壓縮氣體能量存儲系統的制作方法

壓縮氣體能量存儲系統的制作方法
【專利摘要】各實施例大體上涉及能量存儲系統，并且確切地說涉及將壓縮氣體用作能量存儲媒體的能量存儲系統。在各種實施例中，壓縮氣體存儲系統可以包括多個級以將能量轉換成壓縮氣體以用于存儲，并且隨后通過氣體膨脹回收所述存儲的能量。在某些實施例中，級可以包括具有往復活塞的可逆壓縮機/膨脹機。描述了用于引入液體以便與所述氣體進行熱交換的泵設計。還描述了具有護罩和/或簾幕部分的氣流閥門。
【專利說明】壓縮氣體能量存儲系統
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本非臨時專利申請案主張2011年10月18日提交的美國臨時專利公開案號61/548,611的優先權，并且所述公開案出于各種目的以全文引用的方式并入本文中。本非臨時專利申請案還主張2012年5月10日提交的美國臨時專利公開案號61/645，151的優先權，并且所述公開案出于各種目的以全文引用的方式并入本文中。
【技術領域】
[0003]無
【背景技術】
[0004]美國專利公開案號2011/0115223特此以全文引用的方式并入本文中。

【發明內容】

[0005]各實施例大體上涉及能量存儲系統，并且確切地說涉及將壓縮氣體用作能量存儲媒體的能量存儲系統。在各種實施例中，壓縮氣體存儲系統可以包括多個級以將能量轉換成壓縮氣體以用于存儲，并且隨后通過氣體膨脹回收該存儲的能量。在某些實施例中，一個級可以包括具有往復活塞的可逆壓縮機/膨脹機。描述了用于引入液體以便與所述氣體進行熱交換的泵設計。還描述了具有護罩和/或簾幕部分的氣流閥門。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1A示出了覆在腔室上面的氣流閥門的簡圖。
[0007]圖1AA繪制了汽缸容積對死區容積。
[0008]圖1B為能量存儲和回收系統的一個實施例的簡化透視圖。
[0009]圖1BA為圖1B的實施例的另一簡化透視圖。
[0010]圖1BB為圖1B的實施例的另一簡化視圖。
[0011]圖2為根據一個實施例的兩個可逆壓縮/膨脹級的簡化透視圖。
[0012]圖2A為圖2的兩個可逆壓縮/膨脹級的簡化截面圖。
[0013]圖2B為圖2的兩個可逆壓縮/膨脹級的簡化俯視圖。
[0014]圖2C1為示出一個實施例的高壓級和低壓級的簡化示意圖。
[0015]圖2C2al_4繪制了各種實施例的在曲柄角上的汽缸力。
[0016]圖2C2bl_4繪制了各種系統實施例的豎直力對水平力。
[0017]圖2C3a_d和2C4a_d繪制了兩個不同實施例的不同汽缸特性對曲柄角。
[0018]圖2C5示出了作為模塊化機器的不同設備實施例。
[0019]圖2C6示出了十字頭軸承幾何形狀的一個實施例。
[0020]圖2C7a_c示出了活塞桿和十字頭軸承幾何形狀的一個實施例。
[0021]圖2C8a_c示出了圖示活塞密封原理的視圖。[0022]圖2C9a以表格形式列出了三級和二級實施例的特性。
[0023]圖2C9b以表格形式列出了其他三級實施例的特性。
[0024]圖2D1為示出了可逆壓縮/膨脹級的汽缸的一個實施例的簡化截面圖。
[0025]圖2D2示出了圖2D1的級的噴霧環的一部分。
[0026]圖2D3為可逆壓縮/膨脹級的一個實施例的另一簡化截面圖。
[0027]圖2D4為試驗單元的簡化示意圖。
[0028]圖3A示出了處于閉合位置的氣流閥門的一個實施例的簡化截面。
[0029]圖3B繪制了通過圖3A的閥門的流量對升程位置。
[0030]圖3C1示出了閥門致動機構的一個實施例。
[0031]圖3C2a為根據一個實施例的一個級的簡化視圖。
[0032]圖3C2b為示出管理去往和來自高壓和低壓側的流量的專用閥門的放大視圖。
[0033]圖3C3a示出了根據一個實施例的用于低壓側閥門和高壓閥門的致動器機構。
[0034]圖3C3b示出了汽缸頭齒輪箱的一個實施例的透視圖。
[0035]圖3C3c示出了用于高壓側閥門的圖3C3b的實施例的齒輪箱的透視圖，其中蓋子被移除。
[0036]圖3C3d示出了一個分解視圖，所述分解視圖示出了高壓閥門定時機構與致動凸輪組件的相互作用。
[0037]圖3C3e示出了與高壓閥門的扭轉剛性的樞轉凸輪從動件相互作用的致動凸輪組件的簡化側視圖。
[0038]圖3C3f繪制了各種可操作配置的通過高壓閥門的流量對曲柄角。
[0039]圖3C4a示出了高壓側閥門的凸輪機構的一個實施例的透視圖。
[0040]圖3C4b示出了扭轉剛性的樞轉凸輪從動件的透視圖。
[0041]圖3C4c示出了樞轉凸輪從動件的放大視圖。
[0042]圖3C4d示出了高壓側閥門的上部凸輪組件的一個實施例的截面。
[0043]圖3C4e示出了圖3C4d的上部凸輪組件的截面。
[0044]圖3C4f示出了圖3C4d的凸輪機構的分解圖。
[0045]圖3C4g示出了高壓側閥門的凸輪定時機構的一個實施例的分解圖。
[0046]圖3C4h示出了圖3C4g的凸輪定時機構的一個實施例的截面。
[0047]圖3C4i示出了到包括彎曲部的凸輪從動件的連接的一個實施例。
[0048]圖3C4j示出了圖3C4i的筒夾的一個實施例的放大視圖。
[0049]圖3C5a示出了低壓側閥門的一個實施例的透視圖。
[0050]圖3C5b為圖3C5a的低壓側閥門的截面圖。
[0051]圖3C5c示出了低壓側閥門的定時機構的一個實施例的端視圖。
[0052]圖3C5d示出了圖3C5c的定時機構的透視圖。
[0053]圖3C5e示出了閥門定時機構的截面圖。
[0054]圖3DA-DB繪制了對應地在壓縮和膨脹情況下配備有高壓閥門和低壓閥門的腔室的各種性能特征。
[0055]圖4Ala示出了處于閉合位置的HP氣流閥門的一個實施例的簡化截面。
[0056]圖4Alb示出了處于打開位置的4Ala的氣流閥門實施例。[0057]圖4Alc繪制了在壓縮狀態下汽缸壓力對曲柄角。
[0058]圖4Ald繪制了在壓縮狀態下在閥門上的力對曲柄角。
[0059]圖4Ale指示在壓縮期間用于保持閥門閉合所需的力。
[0060]圖4Alf繪制了在膨脹狀態下在閉合閥門上的力對曲柄角。
[0061]圖4Alg繪制了在壓縮狀態下在打開的閥門上的力對曲柄角。
[0062]圖4Alh繪制了在膨脹狀態下在打開的閥門上的力對曲柄角。
[0063]圖4Ali繪制了在線路接觸的情況下在打開的閥門上的力對曲柄角。
[0064]圖4Alj繪制了在表面接觸的情況下在打開的閥門上的力對曲柄角。
[0065]圖4A2a示出了處于閉合位置的HP氣流閥門的另一實施例的簡化截面。
[0066]圖4A2b示出了處于打開位置的圖4A2a的氣流閥門實施例的簡化截面。
[0067]圖4A3a示出了處于閉合位置的HP氣流閥門的又另一實施例的簡化截面。
[0068]圖4A3b示出了處于打開位置的圖4A3a的氣流閥門實施例的簡化截面。
[0069]圖4BA-BB示出了配備有噴霧噴嘴的閥門實施例的視圖。
[0070]圖4CA-CB示出了通過具有不同端口高度的閥門的流量。
[0071 ]圖4CC繪制了不同實施例的流速對端口高度。
[0072]圖4DA-DC示出了通過具有不同閥體的閥門的流量。
[0073]圖4DD繪制了不同實施例的流速對閥體。
[0074]圖4EA-ED利用一個閥門實施例繪制了各腔室特征。
[0075]圖4FA-FD利用一個閥門實施例繪制了各腔室特征。
[0076]圖5A為根據一個實施例的一種壓縮情況的PV曲線。
[0077]圖5B為圖5A的PV曲線的一部分的放大。
[0078]圖5C為根據一個實施例的一種膨脹情況的PV曲線。
[0079]圖示出了根據一個實施例的汽缸頭的低壓(LP)閥門、以及主動和被動高壓(HP)閥門的視圖。
[0080]圖5DA為具有一種類型的HP閥門的膨脹情況的PV曲線。
[0081]圖OTB為具有另一類型的HP閥門的膨脹情況的PV曲線。
[0082]圖6A繪制了一個實施例的汽缸壓力和泵壓力對曲柄角。
[0083]圖6B繪制了另一實施例的汽缸壓力和泵壓力對曲柄角。
[0084]圖6C示出了噴霧的角度對未覆蓋的噴嘴環。
[0085]圖6D為示出了每噴嘴環的噴霧角度的條形圖。
[0086]圖7A為不出了根據一個實施例的液流系統的簡圖。
[0087]圖7B為示出了根據另一實施例的液流系統的簡圖。
[0088]圖8A為高壓水泵概念的一個實施例的截面圖。
[0089]圖8B為示出了相對于HP活塞組件的水泵大小的放大視圖。
[0090]圖8C為平衡柱塞水泵布置的簡化截面圖。
[0091]圖8DA示出了根據一個實施例的入口泵閥門的簡化截面圖。
[0092]圖8DB示出了根據一個實施例的出口泵閥門的簡化截面圖。
[0093]圖8E示出了具有保留細節的放大視圖。
[0094]圖9為液體泵的一個實施例的簡化透視圖。[0095]圖9A為液體泵的一個實施例的一半的簡化截面。
[0096]圖9B繪制了對于一個液體泵實施例的升程對凸輪位置。
[0097]圖9C示出了止回閥計算流體動力學(CFD)模型的截面圖。
[0098]圖9D示出了流速標繪圖。
[0099]圖9E為示出流動路徑的流速標繪圖。
[0100]圖9F示出了壓降標繪圖。
[0101]圖9G示出了四柱塞水泵的一個實施例的透視圖。
[0102]圖9H示出了一個液體泵實施例的截面。
[0103]圖91示出了圖9H的液體泵實施例的放大。
[0104]圖9J示出了圖9H-1的實施例的柱塞和凸輪從動件的簡化透視圖。
[0105]圖9K示出了包括圖9H-1的實施例的凸輪的視圖。
[0106]圖10A-C示出了梭閥水泵概念的視圖。
[0107]圖1lA-J示出了曲柄箱設計的各種視圖。
[0108]圖12A-C示出了軸頭組件銷裝置的各種視圖。
[0109]圖13示出了能量存儲系統的一個實施例的簡化視圖。
[0110]圖14A-1示出了各種主動閥門致動方案。
[0111]圖14JA-E為示出了閥門和汽缸配置的操作的簡化示意圖表示。
[0112]圖14KA-KC示出了充當壓縮機的一個級的視圖。
[0113]圖15示出了適合用于控制閥門實施例的計算機系統的簡化視圖。
[0114]圖15A為圖15的計算機系統中的基本子系統的圖不。
[0115]圖16示出了主動閥門控制的控制環路的簡化視圖。
[0116]圖16A為示出了根據各實施例的到達負責控制各元件的操作的控制器的輸入和輸出的框圖。
[0117]圖16B示出了根據一個實施例的可以通過壓縮氣體能量存儲和回收系統來執行的均衡(Ievelizing)功能的簡化視圖。
[0118]圖16C繪制了隨時間推移的功率，該圖示出了將電網容量從可再生能量源轉換成長期發電資產的一個實例。
[0119]圖16CA為包括經配置以使能量系統的操作與供電網絡協調的處理器的系統的簡化示意圖。
[0120]圖16D繪制了根據一個實施例的能量存儲系統和基線聯合循環渦輪機設備的隨時間推移的能量輸出。
[0121]圖17A示出了一個替代能量存儲系統實施例的簡化視圖。
[0122]圖17BA示出了圖17A的系統的各種基本可操作模式。
[0123]圖17BB-BF示出了圖17A的系統的各種可操作模式下的氣流路徑的簡化視圖。【具體實施方式】
[0124]壓縮空氣能夠以與鉛酸電池相當的密度存儲能量。然而，壓縮氣體并不涉及與電池相關聯的問題，諸如有限的壽命、材料利用率、或環境友好性。
[0125]壓縮氣體能量存儲系統執行以下功能:壓縮氣體以存儲能量，并且通過使氣體恢復到低壓來回收能量。為了減少此系統的大小、復雜性以及成本，可能需要對過程的壓縮和膨脹階段都使用相同的設備。此種系統的實例可以在美國專利公開案號2011/0115223(“公開案”)中找到，所述公開案特此以全文引用的方式并入本文中。應了解，下文所論述的設計可以包括在公開案中論述的一個或多個概念。
[0126]壓縮氣體能量存儲系統的其他實例在美國臨時專利申請案號61/548，611中被描述，所述申請案出于各種目的也以全文引用的方式并入本文中。大體上，該臨時申請案描述了采用在腔室內往復的活塞的系統，所述腔室界定在具有與歧管流體聯通的孔口的多個液體噴霧環內。
[0127]圖1A示出了包含氣流閥門I的設備的一個實施例的死區容積的高度簡化視圖，所述氣流閥門包括定位在腔室3之上的可拆卸構件，在所述腔室中，可能發生氣體膨脹或壓縮。在圖1A中，參考標號2示出用于頭部中的閥門凹槽的間隙(allowance)。活塞中存在用于閥門清除間隙的兩個較小凹槽。參考標號3示出了在柱塞/活塞與壁之間以及在柱塞/活塞頂與在TDC處的頭部之間的圓柱形板卷。
[0128]氣流閥門包括通過通道5與壓縮/膨脹腔室流體聯通的上部腔室4。當可拆卸構件被致動時，這些通道提供用于平衡該可拆卸構件上的壓力，由此減少消耗用于閥門致動的能量。顯示此平衡力特征的閥門實施例的細節至少結合圖3A、圖4Ala-b和圖4A2a到圖4A3b在下文詳細提供。
[0129]就死區容積而言，根據此圖1A中示出的設計的實施例比具有在汽缸壁中徑向布置的閥門的常規氣體壓縮機更加有效。
[0130]圖1AA繪制了汽缸容積對死區容積。此標繪圖示出了對于一個給定的功率要求，死區容積對汽缸大小的影響。它圖示了具有較小死區容積的值、以及死區容積與汽缸大小之間的非線性關系。確切地說，由于曲線的形狀，增加死區容積可以具有較大的影響。
[0131]末級汽缸大小可能受多個因素影響。死區容積可以被增加以得到合理的汽缸大小，所述大小適合所需的噴嘴數目(?12003:1MF)并且提供合理的功率密度。
[0132]在某些實施例中，有可能增大孔以適應閥門面積。孔直徑可以被減少以減少曲柄或凸輪齒輪上的負載。孔可以被減少以使液滴行進到容積中的距離最小化。
[0133]平均活塞速度可以隨著沖程增加被監視。在或不在大體積的水減少死區容積并且增加功率的情況下，死區容積可以為可調節的。
[0134]各實施例的包裝和機械復雜性結合下文示出并且進行描述。
[0135]圖1B為能量存儲和回收系統的一個實施例的簡化透視圖。系統包含通過公共軸的曲柄連接的高壓壓縮/膨脹級和低壓壓縮/膨脹級，如圖2到圖2C1中所示。
[0136]圖1B還示出了與公共軸聯通以便從電動機/發電機中傳輸或接收能量的電動機/發電機。飛輪存在于壓縮/膨脹級與電動機/發電機之間的軸上。此飛輪用以在操作過程中平分電動機所受到的扭矩。
[0137]圖1BA-BB示出了圖1B的實施例的其他簡化視圖。在這些視圖中，出于說明的目的，提供級與多個水泵之間的機械聯通的齒輪的外殼被移除。這示出了允許主軸與在機器的任一末端處的閥門凸輪驅動器、以及與液體泵的聯通的齒輪系列。
[0138]盡管圖1BA-BB示出了依賴于齒輪的使用的驅動，但這不是必須的。其他實施例可以采用包含皮帶、軸、和/或連桿等元件的替代驅動方法。[0139]旋轉到往復機構
[0140]曲柄或凸輪可以用于在旋轉運動與往復運動之間轉換。在第I級中用于得到125kW的最小壓力為54Bar和3.84Bar。活塞質量可以多達25kg。因此，凸輪機構可以起作用。
[0141]如果在膨脹期間曲柄反向運轉，那么抵消銷可能對增加壓縮時間有意義。
[0142]圖2A到圖2C1示出了水平相對的曲柄配置的視圖。在考慮水平相對的實施例對“單汽缸”實施例時，單汽缸方法可能要求更大的平衡軸復雜性和更大的旋轉平衡物質量。
[0143]圖2到圖2B的特定實施例將相對的汽缸示出為具有相同的容積。這使得在有限的所需存儲空間的情況下同時進行膨脹和壓縮的試驗。圖2C1的特定實施例將相對汽缸示出為具有不同容積。根據一個實施例，系統可以包含具有兩個不同大小汽缸的兩個級。一個系統實施例還可以為具有四個汽缸的三個級。
[0144]曲柄考慮在圖2C2a到2C4d中進行概括。確切地說，圖2C2al_4繪制了分解成水平和豎直的各種汽缸力對曲柄角。圖2C2bl-4繪制了主要I豎直力和主要2豎直力對水平力，其中系統具有如下概括的特性:
[0145]
【權利要求】
1.一種設備，包含: 界定在多個液體噴霧器內的腔室； 柱狀活塞，所述柱狀活塞具有響應于在不存在燃燒的汽缸內的氣體膨脹而可移動的第一末端，所述柱狀活塞具有與曲柄聯通的第二末端； 專用主動高壓閥門，所述專用主動高壓閥門包含相對于所述汽缸的端口可移動的提升閥；以及 在所述專用高壓閥門與所述腔室之間的通道，用以在閥門致動期間大體上平衡壓力。
2.如權利要求1所述的設備，其中所述多個液體噴霧器被布置在至少一個液體噴霧環中。
3.如權利要求1所述的設備，其中所述通道包含通過所述提升閥的通風口，并且所述閥門進一步包含簾幕部分。
4.如權利要求1所述的設備，其中所述閥門進一步包含護罩。
5.如權利要求1所述的設備，進一步包含與所述腔室聯通的被動高壓閥門。
6.如權利要求1所述的設備，進一步包含經配置以通過到所述曲柄的物理連接件操作所述專用高壓閥門的凸輪組件 。
7.如權利要求6所述的設備，其中所述物理連接件包含行星齒輪。
8.如權利要求6所述的設備，其中所述凸輪組件包含第一凸輪對和第二凸輪對。
9.如權利要求1所述的設備，進一步包含專用低壓閥門，所述專用低壓閥門包含相對于所述汽缸的第二端口可移動的第二提升閥。
10.如權利要求9所述的設備，其中所述專用低壓閥門是彈簧致動的。
11.如權利要求1所述的設備，進一步包含與液體噴霧器流體聯通的液體泵，所述液體泵包含通過托架凸輪從動件與旋轉凸輪聯通的相對柱塞。
12.如權利要求1所述的設備，其中所述柱狀活塞通過機械連桿機構與所述曲柄聯通。
13.如權利要求12所述的設備，其中所述機械連桿機構包含具有中心部分的十字頭，所述中心部分連接到偏心以相對于所述十字頭的末端部分移動。
14.如權利要求1所述的設備，其中所述多個液體噴霧器僅當其未被所述柱狀活塞覆蓋時供應有液體。
15.如權利要求1所述的設備，進一步包含定位在腔室壁上而非所述柱狀活塞上的活塞密封件。
16.—種方法,包含: 通過旋轉凸輪組件主動控制專用高壓閥門以使壓縮氣體從高壓側流入腔室中； 在所述腔室內不存在燃燒的情況下使所述壓縮氣體抵著柱狀活塞膨脹以驅動機械連桿機構； 使液體泵能夠通過多個噴霧器使液體流入所述腔室中以用于熱交換；以及 從所述機械連桿機構的運動中產生電力。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述多個噴霧器被布置在至少一個液體噴霧環中。
18.如權利要求16所述的方法，其中主動控制所述專用高壓閥門包含改變第一凸輪對和第二凸輪對的位置。
19.如權利要求18所述的方法，其中所述位置利用步進電動機進行改變。
20.如權利要求16所述的方法，其中所述專用高壓閥門通過連控軌道致動進行控制。
21.如權利要求16所述的方法，其中所述液體泵包含具有打開和閉合凸輪的托架類型凸輪從動件，以及相對柱塞。
22.如權利要求16所述的方法，其中在所述專用高壓閥門上的壓力通過所述專用高壓閥門與所述腔室之間的通道進行平衡。
23.如權利要求22所述的方法，其中所述專用高壓閥門包含提升閥和簾幕部分，并且所述通道包含通過所述提升閥的通風口。
24.如權利要求16所述的方法，其中所述專用高壓閥門包含護罩。
25.如權利要求16所述的方法，其中所述多個液體噴霧器僅當其未被所述柱狀活塞覆蓋時供應有液體。
26.如權利要求16所述的方法，進一步包含定位在腔室壁上而非所述柱狀活塞上的活塞密封件。
27.一種設備，包含: 連接桿軸頸，所述連接桿軸頸具有從第一部分偏移的偏心部分；以及 桿組件，所述桿組件包含連接到所述偏心部分的第一桿和連接到所述第一部分的第二桿，所述第一和/或第二桿支承用于接收潤滑劑的通道，其中所述第一桿用以提升在底部死點處的活塞組件以使潤滑劑進入樞軸銷與所述第二桿之間的接觸表面。
28.如權利要求27所述的設備，其中: 所述偏心部分位于在其他部分與也相對于所述偏心部分偏移的第二部分之間；以及 所述桿組件進一步包含連接到所述第二部分上的第三桿。
【文檔編號】F01B9/02GK104024577SQ201280051215
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年10月18日 優先權日:2011年10月18日
【發明者】P·勒魯, N·彼得森 申請人:光帆能源公司