半集中式電能貯存和分布式發電的系統和方法
【專利說明】半集中式電能貯存和分布式發電的系統和方法
[0001]相關串請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年5月9日提交的美國專利申請序列號13/890,917的優先權和利益。
技術領域
[0003]本發明涉及半集中式電能貯存和分布式發電系統和方法，以及加強電網和輸氣管線系統的一體化的方法。
【背景技術】
[0004]電能貯存允許在“高峰”電能需求時段(例如日間)釋放“非高峰”(例如夜間)生產的低值電能，在“高峰”電能需求時段，電能價值實質上更高并且電能貯存最可能發生。不管對于哪種被貯存的“初始”能源(例如燒煤電能、核能、風能等)都是一樣。很多重要的優點產生于多兆瓦(“大量”)電能貯存方法，包括使用非高峰能量來提供更多高峰電能，擴大能夠通過現有運輸和分配基礎設施傳送的較高價值的高峰電能的量，以及將諸如風能和太陽能等的間歇(不可靠)能源轉變成“穩固的”、“可調度的”(可靠的)源。
[0005]通常，作為電網上供應的總電能的百分比，電網只能容忍+/-10%的間歇式可再生電能，因為允許明顯更多間歇電能將導致電網變得不穩定/不可靠，并且將更可靠的(并且因此更有價值的)電能從基荷發電廠“擠出”。在不存在成本效益好的、廣泛部署的大量電能貯存方案(例如公開的實施例中)的情況下，這代表了間歇可再生能源的市場滲透的“上限”。此外，較小的多兆瓦的能量貯存系統(例如1兆瓦至50兆瓦)提供了以高的凈效率將高峰電能容量增加到約束負荷囊(load pockets)的手段，同時幫助升級(并且實際上擴展)配電系統，特別在其中存在很少其它選擇和/或升級成本昂貴的區域。
[0006]到電網的大量電能貯存有很多優點，包括但不限于:購買低(非高峰)電能而銷售高(高峰)電能的能力，更大的供電容量，除去了對“峰化器”發電廠的需要，減少運輸容量需求和擁堵，更好的電力服務可靠性和電能質量，減少電費，以及可再生能力的穩固。并非所有上面的電能貯存值都要求貯存資產的各自部署，因為能夠貯藏的個別值是特定情況。然而，作為通則，電能貯存系統的電能“釋放”越靠近負荷，它將帶給整個電網的利益越多，包括但不限于，公用事業、ISO和納稅人。因此，其電能釋放可靠近電力負荷發生的系統(例如公開的實施例)比那些只能部署在電網的遠端“上游”的系統更有價值。
[0007]盡管上面確定了大量電能貯存的很多優點，但是在較低的商業規模范圍(例如1兆瓦至50兆瓦)中只有非常少的市場化的電能貯存選擇。電池技術通常限制于幾兆瓦/兆瓦時的容量(每天低于5兆瓦/10兆瓦時)并且有其它缺點，缺點包括電池壽命結束時的處理問題和有限的放電持續時間(通常每天少于2小時)。對于大的、公用事業規模(大于100兆瓦)的電能貯存存在數個可用方法，包括壓縮空氣能量貯存(CAES)，抽水蓄能以及液態空氣能量貯存(LAES)例如Vandor電能貯存(VPS)循環。CAES受到洞穴和/或要求包含壓縮空氣的其它地下地質構造需求的嚴格限制。并且，CAES不傳送連續量的電能輸出；相反地，由于洞穴中的壓縮空氣的壓強在每日循環期間減小，發電量隨著每小時的電能釋放下降。抽水蓄能也受到地形和地質情況的限制，需要兩個大的“湖”被兩個貯存器之間的大的高度差分隔，兩個貯存器之間有水壩和水輪機。
[0008]VPS靈活得多，因為它不受地形/地質情況的約束并且能夠靠近電力的終端用戶即負荷放置，因此提高了部署價值。然而，為了增加可能的部署站點的總數，之前專利中體現的VPS的基本原理和方法以及系統需要強化以便允許不僅可以采用公用事業規模(也可被描述成近似50兆瓦/400兆瓦時和更大)而且也可采用更小的“商業規模”(通常將小至大約1兆瓦，但是也可更小，即在千瓦規模內)來部署技術。廣泛部署的、小于公用事業規模的電能貯存設備的網絡將構成“分布式電能貯存”系統。這樣的系統提供了很多優點，包括關于如何在電網上發生入流貯存以及關于如何將出流貯存送出到電能用戶的靈活性。
[0009]現今全球范圍內操作的多種抽水蓄能和兩種CAES部署是電能貯存的最大規模示例，其中每個部署可發出幾百兆瓦的功率。作為另一極端規模，已經提出了使用全電動汽車中的電池的電能貯存容量作為“群眾資源”分布式電力網絡的建議，其中每輛汽車只提供幾千瓦的電力輸出(當它插入到電網的雙向連接)，但是其中眾多這樣插入汽車的累積效果可能是重大的。因此，需要填補兩種極端之間存在的空白的能量貯存系統，并且現今的商業可行技術并不服務這個空白。
[0010]除上面簡要概述的電能貯存問題外，配電網面臨另一組最好由“分布式發電”系統和方法解決的相關挑戰。例如，如果配電網將更可靠，則它需要被重建。特別地，需要不那么依賴于遠離它們的客戶定位的大規模、集中式發電廠的能量生產和分配系統，其中越來越擁堵和易受(自然和人為事件)損害的電網連接具有客戶群的大的發電設施。反而需要這樣發電:能夠采用較低的資本成本，更局部化更靠近客戶，提供冗余，更短的電網上的傳送時間/距離(減少線路損失和擁堵)，并且允許在反映局部(分布式)發電的多種選擇的市場和價格體系方面更有競爭力。用于分布式電能生產系統的經濟和技術“門檻”越小，它們越能廣泛部署，這樣的電網越能夠避免電網擁堵，并且電網變得越不容易受到計劃外的自然和人為斷供的損害，即依賴于眾多廣泛分布的發電源而不是僅一個(或多個)大的集中式發電廠。
[0011]因此，需要一種能夠將低價值的非高峰電能轉換成高價值的高峰電能，并且能夠使間歇式電源“穩固”的電能貯存系統和方法。還需要一種能夠以更小的商業規模被廣泛部署的電能貯存和分布式發電系統和方法。最后，還需要一種能夠靠近電力客戶(即負荷中心)定位的電能貯存和分布式發電系統和方法。

【發明內容】

[0012]本發明的實施例通過使用液態空氣(L-空氣)、液態氧氣和/或液態氮氣和/或其特定組合(下面簡寫02/N2)作為工作流體在很大程度上減少了已知公用事業規模的電能貯存系統和電能生產系統的缺點，工作流體能夠在非高峰時段生產，使用拖車和機動軌道車運輸，并且貯存在地面上的低至中壓的低溫貯存罐中，以便在高峰電力需求時段釋放，而本發明的實施例的規模和配置允許商業規模貯存和發電(即釋放)部署，并且允許貯存部件的位置獨立于發電(釋放)部件。公開的實施例可提供從低至千萬規模或近似1兆瓦(此處稱作“商業規模”或“商業規模”VPS)到公用事業規模(可被定義成高至50兆瓦或更大)的分布式電能貯存。
[0013]根本地，本發明的實施例將入流貯存電力轉變成液態空氣(L-空氣)或液態氧氣或液態氮氣，氧氣和氮氣都是空氣的組分。空氣是豐富的、免費的并且無毒的，因此任何“泄露”將不會危害環境。空氣的其它組分，例如二氧化碳、氬氣、氖氣、氦氣、氪氣和氣氣是有價值的并且可在02/n2生產過程期間重新獲得。照此，為了本發明的實施例而加工的空氣將產生有價值的副產品。
[0014]公開的實施例允許電網和其它燃料源(例如天然氣管線網絡)的廣泛集成，從而使得有權使用兩個分布系統的每個站點成為可能的電能貯存設備、可能的分布式發電設備或電能貯存和電能生產設備。到今天，只有在選擇的其中部署大規模燃氣發電廠或簡單循環燃氣渦輪機(“高峰調節”或“峰化器”裝置)的站點，那兩種廣泛部署的網絡-電網和輸氣管線系統才可能集成。在沒有本發明的實施例的情況下，電力和天然氣的絕大部分客戶不能最佳地“連接”它們使用的兩個“傳輸系統”，并且不能選擇本地電能貯存或有成本效益的分布式電能生產，當然也不能選擇實現兩者。
[0015]除了“獨立”商業規模VPS裝置，本發明的實施例還允許集成VPS技術和現存的簡單循環燃氣發電廠(例如“峰化器”)。換句話說，可使用VPS技術改造現存的簡單循環發電廠，以將它們轉變成“日常職責”基載電力貯存和分配資產-使它們成為比偶爾使用的峰化器(現今)有價值得多的資產。全世界存在幾百這類峰化器，這代表了公開的系統的部署的大的市場機會，從而促進分布式電能貯存和分布式發電的目標。公開的實施例可完全消除對簡單循環峰化器裝置的需要，包括通過改造現存的峰化器。
[0016]本發明的實施例通常比之前獲得專利權的VPS版本更小、更簡單并且成本更低，并且滿足更加寬廣和更大的市場機會/需要。公開的實施例可被模塊化、標準化、規模1兆瓦-20兆瓦(或更多)的工廠制造“器械”，該規模現今幾乎沒有成本效益好的技術方案，因為通常這樣的規模對于CAES和抽水蓄能來說太小，而對于電池蓄能來說又太大。
[0017]本發明的實施例代表在如何生產、輸送、貯存和使用能量方面的可能的“典范轉移”，并且本身是(獲利地)“顛覆性”技術。遍及全球的幾乎每個使用來自電網的1兆瓦左右或更多電力并且由天然氣網連接(或其它天然氣源)服務的設備都是公開的實施例的候選站點。每個這樣的部署可最終變成成本效益好、低排放、半集中式貯存和分布式發電資產的廣泛分布網絡的一部分，將公認的電能1C存和分布式發電(現今電力工業中的兩個最重要的趨勢)的經濟和運營利益組合在一起。
[0018]公開的實施例提供的可能的典范轉移的另外元素是全新的商業模型的機會，包括但不限于“商業”電能-貯存/電能-輸送業務，運作類似于能量服務公司(ESC0)。這類商業可以在它們自己的(或其它的)低溫裝置處生產貯存的電能，并銷售/運輸貯存的電能至分布式發電機和/或電能消耗設備，如文中其它節中描述的。因此，也許這是第一次，借助于公開的實施例，電力工業中的“商業”可以不像它們現今所做的那樣只是供應電能生產(以及偶爾電能貯存)，它們也可以提供電能分配(類似于公用事業的功能)。
[0019]另一可能的新系統、方法和商業模型將是電能貯存和輸送系統“脫鉤”(物理上和經濟上)，由此電能被貯存在一個位置(通常在電網上)并且銷售/運輸到一個或多個其它位置，而不使用/需要電網(或甚至配電線)來使電能到達目標點。照此，公開的實施例將也允許在能量工業中出現全新的可銷售/可貿易商品(貯存的電能)。這類貯存的能量將不限于僅僅一個或少數供應商或客戶(像現今電力通常受限一樣)，因為公開的實施例不依賴于“固定的”電網來到達它的使用點。此外，公開的實施例將生產實質上更敏捷更靈活的電氣系統。
[0020]電能貯存資產以往依賴到電力源的單一連接來起作用。本發明挑戰電能供應的可靠性(依賴于單一源)和價格(由于需要從單一電網連接接收電能而導致供應方面競爭很少或沒有競爭)。公開的實施例通過允許從很多供應源(例如液態空氣、02或~2的多個供應商)輸送(以移動(例如“可裝運的”)低溫流體的形式)貯存的電能來“打破上述模式”，從而將電能貯存和電能生產市場實質上更靠近經濟學家所稱的“理想市場”(即很多供應商和很多客戶，每個都有選擇)，并使整個電氣系統和納稅人受益。這減少了對已經控制電網的電力供應和分配幾十年的“自然壟斷”(即，管制的公用事業)的需要，從而允許更多解除管制“基于市場”的電力工業。相似地，公開的實施例將減少對大的集中的(通常遠距離定位)的電力裝置的需求，而這些電力裝置的建設非常昂貴，并且通常需要很難得到許可和建設的高容量/高電壓州際/州內運輸線。因此，通過公開的實施例，電力市場能夠可靠地“本地化”，并產生很多顯著的優點。
[0021]由于如文中描述的公開的實施例的規模的范圍廣泛并且它們固有的靈活性(例如電能貯存單元的移動性)，公開的實施例適合于多種可能的部署站點/終端用戶，包括但不限于以下:
[0022]工業設備/工廠/精煉廠
[0023]微電網
[0024]公用事業-T&D (傳輸和分配)“緊點” /容量升級
[0025]軍事基地
[0026]醫院
[0027]商務花園/企業園區
[0028]購物中心
[0029]機場&船舶港口
[0030]風電場&太陽能電場
[0031]大學校園
[0032]數據中心/服務器群
[0033]食品加工/冷藏倉庫
[0034]礦井&采石場
[0035]其它重要建筑/基礎設施
[0036]由于本發明的實施例允許將分布式電能生產站點產生的剩余電能(高于主站點所需的電量)銷售到電網(通過主/資產所有者或通過第三方ESC0或電力經紀人/交易者)，公開的實施例包括能夠大大推動多向“智能電網”(其電能事業設備和電力系統制造商近年來得以推進)的發展/使用的技術。最佳智能電網需要源自很多位置的在多個方向流動的電能，根據供求狀態能夠快速改變。公開的實施例的所有人/用戶將不只是電能消耗者而也可以是電能提供者。
[0037]這允許更多電力供應商進入電力供應市場，通過減少/消除對單一(或少數)大的發電機/公用事業的歷史依賴來“民主化”市場。這尤其正確，因為公開的實施例以相當小的規模(例如，低至千瓦規模和近似1兆瓦)部署，通過使很多方更容易并且更便宜地購買/擁有/出租電能貯存和生產資產來減少“進入壁皇”。因此，通過公開的實施例的分布廣泛的部署，電力供應市場中的競爭將增加(最近幾十年公用事業管理者和政策制定者的主要目標)，由此使電力客戶/納稅人受益，包括通過保持低的電力價格。另外，管理電網的獨立系統經營者(ISO)通過依賴額外的、更多分布式電能供應源獲益，以便“平衡”市場并確保無論什么時候什么地點需要都可獲得電能。應注意到本發明想到的每個分布式電能生產站點也可從多于一個供應商接收“電能”，從而進一步提供“確定性”和競爭力。
[0038]半集中式電能貯存和分布式電能生產的示例系統包括在第一位置處的至少一個電能貯存設備，在不同于第一位置的第二位置處的至少一個分布式電能生產設備，以及至少一個移動貯存電能運輸單元。電能貯存設備包括電能貯存介質，電能貯存介質包括液態空氣、氮氣、氧氣或其組合。移動貯存電能運輸單元被配置成將電能貯存介質的至少一部分運載到分布式電能生產設備。在示例性實施例中，電能貯存設備是空氣分離裝置。在示例性實施例中，電能貯存設備起能量服務公司(也稱作ESC0)的作用。示例性實施例還可包括在第三位置處的至少一個電能貯存設備，其中至少一個移動貯存電能運輸單元將電能貯存介質從第三位置運輸到分布式電能生產設備。
[0039]在示例性實施例中，分布式電能生產設備電連接至電網并且提供電能給電網，到電網的電能可以是盈余電能(超出鄰近的(多個)電力客戶的需求)。示例性系統還可包括提供電能給電能貯存設備的至少一個電能生產者。電能貯存設備可被配置成在分布式電能生產模式中使用貯存電能的一部分。天然氣管線和原動機(例如渦輪機或引擎)可以設有電能貯存設備，以使其能夠使用電能。示例性的實施例包括流體連接至分布式電能生產設備的天然氣管線。
[0040]在示例性實施例中，電能貯存設備包括:多個壓縮機、流體連接至至少一個壓縮機的至少一個換熱器、流體連接至至少一個壓縮機的膨脹機、流體連接至膨脹機的機械式冷凍機、以及流體連接至膨脹機的貯存容器。示例性的分布式電能生產設備可包括多個換熱器、流體連接至至少一個換熱器的至少一個膨脹機，以及包括原動機的原動機組件。原動機組件可流體連接至至少一個換熱器。
[0041]示例性實施例還包括流體連接至分布式電能生產設備的原動機，其中原動機起備用發電機的作用。在示例性實施例中，半集中式電能貯存和分布式電能生產系統還包括移動車輛，移動車輛包括原動機，原動機流體連接至分布式電能生產設備。原動機可以是提供由分布式電能生產設備供應的電能的一部分的燃料渦輪機。原動機可以是燃料渦輪機，并且電能貯存介質冷卻到渦輪機的進入空氣流。系統可以是商業規模的部署。在示例性實施例中，系統包括在不同于第一位置的第三位置處的至少一個電能貯存設備，其中，至少一個移動貯存電能運輸單元將電能貯存介質從第三位置運輸到分布式電能生產設備。至少一個移動貯存電能運輸可將離網的電能貯存介質的至少一部分送到分布式電能生產設備。
[0042]示例性實施例包括半集中式貯存能量和分配電能的方法，所述方法包括在第一位置處將電能貯存在電能貯存介質中，將電能貯存介質的至少一部分運輸到不同于第一位置的第二位置，以及從電能貯存介質釋放電能以便在第二位置處發電。電能貯存介質包括液態空氣、氮氣、氧氣或其組合。在示例性實施例中，貯存電能包括將空氣分離成氧氣、氮氣或其組合。貯存電能的步驟也可包括提供側向負荷制冷劑流以冷卻電能貯存介質。示例性方法還包括將電能的至少一部分貯存在電能貯存介質中作為備用電能。
[0043]發電步驟可包括提供電能到電網，其中提供的電能可以