CN109690168A - 包括预应力混凝土混合层的借助压缩气体储存和恢复能量的***和方法 - Google Patents

包括预应力混凝土混合层的借助压缩气体储存和恢复能量的***和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于诸如压缩空气之类的受压流体的储器。特别地，该储器呈由多个同心层(C1、C2、C3、C4)布置形成的至少一个管的形式，所述布置从所述管的内部至外部包括：由混凝土形成的内层(C1)、具有厚度E的由钢形成的层(C2)、由钢丝卷(C3”)在混凝土子层(C3’)上卷绕形成的至少一层(C3)、以及意于保护所述钢丝免受物理和/或化学损坏且其中所述钢丝经受周向拉伸预应力且的外层(C4)，至少所述厚度E和/或所述预应力的等级定为经受所述压力。本发明可特别应用于借助压缩空气储存和恢复能量。

Description

包括预应力混凝土混合层的借助压缩气体储存和恢复能量的 ***和方法
本发明的领域总体上涉及诸如压缩空气之类的受压流体的储存。特别地，本发明涉及使用诸如空气之类的压缩气体的能量储存和恢复的领域。
压缩气体能量储存***(也被称作CAES，英语为“Adiabatic Compressed AirEnergy Storage(绝热压缩空气能量储存)”)寻求以压缩空气的形式储存能量，以供后续使用。为了储存，能量、尤其是电能驱动空气压缩机，且为了释放(déstockage)，压缩空气驱动涡轮，该涡轮可能连接至发电机。
存在压缩空气能量储存***的不同变型，这些变型尤其用于改善这种***的效率。尤其可能提到以下***和方法：
·ACAES(英语为“Adiabatic Compressed Air Energy Storage(绝热压缩空气能量储存)”)，其中，空气在由压缩导致的温度下被储存。
·AACAES(英语为“Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage先进绝热压缩空气能量储存”)，其中，空气在环境温度下被储存，且由压缩导致的热量也分离地被储存在储热***TES(英语为“Thermal Energy Storage(热能储存)”)中。在该情形中，储存在TES中的热量被用于在空气膨胀之前加热空气。
在所有情况下，无论空气在环境温度或任何其他温度下被储存，该压缩空气能量储存***需要压缩空气储器，该压缩空气储器能够抵抗储存压力，并且对所储存的气体而言不可渗透(流体密封)。因为压缩空气储存压力至少等于100巴，故而抗压性是一个特别重要的问题。
常规方案是在全钢储器中储存压缩气体。这实际上是由于钢同时具有流体密封性和抗压特性。然而，尽管流体密封性由钢的相对较小(几个mm)的厚度提供，但当要在高压(换言之，超过100巴、优选为125巴等级的压力)下储存流体时，就需要使用更大的钢厚度。例如，直径为56”(1422.4mm)的圆筒形储器需要具有33.5mm的最小壁厚，以抵抗125巴的内压力(根据CODAP标准针对钢等级X80计算)。
尽管全钢储器对于在高压下储存小容积气体是在技术上和经济上有利的方案，但全钢储器对于在高压下储存大容积气体的情形就变得不可实现了。这实际上不仅由于钢的成本减损了***的经济可行性，此外还由于该储器的设计对制造造成了难以满足的限制。事实上，球形或圆筒形储器的直径越大，为了承受压力所需的壁厚就越大。对于大储存容积而言，制造和尤其焊接具有非常大厚度的元件并不总是可实现的。在该情形中，通过组装彼此联接在一起的多个更小尺寸的元件来储存大容积。由于这些元件具有更小的尺寸，故而这些元件在技术上可制造且因此克服了制造的限制。相反地，由于所需钢量和组装成本，该***的经济可行性可能要重新考虑。
为了消除这些缺陷，本发明涉及一种用于储存诸如压缩空气之类的受压流体储器，该储器设计成管状，该管由交替的钢筋混凝土层与预应力钢丝形成。首先，在管中储存允许避免上述制造问题。其次，使用钢、混凝土和预应力钢丝的混合设计允许最佳地利用每种材料的机械强度，由此减小***的成本。
根据本发明的储器从储器内部至外部包括，在两个混凝土层之间由实心钢层形成的第一布置，该布置外设有至少一个钢丝卷，该钢丝卷经受***中的周向预应力，其意于补偿由所储存的流体施加的一些径向压力。可能由混凝土制成的最后的保护层保护储器且尤其是钢丝卷。在张力下卷绕钢丝允许减小运行应力并由此减小实心钢层所需钢厚度。本发明还涉及一种用于制造这种受压流体储器的方法。
此外，本发明涉及使用压缩气体的储存和恢复的***和方法，其实施根据本发明的受压流体储器。
根据本发明的装置和方法
总体上，本发明的主题涉及用于诸如压缩空气之类的受压流体的储器。特别地，所述储器呈由多个同心层布置形成的至少一个管的形式，所述布置从所述管的内部至外部包括：由混凝土形成的内层、具有厚度E的由钢形成的层、由钢丝卷在混凝土子层上卷绕形成的至少一层、以及其中所述钢丝经受周向拉伸预应力而意于保护所述钢丝免受物理和/或化学损坏的外层，至少所述厚度E和/或所述预应力的等级定为经受(抵抗)所述压力。
根据本发明的一个实施例，在所述管的轴向上所述钢丝的直径和间隔可根据所述预应力确定。
有利地，所述管可包括由所述钢丝卷在所述混凝土子层上形成的多个层，其中，所述卷中的所述预应力可根据所述多个层中各所述层的径向距离确定。
根据本发明的一个实施例，所述外层可由混凝土或砂浆制成。
优选地，由钢制成的所述层可对应于API等级X80的钢管。
根据本发明的一个实施例，所述储器可由多个所述管形成，各所述管不彼此联接在一起。
有利地，所述储器可由多个所述管形成，所述管通过焊接或使用弹性(流体)密封件联接在一起。
本发明还涉及一种用于制造上述受压流体储器的方法，其特征在于，由具有厚度E的实心钢管和钢丝卷筒开始，至少执行以下步骤：
a)在所述钢管的内部形成混凝土层；
b)在所述钢管的外部形成混凝土子层；
c)螺旋地卷绕来自所述卷筒的所述钢丝，从而使它们经受周向(环向)拉伸预应力；
d)形成用于保护所述钢丝免受化学和/或物理损坏的外层。
至少所述厚度E和/或所述预应力根据所述压力确定。
根据本发明的制造方法的一个实施方式，可重复上述步骤b)和c)，从而形成通过混凝土子层上的所述钢丝卷形成的多个层。
根据本发明的制造方法的一个实施例，至少所述内混凝土层和所述混凝土子层可通过离心旋转或替代地通过振动模制形成。
本发明还涉及一种借助压缩气体来储存和恢复能量的***，包括至少一个压缩气体的装置、至少一个上述受压流体储器、至少一个用于使压缩气体膨胀以产生能量的装置、以及至少一个用于储存热量的装置。
本发明还涉及一种借助压缩气体用来储存和恢复能量的方法，在该方法中，执行以下步骤：
－压缩气体；
－在热量储存装置中通过热量交换冷却所述压缩气体；
－将所述冷却气体储存在上述受压流体储器中；
－在所述热量储存装置中通过恢复热量加热所述冷却压缩气体；以及
－使所述受热压缩气体膨胀，以产生能量。
在参考下述附图阅读以下对非限制示例性实施例的描述时，根据本发明的方法的其他特征和优势将变得清晰。
附图说明
-图1a和1b示出了穿过根据本发明的储器的示例性实施例的竖直剖面，图1a中以轴测立体图示出，图1b中以正面视图示出，该储器包括单个预应力混凝土混合层。
-图2a和2b示出了穿过根据本发明的储器的示例性实施例的竖直剖面，图2a中以轴测立体图示出，图2b中以正面视图示出，该储器包括两个预应力钢筋混凝土混合层。
-图3示出了实施根据本发明的受压流体储器的根据本发明的使用压缩气体的储存和恢复***的示例性实施例。
具体实施方式
本发明涉及用于诸如压缩空气之类的受压流体的储器。这种储器尤其可用于借助压缩气体的能量储存和恢复***中。一般而言，“运行压力”指的是意于储存流体的压力。通常，在压缩气体能量储存和恢复应用中，该运行压力超过100巴，一般为125巴的等级。
根据本发明的受压流体储器呈由多个同心层布置形成的至少一个管的形式。根据本发明，该管可为具有圆形截面或实际上多边形、比如八边形截面的筒状。
根据本发明，形成受压流体储器的管的各同心层从所述管道的内部到外部排列如下：
－由混凝土制成的内层；
－由厚度为E的钢制成的层；
－在混凝土子层上由钢丝卷形成的至少一层，钢丝经受周向拉伸预应力；
－用于保护钢丝免受化学和/或物理损坏的外层。
根据本发明，具有厚度E的钢层具有多种用途：确保根据本发明的储器的流体密封、有助于组件对于运行压力(至少超过100巴且优选为125巴的等级)的机械强度、以及增加总体组件的延展性。为了满足由此罗列的技术限制且尤其有助于储器针对运行压力的机械强度，储器的一个变型例中的钢层的厚度E为至少8mm，优选为至少10mm。根据本发明的一种实施方式，根据本发明的储器的钢层对应于现有钢管、比如用于长距离运输碳氢化合物的管道、也被称作输油管。事实上，输油管的特征在于出色的流体密封性(通过超声、X光和/或液压方法的多重查验)、较大的钢厚度(达若干厘米)以及相对较大的直径(达60英寸)。根据本发明的一种实施方式，使用API等级X80的钢管。
根据本发明，由钢丝卷形成的层经受混凝土子层上的周向预应力，在下文中被称作“预应力混凝土混合层”的该层具有减小当根据本发明的储器开始运行时由钢层承受的周向应力的作用。周向拉伸预应力的施加因此允许将受压流体储器的尺寸定为具有比不施加预应力的情况下所需更小的钢厚度E。此外，该预应力使得混凝土层经受压缩，从而有助于运行阶段中组件的强度。由此，根据本发明的储器比全钢储器更经济且在技术上更易实现。根据本发明的一个实施例，通过在混凝土子层上的受拉钢丝卷获得周向拉伸预应力。
根据本发明，由混凝土制成的内层一方面意于保护由钢制成的层的内面免受物理和/或化学(尤其是腐蚀)损坏、(由于施加至钢丝的预应力)防止该层塌缩(英语为“collapse(塌缩)”)、以及总体上经受(抵抗)由受压流体产生的应力。
根据本发明，混凝土子层允许由钢制成的层与钢丝本身分离。该预应力子层还在储器(组件)总体机械强度方面起作用。
根据本发明，外层意于保护根据本发明的储器的钢丝免受(腐蚀类型的)化学破坏和/或物理破坏。由此，该外层可由混凝土制成，替代地由砂浆或提供免受化学和/或物理破坏的保护的任何其他材料制成。
根据本发明，至少施加至钢丝的周向拉伸预应力、或替代地至少由钢制成的层的厚度E、或替代地至少施加至钢丝的周向拉伸预应力和由钢制成的层的厚度E两者至少根据运行压力来预先确定。根据本发明的一个实施例，运行压力至少等于100巴，优选为125巴。一般地，根据本发明的储器的尺寸定为使得，在根据本发明的储器运行时避免诸如破裂、钢的塑性变形、混凝土的宏观开裂之类的有害现象。有利地，混凝土子层和混凝土内层的厚度的尺寸被额外地定为经受(抵抗)由预应力钢丝施加的压缩，并且有助于分担经受(抵抗)运行压力的组件总体强度。本领域技术人员完全知悉如何定出该尺寸，例如使用Abaqus软件(法国达索***(Dassault Systèmes))。
根据本发明，根据本发明的储器可如下进行尺寸的确定：
-或者预先确定周向拉伸预应力：这可例如发生在为了制造根据本发明的储器而使用了预定钢丝的情况下，这些钢丝具有预先确定的机械强度特性。在该情形中，周向预应力最多等于所关注的钢丝可承受的最大拉伸力，其安全系数在0至1之间，优选为0.75。在该情形中，根据本发明的储器的尺寸确定至少包含：确定钢层的厚度E，该厚度允许使机械强度状态适合于经受运行压力，周向拉伸预应力则至少是固定的。为此，根据本发明的一个实施例，钢层的尺寸至少被定为使得，运行阶段中的钢层中的拉伸应力尽可能接近所使用钢的容许极限，而不超出该极限。该容许极限取决于所使用钢的弹性极限和/或断裂强度等级，其安全系数在0至1之间(在弹性极限的情形中优选为0.67)。优选地，钢层的尺寸确定还考虑了以下事实：预应力施加阶段中在实心钢层中产生的压缩应力尽可能高，从而使得能在运行阶段中最大化地利用钢的拉伸能力。然而，十分明显的是，该预应力一定不能超出该钢等级所允许的应力。有利地，混凝土子层和混凝土内层的厚度的尺寸被额外地定为经受(抵抗)由预应力钢丝施加的压缩，并且有助于分担经受(抵抗)运行压力的组件总体强度。本领域技术人员完全知悉如何定出该尺寸，例如使用Abaqus软件(法国达索***(DassaultSystèmes))。
-或者已预先确定了钢层的厚度E：这可例如由于使用具有厚度E的现有钢管来制造根据本发明的储器而发生。在该情形中，根据本发明的储器的尺寸确定包含：确定周向拉伸预应力，该周向拉伸预应力将允许在钢层的该厚度E的情况下使机械强度状态适合于经受运行压力。根据本发明的一个实施例，该尺寸确定还考虑了在混凝土层中施加预应力的效果，使得该预应力小于混凝土可承受的最大压缩强度，其安全系数在0至1之间，优选为0.75。此外，混凝土的厚度需要足以经受运行阶段中的压缩。在该厚度相对较大的情形中，不考虑周向应力，径向和轴向应力可能并非可忽略。在这种情形中、且尤其是如果容许混凝土中的拉伸，需要采用非线性三维行为模型来分析和确定尺寸。本领域技术人员完全知悉如何定出该尺寸，例如使用Abaqus软件(法国达索***(Dassault Systèmes))。
-或者所要确定尺寸的至少是钢层的厚度E和施加至钢丝的周向拉伸预应力两者：在该情形中，存在允许根据本发明的储器满足经受(抵抗)运行压力的机械强度状态的多对组合(钢厚度E、周向拉伸预应力)。为了从多对可能组合中选择给定的一对，可能增加基于储器的总体成本的选择标准和/或基于技术可行性的标准等。根据本发明的一个实施例，储器的尺寸被确定使得，最大化地利用钢丝的拉伸强度，其目的在于使得实心钢层的厚度E最小化。为了产生压缩预应力从而允许确定包括具有满足经济和技术限制的厚度E的实心钢层的储器的尺寸，根据本发明的储器包括若干预应力混凝土混合层。根据可与之前实施例组合的替代方式，根据本发明的储器包括钢丝卷，其直径和沿纵向相互间隙(卷绕节距)允许获得所需预应力。
十分明显的是，根据该实施例，混凝土子层和混凝土内层的厚度的尺寸也确定成经受由预应力钢丝(线材)施加的压缩。本领域技术人员完全知悉如何定出该尺寸，例如使用Abaqus软件(法国达索***(Dassault Systèmes))。
图1a和图1b示出了根据本发明的受压流体储器的非限制性示例的剖视图，其包括上述特征。因此，本发明的该示例性实施例由4个混凝土层C1、C2、C3和C4形成，层C2对应于钢层，该层侧面设有混凝土内层C1，其外部安设有混合层C3，混合层C3由混凝土子层C3’和围绕该混凝土子层C3’卷绕的钢丝C3”形成，钢丝外部安设有保护性外层C4。因此，该示例性实施例包括单个预应力混凝土混合层。
根据本发明的一个实施例，受压流体储器包括多个预应力混凝土混合层，根据本发明，这些混合层中的最外层外还有用于保护免受物理和/或化学损坏的外层。这多个预应力混凝土混合层允许减小钢层的厚度，同时确保组件的机械强度，从而允许组件经受(抵抗)运行压力。预应力混凝土混合层的数量可通过确定尺寸而被确定，尺寸的确定是基于已知的几何形状和机械数据(钢丝的直径、卷绕节距、所施加的预应力、混凝土子层的厚度等)。本领域技术人员完全知悉如何定出该尺寸，例如使用Abaqus软件(法国达索***(Dassault Systèmes))。
在图2a和图2b中示出了如何实施根据本发明的储器的一个非限制性示例，该储器包括两个预应力混凝土混合层C3。因此，从这些附图中可见，储器最内部的钢丝卷C3”被包含在两个混凝土子层C3’之间，储器最外部的钢丝卷C3”外还有用于保护免受物理和/或化学损坏的外层C4。
根据本发明的实施例中受压流体储器包括多个预应力混凝土混合层的替代形式，这多个层中的每个层具有其自身的预应力。有利地，施加至给定层的预应力根据该层的径向距离来确定。
根据本发明的一种实施方式，根据本发明的储器由多个管形成，尤其是在待储存的受压流体的容积很大且单个管不足以储存该容积时，这多个管是需要的。组成根据本发明的储器的多个管中的各个管可能或可能不通过联接装置彼此联接。联接装置可例如为焊接或弹性体流体密封接头，弹性体流体密封接头可能是滑动式、滑移式或滚动式等。
本发明还涉及一种用于制造受压流体储器的方法。根据本发明的该制造方法需要获得具有厚度E的至少一个钢管和钢丝卷筒。根据本发明的方法至少包括以下步骤：
a)在所述钢管的内部形成混凝土层；
b)在该钢管的外部形成混凝土子层；
c)螺旋地卷绕来自卷筒的钢丝，从而使它们经受周向拉伸预应力；
d)形成用于保护钢丝免受化学和/或物理损坏的外层。
此外，根据本发明，该方法可包括预备步骤：至少根据运行压力定出厚度E和/或预应力。根据本发明的一个实施例，运行压力至少等于100巴，优选为125巴。
根据本发明的实施例的一种替代形式，重复上述根据本发明的方法的步骤b)和c)，从而形成由在混凝土子层上的钢丝卷形成的多个层，这些层也被称作预应力混凝土混合层。当仅一个预应力混凝土混合层无法提供通过定尺寸而确定的预应力等级时，需要方法的该替代类型。这可能允许有助于制造根据本发明的储器，其中，钢层具有在经济上和技术上都是可实现的厚度E，同时确保储器总体的机械完整性。钢/预应力混凝土混合层的数量可通过定尺寸而预先确定，例如使用Abaqus软件(法国达索***(Dassault Systèmes))。
根据本发明的一个实施例，至少混凝土的内层和(一个或多个)预应力混凝土混合层的(一个或多个)混凝土子层通过离心旋转或实际上通过振动模制来形成。
本发明还涉及一种借助压缩气体来储存和恢复能量的***，包括至少一个压缩气体的装置、至少一个上述受压流体储器、至少一个用于储存热量的装置、以及至少一个用于使压缩气体膨胀以产生能量的装置。
因此，根据本发明的借助压缩气体用来储存和恢复能量的***中的受压流体储器包括以同心层布置形成的至少一个管，这些同心层从管的内部朝向外部排列如下：
－由混凝土制成的内层；
－由厚度为E的钢制成的层；
－在混凝土子层上由钢丝卷形成的至少一层，钢丝经受周向拉伸预应力；
－用于保护钢丝免受化学和/或物理损坏的外层。
此外，至少施加至钢丝的周向拉伸预应力、或替代地至少由钢制成的层的厚度E、或替代地至少施加至钢丝的周向拉伸预应力和由钢制成的层的厚度E两者至少根据运行压力来预先确定。
根据本发明的一个实施例，运行压力至少等于100巴，优选为125巴。
因此，借助压缩气体用来储存和恢复能量的***包括受压流体储器，该储器允许相比于全钢储器而言减小所需钢量和需满足的技术限制。根据本发明借助压缩气体用来储存和恢复能量的***因此在经济上和技术上都是可行的。
优选地，借助压缩气体用来储存和恢复能量的***中的压缩气体是空气。用于压缩气体的装置(或压缩机)可被马达、尤其是电动马达驱动。用于使气体膨胀的装置(也被称作膨胀装置或涡轮)允许所压缩和储存的气体膨胀，由此产生能量、尤其是借助发电机产生电能。用于储存热量的装置优选地放置在压缩装置的出口处且在膨胀装置的入口处，其允许在能量储存阶段期间储存来自压缩气体的热量，且允许所储存的热量在能量恢复阶段期间恢复至压缩气体。根据本发明的一个实施例，热量储存装置包括固体热量储存颗粒。这些固体颗粒在能量储存和恢复阶段期间与气体交换热量，该热量在这两个阶段期间被储存在颗粒中。
根据本发明的一个实施例，根据本发明的***包括一个接一个串联安装的多个压缩(或膨胀)装置(于是它们被称作分级式压缩装置)：离开第一压缩(或膨胀)装置的压缩(或膨胀)气体接着(分别)进入第二压缩(或膨胀)装置，等等。
根据本发明的实施例的一个替代形式，分级式或非分级式压缩装置可能是可逆的，换言之，其可操作用于压缩以及膨胀。因此，可能限制用于根据本发明的***中的装置的数量，由此允许节省根据本发明的***的重量和容积。
用于根据本发明的借助压缩气体来储存和恢复能量的***中的受压流体储器可位于地面或地下。此外，如上所述，其可由呈管状的单个容积组成，该管由多个同心层形成，或其可由多个这种管组成，这些管可能或可能不联接在一起。
根据本发明的***适应于任何类型的气体，尤其是空气。在该情形中，用于压缩的进入空气可从环境空气中取得，且膨胀之后的排出空气可释放至环境空气中。
用于储存热量的装置允许在储存压缩气体(压缩)时在压缩机的出口处最大程度地恢复由气体压缩所导致的热量，并在行进至下个压缩之前或在储存压缩气体之前降低气体的温度。例如，压缩气体可从超过150℃(例如约190℃)的温度变化至低于80℃(例如约50℃)的温度。热量储存装置允许在恢复能量时通过在行进至下一个膨胀之前提高气体的温度而最大程度地恢复所储存的热量。例如，气体可从低于80℃(例如约50℃)的温度变化至超过150℃(例如约180℃)的温度。
图3示出了根据本发明的借助压缩气体用来储存和恢复能量的***的一个非限制性示例，其包括气体压缩装置1、热量储存装置2、根据本发明的受压流体储器3和气体膨胀装置4。在该图中，实线绘制的箭头示出了压缩(能量储存)步骤期间的气体循环，虚线绘制的箭头示出了膨胀(能量恢复)步骤期间的气体循环。热量储存***2被***在压缩装置1或膨胀装置4与根据本发明的储器3之间。常规地，在能量储存(压缩)阶段期间，空气首先在压缩机1中被压缩，接着在热量储存***2中被冷却。压缩并冷却后的气体被储存在根据本发明的储器3中。热量储存***2在压缩阶段中被压缩的气体冷却期间储存热量。在能量恢复(膨胀)期间，储存在根据本发明的储器3中的压缩气体在热量储存***2中被加热。接着，常规地，气体穿过膨胀装置4。
根据本发明借助压缩气体用来储存和恢复能量的***不限制于图3中的实施例。可设想其他构造：若干压缩级和/或膨胀级、使用可逆装置来实现压缩和膨胀等。
本发明还涉及一种使用压缩气体的储存和恢复方法，在该方法中，执行以下步骤：
a)尤其借助压缩机来压缩气体；
b)特别是在热量储存装置中通过热量交换冷却压缩气体；
c)将冷却的压缩气体储存在尤其是根据本发明的受压流体储器中；
d)在热量储存装置中通过热量交换加热所储存的压缩气体；以及
e)使被加热的压缩气体膨胀以产生能量，例如借助涡轮来产生电能。
因此，根据本发明的使用压缩气体的储存和恢复方法中受压流体储器包括以同心层布置形成的至少一个管，这些同心层从管的内部朝向外部排列如下：
－由混凝土制成的内层；
－由厚度为E的钢制成的层；
－在混凝土子层上由钢丝卷形成的至少一层，钢丝经受周向拉伸预应力；
－用于保护钢丝免受化学和/或物理损坏的外层。
此外，至少施加至钢丝的周向拉伸预应力、或替代地由钢制成的层的厚度E、或替代地施加至钢丝的周向拉伸预应力和由钢制成的层的厚度E两者至少根据运行压力来预先确定。根据本发明的一个实施例，运行压力至少等于100巴，优选为125巴。因此，根据本发明的使用压缩气体的储存和恢复的方法使用受压流体储器来实施，该储器允许相比于全钢储器而言减小所需钢量和需满足的技术限制。根据本发明的使用压缩气体用来储存和恢复的方法因此在经济上和技术上都是可行的。
根据本发明的一方面，使用压缩气体的储存和恢复方法包括：使用串联放置的压缩机、也被称作分级式压缩机进行的若干连续压缩步骤。在该情形中，对于每个压缩级重复步骤a)和b)。因此，气体被压缩并冷却若干次。
根据本发明的一个特征，压缩气体的储存和恢复方法包括：使用串联放置的膨胀装置、也被称作分级式膨胀装置进行的若干连续膨胀步骤。在该情形中，对于每个膨胀级重复步骤d)和e)。因此，气体被加热并膨胀若干次。
步骤a)涉及气体、例如空气的压缩。其尤其可为取自周围环境的空气。
步骤b)允许压缩气体在每个压缩步骤之后被冷却，由此允许优化下一压缩和/或能量储存的效率。用于储存热量的装置允许在储存压缩气体(压缩)时在压缩机的出口处最大程度地恢复由气体压缩所导致的热量，并在行进至下个压缩之前或在储存之前降低气体的温度。例如，压缩气体可从超过150℃、例如约190℃的温度变化至低于80℃、例如约50℃的温度。
步骤c)借助上述根据本发明的储器来执行，其可位于地面或地下。此外，其可由单个容积或由可能或可能不相互连接的多个容积组成。在储存期间，根据本发明的储器被关闭。
压缩气体被储存直至期望恢复所储存的能量为止。在要恢复所储存的能量时执行步骤d)和后续步骤。
步骤d)允许在每个膨胀之前加热压缩空气，由此允许优化下一次膨胀的效率。对于步骤d)，可能使用用于在步骤b)期间冷却的热量储存颗粒。热量储存装置允许在恢复能量时通过在行进至下一个膨胀之前提高气体的温度而最大程度地恢复所储存的热量。例如，气体可从低于80℃、例如约50℃的温度变化至超过150℃、例如约180℃的温度。
在步骤e)期间，压缩气体膨胀。使压缩气体膨胀允许产生能量。该膨胀可借助涡轮执行，该涡轮产生电能。如果气体是空气，则膨胀的空气可被排入周围环境。
根据本发明的使用压缩气体的储存和恢复方法和使用压缩气体的储存和恢复***两者都可用于储存间断的能量、比如风能或太阳能，使得可在期望时使用该能量。
示例性实施例
在阅读了下文的应用示例的情形下，根据本发明的方法的特征和优点会变得更为清楚。
在该示例中，意于设计出一种满足以下技术要求的气体储器：
－储存容积：5700m3；
－最大运行压力：125巴；
－钢等级：X80(弹性极限＝550MPa、断裂应力＝625MPa)；
－钢的固定最大可容许应变＝Min{550/1.5,625/2.4}＝260MPa。
对应于根据本发明的储器的一个实施例的第一储器R1根据上述技术要求使用Abaqus软件(法国达索***(Dassault Systèmes))确定尺寸。储器R1的主要特征如下：
－钢层厚度：8mm；
－钢层外直径：1422.4mm；
－钢筋混凝土混合层的内直径/外直径＝1300mm/1800mm；
－预应力钢丝直径：10mm；
－钢丝卷绕节距：20mm；
－所施加的预应力：1300Mpa；
－储器总长度：4294m；
－钢管质量：1198t；
－钢丝质量：707t；
－混凝土层质量：12180t。
在表1中表示对于不储存受压流体的情形(该情形被称作“非运行”；表1的第2栏)以及对于流体以125巴的压力储存在储器中的情形(该情形被称作“运行中”、表1的第3栏)储器R1的第一组四层(这些层在图1a中示出)中的周向应力。根据该表，可见到，钢层C2中的周向应力在运行中小于对于该层可允许的最大应力。此外，当不运行时，该层中的压缩预应力远未达到容许极限。
在混凝土层C1和C3’中产生的压缩预应力分别为19MPa和16MPa。因此，可见到，具有35MPa压缩强度的混凝土等级是足够的。
由于组件的瞬时弹性变形，在不运行时钢丝中的拉伸预应力小于所施加的初始预应力。运行应力的值在预应力钢丝的容许极限内。
因此，通过添加以清楚确定的周向拉伸预应力卷绕的钢丝，本发明允许产生受压流体储器，该受压流体储器具有可实现的钢厚度(在该示例中为8mm)，同时满足安全要求。
表1
示意性地，设计了第二储器R2，第二储器R2与储器R1相同，除了在R2的情形中，钢层的厚度为等于2mm的厚度E。在表2中表示对于不储存受压流体的情形(该情形被称作“非运行”；表2的第2栏)以及对于流体以125巴的压力储存在储器中的情形(该情形被称作“运行中”、表2的第3栏)储器R2的第一组四层中的周向应力。
表2
可见到，在没有与所储存气体的压力相关的应力(表2的第2栏)时，钢厚度的减小(与R1相比)不显著地改变应力。这是由于以下事实：在该情形中，(层C1和C3’的)混凝土在压缩中起到非常重要的作用。相反地，在运行阶段(表2的第3栏)中，可见到，钢(层C2)中和预应力钢丝(层C3”)中的应力高得多。这些应力是不可接收的，且***无法正确地经受内压力。
类似示意性地，设计了储器R3，在该情形中，储器R3由单个钢层组成。通过为钢管设定尤其对于X80类型的油管而言是常规尺寸的等于56”(1422.4mm)的外直径，以下特征由根据CODAP标准的常规计算基于以下RDM公式获得，(RDM代表材料强度)：
－钢厚度：33.5mm；
－管总长度：3950m；
－钢总质量：4533t。
通过将储器R1的特征与储器R3的特征比较，发现钢的总质量对于全钢储器R3比对于根据本发明的储器R1大得多。考虑到每吨混凝土的价格比钢的价格低得多(例如是1/20的等级)，根据本发明的受压流体储器通过将混凝土层添加至钢层并通过在钢丝的卷绕期间施加预应力而更经济，同时确保流体密封性和机械强度以经受所设想的运行压力。

Claims (12)

1.一种用于储存诸如压缩空气之类的处于压力下的受压流体的储器，其特征在于，所述储器呈由多个同心层(C1、C2、C3、C4)布置形成的至少一个管的形式，所述布置从所述管的内部至外部包括：由混凝土形成的内层(C1)、具有厚度E的由钢形成的层(C2)、由钢丝卷(C3”)在混凝土子层(C3’)上卷绕形成的至少一层(C3)、以及意于保护所述钢丝免受物理和/或化学损坏且其中所述钢丝经受周向拉伸预应力的外层(C4)，至少所述厚度E和/或所述预应力的等级定为经受所述压力。
2.根据权利要求1所述的储器，其特征在于，在所述管的轴向上所述钢丝的直径和间隔能够根据所述预应力确定。
3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的储器，其特征在于，所述管包括由所述钢丝卷(C3”)在所述混凝土子层上(C3’)形成的多个层(C3)，其中，所述卷中的所述预应力根据所述多个层中各所述层的径向距离确定。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的储器，其特征在于，所述外层(C4)由混凝土或砂浆制成。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的储器，其特征在于，由钢制成的所述层(C2)对应于API等级X80的钢管。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的储器，其特征在于，所述储器由多个所述管形成，各所述管不彼此联接在一起。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的储器，其特征在于，所述储器由多个所述管形成，各所述管通过焊接或使用弹性密封件彼此联接在一起。
8.一种用于制造根据前述权利要求中任一权利要求所述的受压流体储器的方法，其特征在于，由具有厚度E的实心钢管和钢丝卷筒开始，至少执行以下步骤：
a)在所述钢管的内部形成内混凝土层；
b)在所述钢管的外部形成混凝土子层；
c)螺旋地卷绕来自所述卷筒的所述钢丝，从而使它们经受周向拉伸预应力；
d)形成用于保护所述钢丝免受化学和/或物理损坏的外层；
至少所述厚度E和/或所述预应力根据所述压力确定。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，重复步骤b)和c)，从而形成多个层(C3)，所述多个层由混凝土子层(C3’)上的所述钢丝卷(C3”)形成。
10.根据权利要求8和9中任一权利要求所述的方法，其特征在于，至少所述内混凝土层和所述混凝土子层通过离心旋转或替代地通过振动模制形成。
11.一种借助压缩气体来储存和恢复能量的***，包括至少一个压缩气体的装置(1)、至少一个根据权利要求1至7中任一权利要求所述的受压流体储器(3)、至少一个用于使压缩气体膨胀以产生能量的装置(4)、以及至少一个用于储存热量的装置(2)。
12.一种借助压缩气体用来储存和恢复能量的方法，在所述方法中，执行以下步骤：
a)压缩气体；
b)在热量储存装置(1)中通过热量交换冷却所述压缩气体；
c)将被冷却的所述气体储存在根据权利要求1至7中任一权利要求所述受压流体储器中；
d)在所述热量储存装置(1)中通过恢复热量加热被冷却的所述压缩气体；以及
e)使受热的所述压缩气体膨胀，以产生能量。
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