＴＥＳシステム４０が圧縮空気を冷却する。すなわち、圧縮空気は、空洞２０に貯蔵される前に、熱交換器５４、５６を通って圧縮空気から熱を除去した後に空洞に貯蔵され、その完全性が守られる。
【００２７】
多段ＴＥＳシステム４０により貯蔵される高温ＴＥＳ液体４６の熱は、ＡＣＡＥＳシステム１０の膨張または「排出」段階／動作モード時に圧縮空気に戻される。圧縮空気が空洞２０から放出され、膨張経路３４を通ってタービンシステム１８により膨張されるので、後述するように、空気は多段ＴＥＳシステム４０を通って戻るときに加熱される。
【００２８】
図１の実施形態によれば、熱交換器５４、５６が圧縮経路２８および膨張経路３４に沿って断続的に位置して、経路を通る空気を冷却／加熱する。空気は入口２６を通って圧縮経路２８に入り、ＡＣＡＥＳシステム１０の圧縮または「給気」段階／動作モード時に、低圧コンプレッサ２２に供給される。低圧コンプレッサ２２は空気を圧縮して第１の圧力レベル（すなわち「低」圧）および高温にし、その後、空気は圧縮経路２８を通って熱交換器５４へ送られ、そこで空気が冷却される。熱交換器５４内の圧縮空気を冷却するために、低温側ポンプ６２は、低温ＴＥＳ液体４６を端部５２から熱交換器５４を通して汲み上げ、加熱された圧縮空気は熱交換器５４を通る別の流路を流れる。次に、空気は圧縮経路２８を通って高圧コンプレッサ２４へ流れ続け、ここで圧縮されて第２の圧力レベル（すなわち「高」圧）および高温になる。その後、空気は圧縮経路２８を通って熱交換器５６へ送られ、ここで空気が再び冷却されてから、出口３０を通って圧縮経路２８から流出し、空洞２０に貯蔵される。熱交換器５６内の圧縮空気を冷却するために、低温側ポンプ６２は、低温ＴＥＳ液体４６を端部５２から熱交換器５６を通して汲み上げ、加熱された圧縮空気は熱交換器５６を通る別の流路を流れる。これにより圧縮経路２８は、熱交換器５４が圧縮経路２８で低圧コンプレッサ２２と高圧コンプレッサ２４との間に位置し、熱交換器５６が圧縮経路２８で高圧コンプレッサ２４の下流に位置して、高圧コンプレッサにより圧縮された空気を冷却するように経路設定される。
【００２９】
一実施形態では、熱交換器５４、５６が、加えられた熱を除去して、圧縮空気の温度をほぼ室温に冷やして戻すように構成される。別の実施形態では、中間冷却器６４を設けて、熱交換器５４と高圧コンプレッサ２４との間で圧縮経路２８内の圧縮空気から余分な熱を除去することができる。圧縮空気から除去された熱を、熱交換器５４、５６を通って流れるＴＥＳ液体４６に伝達し、高温ＴＥＳ液体４６を格納容器４４の端部５０へ送る。熱分離器４８は、格納容器４４内で高温または加熱されたＴＥＳ液体４６と低温ＴＥＳ液体４６との間の熱分離を維持するように構成され、高温ＴＥＳ液体４６の熱が低温ＴＥＳ液体４６へ伝達されるのを最小限にする。このようにして、後述するように、空洞空気を加熱するために、より大量の熱を使用することができる。
【００３０】
ＡＣＡＥＳシステム１０の膨張または「排出」段階／動作モード時に、空洞２０からの貯蔵空気が入口３２を通して膨張経路３４に入り、熱交換器５６に供給される。熱交換器５６内の圧縮空気を加熱するために、高温側ポンプ６０は熱交換器５６を通して端部５０から高温ＴＥＳ液体４６を汲み上げ、空洞２０からの冷却された圧縮空気は熱交換器５６を通る別の流路を流れる。その後、高圧タービン３８で空気が膨張して第１の圧力レベルになり、空気の温度が低下する。その後、空気は膨張経路３４を通って熱交換器５４へ送られ、ここで再び加熱される。熱交換器５４内の圧縮空気を加熱するために、高温側ポンプ６０は熱交換器５４を通して端部５０から高温ＴＥＳ液体４６を汲み上げ、加熱された圧縮空気は熱交換器５４を通る別の流路を流れる。その後、空気は膨張経路３４を通って低圧コンプレッサ２２へ流れ続け、ここで空気が膨張して低圧レベルおよび低温になる。一実施形態では、空気圧力が周囲圧力まで下がり、温度がほぼ室温まで下がる。その後、空気は膨張経路３４から出て周囲環境に入る。
【００３１】
電動発電機ユニット１２を、例えば、夜間等の比較的安価なオフピークまたは低需要時間に電力網に接続して、電力網から電力を受け取り、圧縮段階でコンプレッサシステム１６を動作させてもよいと考えられる。あるいは、またはさらに、例として、風、太陽、潮流等の再生可能な電力源から電力を引き出すことができ、これらはあまり望ましくない低需要時間にあり得る断続的な電力をしばしば提供する。膨張動作モード時に、空洞２０に貯蔵された圧縮空気を使用してタービンシステム１８を駆動し、これにより発電モードで電動発電機ユニット１２を駆動して、例えば、高エネルギーの必要時またはピーク需要時に、電力網のための追加の電気エネルギーを生成する。
【００３２】
本発明の実施形態は前述した例に限定されないことを理解されたい。すなわち、本発明の実施形態によるＡＣＡＥＳシステムで使用可能なコンプレッサおよびタービンの数、ならびにＴＥＳユニットの数を増やすことができる。動作圧力および貯蔵圧力は、空気貯蔵装置／空洞２０のタイプおよび深さに大きく依存するため、空気を効率的に圧縮して必要な動作圧力および貯蔵圧力を得るのに望ましいコンプレッサの数を変更することができる。例えば、約４００〜１０００ｐｓｉ（２７．５８〜６８．９５バール）の圧力範囲が、約１５００フィート（４５７．２ｍ）の深さに位置する岩塩ドームおよび帯水層に適切であることがわかっている。コンプレッサシステム１６で使用されるコンプレッサの数は、空気圧力、使用される個々のコンプレッサ段階のタイプ、およびその他の要因に部分的に依存する。
【００３３】
したがって、本発明の一実施形態によれば、断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）システムは、供給された空気を圧縮するように構成されたコンプレッサシステムを備える。コンプレッサシステムは、複数のコンプレッサと、複数のコンプレッサを流体接続し、かつ空気入口および空気出口を有するコンプレッサ導管とを備える。ＡＣＡＥＳシステムはさらに、コンプレッサ導管の空気出口に接続され、コンプレッサシステムから受け取った圧縮空気を貯蔵するように構成された空気貯蔵ユニットと、空気貯蔵ユニットから供給された圧縮空気を膨張させるように構成されたタービンシステムとを備える。タービンシステムは、複数のタービンと、複数のタービンを流体接続し、かつ空気入口および空気出口を有するタービン導管とを備える。ＡＣＡＥＳシステムはさらに、コンプレッサ導管を通る圧縮空気から熱エネルギーを除去して、タービン導管を通る空気に熱エネルギーを戻すように構成された熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムを備える。ＴＥＳシステムは、容器と、複数の熱交換器と、容器を複数の熱交換器に流体結合する液体ＴＥＳ媒体導管システムと、容器内に貯蔵された液体ＴＥＳ媒体とを備える。ＴＥＳシステムはさらに、液体ＴＥＳ媒体導管システムに結合され、複数の熱交換器と容器との間で液体ＴＥＳ媒体を輸送するように構成された複数のポンプと、液体ＴＥＳ媒体の低温の第１の部分を液体ＴＥＳ媒体の高温の第２の部分から熱的に分離するように構成された容器内に配置された熱分離システムとを備える。
【００３４】
本発明の別の実施形態によれば、断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）のための方法は、空気をコンプレッサシステムに供給するステップを含み、コンプレッサシステムは、コンプレッサ導管により流体接続された複数のコンプレッサユニットを備える。方法はさらに、圧縮段階でコンプレッサシステム内の空気を圧縮するステップと、圧縮空気貯蔵ユニットに圧縮空気を貯蔵するステップとを含む。方法はさらに、圧縮空気貯蔵ユニットからタービンシステムへ圧縮空気を供給するステップを含み、タービンシステムは、タービン導管により流体接続され、膨張段階でタービンシステム内の空気を膨張させる複数のタービンユニットを備える。方法はさらに、圧縮段階および膨張段階のそれぞれにおいて、コンプレッサ導管およびタービン導管にそれぞれ結合された液体熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムに空気を通すステップを含み、液体ＴＥＳシステムは、液体貯蔵体積部と、液体貯蔵体積部に流体結合された複数の熱交換器と、第１の側にある液体貯蔵体積部内の液体を、第２の側にある液体貯蔵体積部内の液体から熱的に分離するように構成された熱分離ユニットとを備える。
【００３５】
本発明のさらに別の実施形態によれば、断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（ＡＣＡＥＳ）システムは、供給された空気を圧縮するように構成されたコンプレッサシステムを備え、コンプレッサシステムは、複数のコンプレッサと、複数のコンプレッサを接続し、かつ空気入口および空気出口を有するコンプレッサ導管とを備える。ＡＣＡＥＳシステムはさらに、コンプレッサ導管の空気出口に接続され、コンプレッサシステムから受け取った圧縮空気を貯蔵するように構成された空気貯蔵ユニットと、空気貯蔵ユニットから供給された圧縮空気を膨張させるように構成されたタービンシステムとを備える。タービンシステムは、複数のタービンと、複数のタービンを接続し、かつ空気入口および空気出口を有するタービン導管とを備える。ＡＣＡＥＳシステムはさらに、コンプレッサ導管を通る圧縮空気から熱エネルギーを除去して、タービン導管を通る空気に熱エネルギーを戻すように構成されたＴＥＳ液体を含む液体熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムを備え、液体ＴＥＳシステムはさらに、ＴＥＳ液体を貯蔵するように構成された貯蔵体積部と、貯蔵体積部に流体結合された複数の熱交換器と、容器内に位置し、貯蔵体積部内でＴＥＳ液体の高温体積部を、ＴＥＳ液体の低温体積部から熱的に分離するように構成された熱分離器とを備える。
【００３６】
本記述は、例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、かつ任意の装置またはシステムの製造および使用、ならびに組み込まれた任意の方法の実行を含む本発明を当業者が実施できるようにするものである。本発明の特許可能な範囲が特許請求の範囲により定義され、この範囲は当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的な差のない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ＡＣＡＥＳシステム
１２  電動発電機ユニット
１４  駆動軸
１６  コンプレッサシステム
１８  タービンシステム
２０  空洞
２２  低圧コンプレッサ
２４  高圧コンプレッサ
２６  周囲空気入口
２８  圧縮経路
３０  圧縮経路出口
３２  入口
３４  膨張経路
３６  低圧タービン
３８  高圧タービン
４０  多段ＴＥＳシステム
４２  液体ＴＥＳユニット
４４  格納容器
４６  液体ＴＥＳ媒体
４８  熱分離器
５０、５２  端部
５４、５６  熱交換器
５８  ＴＥＳ導管システム
６０  高温側ポンプ
６２  低温側ポンプ
【図１】
2013509530.tif 000003
【国際調査報告】
2013509530.tif 000004
2013509530.tif 000005
2013509530.tif 000006