CN113677885A - 用于存储能量的方法和设备 - Google Patents

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CN113677885A CN201980094580.6A CN201980094580A CN113677885A CN 113677885 A CN113677885 A CN 113677885A CN 201980094580 A CN201980094580 A CN 201980094580A CN 113677885 A CN113677885 A CN 113677885A
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莫罗·佩德里蒂
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Mo LuoPeidelidi
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Abstract

根据本发明的方法涉及能量按压缩流体的形式的存储，将所述压缩流体泵送到布置在水面（4）下方的容器（2）中以存储能量，其中进入所述容器的流体从所述容器置换现有内含物（包括水）并且进入到周围的水中，并且从所述容器（2）移除压缩流体以移除能量，其中周围的水根据所移除的压缩流体的体积流回到所述容器中，其特征在于所述容器（2）至少在一些部分中设置有柔性壁并且布置在海床（6）或湖床（6）上并且在那里由压载物（15）覆盖，使得其即使当完全填充有压缩流体时也按压成抵靠底层。

Description

用于存储能量的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的用于存储能量的方法以及一种根据权利要求6的气动能量存储装置。
背景技术
众所周知并且确定能量通过抽水蓄能电站存储。然而，越来越需要能够不仅在具有对应地形的地区中、而且还在其产生的地方（例如，在风力发电站或其他替代能量生产商附近）存储能量。风力发电站通常在沿海地区可用或规划，太阳能发电站通常在沿海地区可用或规划。
相应地，用于存储压缩空气的解决方案已经变得已知，其中空气存储在海面下方，即，可以在周围的水的压力下存储。
这些解决方案中的一者实现将由柔性材料制成的气球锚固在海床上，其中然后从下方用压缩空气填充这些气球，并且这些气球能够充气并接收压缩空气，直到其被完全填充。这些气球自然产生相当大浮力，并且因此必须被锚固。锚固被解决成使得将填充有散装材料的压载物容器的网格布置在海床上，其中所述气球通过所述压载物容器之间的锚固绳索固定到所述压载物容器。此布置结构是不利的，因为气球针对工业用途必须很大，并且因此在填充状态下具有非常高的浮力，这继而需要压载物容器及其连接部的相应承载结构。另外，此类气球暴露至洋流，这不仅增加作用在压载物容器上的力，而且还使得必需按可移动方式将气球布置在其锚地处和用于压缩空气的供应管线上。如果要充分压缩空气以获得更大的存储容量，则整个布置结构必须设置在更大深度处。整体上，有竞争力的能量存储装置所需的工作量于是似乎太高。
因此，通过StEnSEA项目（弗劳恩霍夫研究所的“海洋储能”），用于按电力的形式存储能量的另一个解决方案已经变得已知。具有30 m的直径和3 m的壁厚度的混凝土容器待定位在600 m至800 m的深度处，并且经由电力线连接到陆地上的发电站，其中设置每容器20 MWh的存储容量。每一混凝土容器具有将其内部与周围的大海连接在一起的均衡管。当所述存储装置接收按电力的形式存储的能量时，水经由电动泵从所述球体中泵送出来。如果要提取所存储的电力，则水流过涡轮机进入到空球体中，并且经由发电机产生电力，所述电力经由电力线流回到陆地。
此构思的另一缺点在于其导致工业能量存储的高成本。足够数量的具有上述尺寸和强度的混凝土容器的生产是昂贵的，其在600 m至800m的深度处锚固也是昂贵的。整体上，所需工作量于是似乎阻碍了有竞争力的能量存储装置。
发明内容
因此，本发明的目的是产生一种允许相对便宜存储的用于存储能量的方法和设备。
此目的通过具有权利要求1的特征的方法或者通过具有权利要求7的特征的气动水下能量存储装置来解决。
由于水根据从能量存储装置的容器供应或移除的可压缩流体的体积从容器排放或再次占据其中，因此其压力载荷减小到最小值，所述最小值仅取决于其构造高度、而与其深度位置无关，这允许所述能量存储装置的简单且便宜的生产。由于涡轮机由所排放的水驱动，因此可获得能量，借助所述能量，周围的水可以被泵送回到容器中，使得所述能量存储装置的操作可以是能量中性的，直到实现所述泵-涡轮机布置结构的效率。
本发明的优选实施例具有根据从属权利要求的特征。
如果所述容器在一些部分中或完全由柔性壁形成，则其可以按特别简单且便宜的方式设计。由于所述柔性容器放置在海床上并且由压载物覆盖，因此也可以例如通过简单地用在容器附近疏浚的海床覆盖所述容器来简单且便宜地执行锚固，这甚至在800 m的深度处也并不造成任何重大问题。所述柔性容器可以吸收海床上或通过压载物的局部变形，这显著简化了根据本发明的能量存储装置在水体的床上的构造，并且有助于能量存储装置的低总体成本。
附图说明
下文参考附图更详细地描述本发明。
附图显示：
图1示意性地显示根据本发明的气动能量存储装置，
图2a显示根据图1的能量存储装置在其填充有压缩流体时的压力条件，
图2b显示根据图1的能量存储装置在压缩流体已经从其移除时的压力条件，
图3示意性地显示气动能量存储装置的容器，其具有适应环境的柔性壁，
图4示意性地显示根据本发明的气动能量存储装置的又一个实施例，
图5显示关于能量存储装置的成本的图示，以及
图6显示关于存储容量的图示。
具体实施方式
图1示意性地显示穿过根据本发明的气动能量存储装置1的优选实施例的横截面，其具有容器2，其中所有容器外壁3都由柔性材料制成。能量存储装置1位于水面4下方，并且借助壁区段5搁置在水体（例如海、湖或蓄水池）的床6上。柔性壁3优选地由塑料膜形成，其包括聚酯/PVC、橡胶或涂层聚酯织物。也可以使用其他织物，例如，玻璃纤维、凯夫拉纤维或其他合成织物。在特定情况下，柔性壁3在一些部分中也可以是刚性形式的，例如，在壁区段5的搁置在底部上的区域中或者在用于待存储的可压缩流体的压力管7的位置处或将容器2与周围的水连接在一起的均衡管8的位置处。然而，整个容器2优选地由柔性材料形成。
压力管7布置在容器2的上部区域中，并且优选地连接到压缩机-涡轮机布置结构10，压缩机-涡轮机布置结构10仅象征性显示在附图中，其更优选地位于陆地上并且由发电站（例如，太阳能发电站或风力发电站或另一类型的发电站）的能量驱动。因此，压缩机-涡轮机布置结构10的压缩机可以例如吸入环境空气（或另一可压缩流体），压缩其并通过压力管7将其泵送到容器2中以给能量存储装置（1）充能。另外，为了对能量存储装置（1）进行放能，压缩机-涡轮机布置结构10的涡轮机可以由源自容器2的压缩流体（例如，空气）驱动，并且因此例如产生电力。为简化附图，已经省略压力管7中存在的用于关闭或打开其的阀。然而，双箭头13显示可压缩流体通过压力管7和通过压缩机-涡轮机布置结构10的两个流动方向。结果是，所述容器（2）的内部优选地在上部区域中设置有通向水面的用于压缩流体的压力管（7），并且优选地，进一步设置涡轮机（10），所述涡轮机（10）由从所述容器（2）中流出的压缩流体驱动。
均衡管8布置在容器2的下部区域上并且具有开口11，开口11优选地位于壁区段5的高度的区域中，即，在水体的床6的区域中。泵-涡轮机布置结构12（此处仅象征性地显示）进一步连接到均衡管8。双箭头14显示通过均衡管8和泵-涡轮机布置结构12的两个流动方向。为了简化此附图，在附图中也未显示用于关闭或打开均衡管8的阀。泵-涡轮机布置结构12优选地位于水体的床6上，但是也可以设置在陆地上，例如，在压缩机-涡轮机布置结构10的位置处。
用压载物15覆盖容器2，使得即使当能量存储装置1被完全充能时，所述容器也仍可靠地搁置在床6上。如附图中所示，压载物15优选地完全覆盖容器2。更优选地，压载物15由例如砾石或沙子等散装材料组成，其中非常优选地，例如在能量存储装置1的位置处来自床6的材料也用于或专门用于压载物15（现在即使在相当大深度处也可以疏浚海床，并且以低成本按有针对性的方式沉积所述材料）。
容器2优选地设置有平坦轮廓，使得其水平尺寸b是其高度h的倍数、优选地两倍或更多、特别优选地三倍或更多、非常特别优选地五倍或十倍或更多。此轮廓例如使得可以提供附图中所指示的透镜形状，这对于使用散装材料作为压载物15是特别有利的。因此，更优选地，容器2的上壁区段17的倾斜度保持在30度以下。此时应注意，压载物15必须至少在容器2的每一个位置处补偿容器的浮力，使得借助附图中所示的透镜形状，比起在容器的中心区域中，在容器2的边缘处需要较少压载物15，这通过压载物15的不同厚度显示。
在图1中所示的实施例中，容器2设置有杆9，其用于给予容器2所期望形状或限定其轮廓。杆9可以优选地经受拉伸载荷，并且可以由与容器2的柔性壁相同的柔性材料组成。在特定情况下，杆9被布置成与所提供的压载物15连接，使得容器2在操作期间保持既定轮廓并且可以以既定操作体积操作。
在图1中，还可以通过虚线看到容器2的假想区域16，所述区域在其整个高度h上延伸。从床6到水面的水体的水柱的高度为H。借助此假想区域16，下文在图2a和图2b的描述中解释根据本发明的水下能量存储装置中的压力条件。
在附图中未显示的实施例中，所述水下能量存储装置的容器2仅在一些部分中设置有柔性外壁3。在特定情况下，刚性外壁3可以例如设置在压缩空气管7或均衡管8的位置处，或者还设置在容器2的底部或顶部区域中。
本发明的优点在于，参见下文针对图2a和图2b的描述，如所提及的，所述容器仅必须被设计成用于来自容器的高度h的水柱的压力量的压力载荷-从而海床或湖床6的深度或者上至水面4的高度H不起任何作用。
因此，基本上，根据本发明，还使整个容器设置有非柔性壁，例如，由混凝土制成，因为即使在很大深度处也仅需要相对小的壁厚度（压力载荷），这显著简化其生产并使其生产比现有技术的容器更便宜。
结果是一种用于按压缩流体的形式存储能量的方法，为了存储能量，将所述压缩流体泵送到布置在水面下方的容器（2）中，其中所述容器（2）布置在海床（6）或湖床（6）上并且在那里由压载物（15）加重，使得即使当其被所述可压缩流体完全填充，所述容器在操作位置（6）中被按压成抵靠所述海床或湖床，并且其中，根据进入所述容器（2）的所述压缩流体的体积，其中存在的一定含量的水从那里排放到周围的水中，并且根据从所述容器（2）移除的所述压缩流体的体积，周围的水再次流回到所述容器（2）中，从而使用从所述容器（2）排放的水来驱动涡轮机并且在其中泵送流入所述容器（2）的水。
一种对应的气动水下能量存储装置具有用于可压缩流体的容器（2），其中所述容器（2）搁置在海床或湖床（6）上并且由压载物（15）覆盖，使得当满载时，所述容器通过所述可压缩流体保持成按压抵靠所述海床或湖床（6），其中用于可压缩流体的压力管（7）进一步通向所述容器（2）的上部区域，并且设置在所述容器（2）的下部区域中的均衡管（8）将所述容器（2）的内部与周围的水连接起来，并且其中进一步设置连接到所述均衡管（8）的泵-涡轮机布置结构（12），所述泵-涡轮机布置结构被设计成根据在所述水下能量存储装置（1）的操作期间流入的所述可压缩流体的体积通过涡轮机经由所述均衡管（8）将水从所述容器（2）排放到周围的水中，并且根据从所述容器（2）排放的可压缩流体的体积通过泵将周围的水输运到所述容器（2）中。
图2a显示当容器2完全装载有压缩流体（优选地空气）时的所述容器2中的假想区域16（也参见图1）。此空气产生用矢量A表示的浮力，其对应于其置换的水，此处对应于假想区域16的体积。如果容器2要保持成由压载物15按压抵靠底部，则由矢量B表示的压载物15的重量必须至少对应于浮力A，使得其重量至少对应于由空气置换的水的重量。矢量W表示假想区域16上方的水的重量。F表示假想区域16的横截面面积。
如果ɣ是水的比重，则结果是：水的重量为W = （Hh）Fɣ，压载物重量为B = Fhɣ并且等于浮力A = FHɣ（因为压载物必须对应于浮力）。由于假想区域16的内部压力因空气含量而各处相同，因此其在其如下最上部区域中（p1）、在开口11的位置处（p2）相同，使得p1 =p2 = Hɣ（水重量W加上压载物重量W，即，W + B = （H-h）Fɣ + Fhɣ = FHɣ如上作用）。
如果能量存储装置1填充有可压缩流体，则与周围的水相比，超压在其中占优势，所述超压随高度h增加并对应于具有此高度的水柱中的压力。此超压与床6的深度或水的高度H无关。
图2b显示当容器2不具有压缩流体并且因此完全填充有水时的所述容器2中的假想区域16。压力p1保持不变，即，p1 = Hɣ（假想区域16上方的水的重量W和压载物15的重量B不变- 因此假想区域16中顶部处的内部压力p1也不变）。与根据图2a的假想区域16的空气含量形成对比，其现在填充有具有重量Fhɣ的水。在假想容器中，存在水柱，其压力朝向底部增加（每10 m大约1 bar，这取决于水的组成）。压力p2则相应更高，即p2 = p1 + hɣ = Hɣ +hɣ。当填充有水时，与周围的水相比，按Δp = hɣ的量在假想区域16中在开口11的位置处存在超压，所述超压与假想区域16中的水柱的高度成比例。
如果能量存储装置1填充有水，则与周围的水相比，在其中存在超压，所述超压对应于具有其高度h的水柱中的压力。此超压与床6的深度或水的高度H无关。
如果能量存储装置1的容器2按透镜的形状设计（参见图1），则与其宽度b相比，高度h小，即，其（过度）压缩应力低。压载物15当适当确定尺寸时可以吸收此压缩应力，这允许容器2由不必展现任何特殊性质的柔性材料制造，即，可以便宜地制造。杆9（图1）按所期望的形状保持容器2的轮廓。
如果从容器2移除压缩空气以便回收能量，则周围的水流过开口11进入到容器2中，其中容器2中的水位上升直到达到图2b的状态。当水位上升时，容器2中的超压增加（这由增加的水柱的重量引起），使得周围的水必须使用泵-涡轮机布置结构14的泵泵送到容器2中。当回收能量E = VHɣ（直到所有存储的空气都已经从容器2移除）时，必须同时施加泵送能量Pp = V（h/2）ɣ。
如果在处于压力p1的压缩空气的存储期间，水从容器2排放，则当容器2仍然完全填充有水时，此水具有超压hɣ，其下降到0，直到水完全排空。根据本发明，处于超压的水通过泵涡轮机布置结构14的涡轮机，从而获得涡轮机能量PT = V（h/2）ɣ。
这意味着，容器2的内含物（水 - 可压缩流体，此处为空气）的变化按能量中性方式发生，其中，然而，由于泵-涡轮机布置结构14中的损失，实际情况并非如此。这些损失相对于可存储能量是低的，并且代表可忽略不计的成本因素。
此处应注意，除其他之外，压载物15的重量可以由本领域技术人员在特定情况下例如关于容差或安全考虑等等而与针对图2a的计算不同地设置。在特定情况下，本领域技术人员可以容易相应地修改根据图2a或图2b的计算。
如上所述，容器2优选地在根据图2a的装载有可压缩流体的状态与根据图2b的填充有水的状态之间来回交替，因为容器2用例如经由压缩机循环并经由涡轮机再次排空的压缩空气填充压缩机-涡轮机布置结构10。当然，还可以按不规则循环运行能量存储装置1，即，仅用可压缩流体部分填充容器2。压缩流体（空气）和水进出容器2的交换始终是体积中性的，即，流入流出容器的水的体积对应于泵送到容器2中或从容器2移除的压缩流体的体积。
图3显示穿过处于操作状态的能量存储装置1或20的容器2的横截面，其中为清楚起见，与理想轮廓相比，稍微夸大地显示容器2的实际变形。为简化附图，已经省略压力管7、均衡管8和压缩机-涡轮机布置结构10（图1）。容器2的柔性壁区段23容易适应海床或湖床的轮廓以及关于压载物15的上部柔性壁区段24和由压载物15施加的压力（其中变形也可以在容器2用压载物15的装载期间或者在操作期间在能量存储装置1、20的充能或放能期间发生）。昂贵、刚性且耐压的设计是不必要的，其中另外，由柔性膜形成的容器2不仅制造便宜，而且定位在海床上并装载压载物也是便宜的。
图4显示气动能量存储装置30的多个容器24的替代布置结构。这些容器的形式可以是球形或管状的，并且嵌入海床或湖床上的准备好的堤岸25中。一般来说，可以在特定情况下设置此堤岸，例如，在部分岩石或非常不平坦的床的情况下，例如，当必须假定容器的柔性膜在操作期间可能局部应力过大时。继而情况是，与具有刚性容器的其他构造相比，可能的局部堤岸不是非常成本密集的。在海床或湖床的大多数沙质构造的情况下，可以省掉堤岸。
图5和图6显示对图示35中的所存储能量的成本以及对图示36中的可以依据水深存储的能量的量的估计。粗略计算基于根据本发明的能量存储装置，其具有完全由柔性膜形成的用于压缩空气的容器，其中所述容器在40 m的深度处位于海床上，并且被已经由吸扬式疏浚船吸入并放置在容器上的海砂覆盖。所述柔性膜的倾斜度在容器的边缘处为30度，其按透镜的形状设计，并且具有50 m的直径和6.7 m的最大高度（在中心）。这产生4068m2的总膜面积和6734 m3的最大存储体积。
在提交此申请时，平均聚酯/PVC膜成本为US$12/m2，从而导致US$48,820的容器成本。如所提及的，假定海砂作为压载物材料，其铺设可以设置为US$2/m3 – 总共US$7,678。涡轮机-压缩机布置结构的经验值产生所存储能量的US$20/kWh的成本。这产生US$76/kWh，其中当所述能量存储装置被完全充能时，所存储能量为0.75 MWh。
图示35（图5）针对三个储气部直径D = 25、50和100 m依据水深H [m]以图形方式显示能量成本[USD/kWh]。图示36（图7）针对三个储气部直径D = 25、50和100 m依据水深H[m]以图形方式显示所存储能量的量[MWh]。
结果是，与StEnSEA项目（参见以上描述）形成对比，可能已经在50m的水深处假定经济效率或有竞争力的工业使用，根据项目描述规范，其混凝土存储容器可以仅从大约700m的深度经济地使用。

Claims (16)

1.一种按压缩流体的形式存储能量的方法，为了存储能量，将所述压缩流体泵送到布置在水面下方的容器（2）中，其特征在于：所述容器（2）布置在海床（6）或湖床（6）上并且在那里由压载物（15）加重，使得即使当所述容器被可压缩流体完全填充时，所述容器在操作位置（6）中被按压成抵靠海床或湖床，其中，根据进入所述容器（2）的压缩流体的体积，其中存在的一定含量的水从那里排放到周围的水中，并且根据从所述容器（2）移除的压缩流体的体积，周围的水再次流回到所述容器（2）中，从而使用从所述容器（2）排放的水来驱动涡轮机并且在其中泵送流入所述容器（2）中的水。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述容器（2）的外壁在一些部分中由柔性材料形成。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述容器（2）的所有外壁都由柔性材料形成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述容器（2）设置有平坦轮廓，使得其水平尺寸是其高度的倍数、优选地两倍或更多、特别优选地三倍或更多、非常特别优选地五倍或更多。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述容器（2）完全由所述压载物（15）覆盖。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压载物由散装材料组成，所述散装材料已经优选地在水下能量存储装置的位置处从海床或湖床移除。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述容器（2）的内部在上部区域中设置有通向水面的用于压缩流体的压力管（7），并且优选地进一步设置涡轮机（10），所述涡轮机（10）由从所述容器（2）流出的压缩流体驱动。
8.一种具有用于可压缩流体的容器（2）的气动水下能量存储装置，其特征在于：所述容器（2）搁置在海床或湖床（6）上并且由压载物（15）覆盖，使得当满载时，所述容器通过可压缩流体保持成按压抵靠海床或湖床（6），用于可压缩流体的压力管（7）进一步通向所述容器（2）的上部区域，并且设置在所述容器（2）的下部区域中的均衡管（8）将所述容器（2）的内部与周围的水连接起来，其中，进一步设置连接到所述均衡管（8）的泵-涡轮机布置结构（12），所述泵-涡轮机布置结构被设计成根据在水下能量存储装置（1）的操作期间流入的可压缩流体的体积通过涡轮机经由均衡管（8）将水从所述容器（2）排放到周围的水中，并且根据从所述容器（2）排放的可压缩流体的体积通过泵将周围的水输运到所述容器（2）中。
9.根据权利要求8所述的气动水下能量存储装置，其中，所述容器（2）至少在一些部分中具有柔性外壁（3）。
10.根据权利要求8所述的气动水下能量存储装置，其中，所述容器（2）完全由柔性壁（3）形成。
11.根据权利要求8所述的气动能量存储装置，其中，所述压载物（15）完全覆盖所述容器（2）。
12.根据权利要求8所述的气动能量存储装置，其中，所述压载物（15）由散装材料、优选地由周围海床或湖床（6）的材料组成。
13.根据权利要求8所述的气动能量存储装置，其中，所述容器（2）在其内部中具有可以经受拉伸载荷的杆（22）。
14.根据权利要求8所述的气动能量存储装置，其中，所述容器（2）的上部区域设置有通向海面或湖面的用于可压缩流体的压力管（7），并且其中，此管（7）优选地设置有涡轮机（10），所述涡轮机（10）可以由从所述容器（2）流出的可压缩流体驱动。
15.根据权利要求8所述的气动能量存储装置，所述容器（2）具有平坦轮廓，其水平尺寸是其高度的数倍、优选地两倍或更多、特别优选地三倍或更多、非常特别优选地五倍或更多。
16.根据权利要求8所述的气动能量存储装置，其中，所述气动能量存储装置具有多个容器（2），所述多个容器（2）由共用载物层（15）覆盖。
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