低温储能系统以及操作该低温储能系统的方法

本发明涉及低温储能系统(cess)，包括液态空气储能(laes)、液态空气电池(lab)等。

背景技术：

1、低温储能系统(简称cess)是储能系统，cess以低温液体(本文中也称为“冷冻剂”)的形式在低温度下储存能量用于后续在需要时膨胀以驱动合适的涡轮产生电能。由于液态空气形式的低温液体通常是良性的、便携的和无污染的，因此cess是可扩展的，并且能够以环保的方式储存大量能源(>250mw.h)。因此，与诸如石油或柴油发电机的化石燃料燃烧技术相比，cess提供了更环保的选项来储存能源，并且在需要时生成电能。

2、cess通常存在三个阶段或三个部分：(i)利用电能使诸如空气的气态冷冻剂液化；(ii)将液态空气储存在罐中；以及(iii)膨胀液态空气，这会驱动涡轮生成电能，如下图所示：

3、

4、总之，cess使用电能(可以是可再生的)冷却诸如空气的低温气体，直至其液化。这种液态空气被储存在适当的罐中。当液态冷冻剂暴露在环境空气中或者接触到废热时，会转化为动力气态，被提供能量的气体转动涡轮并且生成电能。

5、发明者已经认识到，通过将所述技术与cess(特别是其部件)以互利或协同的方式结合在一起，可以优化或增强cess以及其他需要低温度才能工作或有效发挥作用的技术(在液态空气形式的冷冻剂处于液态的范围中)。

技术实现思路

1、根据本发明的第一个方面，提供了一种低温储能系统，包括：

2、冷冻剂储存设施，其储存或者被配置用于储存冷冻剂；

3、冷冻剂膨胀布置，其被配置成在使用中膨胀从冷冻剂储存设施接收的冷冻剂；

4、能量生成布置，其被配置成在使用中通过来自冷冻剂膨胀布置的膨胀冷冻剂来生成电能；以及

5、超导装置，其位于冷冻剂储存设施中，使得超导装置被储存在冷冻剂储存设施中的冷冻剂冷却。

6、储存在冷冻剂储存设施中的冷冻剂可以是液态空气或氮气。液态空气主要包括液氮(78％)。在这方面，冷冻剂储存设施可以将其中的冷冻剂保持在液氮的沸点(77.36k)与液氧的沸点(90.19k)之间的约78.8k的温度下，并且保持在一个大气压下。可以理解的是，冷冻剂的温度可以被保持在不高于冷冻剂的沸点(在冷冻剂是液态空气的形式的情况下约为78.8k)并且高于冷冻剂的凝固点(在冷冻剂是液态空气的形式的情况下为58.0k，或者在冷冻剂是液氮的情况下为63.1k)的温度。

7、超导装置可以是高温超导装置，以及/或者可以包括超导材料或者由超导材料构成。在这方面，超导系统/装置被配置成在约78k(-197℃)的较高低温温度下工作，这可能是冷冻剂储存设施中的冷冻剂储存的大致温度。由此可见，冷冻剂储存设施中的冷冻剂的温度在超导装置中存在的超导/超导体材料或者由其组成超导/超导体装置的材料的临界温度(tc)以下非常方便。这样，由于超导装置在冷冻剂储存设施中的存在几乎不会产生过量的冷冻剂沸腾，而且由于零电阻的超导特性，大多数超导装置几乎不会生成热，因此对冷冻剂储存罐而言是热透明的，从而方便地省去了对专用超导装置冷却系统的需要和与其相关联的费用。

8、超导装置可以选自包括超导磁体储能(smes)装置、超导变压器(st)和超导故障电流限制器(sfcl)的组。需要注意的是，在一些示例实施中，超导系统可以包括多于一个超导装置，例如，选自上述超导装置的组中的超导装置。

9、超导装置可以通过冷冻剂储存设施保持在tc的工作温度以下，这降低为冷冻剂储存设施提供专用冷却系统的成本和复杂度。

10、smes装置可以被配置成生成代替或补充由能量生成布置生成的电能之外的电能。特别地，smes装置可以被配置成在能量生成布置向可操作地连接至低温储能系统的负载提供电力之前向所述负载提供电力。这有助于解决诸如负载均衡和平衡短时瞬态故障的问题，因为它具有本文所述的高功率响应能力。在一些示例实施方式中，由能量生成布置生成的电能可以用于为smes装置充电。

11、sfcl可以电耦接至电网并且电耦接至负载，其中，sfcl可以被配置成限制从电网到达负载的故障电流。同样，st可以电耦接至电网和/或负载。

12、在一个示例实施方式中，冷冻剂储存设施可以包括合适的冷冻剂储存罐，冷冻剂储存罐储存或者被配置用于储存冷冻剂并且在其中容纳至少超导装置。在这方面，需要注意的是，超导系统(特别是超导装置)可以被嵌入冷冻剂储存罐中。

13、低温储能系统可以包括：

14、存储器装置；

15、处理器，其耦接至存储器装置；以及

16、一个或更多个传感器，其可操作地布置在冷冻剂储存罐中可操作地连接至处理器，以测量一个或更多个参数并且向处理器发送指示一个或更多个参数的数据，其中，处理器被配置成响应于确定一个或更多个测量的参数不可接受而激活合适的警报协议。

17、特别地，该系统可以包括合适的液位传感器，液位传感器通信地耦接至处理器以测量储存在冷冻剂储存罐中的冷冻剂的量，其中，处理器被配置成响应于确定通过液位传感器测量的冷冻剂储存罐中的冷冻剂的量下降到超导装置所需的冷冻剂的最小操作量/液位/体积以下，而激活合适的警报协议。这样，冷冻剂储存罐中的冷冻剂可以用于通过能量生成布置生成电能，但其量或程度不会影响本文所述的超导装置的冷却。由此可见，超导装置所需的冷冻剂的最小操作量/液位/值是适当冷却超导装置以使得超导装置保持以及/或者工作在超导状态所需的冷冻剂的量。

18、该系统可以包括合适的振动传感器，振动传感器通信地耦接至处理器以感测冷冻剂储存罐的振动或者冷冻剂储存罐中的振动，其中，处理器被配置成响应于确定通过振动传感器感测的振动不可接受而激活合适的警报协议。振动传感器可以是传统的压电传感器振动传感器。超导装置可以基于超过阈值的振动触发抑制事件(猝灭事件)。

19、系统可以包括合适的压力传感器，压力传感器通信地耦接至处理器以测量冷冻剂储存罐中的压力，其中，处理器被配置成响应于确定通过压力传感器测量的冷冻剂储存罐中的压力不可接受而激活合适的警报协议。冷冻剂储存罐可以包括用于冷冻剂的沸腾的合适的阀。冷冻剂储存罐还可以包括第二阀，以在由处理器检测到诸如抑制的过压事件时处理过量蒸汽的生成。处理器可以被配置成控制该阀。在处理器确定测量的压力超过最大压力的情况下，处理器可以被配置成通过至少断开/清除去往/来自超导装置的能量来激活警报装置。

20、系统可以包括温度传感器，温度传感器通信地耦接至处理器以测量储存在冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度，其中，处理器被配置成响应于确定通过温度传感器测量的冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度下降到超出预定温度范围而激活合适的警报协议。系统可以包括多个温度传感器，以感测/测量所储存的冷冻剂和/或冷冻剂储存罐的温度，特别是冷冻剂的温度均匀度。如本文所述，在冷冻剂是液态空气的情况下，预定温度范围在液态空气的凝固点，例如58.0k以上，但低于液态空气的沸点，例如78.8k。需要注意的是，如果测量温度不在预定温度范围内，则警报协议可以包括：在必要时断开/清除去往/来自超导装置的能量，以消除临界超导抑制事件。

21、总之，本文构想的警报协议的一部分可以包括以下中的一个或更多个：断开/清除去往/来自超导装置的能量，以及生成合适的警报信号以致动合适的警报装置。合适的警报装置可以是警笛、灯等，以提醒系统操作者和/或维护人员。

22、在一个示例实施方式中，系统可以包括合适的真空泵，真空泵可操作地连接至冷冻剂储存罐，其中，合适的警报协议包括：操作真空泵以降低冷冻剂储存罐中的蒸汽压力，从而降低冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度，以使温度在预定温度范围内。这可以响应于通过温度传感器测量的温度下降到超出冷冻剂储存罐中的冷冻剂的本文构想的范围(通常在冷冻剂储存罐中的冷冻剂的本文构想的范围以上)来进行。

23、为了确保冷冻剂储存罐中的冷冻剂的均匀温度，冷冻剂储存罐可以包括合适的搅拌机(agitator)，例如搅拌器(stirrer)，该搅拌器位于冷冻剂储存罐中，使得至少保持冷冻剂储存罐中的均匀温度。可以理解的是，处理器可以被配置成响应于确定冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度分布不均匀而操作搅拌器。替选地或者附加地，处理器可以被配置成例如以预定的时间间隔周期性地操作搅拌器，以确保冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度均匀度。

24、在一个示例实施方式中，冷冻剂储存设施可以包括一个或更多个一级冷冻剂储存罐，一级冷冻剂储存罐储存或者被配置用于储存冷冻剂；以及至少一个二级冷冻剂储存罐，二级冷冻剂储存罐储存或者被配置用于储存冷冻剂并且容纳超导装置。由此可见，二级冷冻剂储存罐可以是如前文所述的储存或者被配置用于储存超导装置的冷冻剂储存罐，其中，一级储存罐储存供能量生成布置使用以生成电能的冷冻剂，并且可选地为二级冷冻剂储存罐补足冷冻剂。一级冷冻剂储存罐和二级冷冻剂储存罐可以处于受控的相互流体连通。

25、需要注意的是，在最后提到的示例实施方式中，一级冷冻剂储存罐通常为冷冻剂膨胀布置供应冷冻剂，而二级冷冻剂储存罐则被配置成容纳超导系统。为简洁起见，在本文中，术语“一级罐”和“一级冷冻剂储存罐”可以互换使用。同样，术语“二级罐”和“二级冷冻剂储存罐”可以互换使用。

26、本文所述的所有冷冻剂储存罐可以是热绝缘冷冻剂储存罐。

27、二级储存罐可以接收来自一级储存罐的冷冻剂，并且可以被配置成将其中的冷冻剂保持在比一级储存罐更低的温度。为此，系统可以包括合适的泵以在一级冷冻剂储存罐与二级冷冻剂储存罐之间输送冷冻剂。泵可以可操作地位于一级冷冻剂储存罐中或者邻近一级冷冻剂储存罐以用于将冷冻剂从一级冷冻剂储存罐泵送至二级冷冻剂储存罐，以便保持二级冷冻剂储存罐中的冷冻剂的预定最小操作量/液位/体积。

28、本文所述的系统可以包括合适的处理器，处理器通信地耦接至泵，以在检测到二级冷冻剂储存罐中的冷冻剂液位在预定的最小操作量/液位以下时，控制处理器将冷冻剂从一级冷冻剂储存罐泵送到二级冷冻剂储存罐。为此，二级冷冻剂储存罐可以包括合适的液位传感器以感测二级冷冻剂储存罐中的冷冻剂的液位或体积。

29、系统可以包括合适的降温组件，该降温组件被配置成降低二级冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度。在一个示例实施方式中，降温组件可以优选地包括真空泵，该真空泵被配置成降低二级冷冻剂储存罐中的蒸汽压力，其中，真空泵的工作使得二级冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度降低。

30、在一个示例实施方式中，二级罐可以包括合适的温度传感器，温度传感器可操作地耦接至处理器并且被配置成感测二级罐中的冷冻剂的温度，其中，处理器被配置成响应于经由温度传感器确定二级冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度不在期望的温度范围内或者在预定温度阈值以上而操作真空泵。

31、当真空泵被操作时，二级冷冻剂储存罐可以与一级冷冻剂储存罐气动隔离。这可以通过设置在在一级冷冻剂储存罐与二级冷冻剂储存罐之间的流体流动路径上设置的合适的阀来实现。

32、在一个示例实施方式中，一级冷冻剂储存罐可以是多个一级冷冻剂储存罐之一。同样，二级冷冻剂储存罐可以是多个二级冷冻剂储存罐之一。在一个示例实施方式中，一级储存罐的可以具有约为2000升冷冻剂的容量。一级冷冻剂储存罐和二级冷冻剂储存罐中的一者或两者可以全部或部分地由非金属材料制成，以至少减少容器的感应加热。

33、冷冻剂膨胀布置可以包括合适的热交换器。热交换器可以被配置成使用来自环境空气、地热、来自发电厂的废热和来自制造厂的废热中的一种或更多种热来加热冷冻剂以膨胀冷冻剂。

34、能量生成布置可以包括：

35、涡轮，其被配置成在使用中通过来自冷冻剂膨胀布置的膨胀冷冻剂来驱动；以及

36、发电机，其被配置成在使用中由涡轮致动从而生成电能。

37、在一个示例实施方式中，系统可以包括空气液化布置，该空气液化布置被配置成液化空气并且将液化的气体储存在冷冻剂储存设施中。在一个示例实施方式中，空气液化布置可以被配置成供应液化的空气，以储存在一级冷冻剂储存罐中。

38、根据本发明的第二个方面，提供了一种操作低温储能系统的方法，其中，该方法包括：

39、将冷冻剂储存在冷冻剂储存设施中；

40、膨胀从冷冻剂储存设施接收的所储存的冷冻剂；

41、通过使用所膨胀的冷冻剂生成电能来致动合适的能量生成布置；

42、在冷冻剂储存设施中设置超导装置；以及

43、用储存在冷冻剂储存设施中的冷冻剂来冷却超导装置。

44、低温储能系统可以类似于本文所述的系统，因此与此相关的描述作必要的修改而适用于用于操作本文所述的这样的低温储能系统的方法中的任何一种的概述。

45、该方法可以包括：操作smes以生成代替或除了由能量生成布置生成的电能之外的电能。该方法还包括：在使用中利用由能量生成布置生成的电能对smes装置充电。

46、该方法可以包括：操作smes装置，以在能量生成布置向可操作地连接至低温储能系统的负载提供电力之前向负载提供电力。

47、该方法可以包括：

48、测量与冷冻剂储存罐和/或其中储存的冷冻剂相关联的一个或更多个参数；

49、将测量的参数发送到通信地耦接至合适的存储器装置的合适的处理器；以及

50、响应于确定一个或更多个测量参数不可接受而激活合适的警报协议。

51、该方法可以包括：测量储存在冷冻剂储存罐中的冷冻剂的量，并且通过处理器响应于确定冷冻剂储存罐中的冷冻剂的量下降到储存在其中的超导装置所需的冷冻剂的最小操作量以下，而激活合适的警报协议。

52、该方法可以包括：感测或测量冷冻剂储存罐的振动或者冷冻剂储存罐中的振动，并且通过处理器响应于确定感测到的振动不可接受而激活合适的警报协议。

53、该方法可以包括：测量冷冻剂储存罐中的压力，并且通过处理器响应于确定所测量的压力不可接受而激活合适的警报协议。

54、该方法可以包括：测量储存在冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度，并且通过处理器响应于确定冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度下降到超出预定温度范围而激活合适的警报协议。

55、合适的警报协议可以包括：对可操作地连接至冷冻剂储存罐的真空泵进行操作以降低冷冻剂储存罐中的蒸汽压力，从而降低冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度以使温度在预定温度范围内。

56、预定温度范围可以由不高于冷冻剂的沸点并且高于冷冻剂的凝固点的温度界定。

57、该方法可以包括：在冷冻剂储存罐中操作合适的搅拌器以至少保持冷冻剂储存罐中的均匀温度。

58、冷冻剂储存设施可以包括：

59、一个或更多个一级冷冻剂储存罐，其储存或者被配置成储存冷冻剂；以及

60、至少一个二级冷冻剂储存罐，其储存或者被配置成储存冷冻剂，其中，一级冷冻剂储存罐和二级冷冻剂储存罐处于受控的相互流体连通，并且其中，二级冷冻剂储存罐容纳超导装置，其中，该方法包括：响应于检测到二级冷冻剂储存罐中的冷冻剂的液位在预定阈值以下，将冷冻剂从一级冷冻剂储存罐输送至二级冷冻剂储存罐，以及/或者将冷冻剂从二级冷冻剂储存罐输送至一级冷冻剂储存罐，直至超导装置所需的二级罐中所需的冷冻剂的最小体积。

61、该方法可以包括：如本文所述，通过操作可操作地连接至二级罐的合适的真空泵，降低二级低温储存罐中的蒸汽压力。

62、该方法可以包括：将一级冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度保持为低于或等于冷冻剂的沸点。该方法可以包括：将二级冷冻剂储存罐中的冷冻剂的温度保持在低于冷冻剂的沸点并且高于冷冻剂的凝固点的温度范围中。

63、根据本发明的第三个方面，提供了一种储存或者被配置成储存冷冻剂的冷冻剂储存设施，其中，冷冻剂储存设施在其中包括超导装置，使得超导装置由储存在冷冻剂储存设施中的冷冻剂冷却。

64、冷冻剂储存设施可以与本文所述的冷冻剂储存设施基本相似。

65、根据本发明的第四个方面，提供了一种冷却超导装置的方法，其中，该方法包括：

66、将超导装置置于与冷冻剂储能系统相关联的冷冻剂储存设施中；以及

67、用储存在冷冻剂储存设施中的冷冻剂来冷却超导装置。

68、本领域技术人员可以理解，本文中提供的关于本发明的一个方面的描述可以作必要的修改而扩展/适用于本文描述的本发明的其他方面。