改进的能量存储和收集系统
技术领域
本发明涉及藉由空气压缩和膨胀的能量储存和产生的领域。
背景技术
例如借助太阳能电池板或者陆上或海上风力涡轮机从可再生能源发电正在迅猛发展。这些生产手段的主要缺点是间歇生产以及生产周期与消耗周期之间可能的不匹配。因此，重要的是具有在生产期间储存能量的装置，从而在消耗期间释放能量。
存在许多允许实现这种平衡的技术。
其中最周知的是使用在不同海拔处的两个蓄水池的抽水蓄能电站(PSP，PumpedStorage Plant)。在注水阶段期间，水被从下部水池泵送到上部水池。然后，在排放期间，朝着下部水池，水被送到涡轮机。
使用不同类型的电池(锂、镍、钠-硫、铅-酸等)也可以满足这种能量储存要求。
另一种技术，飞轮能量储存(FES，Flywheel Energy Storage)，包括将转子(飞轮)加速到非常高的速度，以及将系统中的能量保持为动能的形式。当从FES系统提取能量时，由于能量守恒原理，飞轮的旋转速度降低。因此，向FES系统增加能量导致飞轮速度增加。
使用压缩气体(通常是压缩空气)的能量储存技术是有前途的。所产生的未被消耗的能量用于使用(可能是多级)压缩机将空气压力压缩到40巴(bar)至200巴的范围。在压缩时，空气温度升高。为了限制储存罐的成本并使压缩机的电力消耗最小化，空气可以在每个压缩级之间被冷却。然后，压缩空气在压力下储存在天然腔(洞穴)或人造储层中。
在发电阶段期间，所储存的空气然后被送至涡轮机以产生电力。在膨胀时，空气冷却。为了避免过低的温度(-50℃)对涡轮机造成损坏，可以在膨胀之前加热空气。这样的发电厂现在已运行多年，例如1978年以来德国的Huntorf发电厂，或1991年以来美国(阿拉巴马，Alabama)的MacIntosh发电厂。这两个发电厂具有使用储存的压缩空气来供给燃气轮机的具体特征。这些燃气轮机在压力空气存在下燃烧天然气，从而在高压(40巴和11巴)下产生非常热的燃烧气体(550℃和825℃)，然后在发电的涡轮机中使它们膨胀。这种类型的方法排放二氧化碳。Huntorf发电厂每兆瓦发电可放出大约830kg CO2。
存在一种正在研发的变型。这是所谓的绝热方法，其中，由空气压缩产生的热量被回收、储存并在空气膨胀之前释放到空气中。这是一种已知为AACAES(先进绝热压缩空气能量存储，Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage)的技术。
在该技术中，空气通常是从周围介质中获取的空气。因此，它可能包含蒸汽形式的水。该湿度根据地理位置和温度和/或季节变化。在压缩之后冷却空气时，空气中包含的水可能全部或部分地冷凝。当不从气体中除去时，气体中所含的水会对压缩机和压缩气体在其中循环的其它设备造成损害。
所谓的“压缩管线”是将气体入口连接到压缩气体储存装置并穿过至少一个压缩装置的气体管线。
所谓的“膨胀管线”是将压缩气体储存装置连接到气体出口并穿过至少一个膨胀装置的气体管线。
换热器用于冷却和/或加热空气。存在几种换热器技术。
其中，几种类型的换热器允许两种流体(通常是气体和液体)之间的交换。这些交换器允许从冷流体(通常是冷液体)冷却热气体，或者从热流体(通常是热液体)加热冷气体。
直接接触的换热器被理解为其中在流体(通常为液体)和气体之间发生直接接触的换热器。当使用直接接触的换热器时，物质交换也可发生在流体与气体之间。
当使用直接接触的换热器时，气体可以变得部分地载有呈气体或液滴形式的流体和/或部分的气体可以冷凝或被流体吸收。这取决于流体、气体、压力和温度以及交换模式(气体加热或冷却)。因此，可能需要将流体添加到回路中，或者相反地，需要抽取一些流体，因此使系统复杂化。
非直接接触的换热器被理解为其中在流体和气体之间不发生直接接触的换热器。在这种非直接接触的换热器中，热交换例如通过实心壁发生，但是在流体和气体之间不能发生物质传递。板式交换器或管壳式交换器是非直接接触的换热器的示例。
另一种换热器技术基于热量储存和释放颗粒。在这种类型的换热器中，封壳填充有所谓的热量储存和释放颗粒的固定床。热量储存和释放颗粒是由具有良好的储存和释放热量的特性的材料制成的固体元件。这些颗粒随机地排列在床中。固定床应理解为不是有意设定运动颗粒的床。然而，它们可能经历由热膨胀或由例如封壳内的气体循环引起的运动。在这种类型的交换器中(下文称为“温跃层(Thermocline)”)，气体通过热量储存和释放颗粒的固定床在封壳中循环：
-所述气体加热热量储存和释放颗粒，
-或所述气体相反地由热量储存和释放颗粒加热。
在这些温跃层型交换器中，气体和热量储存和释放颗粒因此直接交换热量(不使用例如举例来说是液体的中间流体)。
在气体压缩时，空气温度升高。为了避免在高温下所储存的压缩空气产生对于储存装置的额外成本，空气的热量被回收，并且空气因此被冷却。
专利US-2013/0,042,601描述了在压缩级之间由水通过非直接接触的交换器冷却空气。随后冷却热水。膨胀期间所需的热量由高压和低压燃烧器中的烃燃烧提供。在专利US-2014/0,026,584 A1和US-2016/0,053,682 A1中进行了类似的描述。使用燃烧室和烃类涉及以下缺点：燃烧室的高成本和显著的CO2排放。
在专利US-2011/0,113,781 A1和WO-2016/0,749,485 A1中，由空气压缩产生的热量用于供给基于使用丁烷、戊烷、异戊烷的平行朗肯(Rankine)循环和/或卡林纳(Kalina)循环。空气膨胀所需的热量由外部源(燃烧器等)提供。在这种情况下，燃烧器和使用可燃气体的成本也是高的。此外，这些解决方案引起污染。
专利WO-2016/012,764 A1描述了使用换热器在由压缩产生的热空气和熔盐之间非直接接触的热交换。在膨胀之前，借助先前获得的热熔盐加热空气。这种系统也用于专利DE-10-2010/055,750 A1中，其中，用于将压缩热量传递到膨胀的流体是经过交换器的盐水溶液。使用熔盐或盐溶液涉及由于腐蚀风险而在设备设计上的缺陷。此外，使用相变材料实现这些解决方案是复杂的。
空气的冷却也可以借助所谓的直接接触的交换器来进行，其可以是例如具有规整或散堆填料的填料塔，或板式塔。热空气被送入塔中，在塔中，冷液体与空气逆流地被送出。空气的热量然后被传递到冷流体，冷流体在与空气接触时变热。除了热量之外，在接触时也可能发生物质转移。这些塔通常包含允许气相(空气)和液相(冷流体)之间的接触得到改善的元件，从而促进气液传递。这些元件可以是规整或散堆填料，或是装备有烟囱的分布器盘。还存在基于固体的直接接触式系统。专利US-2016/0,326,958 A1描述了一种通过与相变材料直接接触而发生热传递的系统。专利US-2011/0,016,864 A1使用通过与熔盐直接接触的热传递技术。在这种情况下，在压缩管线和膨胀管线上发生直接接触式热交换。在压缩管线上，这涉及用液体或固体装载气体的缺点，可能损坏系统的其余部分。此外，使用相变材料实现上述解决方案是复杂的。
为了使材料成本最小化，可以使用相同的设备来冷却来自压缩的热空气和在膨胀之前加热空气，因为该过程以循环方式运行。这在专利DE-10-2010/055,75 0A1中描述了非直接接触的技术，而在专利US-2011/0,016,864 A1和US-2016/0,326,958 A1中描述了直接接触式热交换技术。
现有技术的各种解决方案不能提供最佳效率，特别是由于热交换。
为了克服现有技术的上述缺点，本发明涉及一种压缩气体能量储存和回收系统及方法，其通过使用以下特征而改进：
-至少一个非直接接触的换热器，其在压缩管线上、在压缩装置下游、没，
-至少一个直接接触的换热器，其定位在膨胀管线上、在膨胀装置上游。
使用直接接触和非直接接触的换热器的混合使系统效率优化。
发明内容
本发明涉及一种压缩气体能量储存和回收系统，包括：
-至少一个气体压缩装置，
-至少一个储存所述压缩气体的装置，
-至少一个用于使所述压缩气体膨胀从而产生能量的装置，
-至少第一换热器，所述第一换热器设置在压缩所述压缩气体的装置下游，
-至少第二换热器，所述第二换热器设置在使所述压缩气体膨胀的装置上游，
-至少一个冷液体储存装置和至少一个热液体储存装置。
所述第一换热器包括至少一个非直接接触的换热器，而至少一个第二换热器是直接接触的换热器。所述直接接触的换热器和所述非直接接触的换热器在所述气体和所述液体之间传递热量。所述直接接触的换热器和所述非直接接触的换热器定位在所述冷液体储存装置和所述热液体储存装置之间。
优选地，所述气体是空气。
有利地，所述液体是水。
根据本发明的一实施方式，所述第一换热器全部是在所述液体和所述气体之间非直接接触的换热器。
根据本发明的一个变型实施例，该系统包括具有热量储存颗粒的固定床的至少一个换热器，所述具有热量储存颗粒的固定床的换热器构造为是第一换热器和第二换热器两者。
根据本发明的一实施方式，所述第二换热器全部是在所述液体和所述气体之间直接接触的换热器。
根据本发明的一实施方式，所述第二换热器包括直接接触的换热器和非直接接触的换热器，所述第二直接接触的换热器定位在最后的换热器之中。
根据本发明的一实施方式，非直接接触的换热器是(焊接或未焊接的)板式交换器和/或管壳式交换器。
根据本发明的一个变型，直接接触的换热器是填料塔和/或板式塔。
根据本发明的一实施例，系统包括至少一个分离所述气体和所述液体的装置，所述分离装置定位在至少一个第一换热器之后。
有利地，使用多个气体压缩装置和/或多个使所述气体膨胀的装置，优选为至少三个。
优选地，使用多个第一换热器，优选地，在每个所述压缩装置之后至少使用第一换热器。
有利地，使用多个分离装置，优选地，在每个所述第一换热器之后使用至少一个分离装置。
优选地，使用多个第二换热器，优选地，在每个所述膨胀装置上游至少使用第二换热器。
本发明还涉及一种能量储存和回收的方法，其中，执行以下步骤：
a)压缩气体，
b)通过与冷液体进行热交换而冷却压缩气体，并在换热器出口处储存热液体，
c)储存所述冷却的压缩气体，
d)借助换热器，使用步骤c)中储存的热液体加热所述冷却的压缩气体，并储存所述冷液体，
e)使所述压缩气体膨胀。
在步骤b)中进行的至少一次热交换是在液体和气体之间非直接接触的情况下发生，并且在步骤d)中进行的至少一次热交换至少部分地通过液体和气体之间的直接接触发生。
有利地，所述气体是空气。
优选地，所述液体是水。
优选地，在步骤b)和步骤c)之间，步骤b之二)包括进行对所述冷却的压缩气体和所述冷凝液体的分离，并储存所述冷凝液体。
有利地，步骤a)、b)和/或b之二)中的至少一个在移到下一个步骤之前执行多次。
优选地，步骤d)和e)中的至少一个执行多次。
根据本发明的方法的一个变型，步骤d)的所述液体和所述气体之间的每次热交换通过液体和气体之间的直接接触发生。
根据本发明方法的一实施方式，步骤d)中液体和气体之间的热交换借助直接接触的换热器和非直接接触的换热器进行，直接接触的换热器定位在最后的换热器之间。
根据该方法的一变型，步骤b)的至少一次热交换和步骤d)的至少一次热交换被热量储存颗粒的固定床和所述气体之间的热交换代替，在至少一次步骤b)期间，所述压缩气体的热量储存在所述热量储存颗粒中，在至少一次步骤d)期间，所述热量储存颗粒的所储存的热量被释放到压缩气体。
根据本发明的方法的一个变型，步骤b)的非直接接触的热交换借助至少一个(焊接或未焊接)板式交换器或至少一个管壳式交换器进行。
根据本发明的方法的一实施方式，步骤d)的直接接触式热交换至少部分地通过填料塔或板式塔进行。
附图说明
根据本发明系统和方法的其它特征和优点将从参照附图、阅读以非限制性示例的方式给出的对各实施例的以下描述中变得明了，附图中：
-图1示出了根据现有技术的能量储存和回收系统的一个示例，
-图2示出了根据现有技术的能量储存和回收系统的第二示例，
-图3示出了根据现有技术的能量储存和回收系统的第三示例，
-图4示出了根据本发明的能量储存和回收系统的第一实施例，
-图5示出了根据本发明的能量储存和回收系统的第二实施例。
具体实施方式
本发明涉及一种压缩气体能量储存和回收系统，包括：
-至少一个气体压缩装置，允许气体的压力增大以供储存目的，
-至少一个压缩气体储存装置，用于储存稍后待用的压缩气体，
-至少一个使压缩气体膨胀的装置，用于产生能量，
-至少第一换热器，所述第一换热器设置在气体压缩装置下游，并且允许气体在气体压缩之后被冷却，
-至少一个第二换热器，所述第二换热器定位在所述使压缩气体膨胀的装置上游，并且允许气体在气体膨胀之前被加热，从而在提供最佳效率的温度下运行膨胀装置，
-至少一个冷液体储存装置和至少一个热液体储存装置，这些装置使得能够至少对第一换热器使用冷液体并对第二换热器使用热液体。
第一换热器包括至少一个非直接接触的换热器，一方面为了优化热量回收，并且另一方面为了限制气体中存在液体的风险。实际上，非直接接触的换热器不能实现液体和气体之间的物质交换。因此，仅有的可能存在于气体中的液体痕迹与液体的冷凝有关。使用直接接触的换热器作为第一换热器可以驱动部分热传递液体进入气体中，该液体将增加到冷凝。因此，考虑到大量的水随后将被结合到气体中，用于分离液体和气体的装置将是最有用的。
此外，至少一第二换热器为直接接触的换热器。在系统性能方面，在膨胀管线中使用直接接触的换热器是有利的。实际上，当使用这种类型的交换器时，在气体和液体之间发生物质交换：然后，一部分液体溶解在气体中，因此增加其密度和质量流动速率。这些特征允许关于膨胀装置的效率增大。
直接接触的换热器和非直接接触的换热器在气体和液体之间传递热量。这些交换器提供了良好的热学性能，易于实施。此外，由这些系统产生的压降相对较低。直接接触的换热器和非直接接触的换热器定位在冷液体储存装置和热液体储存装置之间。因此，液体热地和冷地储存，以便以后使用。
优选地，气体可以是空气，并且优选地是取自周围介质的空气。因此，消除了与气体生产、调节和物流有关的成本。
优选地，液体可以是水。实际上，水是一种便宜的热传递流体，这是一种极好的折衷。
根据本发明的系统的一实施方式，第一换热器可以全部是在液体和气体之间非直接接触的换热器。因此，通过在压缩管线路上使用的换热器的单一技术简化了系统。
根据本发明的另一个实施例，系统包括具有热量储存颗粒的固定床的至少一个换热器。这种具有储存热量颗粒的固定床的换热器称为“温跃层”，构造成第一换热器和第二换热器。在该交换器中，气体热量储存颗粒直接进行热交换，且气体循环通过热量储存颗粒的固定床。实际上，颗粒床是固定的，来自热压缩气体并被储存颗粒吸收的热量然后被这些储存颗粒释放到交换器中循环的气体。换而言之，该交换器在此既用作第一换热器，又用作第二换热器。这允许通过限制交换器的数量，以及通过限制与气体和另一种流体之间的交换相关的技术(例如，直接接触的换热器和非直接接触的换热器)所需的管道和节流/泵送系统，来简化系统并降低成本。此外，热量储存颗粒可由便宜的材料制成。
根据本发明的一变型，第二换热器可以全部是具有在液体和气体之间的直接接触的换热器。这种实施方式允许借助于在膨胀管线上的、即靠近最终空气出口的单个换热器技术来简化该膨胀管线。
根据本发明的另一变型，第二换热器可包括直接接触的换热器和非直接接触的换热器。在该变型中，第二直接接触的换热器优选地定位在膨胀管线的最后的换热器之间、优选地定位在膨胀管线的最后级中。这在热效率和物质传递之间提供了更好的折衷，允许在进入膨胀装置之前增加气体质量流动速率。
根据本发明的一实施例，非直接接触的换热器可以是(焊接或未焊接的)板式交换器和/或管壳式交换器。
根据本发明的另一实施例，直接接触的换热器可以是具有规整或散堆填料的填料塔和/或板式塔。
根据本发明的一个实施方式，系统可包括用于分离气体和液体的至少一个装置。所述分离装置可以设置在至少第一换热器之后，从而消除在气体冷却时可能出现并损坏系统的其它设备、特别是下一压缩级的冷凝痕迹。
有利地，可使用多个气体压缩装置和/或多个使气体膨胀的装置，优选为至少三个。使用分级的压缩和/或膨胀装置使系统效率和性能改善。
根据本发明的一实施方式，可使用多个第一换热器，优选地，在每个压缩装置之后至少使用第一换热器。因此，气体在压缩气体存储之前或在其进入下一个压缩装置之前被冷却。如果被储存，则较低的储存温度导致较低的储存成本。如果它进入下一个压缩装置，则当温度较低时，该压缩装置的效率较高。
优选地，可使用多个分离装置，优选地，在每个第一换热器之后使用至少一个分离装置。因此，消除了在气体冷却时可能出现的冷凝痕迹，这使得避免损坏系统的其余部分，并且特别是下一压缩级。
有利地，可使用多个第二换热器，优选地，在每个膨胀装置上游至少使用第二换热器。因此，气体的温度在膨胀装置上游升高，从而避免在膨胀装置出口处的过低且有害的温度。此外，温度越高，气体中的能量越多，且因此能量释放越高。
本发明还涉及一种能量储存和回收的方法，其中，执行以下步骤：
a)压缩气体，
b)通过与冷液体进行热交换而冷却压缩气体，并在换热器出口处储存热液体，
c)储存冷却的压缩气体，
d)借助换热器，使用步骤c)中储存的热液体加热冷却的压缩气体，并储存冷液体，
e)使压缩气体膨胀。
在该实施方式中，在步骤b)中进行的至少一次热交换在液体和气体之间非直接接触的情况下发生。因此，热量回收效率被优化，并且在液体和气体之间不会发生物质传递，这避免了将液体添加到在气体中形成的冷凝水中。
此外，在步骤d)中进行的至少一次热交换通过液体和气体之间的直接接触发生。使用这种类型的热交换允许回收气体中的部分液体，这允许增加气体质量流动速率，并因此提升膨胀装置的性能。
有利地，气体可以是空气，优选地是取自周围介质的空气。因此，消除了与气体生产、调节和物流有关的成本。
优选地，液体可以是水。实际上，水是一种便宜的热传递流体，这提供了一种极好的折衷。
根据本发明的一实施例，在步骤b)和步骤c)之间，步骤b之二)包括进行对冷却的压缩气体和冷凝液体的分离，并且在步骤b)和步骤c)之间冷凝的液体(步骤b之二)可以储存。因此，可以消除在步骤b)中气体冷却期间可能形成的冷凝液体的痕迹。
根据本发明的一变型，步骤a)、b)和b之二)的至少一个步骤可以在移动到下一步骤之前进行多次(例如，多次步骤a)或多次步骤a)和b)或多次步骤a)、b)和b之二)。因此，通过这些各个步骤可以分级，本方法的性能得到了改善。
根据本发明的另一变型，步骤d)和e)中的至少一个可以进行多次(例如，多次步骤d)或多次步骤d)和e))。因此，膨胀装置分级，这使能量回收效率最大化，并且/或者气体在多个步骤中被加热，例如在每个膨胀步骤之前，使得气体在膨胀装置入口处的温度接近最优值。
根据本发明方法的一实施方式，步骤d)的在液体和气体之间的每次热交换可通过液体和气体之间的直接接触发生。因此，通过在膨胀管线上使用单个交换器技术而简化了膨胀管线。
根据本发明的方法的一变型实施例，步骤d)中在液体和气体之间的热交换可借助直接接触的换热器和非直接接触的换热器发声，直接接触的换热器定位在最后的换热器之间、优选地在最后的膨胀步骤中。因此，通过非直接接触的热交换优化了热量回收，然后通过直接接触式热交换使压缩装置入口处的质量流动速率增加(量)以及其效率最大化。这种配置是实现系统的总效率最大化的最佳折衷。
根据本发明方法的一实施方式，步骤b)的至少一次热交换和步骤d)的至少一次热交换可以由热量储存颗粒的固定床和气体之间的热交换代替。例如，压缩管路可包括在液体和气体之间非直接接触的至少一个换热器，和在热量储存颗粒的固定床和气体之间的至少一个温跃层(Thermocline)型换热器；膨胀管线可例如包括在液体和气体之间直接接触的至少一个换热器，和在热量储存颗粒的固定床和气体之间的至少一个温跃层型换热器，该温跃层型交换器与压缩管线的交换器合并。在温跃层型换热器中，在至少一次步骤b)期间，压缩气体的热量被储存在热量储存颗粒中。在至少一次步骤d)期间，将因此储存在热量颗粒中的热量随后释放到压缩气体。颗粒床是固定的，气体需要循环，从而在热量储存颗粒中储存或释放热量。因此，如果温跃层型换热器用在压缩管线上，则其也用在膨胀管线上。使用这种类型的交换器的优点包括：实施简单，并且通过限制换热器的数量降低了成本，单个交换器用作第一换热器和第二换热器，因此限制了气/液型交换(直接接触的换热器和非直接接触的换热器)所需的管道和节流/泵送系统。此外，热量储存颗粒可以由便宜的材料制成。
根据本发明的一实施例，步骤b)的非直接接触的热交换可以借助至少一个(焊接的或未焊接的)板式交换器和/或至少一个管壳式交换器实现。
根据本发明的一变型实施例，步骤d)的直接接触式热交换可以至少部分地通过具有规整或散堆填料的填料塔和/或板式塔来实现。
根据本发明的系统和方法的其它特征和优点将从参照以下描述的附图、阅读对非限制性示例实施例的以下描述中变得明了。
示例1-3是现有技术的变型。示例4和5是根据本发明的变型实施例。
各示例以4个压缩级和4个膨胀级进行，但所述级的这一数量不是限制性的。
在这些各个示例的描述中，相同的设备(用于压缩装置的压缩机和用于膨胀装置的涡轮机)用于空气的压缩和膨胀。下表中给出了所用压缩机和涡轮机的特征。
示例1：根据现有技术(图1)
该示例可对应于如专利DE-10-2010/055,750 A1中所述的、用水作为热流体替代盐溶液的系统或方法。
将在20℃的温度和1,014巴(bar)的压力下的、含有4.2摩尔％(mol％)的水的51,350千克/小时(kg/h)的外部空气(流1)送到压缩级K-101，从该压缩级其以较高的压力和较高的温度流(流2)。
然后将该流2在非直接接触的交换器E-101中冷却至50℃，而不与40℃的水(流29)直接接触。水以较高的温度离开交换器(流30)，并被送到热液体储存装置T-402。
冷却的空气被送到气/液分离器V-101，其从空气(流4)中分离冷凝空气(流23)的湿气。该冷凝水随后被送到冷凝液体储存装置T-301。
然后，空气流入第二压缩级K-102，其在较高的压力和温度下离开第二压缩级(流5)。然后其在非直接接触的交换器E-102中冷却，而没有与冷水(流31)直接接触。
离开交换器的热水(流32)被送到热液体储存装置T-402。
经冷却的空气(流6)进入气/液分离器V-102，该分离器V-102将冷凝的湿气(流24)从冷空气(流7)中分离。冷凝的湿气被送到冷凝液体储存装置T-301。
经冷却的空气(流7)进入第三压缩级K-103，其在较高的压力和温度下离开第三压缩级(流8)。然后其在非直接接触的换热器中E-103冷却，而不与冷水(流33)直接接触。
该热水然后被送到热液体储存装置T-402。
冷空气进入气/液分离器V-103，在该处从空气(流10)中分离冷凝的湿气(流25)。该冷凝的湿气然后被送到冷凝液体储存装置T-301。
冷空气(流10)离开分离器V-103，然后进入最后的压缩级K-104，其在较高的压力和温度下离开该最后的压缩级(流11)。
随后，其在非直接接的换热器中E-104被冷却，而不与冷水(流36)直接接触。该流36可以借助交换器E-105冷却到比用于在换热器E-101、E-102和E-103中冷却的水的温度低的温度。离开交换器E-104的热水(流37)被送到热液体储存装置T-402。
冷空气(流12)进入气/液分离器V-104，在该处冷凝的湿气(流26)被送到冷凝液体储存装置T-301。
在136.15巴(bar)压力和30℃温度下离开的50,000千克/小时(kg/h)的冷空气(流13)被送入压缩气体储存装置T-201，该装置可以是天然的或人造的。现在它仅含有300ppm水。压缩步骤的功率消耗是10.9兆瓦(MW)。在压缩期间对空气的冷却需要54,689千克/小时(kg/h)冷却剂，而对空气湿度的冷凝代表要储存或消除1.35吨/小时(t/h)的量。
考虑到这很大量的水，储存在冷凝液体储存装置T-301中的水被定期排出。
在发电期间，将储存的空气(流14)从压缩气体储存装置T-201送到非直接接触的交换器E-106，其没有与来自热液体储存装置T-402的热水(流39)直接接触。交换器E-106可以与用于冷却的交换器E-104相同。替代地，交换器E-106和交换器E-104可以合并以节省设备成本。由于系统的循环操作，这是可能的：该交换器或在压缩期间或在膨胀期间使用。
热空气(流15)进入涡轮机EX-201，在其中它经历膨胀。离开交换器E-106的经冷却的水(流40)被送到非直接接触的交换器E-107，在其中它加热经冷却的膨胀空气(流16)。该经加热的空气(流17)被送到第二涡轮机EX-202，在其中它膨胀到较低的压力(流18)。
离开交换器E-107的经冷却的水(流41)被送到非直接接触的交换器E-108，在其中它加热离开涡轮机EX-202的空气，该空气然后被加热(流19)。该热空气然后被送到第三涡轮机EX-203，在其中它膨胀到较低的压力(流20)。
离开交换器E-108的不太热的水(流42)被送到另一非直接接触的交换器E-109。该交换器用于在进入(流21)最后一个涡轮机EX-204之前加热离开涡轮机EX-203的空气(流20)。
在最终膨胀之后，空气在1.02巴(bar)的压力和10℃的温度下被释放到大气(流22)中。在膨胀之前用于各个空气加热循环的水离开交换器E-109(流43)，最终温度为126℃。
在循环之前，需要冷却该水，例如通过水交换器或通过空气冷却器。所需的冷却功率是5.5兆瓦热(MWth)，即38.7千瓦电(kWe)的功率消耗。
由连续膨胀产生的功率是5.2兆瓦电(MWe)。
示例2：根据现有技术(图2)
该示例描述了如专利US-2011/0,016,864 A1中所述的将水用作热流体代替熔盐的系统或方法。
将在20℃的温度和1,014巴(bar)的压力下的、含有4.2摩尔％(mol％)的水的51,350千克/小时(kg/h)的外部空气(流1)送到压缩级K-101，从该压缩级其以较高的压力和较高的温度流(流2)。
然后将该流2在非直接接触的换热器E-101(流3)中冷却至50℃，而不与40℃的水(流29)直接接触。水以较高的温度离开交换器(流30)，并被送到热液体储存装置T-402。
经冷却的空气的湿气经历冷凝(流23)。分离器V-101使空气(流4)与冷凝的湿气(流23)分离。该冷凝水随后被送到冷凝液体储存装置T-301。
然后，空气流入第二压缩级K-102，其在较高的压力和温度下离开第二压缩级(流5)。
然后其在非直接接触的交换器E-102中冷却，而不与冷水(流31)直接接触。离开交换器的热水(流32)被送到热液体储存装置T-403。经冷却的空气(流6)进入气/液分离器V-102，该分离器V-102将冷凝的湿气(流24)从冷空气(流7)中分离。
冷凝的湿气被送到冷凝液体储存装置T-301。
经冷却的空气(流7)进入第三压缩级K-103，其在较高的压力和温度下离开第三压缩级(流8)。
然后其在非直接接触的交换器E-103中冷却，而不与冷水(流33)直接接触。
在交换器E-103的出口处的热水(流34)然后被送到热液体储存装置T-404。
冷空气进入气/液分离器V-103，在该处从空气(流10)中分离冷凝的湿气(流25)。该冷凝的湿气然后被送到冷凝液体储存装置T-301。
冷空气(10)离开分离器V-103，然后进入最后的压缩级K-104，其在较高的压力和温度下离开该最后的压缩级(流11)。
随后，其在非直接接触的交换器中E-104被冷却，而不与冷水(流36)直接接触。该流36可以借助换热器E-105冷却到比用于交换器E-101、E-102和E-103中的水的温度低的温度。离开交换器E-104的热水(流37)被送到热液体储存装置T-405。
冷空气(流12)进入气/液分离器V-104，在该处冷凝的湿气(流26)被送到冷凝液体储存装置T-301。
在136.15巴(bar)压力和30℃温度下离开的50,000千克/小时(kg/h)的冷空气(流13)被送入压缩气体储存装置T-201，该装置可以是天然的或人造的。现在它仅含有300ppm水。压缩步骤的功率消耗是10.9兆瓦(MW)。
如在前一个示例中那样，在压缩期间对空气的冷却需要54,689千克/小时(kg/h)冷却剂，而对空气湿度的冷凝代表要储存或消除1.35吨/小时(t/h)的量。
如在示例1中那样，储存在冷凝液体储存装置T-301中的冷凝水被定期排出。
在发电期间，将储存的空气(流14)从压缩气体储存装置T-201送到非直接接触的交换器E-106，而没有与来自热液体储存装置T-405的热水的直接接触。交换器E-106可以与用于冷却的交换器E-104相同。替代地，交换器E-106和E-104可以合并以节省设备成本。由于系统的循环操作，这是可能的：交换器用于压缩空气或使空气膨胀。
热空气(流15)进入涡轮机EX-201，在其中它经历膨胀。离开交换器E-106的经冷却的水(流40)被送到冷液体储存装置T-406。
离开涡轮机EX-201的空气被送到(流16)非直接接触的交换器E-107，其中，空气由来自热液体储存装置T-404的水加热(流17)。
经冷却的水(流41)被送到冷液体储存装置T-406。
该经加热的空气(流17)被送到第二涡轮机EX-202，在其中它膨胀到较低的温度和压力(流18)。
空气然后在非直接接触的换热器E-108中由来自热液体储存装置T-403的水加热。
离开交换器E-108的经冷却的水(流42)被送到冷液体储存装置T-406。经加热的空气(流19)被送到涡轮机EX-203，在其中它膨胀到较低的压力(流20)。
该冷空气在非直接接触的换热器E-109中由来自热液体储存装置T-402的热水加热。该经冷却的水(流43)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流21)然后被送到最后一个涡轮机EX-204，在其中它膨胀到较低的压力(流22)。
在最终膨胀之后，50,000千克/小时的空气在1.02巴(bar)的压力和17℃的温度下被释放到大气(流22)中。
在膨胀之前用于各个空气加热循环的、通过各交换器E-106、E-107、E-108和E-109的水最终温度为129℃。
在循环之前，需要冷却该水，例如通过水交换器或通过空气冷却器。所需的冷却功率是4.2兆瓦热(MWth)，即31千瓦电(kWe)的功率消耗。
由连续膨胀产生的功率是5.4兆瓦电(MWe)。
示例3：根据现有技术(图3)
将在20℃的温度和1,014巴(bar)的压力下的、含有4.2摩尔％(mol％)的水的51,350千克/小时(kg/h)的外部空气(流1)送到压缩级K-101，从该压缩级其以较高的压力和较高的温度流(流2)。
然后将该流2在直接接触的换热器C-101中通过40℃的水(流21)冷却至50℃。该换热器C-101包括填料塔，热空气(流2)流经塔的底部进入该填料塔中。冷水(流21)在塔的顶部处注射，因此引起交叉流动：一股流动(空气)向上运动，而另一股(水)向下运动。热水以较高的温度在底部离开塔(流22)，并且其被送到热液体储存装置T-402。
经冷却的空气在顶部处离开换热器C-101(流3)，并且其流入第二压缩级K-102，其在较高的压力和温度下离开第二压缩级(流4)。然后其在直接接触的换热器C-102中用冷水(流25)冷却。在底部中离开换热器C-102的热水(流26)被送到热液体储存装置T-403。
经冷却的空气(流5)进入第三压缩级K-103，其在较高的压力和温度下离开第三压缩级(流6)。然后其在直接接触的换热器C-103中用冷水(流29)冷却。该热水(流30)然后被送到热液体储存装置T-404。
冷空气(流7)在顶部处离开换热器C-103(流7)，并且其流入最后的压缩级K-104，其在较高的压力和温度下离开最后的压缩级(流8)。然后其在直接接触的换热器C-104中用冷水(流34)冷却。该流34可以借助换热器E-105冷却到比在换热器C-101、C-102和C-103中使用的水的温度低的温度。
离开换热器C-104的底部的热水(流35)然后被送到热液体储存装置T-405。
在134.34巴(bar)压力和30℃温度下离开的50,000千克/小时(kg/h)的冷空气(流9)被送入压缩气体储存装置T-201，该装置可以是天然的或人造的。它现在仅含有320ppm水。压缩步骤的功率消耗是10.9兆瓦(MW)，与示例1和2相同。
在该实施方式示例中，不存在冷凝水流。另一方面，空气中的湿气添加到被注射以供冷却的水中，使得在压缩之后，在出口处收集到比初始注射更多的水。
在示例3中，178,338千克/小时水被注射用于冷却，而179,715千克/小时水离开该过程，即比初始注射的量多1,377千克/小时。所有的冷凝的湿气已被传递到冷却剂。
在发电期间，将所储存的空气(流14)从压缩气体储存装置T-201送到直接接触的换热器C-105，该换热器C-105具有来自热液体储存装置T-405的热水(流54)。换热器C-105可以与交换器C-104是相同的。替代地，换热器C-104和C-105可以合并以节省设备成本。由于系统的循环操作，这是可能的：该换热器或在压缩期间或在膨胀期间使用。
热空气(流15)在塔的顶部处离开，并且其进入涡轮机EX-201，在其中它经历膨胀。
离开交换器C-105的底部的经冷却的水(流40)被送到冷液体储存装置T-406。
离开涡轮机EX-201的空气被送到(流16)直接接触的换热器C-106，其中，空气由来自热液体储存装置T-404的、以对流流动循环的水(流53)加热。
经冷却的水(流41)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流17)被送到第二涡轮机EX-202，在其中它膨胀到较低的压力(流18)。
空气然后在直接接触的换热器C-107中用来自热液体储存装置T-403的水(流52)加热。
离开换热器C-107的底部的经冷却的水(流42)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流19)被送到涡轮机EX-203，在其中它膨胀到较低的压力(流20)。
冷空气在直接接触的换热器C-108中由来自热液体储存装置T-402的热水(流51)加热。
该经冷却的水(流43)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流21)然后被送到最后一个涡轮机EX-204，在其中它膨胀到较低的压力(流22)。该冷空气随后被送到气/液分离器V-201，从而从可能存在的液体水(流90)中分离空气(流50)。该水被送到冷液体储存装置T-406。
在最终膨胀之后，50,800千克/小时的空气在1.02巴的压力和22℃的温度下被释放到大气(流50)中。
在膨胀之前用于各个空气加热循环的水通过交换器C-105、C-106、C-107和C-108，最终温度为65.7℃。
在循环之前，该水需要被冷却，例如通过水交换器或通过空气冷却器来冷却。所需的冷却功率是5.3兆瓦热(MWth)，即74.5千瓦电(kWe)的功率消耗。
由连续膨胀产生的功率是4.45兆瓦电(MWe)。
示例4：根据本发明(图4)
将在20℃的温度和1,014巴(bar)的压力下的、含有4.2摩尔％(mol％)的水的51,350千克/小时(kg/h)的外部空气(流1)送到压缩级K-101，从该压缩级其以较高的压力和较高的温度流(流2)。
该流2在非直接接触的换热器E-101(流3)中冷却至50℃，而不与40℃的(流29)直接接触。水以较高的温度离开交换器(流30)，并被送到热液体储存装置T-402。
冷却空气的湿气经历冷凝(流23)。分离装置(例如，气/液分离器)V-101使空气(流4)与冷凝液体分离。该冷凝水随后被送到冷凝液体中间储存装置T-301。
空气流入第二压缩级K-102，其在较高的压力和温度下离开第二压缩级(流5)。然后其在非直接接触的换热器E-102中冷却，而不与冷水(流31)直接接触。
离开交换器E-102的热水(流58)被送到热液体储存装置T-404。
经冷却的空气(流6)进入气/液分离器V-102，该分离器V-102将冷凝的湿气(流24)从冷空气(流7)中分离。冷凝的湿气被送到冷凝液体中间储存装置T-301。
经冷却的空气(流7)进入第三压缩级K-103，其在较高的压力和温度下离开第三压缩级(流8)。然后其在非直接接触的交换器E-103中冷却，而不与冷水(流33)直接接触。离开交换器E-103的水(流59)然后被送到热液体储存装置T-403。
冷空气进入气/液分离器V-103，在该处从空气(流10)中分离冷凝的湿气(流25)。该冷凝的湿气然后被送到冷凝液体储存装置T-301。
冷空气(流10)离开分离器V-103，然后进入最后的压缩级K-104，其在较高的压力和温度下离开该最后的压缩级(流11)。然后其在非直接接触的交换器E-104中冷却，而不与冷水(流36)直接接触。该流36可以借助换热器E-105冷却到比用于交换器E-101、E-102和E-103中的水的温度低的温度。
离开换热器E-104的热水(流37)被送到热液体储存装置T-405。
冷空气(流12)进入气/液分离器V-104，在该处冷凝的湿气(流26)被送到冷凝液体储存装置T-301。
在136.15巴(bar)压力和30℃温度下离开的50,000千克/小时(kg/h)的冷空气(流13)被送入压缩气体储存装置T-201，该装置可以是天然的或人造的。它现在仅含有300ppm水。压缩步骤的功率消耗是10.9兆瓦(MW)。
如在示例1和2中的那样，在压缩期间对空气的冷却需要54,689千克/小时(kg/h)冷却剂，而对空气湿度的冷凝代表要储存或消除1.35吨/小时(t/h)的量。
储存在冷凝液体中间储存装置T-301中的冷凝水经由流81被送至冷凝液体储存装置T-406。因此，冷凝水被回收，其可用作热传递流体。
在发电期间，将所储存的空气(流14)从压缩气体储存装置T-201送到直接接触的换热器C-205，该换热器C-105具有来自热液体储存装置T-402的热水(流60)。
热空气(流15)在顶部处离开换热器C-205，并且其进入涡轮机EX-201，在其中它经历膨胀。
在底部处离开换热器C-205的经冷却的水(流40)被送到冷液体储存装置T-406。
离开涡轮机EX-201的空气被送到(流16)直接接触的换热器C-206，其中，空气由来自热液体储存装置T-403的、以对流流动循环的水(流61)加热。经冷却的水(流41)被送到冷液体储存装置T-406。
该经加热的空气(流17)被送到第二涡轮机EX-202，在其中它膨胀到较低的压力(流18)。
空气然后在直接接触的换热器C-206中用来自热液体储存装置T-404的水(流62)加热。
在底部处离开换热器C-206的经冷却的水(流42)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流19)被送到涡轮机EX-203，在其中它膨胀到较低的压力(流20)。
该冷空气在直接接触的换热器C-208中由来自热液体储存装置T-405的热水(流63)加热。
该经冷却的水(流43)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流21)然后被送到最后一个涡轮机EX-204，在其中它膨胀到较低的压力(流22)。
该冷空气随后被送到气/液分离器V-201，从而从可能存在的液体水(流90)中分离空气(流50)。该水被送到冷液体储存装置T-406。
在最终膨胀之后，52,240千克/小时的空气在1.02巴的压力和39℃的温度下被释放到大气(流50)中。
用于各个空气加热循环、通过换热器C-205、C-206、C-207和C-208、并且储存在冷液体储存装置T-406中的水最终温度为93.3℃。
在循环之前，需要冷却该水，例如通过水交换器或通过空气冷却器。所需的冷却功率是3.3兆瓦热(MWth)，即31.6千瓦电(kWe)的功率消耗。
由连续膨胀产生的功率是5.6兆瓦电(MWe)。
示例5：根据本发明(图5)
将在20℃的温度和1,014巴(bar)的压力下的、含有4.2摩尔％(mol％)的水的51,350千克/小时(kg/h)的外部空气(流1)送到压缩级K-101，从该压缩级其以较高的压力和较高的温度流(流2)。
然后将该流2在非直接接触的换热器E-101(流3)中冷却至50℃，而不与40℃的水(流29)直接接触。
水以较高的温度离开交换器(流30)，并被送到热液体储存装置T-402。
经冷却的空气的湿气经历冷凝(流23)，并且其在气/液分离器V-101中被从空气(流4)中分离。该冷凝水随后被送到冷凝液体中间储存装置T-301。
空气流入第二压缩级K-102，其在较高的压力和温度下离开第二压缩级(流5)。然后其在非直接接触的换热器E-102中冷却，而不与冷水(流31)直接接触。
离开交换器E-102的热水(流32)被送到热液体储存装置T-403。
经冷却的空气(流6)进入气/液分离器V-102，该分离器V-102将冷凝的湿气(流24)从冷空气(流7)中分离。冷凝的湿气被送到冷凝液体储存装置T-301。
经冷却的空气(流7)进入第三压缩级K-103，其在较高的压力和温度下离开第三压缩级(流8)。
然后其在非直接接触的换热器E-103中冷却，而不与冷水(流33)直接接触。从换热器E-103中出来的热的水(流34)然后被送到热液体储存装置T-404。
冷空气进入气/液分离器V-103，在其中从空气(流10)中分离冷凝的湿气(流25)。该冷凝的湿气然后被送到冷凝液体储存装置T-301。
冷空气(流10)离开分离器V-103，然后进入最后的压缩级K-104，其在较高的压力和温度下离开该最后的压缩级(流11)。
然后其在非直接接触的换热器E-104中冷却，而不与冷水(流36)直接接触。该流36可以借助换热器E-105冷却到比用于换热器E-101、E-102和E-103中的水的温度低的温度。
离开换热器E-104的热水(流37)被送到热液体储存装置T-405。
冷空气(流12)进入气/液分离器V-104，在该处冷凝的湿气(流26)被送到冷凝液体储存装置T-301。
在136.15巴(bar)压力和30℃温度下离开的50,000千克/小时(kg/h)的冷空气(流13)被送入压缩气体储存装置T-201，该装置可以是天然的或人造的。它现在仅含有300ppm水。压缩步骤的功率消耗是10.9兆瓦(MW)。
储存在冷凝液体中间储存装置T-301中的冷凝水藉由流81被送至冷液体储存装置T-406。因此，冷凝水被回收，其可用作热传递流体。
在发电期间，将所储存的空气(流14)从压缩气体储存装置T-201送到非直接接触的换热器E-106，而没有与来自热液体储存装置T-402的热水(流60)的直接接触。换热器E-106可以与交换器E-104相同。替代地，交换器E-106和E-104可以合并以节省设备成本。由于方法的循环操作，这是可能的：该交换器或在压缩期间或在膨胀期间使用。
热空气(流15)进入涡轮机EX-201，在其中它经历膨胀。
离开换热器E-106的经冷却的水(流40)被送到冷液体储存装置T-406。
离开涡轮机EX-201的空气被送到(流16)非直接接触的换热器E-107，其中，空气由来自热液体储存装置T-403的水(流61)加热(流17)。经冷却的水(流89)被送到另一非直接接触的换热器E-108。
该经加热的空气(流17)被送到第二涡轮机EX-202，在其中它膨胀到较低的压力(流18)。
然后其在非直接接触的换热器E-208中由来自交换器E-107的水(流89)加热。
经加热的空气(流19)被送到涡轮机EX-203，在其中它膨胀到较低的压力(流20)。
该冷空气在直接接触的交换器C-201由来自在线混合器的热水(流87)加热，该在线混合器对来自交换器E-201的热水(流88)、来自热液体储存装置T-404的热水(流85)和来自热液体储存装置T-405的热水(流86)进行混合。
离开换热器C-208的底部的经冷却的水(流43)被送到冷液体储存装置T-406。
经加热的空气(流21)然后被送到最后一个涡轮机EX-204，在其中它膨胀到较低的压力(流22)。
该膨胀的空气随后被送到气/液分离器V-201，从而从可能存在的液体水(流90)中分离空气(流50)。该水被送到冷液体储存装置T-406。
在最终膨胀之后，52,900千克/小时的空气在1.02巴的压力和43℃的温度下被释放到大气(流50)中。
用于各个空气加热循环、通过换热器E-106、E-107、E-201和C-208、并且储存在冷液体储存装置T-406中的热水最终温度为84.2℃。在循环之前，需要冷却该水，通过水交换器或通过空气冷却器。所需的冷却功率是2.7兆瓦热(MWth)，即29千瓦电(kWe)的功率消耗。
由连续膨胀产生的功率是5.7兆瓦电(MWe)。
以下总结表给出了各个示例的主要结果。
根据本发明的示例4和5示出了相对于现有技术的示例1至3的所产生的电力增益，而所需要的冷却功率低得多。根据现有技术的示例1至3需要在4.2至5.5兆瓦之间的冷却功率，而示例4和5仅需要在2.7至3.3兆瓦之间的冷却功率。根据本发明的系统的总效率因此相对于现有技术的各个系统大幅改善，一方面其中所产生的电力的增加，且另一方面其中所需的冷却功率减少。
示例5的构造是特别有利的，因为它代表了具有最大的所产生的电量和最低的所需的冷却功率的最佳效率。该结果可由以下原因阐释：
-在膨胀管线上对气体中的液体的回收，其允许在涡轮机入口处气体的质量流率增大，
-在膨胀管线上，直接接触的换热器与非直接接触的换热器之间的良好折衷，特别是在膨胀管线的最后膨胀级的最后交换器中使用直接接触的换热器。这实现了最大化热能回收和增大气体的质量流率，
-在压缩管线上使用非直接接触的交换器限制了膨胀管线上对液体的回收。
