專利名稱：用于存儲和使用能量以降低終端用戶能量成本的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及能量存儲系統領域。
背景技術：
在美國和全世界有不計其數的辦公樓和其它商業設施(下面稱為“商業設施”)。并且由于大多數貿易和商業設施需要在白天運營，它們通常在白天需要大量的電能以便為包括照明、供暖、制冷等設備提供電力。這對于供暖和制冷需要而言尤其如此，例如在寒冬和酷暑月份，其中用于保持舒適工作環境所需的能量較高。
這些峰值負荷對用于為商業設施提供電力的電站和電網施加了沉重的負擔。電站和電網經常需要被建設成為滿足最高負荷時期，這意味著在低負荷時期，它們將不可避免的低效操作，即低于峰值效率和性能。即使每天峰值負荷時期的發生僅有很短的時間也是如此。不能正確考慮這種峰值負荷時期，例如將設備過度設計成用于滿足峰值負荷，將導致頻繁斷電和故障的發生。而且，在電網的一個區域中的故障可導致在其它區域中產生沉重的壓力，其中整個系統可發生故障，即整個區域斷電。
這些負荷對于商業設施所有者和操作者也構成沉重的負擔。電力公司經常對于商業設施在峰值負荷時期消耗的能量征收很高的額外費用。這種措施主要是基于眾所周知的供需原理，例如，當負荷較高時能量成本較高，并且當負荷較低時能量成本較低。并且因為大多數商業設施所有者不得不在白天運營，它們經常必須支付在最高負荷時期期間的最高能量成本。
電力公司還通過對在預定時期中例如一個月的時間中發生的最大消耗率處以罰款或征收額外費用(下面稱為“負荷費用demandcharge”)而對峰值負荷時期中的能量收費。例如可基于在該時期中發生的最大“峰值”消耗率征收負荷費用，其中負荷費用的征收不考慮在該時期中峰值“尖峰”或“波峰”如何短暫，并且不考慮在緊鄰尖峰或波峰前后的時期內所發生的消耗率。征收這種負荷費用還不考慮在其它情形中該時期內發生的平均消耗率，該平均消耗率可顯著低于峰值。即使總體平均使用率低得多，負荷費用也可基于該時期中所發生的高得多的峰值尖峰或波峰進行征收。
該定價措施被設計用于幫助電力公司補償和/或回收建筑電站和電網的高成本，它們如上所述被設計為用于滿足峰值負荷時期。它們還促使商業設施所有者和操作者在峰值時期降低能量消耗，并且如果可能試圖尋找可替代的能源。然而，由于大多數商業設施所有者和操作者必須在白天經營，并且并不總是可以獲得可替代的能源，它們經常必須在最高消耗率期間消耗能量。而且，因為能量消耗率會發生波動，并且波峰和尖峰可在多個時間發生，因此可能會被征收巨額的負荷費用。
電力公司和其它能量提供商在過去采用特殊的時間平移方法，其中在低負荷時期中供給的能量被存儲，并且然后在高負荷時期中使用。這些方法一般包括存儲能量，然后使用該能量，以便補充由電網提供的能量。這在理論上使得當能量成本較低時更多的能量被消耗，并且當能量成本較高時更少的能量被消耗，由此可能降低較高的能量消耗率成本。
在過去已經使用多個這種能量存儲方法，包括壓縮空氣能量存儲系統，例如地下洞穴。但是，這種系統的一個主要缺點在于它們能量效率很低。例如，壓縮空氣能量系統易于損失所存儲的能量的很大的一部分，從而利用所存儲的能量其成本實際上高于所存儲的能量。這種低效性使得安裝這種能量存儲系統的經濟激勵大大降低。
即使這種能量存儲系統具有一些優點，與安裝和操作這種系統有關的附加成本可成為經濟負擔，特別在終端用戶水平上。因此，使用能量的商業設施所有者和操作者經常難以判斷安裝和使用這種系統的成本可行性。而且，由于該安裝費用，它們可能難以獲得贊助和批準，例如以便吸引投資者和/或貸款者支付用于研制和安裝這種系統的資金，因為它們經常懷疑它們是否能夠收回成本。
因此需要這樣一種方法和系統，能夠由各個能量終端用戶或商業設施所有者和操作者使用以控制和調節來自電網的終端用戶能耗，因此可在低成本、低負荷時期中消耗更多的能量，并且在高成本、高負荷時期消耗較少的能量，以不僅實現總體負荷的降低以及降低在峰值負荷時期發生的尖峰和波峰，還可降低對于電網的總壓力，并且提供一種預測在較長時間內可以實現的成本節約的方法，這可說明安裝和操作該系統的成本和費用的可行性，由此使得該系統更加廣泛地得以使用。
發明內容
本發明涉及一種方法和能量存儲系統，可由商業設施所有者和操作者使用以在能量成本較低時存儲能量，然后在能量成本較高時使用所存儲的能量，以降低在高負荷時期對于電網的依賴性，并且因此降低與其有關的操作成本，并且由此使得能夠有助于在較長時間實現成本節約。
本發明優選由商業設施所有者和操作者例如辦公樓、購物中心和其它能量終端用戶使用，并且在此方面，本系統不同于現有系統，因為本系統并不旨在由能量提供商例如大型電站和電網使用并且與其不相關。即，本系統優選涉及這樣一種方式，其中能量“終端用戶”通過使用能量存儲和時間平移方法，以能夠在較長時間中實現成本節約的方式控制和調節能耗，可實現能量和成本節約。這種成本節約方法被稱為“使用時間(Time-Of-Use)”或者TOU。
在這方面，本方法和系統的一個方面優選涉及能夠準確的預測和估計以每一天為基礎可能發生的能量負荷和峰值，這是通過使用短期和長期預測，通過記錄和分析前一天的歷史以及總體能量負荷歷史實現的，然后設立可變能量存儲/使用計劃或時間表，其有助于通過將所使用的能量進行時間平移而降低峰值負荷，即，通過在高負荷/高成本時期使用在低負荷/低成本時期中存儲的能量而降低高負荷/高成本時期的能耗。
圖1示出用于本申請中的典型能量存儲系統；和圖2示出具有可選加熱設備的典型存儲罐。
具體實施例方式
本討論首先對可由本發明使用的能量存儲系統設備的一些基本部件進行討論。本發明考慮到各種能量存儲系統均可用于在此所討論的方法。但是，下述討論描述一種可用于本發明的優選系統。
該系統主要包括壓縮空氣能量存儲系統，其足夠小以便能夠容納在例如辦公樓、購物中心或其它能量終端用戶等商業設施中。例如，該系統可安裝在辦公樓、購物中心或商業建筑的地下室中，其中可設置有其它設備。存儲罐還可安裝在屋頂或者其它戶外位置，并且例如被刷成黑色以便使得存儲罐吸收太陽熱能，如將在下面討論的。
如圖1所示，系統1優選直接連接到電網3。這使得該系統以與其它商業設施相同的方式可從電網3獲取電力。然而其差別在于該系統如何控制和調節能耗，如將在下面討論的。
存儲系統1優選包括這種能量存儲系統中所具有的部件，包括壓縮機5、存儲罐7、氣流控制閥9、渦輪膨脹機11和發電機13等。壓縮機5優選連接到電源從而來自電網3的電能在非峰值、低負荷時期例如夜間可被轉化成壓縮空氣能。壓縮機5優選使用來自電網3的電能并且將空氣壓縮到存儲罐7中，其中壓縮空氣被存儲直至以后當能量負荷和成本較高時使用該壓縮空氣。
一般的，本系統的能量存儲部分優選包括用于存儲和利用壓縮空氣能的裝置。在這方面，存儲罐7優選設計成用于經受可由壓縮機5施加的壓力，并且被絕緣以便保持存儲罐7中的溫度。存儲罐7也優選靠近系統1被連接到電網3的位置處設置，從而壓縮空氣能夠被輸送到存儲罐7而沒有顯著的壓力損失。
雖然本發明考慮到可以使用各種尺寸的存儲罐，存儲罐7的尺寸依賴于對于給定應用而言所需的壓縮空氣能的量，以及其它因素例如壓縮機5的能力，渦輪膨脹機11的能力、該位置預期能量負荷的數量、可用空間的大小等。
本發明考慮到可以使用將壓縮空氣轉化成電能的多種現有裝置中的任何一種。在一個實施例中，一個或多個渦輪膨脹機11被用于將壓縮空氣從存儲罐7釋放以產生高速氣流，該氣流被用于驅動發電機13產生電能。然后在需要時該電能可被用于補充由電網3提供的能量，如將在下面描述的。渦輪膨脹機11優選為交流發電機提供能量，該交流發電機連接到AC到DC變流器，隨后是DC到AC反相換流器。
渦輪膨脹機11被用于在適當的時間即“根據需要”例如在峰值負荷時期將壓縮空氣釋放和膨脹，其中被釋放的和膨脹的空氣可驅動發電機13。以此方式，存儲在存儲罐7中的能量可被用于基于“需要”產生電力。例如，當負荷較低并且基于如在下面討論的所監控的負荷歷史預期，在未來的高負荷時期將會需要額外的能量時渦輪膨脹機11可被打開。在另一方面，在較高負荷、高成本時期可將渦輪膨脹機11關閉，從而高成本的能量并不用于將空氣壓縮到存儲罐7。該標準優選考慮到渦輪膨脹機11從靜止起動并且加速到峰值旋轉速率然后減速回靜止狀態。
本發明考慮到存儲罐7和/或有關部件及其熱慣性物質可被設計成吸收和釋放熱量，即使在壓縮和膨脹期間，也能將存儲罐7中的存儲的和壓縮的空氣保持在較為穩定的溫度。例如，在一個實施例中，可以使用延伸通過存儲罐7內部的由管道8制成的熱傳遞系統，其中熱傳遞流體(例如防凍劑)可通過管道8分布以便提供用于穩定存儲罐7中溫度的成本有效方式。這使得系統1能夠以比機械系統更加成本有效的方式靜態地穩定溫度。
在該實施例中，來自各種收集器(下面討論)的熱量通過一種裝置可被分布到存儲罐7中的壓縮空氣內，該裝置包括延伸通過存儲罐7的薄壁管道8的大的表面區域。管道8優選包括存儲罐7中總面積的大約1％的面積，并且優選包括銅或者碳鋼材料。它們還優選含有可被收集器加熱并且由管道8分布于存儲罐7的內部的防凍流體。該薄壁管道8優選用作熱交換器，它是熱慣性系統的一部分。存儲罐7優選襯設有保溫材料9以便防止熱量從內部損失。
在另一個實施例中，存儲罐7的較厚的壁其自身可用作吸熱設備和熱源。例如，當空氣被壓縮到存儲罐7中，并且空氣被加熱時，被加熱的空氣能夠有助于提高存儲罐壁的溫度，即存儲罐壁吸收熱量。而且，當將存儲罐7置于戶外并且刷成黑色時，存儲罐的壁可吸收太陽的熱量，其中存儲罐壁用作吸熱設備。
在此情形，可將額外的金屬材料添加到存儲罐壁，從而它們提供與充滿防凍劑的管道8相同的熱慣性功能，但是考慮到腐蝕的長期效果，使得存儲罐7能夠具有更長的使用壽命，而提高了安全性。而且，可以期望降低問題的數目，例如來自腐蝕的問題，因為存儲罐7中的空氣不能含有大量的高壓水蒸氣。在這方面，壓縮機5將有助于在空氣壓縮期間除去大部分的水蒸氣，并且在存儲罐7中冷凝的水優選每天均例如通過排水裝置而被排出，其中存儲罐7中的空氣可以非常干燥。
存儲罐7的質量與存儲罐7中的空氣質量相比也可被制造地較大。因此，存儲罐壁無需顯著的提高溫度以便保持存儲罐7中的空氣溫度。例如，當由渦輪膨脹機11將空氣排出時，存儲罐7中的空氣溫度將根據等熵定律試圖下降，但是由于存儲罐壁吸收的熱量將發生熱交換過程，這用作用以保持存儲罐7中溫度的熱源。因此，溫度下降被限制，從而可在存儲罐7內部實現由渦輪膨脹機11所使用的合理的空氣溫度。
本系統還可結合其它能效方法和系統，如圖2所示，包括使用在多級壓縮機的中間冷卻水中吸收的熱量以為熱水器和鍋爐以及建筑物或設施的其它區域提供補充熱量從而熱量可被有效使用的裝置。而且，本申請考慮到使用太陽熱(使用太陽熱收集器15)、來自壓縮機5、燃燒器、低水平化石燃料燃燒器17等的廢熱的一種或多種的組合的可能性，以便提供用于提高存儲罐7中溫度和壓力所需的熱量。在這方面，由壓縮機5產生的熱量可被用于保持存儲罐7中溫度的穩定性，以抵消當渦輪膨脹機11從存儲罐7釋放和膨脹空氣時的冷卻效果。
例如，存儲罐7優選在使用需要從氨水制冷設備排出的廢熱方面非常有效。例如，只要存儲罐7溫度降低至華氏120度之下，來自設備制冷循環的高溫氨水可流經存儲罐7中的管道8。在這方面，應該指出，渦輪膨脹機11不僅依賴于空氣供給壓力，而且空氣供給溫度越高，則由渦輪膨脹機11產生的能量越高。
存儲罐7中提高的溫度提供了多個優點。首先，已經發現該熱量非常有助于提高由渦輪膨脹機11執行的總體工作的效率，并且因此通過提高存儲罐7中壓縮空氣的溫度，可以由相同尺寸的存儲罐7產生更大量的能量。第二，通過提高存儲罐7中壓縮空氣的溫度，可以提高存儲罐7中的壓力，其中可以通過渦輪膨脹機11產生更高的速度。第三，加熱存儲罐7中的空氣有助于避免結冰，否則可由于存儲罐7中空氣膨脹而產生結冰。沒有加熱元件，從存儲罐7釋放的空氣的溫度可達到接近深冷的水平，其中存儲罐7中的水蒸氣和二氧化碳氣體可結冰并且降低系統效率。本發明優選能夠將膨脹空氣的溫度保持為可接受的水平以便保持系統的操作效率。
同樣，由于渦輪膨脹機11膨脹壓縮空氣導致的冷卻效果可被用于輔助建筑物或設施中的空調設備和其它冷卻系統。本系統考慮到由于從渦輪膨脹機11排出的壓縮空氣的膨脹而產生的冷空氣可被用于其它的制冷目的，即，用于將冰箱和制冷設備保持低溫所需的冷卻目的以及在夏季中用于補充開動空調所需的能量。以此方式，該系統可用于補充已經存在于商業設施中的現有能量系統。冷空氣還可通過管道再循環至壓縮機5以便將其保持為低溫，如圖2所示。
該系統還優選包括控制系統以控制存儲罐7、壓縮機5、渦輪膨脹機11、加熱單元、制冷部件等的操作。該控制系統優選設計成通過調節進出存儲罐7的壓縮空氣的流速而能夠將存儲罐7中壓縮空氣能保持在適當的水平上。該控制系統還被用于控制和操作用以控制存儲罐7中空氣溫度的熱交換器。該控制系統確定在任何給定的時間使用哪一個熱交換器，并且它們應該為壓縮空氣提供的熱量的多少。該控制系統優選具有被預編程從而該系統可自動運行的微處理器。該控制系統優選能夠使得使用者確定何時使用壓縮空氣能。
本發明還優選包括計算機操作的控制系統以便幫助控制和調節來自電網的能耗，以使得該系統在高負荷時期降低消耗并且在低負荷時期提高消耗，并且以使得該系統能夠在較長時間中實現能量節約的方式進行。在微觀水平上，本系統優選使得商業設施所有者或操作者通過在低成本時期消耗較多能量并且在高成本時期消耗較少能量，并且通過降低在其它情形可導致被征收高額負荷費用的尖峰和波峰的發生率，而實現能量成本節約。本發明所考慮的方法和系統還使得能夠在宏觀水平上降低例如在峰值負荷時期中對于電站和電網的總負荷，這有助于降低對電網的總壓力，并且由此有助于降低在未來斷電以及整個系統發生其它故障的可能性。
本系統所運用的獨特方法包括以下步驟開始的步驟優選包括進行一定的研究以確定安裝和操作各種尺寸和容量的存儲系統所需的成本。一旦確定了這些數據，該方法考慮使用該信息以確定成本節約率大小，以便使得該系統在預定時期例如在降價循環結束之前實現總的成本節約。即，該方法考慮使用一個過程以確定以每一天為基礎對于任何給定的系統其成本節約率的大小，以便在較長的時間例如十年或十五年中實現總體的成本節約。
基于終端用戶設施的大小和特征，所有者或操作者可對所使用的系統部件做出多種選擇。對于這種系統的選擇可基于多個因素，包括但并不限于，由商業設施所消耗的能量總量、預期能量的峰值負荷或最大值、可能會對該設施做出的預期擴展和/或改進、系統所處的位置、用于安裝存儲罐7的可用空間大小等。一旦確定了這些數據，或者做出這些選擇，該方法優選考慮到在預計降價循環中計算和估計安裝和操作的總成本。例如，對于一個系統在十年期的總成本可以是$600,000.00。
一旦獲知該數量，基于對其成本和在一定時間產生足夠成本節約率的能力進行比較，該方法優選包括選擇能量和成本最為有效的系統加以使用，以便補償與其有關的安裝和操作成本。
為此，下面的步驟優選包括確定終端用戶例如在給定的24個小時的時間通常使用的能量數量，并且在一年中每天均作此確定。這優選包括對于之前的24個小時或者更長的時間測量該設施的能量消耗率，并且將該數據制圖以便追蹤整個晝夜中的能量消耗水平，并且利用該數據繪制曲線，該曲線示出在將來的24個小時的時期內可預期的能量使用數量。該曲線還優選包括對該日或該時期中可能發生的尖峰和波峰的估計，包括尖峰和波峰的大小，它們何時發生以及它們可能持續的時間。
該方法還優選包括在數天、數星期或者數月并且如果需要在數個季節的時間采集數據，以確定在一年中的不同季節之間能耗是否會發生顯著的變化。通過觀察一年的不同時期中的模式，系統操作者可使用該信息以便預測和估計能耗在何時將會發生顯著變化，這可用于更加準確地預測和估計消耗率何時提高或者尖峰和波峰何時可能發生。
在這方面，該方法考慮到如果需要可基于關于該年度該時期的歷史數據對該曲線進行調整，其中該系統可考慮到短期和長期數據以確定所繪制的曲線的特征。這有助于確保對于數據的短期分析與關于該年度的該特定時期對于該特定設施所做出的長期分析相一致。
然后利用這些過程獲得的信息，可用于準確地預測和估計在任何給定的24小時的時期內、每天的任何時間內終端用戶的預期消耗率。即對于任何給定的24小時的時期，該方法考慮使用來自前面24個小時時期的數據，以及其它歷史數據，以便預測和估計在該日可預期使用的能量數量，以及何時被使用。
該方法考慮到使用這些預測和估計以便預先獲知消耗率何時有可能最高，并且試圖預測尖峰和波峰何時發生及其持續時間，從而可以采取適當的控制和限制以便從峰值負荷時期對能量消耗進行時間平移，即通過在低負荷時期存儲能量并且在高消耗率時期中使用存儲的能量實現，和/或試圖預測尖峰和波峰何時發生。以此方式，在最高消耗率時期中的能耗數量以及在其它情形中可能發生的尖峰和波峰的水平能夠被降低，以便降低在該時期可能產生的能量成本。
該系統考慮結合實際的能量消耗率和電站所征收的負荷費用進行這些預測和估計。即，該方法考慮通過獲知終端用戶的預期消耗率，并且獲知在該同一時期中的實際的能量成本，可以對系統如何被調節和控制以便提高能夠被實現的成本節約做出推測。簡言之，該信息被用于獲知在低負荷時期應該何時存儲能量及其存儲的數量，并且在高負荷時期應該何時使用能量及其使用的數量，并且貫穿全年以每一天為基礎做出這種確定。
在很多情形，基于負荷水平，在每日能量定價計劃通常劃分為三個時期，即高負荷、中等負荷和低負荷時期。電站經常使用例如包括三種不同費率的計劃，即例如在8:00a.m.和中午之間可以執行第一個中等成本、中等負荷費率，在中午和6p.m.之間執行高成本、高負荷費率，在6p.m.和11:00p.m.之間執行第二個中等成本、中等負荷費率，并且在11:00p.m.和8:00a.m.之間執行低成本、低負荷費率。在這方面，電力公司通常具有分級定價計劃，該計劃對于在每天的不同時間內所消耗的能量執行不同的每kW-H費率。
基于任何預定時期例如一個月時期內所發生的峰值“尖峰或波峰”負荷能量消耗率，電力公司還通常征收如上所述的“負荷費用”。例如，在該國的一些地區，除了上述的分級定價計劃，基于在該時期中所發生的最大峰值消耗，電力公司可以征收額外的罰款或追加費用。即基于在該時期中發生一次的最大消耗率，關于該時期將征收罰款或追加費用，即使該一次最大峰值消耗率僅持續幾分鐘的時間。一般征收這種負荷費用并不考慮緊鄰該峰值前后的消耗率如何的低，并且不考慮在該時期中發生的平均消耗率。即，罰款或追加費用是基于峰值負荷消耗率征收的，即使該峰值是僅僅持續幾分鐘的隨機的尖峰或波峰，并且即使該峰值并不反映在該時期的其它時間中發生的平均消耗率。
而且，在很多情形，在峰值夏季月份中負荷費用的數量最高，此時由于空調需要而導致的能耗最高。在氣候更加溫暖的地區尤其是如此，在這些地區中對于空調的需要非常高。并且，在這些月份，在代表最高負荷時期的正午期間能量價格最高。例如，在夏季月份，基于在一定時期即在中午和6:00p.m.之間的時間內發生的一次峰值尖峰消耗率，應用于該時期的典型負荷費用可以是每kW $20.00。在另一方面，在中等負荷時期內僅執行每kW $2.45的費率，以及在低負荷時期內執行每kW $0.00的費率。因此，即使在峰值夏季月份的任何給定的一天內平均消耗率較低(例如300kW)，如果在該月份中有一次持續十五分鐘的尖峰或波峰(即例如在700kW的消耗率)，關于該月份可能征收的負荷費用的數目可以基于較高消耗率(700kW)，而非較低消耗率(300kW)，即使該較高消耗率僅在十五分鐘尖峰的時間內發生。因此，在峰值時期，負荷費用的數目可能極高，其中該負荷費用可基于一次波峰或尖峰，無論其如何隨機或者如何短暫。
在這種情形，典型負荷費用的一個實例與下述情形類似在最熱的夏季月份中，即四個最熱的月份中，除了上述的使用費率，可以基于在該月份中發生的最大峰值使用率征收額外的一次性負荷費用。在上述實例中，可以對該月中發生的最高消耗率尖峰或波峰執行每kW$20.00的較高的負荷費用費率，因此如果最高尖峰或波峰為700kW，則較高費率將與700kW相乘，關于該月得到$14,000.00的總的負荷費用。在另一方面，當在該月中沒有尖峰或波峰發生，或者尖峰或波峰較低，即例如400kW時，負荷費用可基于較低的消耗率即400kW而非700kW。在這種情形，當用400kW乘$20.00時，負荷費用僅為$8,000.00，其在該實例中意味著每月$6,000的成本節約數目。
這說明通過降低或者完全消除能夠導致被征收很高負荷費用的尖峰和波峰，可以實現顯著的成本優點。當在較高成本、高負荷時期中使用能量時，終端用戶可能被征收很高的負荷費用，這說明終端用戶在該時期中使用的能量越多，則總的能量成本越高。
下面的實例示出本方法解決這些額外的成本、罰款和追加費用的途徑基于上述的每日預測和估計，該系統確定每一天可能需要被存儲以用于未來24小時時期的能量的數量。例如，在夏季月份中，因為負荷很高，該系統需要在低負荷時期中例如11:00p.m.和早晨8:00a.m.之間存儲盡可能多的能量。然后在高負荷時期利用該額外的能量以便控制和限制最大消耗率以及在其它情形中可能發生的尖峰和波峰，并且因此降低與高負荷消耗率有關的成本。
優選的，該計劃要求每天均為下一天的未來高負荷時期存儲能量，但是在一些情形中，可能也需要存儲一些能量以用于未來的中等負荷時期。這將取決于是否存儲有足夠的能量以便充分地控制在峰值負荷時期中的消耗率，和/或是否可以獲得任何額外的能量，以及在中等負荷時期使用該能量的利益如何。
注意如果在高負荷的夏季月份中在白天的電力消耗率與在夜間相比足夠的高，則可以執行另一種操作模式。例如，可以使用在白天中的電力使用間歇期并且實際上使用電力來驅動壓縮機以便進一步地將空氣壓縮到存儲罐中。因此，如果隨后在下午發生負荷波峰，則可以消除該負荷電力尖峰而不用擔心存儲罐將會由于先前渦輪膨脹機的過度驅動而被耗盡。即使白天中在非峰值負荷使用能量，執行該操作模式仍然是經濟的，以便避免隨后發生的重大尖峰。白天在低負荷時期中操作壓縮機可以等同于使用更大的存儲罐。
一旦存儲了適當數量的能量，該系統等待下一天較高負荷時期的發生并且節約能量，從而該能量能夠在適當的時間時被釋放。在這方面，該系統優選具有能耗表或者其它指示器，它們能夠即時地測量在任何時刻發生的消耗率，從而該系統可獲知應該何時釋放所存儲的能量并且在適當的時間時應該釋放的數量，即用于抵消在其它情形中這一天將發生的較高的消耗率和/或尖峰和波峰。
例如，如果預測出在峰值負荷期間將存在持續五分鐘的波峰和/或存在各自持續三分鐘的多個尖峰，并且波峰和/或尖峰的預期數值例如為800kW，則該系統將存儲足夠的能量以便將該時期內來自電網的電力獲取值降低至預定的閥值，該閥值例如為400kW。這樣，對于那一天而言，所發生的最高消耗率可從沒有本系統時將會發生的800kW的水平降低到400kW，這可顯著降低所被征收的負荷費用的數目。在該實例中，如果在該月中每一天的峰值尖峰和波峰均被降低至400kW或更低，則為了確定負荷費用的目的，該月的總體降低數目為400kW或更多，在此情形，關于該月可實現$8,000.00的成本節約量。這是基于每kW $20.00乘以400kW的差值算出的。而且，可以看出，如果月份中的每一天均如此進行重復，則在四個高負荷月份期間，每月均可能實現$8,000.00的成本節約量，這可導致每年實現$32,000.00的成本節約量，這可導致在十年期間實現$320,000.00的成本節約量。
每天節約的額外能量還可在峰值負荷時期中被釋放以便降低在這一天發生的總能耗并且因此降低這一天的總的使用成本。例如，如果在高負荷時期中費率為每kW-H $0.20，在中等負荷時期中費率為每kW-H $0.10，并且在低負荷時期中費率為每kW-H $0.08，通過將能量從每kW-H $0.20時間平移到每kW-H $0.08，可能實現基于這兩個費率之間差值的成本節約。然而，因為能量存儲導致效率降低，實際上通過時間平移到低負荷時期而實現的成本節約量并沒有這么高。即，即使在峰值負荷時期中使用的所有能量均可以每kW-H $0.08的較低費率而非每kW-H $0.20的較高費率購買，因由于進行能量存儲而導致的效率降低可以達50％，實際的成本節約可能僅為每kW-H $0.04而非每kW-H $0.12。當然，基于所使用的系統的實際效率，這些成本節約量可能變化。該系統優選設計成使用上述的各種加熱設備和收集器而具有盡可能高的效率，其中可能實現大約70％的效率百分比。
與本發明的這一方面有關的成本節約可以基于每kW-H的成本節約量乘以該系統在全年中消耗的全部kW-H的數值，這可能是很高的。例如，如果系統在峰值負荷時期中每年消耗2,000,000kW-H，則成本節約量可能為2,000,000kW-H乘以$0.04kW-H的每kW-H費率的差值，這在上述實例中，可導致每年$80,000.00的額外的成本節約量(2,000,000乘以$0.04kW-H每年)。因此，可以看出對于十年的時期可以導致$800,000.00的額外的成本節約量。
使用上述實例，可以看出對于十年的時期有可能實現$1,120,000.00的成本節約量($320,000加上$800,000)。并且由于通過使用上述加熱設備和收集器而提高了存儲效率，這些數目可能會提高。因此，如果在同一時期安裝和操作系統的成本為$600,000.00，則可能實現$520,000.00的凈節約量，這將表明安裝和操作該系統是可行的。
權利要求
1.一種用于降低預定位置處的終端用戶能量成本的方法，包括為該預定位置建立至少一個負荷歷史，以便預測和估計在未來的預定時期內在該預定位置處將被使用的能量的數量；確定在未來的預定時期內何時能夠以較低的第一費率從能源獲得能量，以及何時能夠以較高的第二費率獲得能量；提供一種能量存儲系統并且將其連接到該能源，并且使所述能量存儲系統適于在執行較低的第一費率的第一時期內存儲能量，并且使得所存儲的能量在執行較高的第二費率的第二時期內可被利用；以及在該第二時期內使用該存儲系統以釋放所存儲的能量，以便降低在該第二時期內所使用的能量的成本，和/或抵消在該第二時期內，在該預定位置處可發生的尖峰或波峰。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述未來的預定時期是24個小時的時期，并且用于預測和估計在該24小時時期內的能量使用量的所述至少一個負荷歷史包括用于之前的24小時時期的能量使用歷史。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一個負荷歷史還包括其中發生該預定時期的整個季節或者階段的能量使用歷史。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述能源為電網，能夠從該電網獲取提供用于進行存儲的能量。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用所述的預測和估計以便為未來的時期開發能量使用計劃，從而確定如何適于所存儲的能量以實現理想的成本節約量。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括基于在給定時期中可能發生的尖峰或波峰而確定可施加的負荷費用，并且開發出能量使用計劃，從而以能夠實現理想的成本節約量的方式降低和/或抵消該尖峰或波峰。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預定位置是商業設施能量終端用戶，并且該存儲系統被用于降低在該預定位置處的總的能量成本。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述能量存儲系統包括至少一個壓縮機、存儲罐、渦輪膨脹機和發電機，該系統被用于存儲壓縮空氣能以便在第二時期中能夠應用所述壓縮空氣能。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，確定各個時期的預計成本節約量，并且然后對于較長的時期重復進行這種確定，以便幫助確定在所述較長時期內可由該系統實現的總的成本節約量。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述能量存儲系統包括選自由下面的設備所構成的組中的至少一個設備a.太陽熱收集器；b.熱慣性物質；c.在存儲罐內部分布的具有防凍劑的薄壁管道；d.化石燃料燃燒器；e.用于使用來自壓縮機的熱空氣的循環設備。
11.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述能量存儲系統適于使用來自渦輪膨脹機的冷空氣以用于在所述預定位置處的冷卻和/或制冷目的。
12.一種用于降低預定位置處的終端用戶能量成本的系統，包括用于該預定位置的至少一個使用者負荷歷史；使用該至少一個負荷歷史進行預測，以估計在未來的預定時期內在該預定位置處的能量使用量；一種能量存儲系統，其連接到能源，其中，所述能量存儲系統適于在執行較低能量成本費率的第一時期內從該能源存儲能量，并且在執行較高能量成本費率的第二時期內釋放所存儲的能量；并且其中該存儲系統適于在該第二時期內，以能夠有助于在該第二時期內降低該預定位置處所使用的能量總成本，和/或抵消在該預定時期內在該預定位置處可另外發生的尖峰或波峰的方式，將所存儲的能量釋放。
13.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述未來的預定時期是24個小時的時期，并且用于預測和估計在該24小時時期內的能量使用量的所述至少一個負荷歷史包括用于之前的24小時時期的能量使用歷史。
14.如權利要求13所述的系統，其特征在于，所述至少一個負荷歷史還包括其中發生該預定時期的整個季節或者階段的能量使用歷史。
15.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述能源為電網，可從該電網獲取提供用于進行存儲的能量。
16.如權利要求12所述的系統，其特征在于，使用所述的預測和估計以便為未來的時期開發能量使用計劃，從而確定如何使用所存儲的能量以實現理想的成本節約量，該計劃考慮到可在給定時期內發生的尖峰或波峰，并且開發出能量使用計劃，從而以能夠實現理想的成本節約量的方式降低和/或抵消該尖峰或波峰。
17.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述預定位置是商業設施能量終端用戶，并且該存儲系統被用于降低在該預定位置處的總的能量成本。
18.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述能量存儲系統包括壓縮空氣能存儲系統，并且該壓縮空氣能存儲系統包括至少一個壓縮機、存儲罐、渦輪膨脹機和發電機，該系統被用于存儲壓縮空氣能以便在第二時期中能夠應用所述存儲空氣能。
19.如權利要求18所述的系統，其特征在于，所述壓縮空氣能存儲系統包括選自由下面的設備所構成的組中的至少一個加熱設備a.太陽熱收集器；b.熱慣性物質；c.在存儲罐內部分布的具有防凍劑的薄壁管道；d.化石燃料燃燒器；e.用于使用來自壓縮機的熱空氣的循環設備。
20.如權利要求18所述的系統，其特征在于，所述壓縮空氣能存儲系統適于使用來自渦輪膨脹機的冷空氣，以用于在所述預定位置處的冷卻和/或制冷目的。
全文摘要
本發明涉及一種由能量終端用戶例如商業設施所有者和操作者使用的能量存儲方法和設備。本系統不同于現有系統，其并不旨在由能量提供商例如大型電站和電網使用并且與其不相關。本系統優選涉及這樣一種方式，其中能量終端用戶通過使用能量存儲和時間平移方法以便以能夠在較長時間中實現成本節約的方式控制和調節能耗可實現能量和成本節約。本方法的一個方面涉及準確的預測和估計以每一天為基礎可能發生的能量負荷和峰值，這是通過使用短期和長期預測通過記錄和分析前一天的歷史以及總體能量負荷歷史實現的，然后設立可變能量存儲/使用計劃或時間表，其有助于通過將所使用的能量進行時間平移而降低峰值負荷，即通過在高負荷/高成本時期使用在低負荷/低成本時期中存儲的能量而降低高負荷/高成本時期的能耗。
文檔編號F03D9/00GK1910067SQ200480031714
公開日2007年2月7日 申請日期2004年10月27日 優先權日2003年10月27日
發明者M·埃尼斯·本, 保羅·利伯曼 申請人:M·埃尼斯·本, 保羅·利伯曼