ES2940656T3 - Sistema para almacenamiento de energía - Google Patents

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ES2940656T3 ES20177216T ES20177216T ES2940656T3 ES 2940656 T3 ES2940656 T3 ES 2940656T3 ES 20177216 T ES20177216 T ES 20177216T ES 20177216 T ES20177216 T ES 20177216T ES 2940656 T3 ES2940656 T3 ES 2940656T3
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Abstract

Se describe un sistema (1) para almacenamiento de energía y generación de electricidad. El sistema incluye un subsistema de almacenamiento de energía (10) y un subsistema de generación de electricidad (100) acoplados al subsistema de almacenamiento de energía (10). El subsistema de almacenamiento de energía (10) está configurado para almacenar energía en forma de aire comprimido a una temperatura superior a la temperatura del aire ambiente en la atmósfera. el subsistema de generacion de electricidad (100) esta configurado para producir electricidad utilizando el aire comprimido almacenado en el subsistema de almacenamiento de energia a una temperatura mayor que la temperatura del aire ambiente en la atmosfera. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema para almacenamiento de energía
Campo de la invención
Esta invención se refiere a tecnologías que almacenan y generan energía, y más especialmente a sistemas de almacenamiento y recuperación de energía.
Antecedentes de la invención
La demanda mundial de energía eléctrica aumenta continuamente. Actualmente se genera una gran cantidad de energía eléctrica por centrales de petróleo, gas, carbón o nucleares. Sin embargo, quemar petróleo, gas y carbón da lugar a la contaminación del aire, y todos estos recursos de combustible están disminuyendo rápidamente. La energía nuclear requiere la eliminación de residuos nucleares, que siguen siendo peligrosos durante siglos.
Las fuentes de energía natural son efectivamente inagotables y están disponibles en abundancia en todo el mundo en diversas formas, tales como energía eólica natural, solar, mareomotriz y de las olas. Desafortunadamente, las fuentes de energía natural tienen una naturaleza irregular y las demandas máximas de energía eléctrica en los hogares y en la industria suelen no coincidir con la disponibilidad de recursos de energía renovable.
Por ejemplo, la tecnología de conversión de energía eólica se considera actualmente una de las tecnologías disponibles más avanzadas técnicamente que pueden ayudar eficazmente a desarrollar una economía baja en carbono al tiempo que se asegura un suministro de energía limpio y seguro. Sin embargo, el viento es inherentemente variable. Algunos días son ventosos, otros no, e incluso en un mismo día, el viento varía a lo largo del día. Por lo tanto, se produce frecuentemente una disparidad entre la demanda máxima de la red eléctrica y la disponibilidad de energía eólica, ya que hay muchos períodos de tiempo con viento escaso durante la demanda máxima, y viceversa, vientos fuertes durante períodos en los que la demanda de la red eléctrica puede ser baja, como por la noche.
De forma similar, la energía solar es más abundante de forma típica durante la mitad del día, mientras que disminuye durante las horas de tarde, cuando la demanda es máxima. De la misma manera, las células solares no generan electricidad durante la noche.
Por lo tanto, es necesario que la energía obtenida de los recursos de energía renovable sea almacenada de alguna forma para que sea liberable durante períodos de demanda de energía, según sea necesario.
Hay disponibles diversas técnicas para almacenar un exceso de energía para un suministro posterior. Un enfoque para el almacenamiento de energía es el uso de baterías. Se han desarrollado grandes baterías de almacenamiento de forma comercial y se han utilizado tanto en residencias como en la industria. Sin embargo, las baterías de almacenamiento eléctrico son inferiores, debido a problemas relacionados con la durabilidad y el mantenimiento. Además, muchas baterías a gran escala utilizan un electrodo de plomo y electrolito ácido, y estos componentes son peligrosos para el medio ambiente. Además, las baterías sufren una alta degradación y, por lo tanto, requieren una sustitución obligatoria cada varios años, dependiendo de la frecuencia de uso.
La patente US-4.058.979 describe sistemas de almacenamiento térmicos y de aire comprimido combinados que utilizan un calentador sin escape, tal como una unidad de almacenamiento térmico, para proporcionar energía con una eficiencia mejorada. El aire comprimido es calentado por la unidad de almacenamiento térmico antes de entrar en una turbina que alimenta un generador eléctrico. En diversas realizaciones, se utiliza la temperatura ambiente del aire, el escape de turbina u otros tipos de calor residual para precalentar el aire comprimido antes de que el aire comprimido entre en la unidad de almacenamiento térmico, aumentando de este modo adicionalmente la eficiencia del sistema. Otro ejemplo de un sistema para almacenamiento de energía se describe en el documento US 7281371 B1.
Descripción general de la invención
Los aspectos y realizaciones de la presente invención se exponen en las reivindicaciones adjuntas. Estos y otros aspectos y realizaciones de la invención también se describen en la presente memoria.
El concepto de la descripción implica el almacenamiento de gas presurizado para una utilización posterior para almacenar energía y posteriormente (cuando sea necesario) generar energía eléctrica.
Por lo tanto, según un aspecto general que no forma parte de la invención reivindicada, se proporciona un sistema para el almacenamiento de energía y una generación de energía eléctrica que incluye un subsistema de almacenamiento de energía y un subsistema de generación de electricidad acoplado al subsistema de almacenamiento de energía.
Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema para el almacenamiento de energía configurado para almacenar energía en forma de aire comprimido, comprendiendo el sistema: una primera rama de almacenamiento de energía y un segundo almacenamiento de energía, incluyendo la primera rama de almacenamiento de energía: un primer recipiente de compresión de aire dispuesto en una perforación hecha en el suelo, y configurado para recoger agua y aire de la atmósfera y para comprimir el aire a una presión predeterminada; un primer recipiente de almacenamiento de aire que se comunica neumáticamente con el primer recipiente de compresión de aire y configurado para contener aire comprimido; un primer colector de aire comprimido acoplado neumáticamente al primer recipiente de compresión de aire y al primer recipiente de almacenamiento de aire, y configurado para proporcionar comunicación neumática entre el primer recipiente de compresión de aire y el primer recipiente de almacenamiento de aire; un primer colector de entrada de aire acoplado neumáticamente al colector de aire comprimido, y configurado para proporcionar aire procedente de la atmósfera, para comprimir el aire en el primer recipiente de compresión de aire y llenar el primer recipiente de almacenamiento de aire con el aire comprimido; un primer conjunto de válvula de aire que incluye: una primera válvula de almacenamiento de aire dispuesta en el primer colector de aire comprimido entre el primer recipiente de almacenamiento de aire y un primer punto de acoplamiento del primer colector de entrada de aire al primer colector de aire comprimido y configurado para controlar el paso del aire comprimido del primer recipiente de compresión de aire al primer recipiente de almacenamiento de aire; una primera válvula de aire comprimido dispuesta en el primer colector de aire comprimido entre el primer recipiente de compresión de aire y el primer punto de acoplamiento, y configurada para controlar el paso del aire comprimido del primer recipiente de compresión de aire al primer recipiente de almacenamiento de aire; y una primera válvula de entrada de aire configurada para controlar el suministro de aire para compresión en el primer recipiente de compresión de aire y para el almacenamiento del aire comprimido en el primer recipiente de almacenamiento de aire; un primer colector de entrada de agua acoplado hidráulicamente al primer recipiente de compresión de aire, y configurado para suministrar agua al primer recipiente de compresión de aire; una primera válvula de entrada de agua superior y una primera válvula de entrada de agua inferior dispuesta en el primer colector de entrada de agua y configurada para controlar el suministro de agua al primer recipiente de compresión de aire; la segunda rama de almacenamiento de energía incluye: un segundo recipiente de compresión de aire dispuesto en una perforación realizada en el suelo, y configurado para recoger agua y aire de la atmósfera y para comprimir el aire a una presión predeterminada; un segundo recipiente de almacenamiento de aire que comunica neumáticamente con el segundo recipiente de compresión de aire y configurado para contener aire comprimido y acoplado neumáticamente al primer recipiente de almacenamiento de aire a través de un colector de intercambio de aire comprimido; un segundo colector de aire comprimido acoplado neumáticamente al segundo recipiente de compresión de aire y al segundo recipiente de almacenamiento de aire, y configurado para proporcionar comunicación neumática entre el segundo recipiente de compresión de aire y el segundo recipiente de almacenamiento de aire; un segundo colector de entrada de aire acoplado neumáticamente al colector de aire comprimido, y configurado para proporcionar aire procedente de la atmósfera para comprimir aire en el segundo recipiente de compresión de aire y para llenar el segundo recipiente de almacenamiento de aire con el aire comprimido; un segundo conjunto de válvula de aire que incluye: una segunda válvula de almacenamiento de aire dispuesta en el segundo colector de aire comprimido entre el segundo recipiente de almacenamiento de aire y un segundo punto de acoplamiento del segundo colector de entrada de aire al segundo colector de aire comprimido y configurado para controlar el paso del aire comprimido del segundo recipiente de compresión de aire al segundo recipiente de almacenamiento de aire; una segunda válvula de aire comprimido dispuesta en el segundo colector de aire comprimido entre el segundo recipiente de compresión de aire y el segundo punto de acoplamiento, y configurada para controlar el paso del aire comprimido desde el segundo recipiente de compresión de aire al segundo recipiente de almacenamiento de aire; y una segunda válvula de entrada de aire configurada para controlar el suministro de aire para compresión en el segundo recipiente de compresión de aire y para el almacenamiento del aire comprimido en el segundo recipiente de almacenamiento de aire; un segundo colector de entrada de agua acoplado hidráulicamente al segundo recipiente de compresión de aire, y configurado para suministrar agua al segundo recipiente de compresión de aire; una segunda válvula de agua de entrada superior y una segunda válvula de agua de entrada inferior dispuesta en el segundo colector de entrada de agua y configurada para controlar el suministro de agua en el segundo recipiente de compresión de aire; en donde el aire comprimido durante el almacenamiento tiene una temperatura mayor que la temperatura del aire ambiente en la atmósfera
Según una realización de la presente invención, el primer y segundo recipientes de almacenamiento de aire están dispuestos en orificios de perforación correspondientes hechos en el suelo
Según una realización de la presente invención, el primer y segundo recipientes de almacenamiento de aire, y el primer y segundo recipientes de compresión de aire en las perforaciones correspondientes están rodeados por un material de relleno compactado y aislado térmicamente que llena un espacio entre las paredes de los recipientes y las paredes de la perforación.
Según una realización de la presente invención, el sistema para almacenamiento de energía comprende además un colector de intercambio de agua acoplado hidráulicamente al primer colector de entrada de agua de la primera rama de almacenamiento de energía entre las primeras válvulas de agua de entrada superior e inferior en un extremo del primer colector de entrada de agua y al segundo colector de entrada de agua de la segunda rama de almacenamiento de energía entre las segundas válvulas de agua de entrada superior e inferior en otro extremo del primer colector de entrada de agua; y una bomba de agua inversa dispuesta en el colector de intercambio de agua, estando configurada la bomba de agua inversa para bombear el agua para el intercambio entre el primer y el segundo recipientes de compresión de aire de las primera y segunda ramas de almacenamiento de energía, según corresponda.
Según una realización de la presente invención, la primera rama de almacenamiento de energía incluye además: un primer colector de aspersor acoplado al primer colector de entrada de agua en un extremo del primer colector de aspersor, e insertado en el primer recipiente de compresión de aire en otro extremo del primer colector de aspersor, estando configurado el primer colector de aspersor para permitir la comunicación hidráulica del primer recipiente de compresión de aire con el colector de intercambio de agua; una primera boquilla de aspersor en el extremo que se inserta en el primer recipiente de compresión, y una primera válvula de aspersor configurada para controlar el suministro de agua en el primer recipiente de compresión de aire a través de la primera boquilla de aspersor y en donde la segunda rama de almacenamiento de energía incluye: un segundo colector de aspersor acoplado al segundo colector de entrada de agua en un extremo del segundo colector de aspersor, e insertado en el segundo recipiente de compresión de aire en otro extremo del segundo colector de aspersor, el segundo colector de aspersor está configurado para permitir la comunicación hidráulica del segundo recipiente de compresión de aire con el colector de intercambio de agua; una segunda boquilla de aspersor en el extremo que se inserta en el segundo recipiente de compresión, y una segunda válvula de aspersor configurada para controlar el suministro de agua en el segundo recipiente de compresión de aire a través de la segunda boquilla de aspersor.
Según una realización de la presente invención, el sistema para almacenamiento de energía comprende además: una primera válvula de intercambio de agua dispuesta en el colector de intercambio de agua entre dicho primer punto de acoplamiento del primer colector de entrada de aire al primer colector de aire comprimido y la bomba de agua inversa; y una segunda válvula de intercambio de agua dispuesta en el colector de intercambio de agua entre dicho segundo punto de acoplamiento y la bomba de agua inversa, estando adaptadas la primera válvula de intercambio de agua y la segunda válvula de intercambio de agua para controlar el intercambio de agua entre el primer y el segundo recipientes de compresión de aire.
Según una realización de la presente invención, el sistema para el almacenamiento de energía comprende además una primera válvula de intercambio de aire y una segunda válvula de intercambio de aire, la primera y segunda válvulas de intercambio están adaptadas para controlar el intercambio de aire comprimido entre el primer y segundo recipientes de almacenamiento de aire.
Según una realización de la presente invención, el sistema para el almacenamiento de energía comprende una tubería de aire y una válvula de control de aire acoplada al colector de intercambio de aire comprimido y a la tubería de aire, estando configurada la válvula de control de aire para regular el flujo del gas comprimido liberado de los recipientes de almacenamiento de aire primero y segundo del sistema para el almacenamiento de energía de forma que se mantenga un caudal de salida deseado del gas comprimido durante períodos de tiempo especificados a través de la tubería de aire.
Según una realización de la presente invención, el sistema para almacenamiento de energía incluye un sistema de control acoplado a la válvula de control de aire dispuesto en la tubería de aire para regular el flujo del gas comprimido a través de la tubería de aire.
Según una realización de la presente invención, el sistema de control incluye un controlador electrónico acoplado a la válvula de control de aire, y un medidor de flujo neumático dispuesto dentro de la tubería de aire y acoplado operativamente al controlador electrónico; el medidor de flujo neumático está configurado para producir señales de sensor de flujo de aire representativas del flujo de aire dentro de la conducción de aire; el controlador electrónico responde a las señales del sensor de flujo de aire y está configurado para controlar el funcionamiento de la válvula de control de aire para regular el flujo del gas comprimido liberado desde el primer y segundo recipientes de almacenamiento de aire del sistema para almacenamiento de energía.
Según una realización no cubierta por la invención reivindicada, el subsistema de generación de electricidad incluye un sistema de bombeo de elevación de aire acoplado neumáticamente a la válvula de control de aire dispuesta en la tubería de aire, y un sistema de energía hidroeléctrica accionado por el sistema de bombeo de elevación de aire.
Según una realización del subsistema eléctrico no reivindicado, el sistema de bombeo de elevación de aire incluye un tanque de recogida de agua que contiene agua recogida, y un tubo ascendente con una base sumergida en el agua de recogida. El sistema de bombeo de elevación de aire está configurado para inyectar el aire comprimido al tubo ascendente a través de la tubería de aire para proporcionar burbujas de aire dentro del tubo ascendente. Las burbujas de aire producen un flujo ascendente del agua de recogida junto con las burbujas de aire, para impulsar el sistema de energía hidroeléctrica.
Según una realización del subsistema de electricidad no reivindicado, la tubería de aire incluye un inyector de aire acoplado a la base del tubo ascendente a través de una pluralidad de orificios de camisa. Los orificios de camisa están distribuidos uniformemente alrededor del perímetro de la tubería ascendente en una pluralidad de filas y/o columnas para asegurar una alimentación uniforme del aire en el tubo ascendente.
Según una realización del subsistema de electricidad no reivindicado, el sistema de bombeo de elevación de aire incluye un tubo de retorno acoplado hidráulicamente al sistema de energía hidroeléctrica. El tubo de retorno está configurado para devolver un flujo que contiene agua de retorno al tanque de recogida de agua después de pasar a través del sistema de energía hidroeléctrica.
Según una realización del subsistema de electricidad no reivindicado, el tanque de recogida de agua incluye una abertura de circulación acoplada al tubo de retorno para recibir el flujo del agua de retorno después de pasar a través del sistema de energía hidroeléctrica.
Según una realización del subsistema de electricidad no reivindicado, el sistema de energía hidroeléctrica incluye una salida de liberación de aire. La salida de liberación de aire está configurada para liberar burbujas de aire de la mezcla de flujo de agua y aire a alta velocidad después de haber sido utilizado para hacer rotar una turbina del sistema de energía hidroeléctrica.
El sistema de almacenamiento de energía y generación de electricidad descritos en la presente memoria tiene muchas de las ventajas de las técnicas de la técnica anterior, al tiempo que se superan algunas de las desventajas normalmente asociadas con la misma.
El sistema para el almacenamiento de energía y generación de electricidad descritos en la presente memoria permite mitigar problemas asociados con el suministro intermitente no fiable de energía natural proporcionando un suministro regulado de gas presurizado para generar energía eléctrica.
Una ventaja adicional del sistema de almacenamiento de energía y generación de electricidad descrito en la presente memoria es que puede actualizarse continuamente para dimensionarlo según sea necesario, lo cual es eficaz para el almacenamiento de energía tanto a largo plazo como a corto plazo.
El sistema para almacenamiento de energía y generación de energía eléctrica descrito en la presente memoria solo requiere un mínimo de partes móviles. A diferencia de otras tecnologías de almacenamiento de energía y/o de generación de energía eléctrica tales como baterías, el sistema tiene una larga vida útil de servicio y su rendimiento no se degrada con el número de ciclos de almacenamiento de energía. Además, los materiales utilizados se limitan principalmente a acero/hormigón.
Por lo tanto se ha descrito, de forma bastante general, las características más importantes de la invención, para que pueda entenderse mejor la descripción detallada de la misma a continuación en la memoria. En la descripción detallada se expondrán detalles y ventajas adicionales de la invención, y en parte se apreciarán a partir de la descripción, o pueden aprenderse mediante la práctica de la invención.
La invención se extiende a métodos, sistemas, kits de partes y aparatos sustancialmente como se describe en la presente memoria y/o como se ilustra con referencia a las figuras adjuntas.
La invención también proporciona un programa informático o un producto de programa informático para llevar a cabo cualquiera de los métodos descritos en la presente memoria, y/o para realizar cualquiera de las características del aparato descritas en la presente memoria, y un medio legible por ordenador que tenga almacenado en el mismo un programa para llevar a cabo cualquiera de los métodos descritos en la presente memoria y/o para realizar cualquiera de las características del aparato descritas en la presente memoria.
La invención también proporciona una señal que realiza un programa informático o un producto de programa informático para llevar a cabo cualquiera de los métodos descritos en la presente memoria, y/o para realizar cualquiera de las características del aparato descritas en la presente memoria, un método de transmisión de tal señal, y un producto informático que tenga un sistema operativo que soporte un programa informático para llevar a cabo los métodos descritos en la presente memoria y/o para realizar cualquiera de las características del aparato descritas en la presente memoria.
La invención se extiende a cualesquiera aspectos o características novedosos descritos y/o ilustrados en la presente memoria. Además, los aspectos del aparato pueden aplicarse a aspectos del método y viceversa. Además, cualquiera, algunas y/o todas las características en un aspecto pueden aplicarse a cualquiera, algunas y/o todas las características en cualquier otro aspecto, en cualquier combinación adecuada.
También debe apreciarse que cualquier combinación particular de las diversas características descritas y definidas en cualquier aspecto de la invención puede aplicarse y/o suministrarse y/o utilizarse de forma independiente.
Breve descripción de los dibujos
Para entender la invención y ver cómo puede llevarse a cabo en la práctica, ahora se describirán las realizaciones, únicamente como ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos acompañantes, en los que:
la Fig. 1 es una vista esquemática general de un sistema para almacenamiento de energía y generación de energía;
la Fig .2 es una vista esquemática en sección transversal del sistema para almacenamiento de energía y generación de energía eléctrica de la Fig. 1; y
la Fig. 3 es una vista en sección transversal esquemática de un sistema de energía hidroeléctrica del sistema de almacenamiento de energía y generación de energía eléctrica de la Fig. 2.
Descripción detallada de las realizaciones
Los principios y el funcionamiento del sistema para el almacenamiento de energía y la generación de energía eléctrica pueden entenderse mejor con referencia a los dibujos y a la descripción que los acompaña. Los aspectos del subsistema de generación de electricidad no forman parte de la materia reivindicada, sino que se describen para ayudar a la comprensión de la invención. Debe entenderse que estos dibujos se dan únicamente con fines ilustrativos y no pretenden ser limitativos. Debe señalarse que las figuras que ilustran varios ejemplos del sistema de la presente invención no están a escala, y no están en proporción, para mayor claridad. Debe señalarse que los bloques, así como otros elementos en estas figuras, están previstos como entidades funcionales únicamente, de modo que se muestran las relaciones funcionales entre las entidades, en vez de las conexiones físicas y/o las relaciones físicas. Se utilizan los mismos números de referencia y caracteres alfabéticos para identificar los componentes comunes en el sistema para el almacenamiento de energía y la generación de electricidad y sus componentes mostrados en los dibujos a lo largo de la presente descripción de la invención. Se proporcionan ejemplos de construcciones para elementos seleccionados. Los expertos en la técnica apreciarán que muchos de los ejemplos proporcionados tienen alternativas adecuadas que pueden utilizarse.
Con referencia a la Fig. 1, se ilustra una vista esquemática general de un sistema 1 para el almacenamiento de energía y la generación de energía eléctrica. El sistema 1 para almacenamiento de energía y generación de energía eléctrica incluye un subsistema 10 de almacenamiento de energía configurado para almacenar energía en forma de aire comprimido y un subsistema 100 de generación de electricidad acoplado al subsistema 10 de almacenamiento de energía y configurado para producir electricidad utilizando el aire comprimido almacenado en el subsistema 10 de almacenamiento de energía. El subsistema 10 de almacenamiento de energía y el subsistema 100 de generación de electricidad están acoplados a una red eléctrica 15. El aire comprimido almacenado en el subsistema 10 de almacenamiento de energía tiene una temperatura mayor que la temperatura ambiente del aire en la atmósfera.
Con referencia a la Fig. 2 , se ilustra una vista esquemática en sección transversal del sistema 1 para el almacenamiento de energía y generación de electricidad de la Fig. 1.
El subsistema 10 de almacenamiento de energía del sistema 1 para almacenamiento de energía y generación de energía eléctrica incluye dos ramas de almacenamiento de energía idénticas, tales como una primera rama 101a de almacenamiento de energía y una segunda rama 101b de almacenamiento de energía.
La primera rama 101a de almacenamiento de energía incluye un primer recipiente 11a de compresión de aire configurado para recoger agua y aire de la atmósfera y para comprimir el aire a una presión predeterminada. La primera rama 101a de almacenamiento de energía incluye también un primer recipiente 12a de almacenamiento de aire que comunica neumáticamente con el primer recipiente 11a de compresión de aire y configurado para contener aire comprimido.
De forma similar, la segunda rama 101b de almacenamiento de energía incluye un segundo recipiente 11b de compresión de aire configurado para recoger agua y aire de la atmósfera y para comprimir el aire a una presión predeterminada. La segunda rama 101b de almacenamiento de energía también incluye un segundo recipiente 12b de almacenamiento de aire que comunica neumáticamente con el segundo recipiente 11b de compresión de aire y configurado para contener aire comprimido.
Debe entenderse que, cuando se desee, puede utilizarse una pluralidad de los primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire para lograr el aumento en volumen de aire comprimido. Este volumen adicional también puede absorber los transitorios de presión resultantes de los cambios en el estado de carga del primer y segundo recipientes 11a y 11b de compresión de aire.
Pueden utilizarse diversos tipos de recipientes de compresión de aire y recipientes de almacenamiento de aire con el propósito de almacenar gas comprimido. El primer y segundo recipientes 11a, 11b de compresión de aire y los recipientes 12a, 12b de almacenamiento de aire pueden, por ejemplo, construirse sobre la superficie del suelo y/o bajo tierra. Sin embargo, los recipientes, que se construyen sobre el suelo, pueden no ser económicamente viables cuando se requieren volúmenes elevados. Además, cuando los recipientes se construyen sobre el suelo, requieren un alto nivel de mantenimiento y deben incluir muchas normas de seguridad.
El primer y segundo recipientes 11a, 11b de compresión de aire y el primer y segundo recipientes 12a, 12b de almacenamiento de aire están montados sobre los orificios correspondientes hechos en el suelo 13. Construir los recipientes 11a, 11b de compresión de aire y los recipientes 12a, 12b de almacenamiento de aire subterráneos puede facilitar el uso efectivo de la superficie del suelo en las regiones donde se sitúe la construcción subterránea y preservar la apariencia del lugar.
El primer y segundo recipientes 12a, 12b de almacenamiento de aire y el primer y segundo recipientes 11a, 11b de compresión en los orificios están rodeados por un material 1040 de relleno compactado y térmicamente aislado que rellena el espacio entre las paredes de los recipientes y las paredes de la perforación. Debe entenderse que cuando el primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire y el primer y segundo recipientes 11a, 11b de compresión están aislados térmicamente, pueden mantener el calor acumulado durante la compresión del aire en el primer y segundo recipientes 11a y 11b de compresión de aire durante un tiempo relativamente largo.
La profundidad total de las perforaciones viene determinada principalmente por las propiedades del suelo y por el valor máximo de la magnitud deseada de presión del aire comprimido que se comprime en el primer y segundo recipientes 11a, 11b de compresión y que luego se almacena en el primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire. En particular, la profundidad de la perforación es tal que los recipientes están situados relativamente profundos dentro del suelo para ser anclados, debido a la resistencia del material de relleno que rodea los recipientes.
La presión de aire dentro del primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire que comunican con el primer y segundo recipientes 11a y 11b de compresión de aire debería ser suficiente para accionar el subsistema 100 de generación de electricidad. Por ejemplo, la presión de aire dentro del primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire puede estar en el intervalo de aproximadamente 10 bar a 500 bar.
Debe entenderse que, de forma general, el primer y segundo recipientes 12a, 12b de almacenamiento de aire y el primer y segundo recipientes 11a, 11b de compresión de aire pueden tener cualquier forma deseada y estar construidos de un material metálico, plástico o compuesto adecuado, idóneo para soportar la tensión en las paredes causada por la presión hidráulica del aire dentro de los recipientes.
Por ejemplo, se describen recipientes adecuados para el primer y segundo recipientes 11a, 11b de compresión de aire y para el primer y segundo recipientes 12a, 12b de almacenamiento de aire en la solicitud de patente Internacional WO 2018/092122 A1.
La primera rama 101a de almacenamiento de energía del subsistema 10 de almacenamiento de energía incluye un primer colector 16a de aire comprimido acoplado neumáticamente al primer recipiente 11a de compresión de aire y al primer recipiente 12a de almacenamiento de aire. De igual modo, la segunda rama 101b de almacenamiento de energía incluye un segundo colector 16b de aire comprimido acoplado neumáticamente al segundo recipiente 11b de compresión de aire y al segundo recipiente 11b de almacenamiento de aire. El primer y segundo colectores 16a y 16b de aire comprimido están configurados para proporcionar comunicación neumática entre el primer y segundo recipientes 11a, 11b de compresión de aire y el primer y segundo recipientes 12a, 12b de almacenamiento de aire, según corresponda.
La primera rama 101a de almacenamiento de energía incluye un primer colector 17a de entrada de aire acoplado neumáticamente al colector 16a de aire comprimido, mientras que la segunda rama 101b de almacenamiento de energía incluye un segundo colector 17b de entrada de aire acoplado neumáticamente al segundo colector 16b de aire comprimido. El primer y segundo colectores 17a y 17b de entrada de aire están adaptados para proporcionar aire procedente de la atmósfera para comprimir el aire en el primer y segundo recipientes 11a, 11b de compresión de aire y para llenar el primer y segundo recipientes 12a, 12b de almacenamiento de aire con el aire comprimido, según corresponda.
La primera rama 101a de almacenamiento de energía incluye un primer conjunto 104a de válvula de aire, mientras que la segunda rama 101b de almacenamiento de energía incluye un segundo conjunto 104b de válvula de aire.
El primer conjunto 104a de válvula de aire incluye una primera válvula 1041a de almacenamiento de aire dispuesta en el primer colector 16a de aire comprimido entre el primer recipiente 12a de almacenamiento de aire y un primer punto 190a de acoplamiento del primer colector 17a de entrada de aire al primer colector 16a de aire comprimido. El primer conjunto 104a de válvula de aire también incluye una primera válvula 1042a de aire comprimido dispuesta en el primer colector 16a de aire comprimido entre el primer recipiente 11a de compresión de aire y el primer punto 190a de acoplamiento. La primera válvula 1041a de almacenamiento de aire y la primera válvula 1042a de aire comprimido se proporcionan para controlar el paso del aire comprimido del primer recipiente 11a de compresión de aire al primer recipiente 12a de almacenamiento de aire.
El primer conjunto 104a de válvula de aire incluye además una primera válvula 1043a de aire de entrada configurada para controlar el suministro de aire. El aire se suministra para compresión en el primer recipiente 11a de compresión de aire y para el almacenamiento del aire comprimido en el primer recipiente 12a de almacenamiento de aire.
De igual modo, el segundo conjunto 104b de válvula de aire incluye una segunda válvula 1041b de almacenamiento de aire dispuesta en el segundo colector 16b de aire comprimido entre el segundo recipiente 12b de almacenamiento de aire y un segundo punto 190b de acoplamiento del segundo colector 17b de entrada de aire al segundo colector 16b de aire comprimido. El segundo conjunto 104b de válvula de aire también incluye una segunda válvula 1042b de aire comprimido dispuesta en el segundo colector 16b de aire comprimido entre el segundo recipiente 11b de compresión de aire y el segundo punto 19b de acoplamiento. La segunda válvula 1041b de almacenamiento de aire y la segunda válvula 1042b de aire comprimido se proporcionan para controlar el paso del aire comprimido del segundo recipiente 11b de compresión de aire al segundo recipiente 12b de almacenamiento de aire.
El segundo conjunto 104b de válvula de aire incluye además una segunda válvula 1043b de aire de entrada configurada para controlar el suministro de aire. El aire se suministra para compresión en el segundo recipiente 11b de compresión de aire y para el almacenamiento del aire comprimido en el segundo recipiente 12b de almacenamiento de aire.
La primera rama 101a de almacenamiento de energía del subsistema 10 de almacenamiento de energía también incluye un primer colector 19a de entrada de agua acoplado hidráulicamente al primer recipiente 11a de compresión de aire. El primer colector 19a de entrada de agua está configurado para suministrar agua al primer recipiente 11a de compresión de aire. De igual modo, el subsistema 10 de almacenamiento de energía puede incluir un segundo colector 19b de entrada de agua que puede disponerse en la segunda rama 101b de almacenamiento de energía. El segundo colector 19b de entrada de agua puede acoplarse hidráulicamente al segundo recipiente 11b de compresión de aire y configurarse para proporcionar agua al segundo recipiente 11b de compresión de aire.
La primera rama 101a de almacenamiento de energía incluye también una primera válvula 191a de agua de entrada superior y una primera válvula 195a de agua de entrada inferior, ambas dispuestas en el primer colector 19a de entrada de agua y configuradas para controlar el suministro de agua al primer recipiente 11a de compresión de aire. De igual modo, la segunda rama 101b de almacenamiento de energía incluye una segunda válvula 191b de agua de entrada superior y una segunda válvula 195b de agua de entrada inferior, ambas dispuestas en el segundo colector 19b de entrada de agua y configuradas para controlar el suministro de agua al primer recipiente 11b de compresión de aire.
El primer recipiente 11a de compresión de aire o el segundo recipiente 11b de compresión de aire pueden prerellenarse con agua utilizando uno o más compresores de agua (no mostrados) que pueden formar parte del subsistema 10 o ser unidades separadas.
Cuando sea necesario, el subsistema 10 puede incluir también una o varias válvulas de seguridad (no mostradas) que pueden abrirse automáticamente cuando la presión en el primer y/o segundo recipientes 11a, 11b de compresión de aire alcanza un nivel peligroso.
El sistema 1 para almacenamiento de energía y generación de energía eléctrica incluye un colector 102 de intercambio de agua acoplado hidráulicamente al primer colector 19a de entrada de agua entre las primeras válvulas de agua de entrada superior e inferior en un extremo del colector 102 de intercambio de agua, y al segundo colector 19b de entrada de agua entre las segundas válvulas de agua de entrada superior e inferior en otro extremo del colector 102 de intercambio de agua.
La primera rama 101a de almacenamiento de energía puede incluir también un primer colector 194a de aspersor acoplado al primer colector 19a de entrada de agua en un extremo del primer colector 194a de aspersor, e insertado en el primer recipiente 11a de compresión de aire en otro extremo del primer colector 194a de aspersor. El primer colector 194a de aspersor está configurado para permitir la comunicación hidráulica del primer recipiente 11a de compresión de aire con el colector 102 de intercambio de agua. El primer colector 194a de aspersor está equipado con una primera boquilla 192a de aspersor en el extremo que se inserta en el primer recipiente 11a de compresión. El primer colector 194a de aspersor también está equipado con una primera válvula 193a de aspersor configurada para controlar el suministro de agua al primer recipiente 11a de compresión de aire a través de la primera boquilla 192a de aspersor.
De igual modo, la segunda rama 101b de almacenamiento de energía también puede incluir un segundo colector 194b de aspersor acoplado al segundo colector 19b de entrada de agua en un extremo del segundo colector 194b de aspersor, e insertarse en el segundo recipiente 11b de compresión de aire en otro extremo. El segundo colector 194b de aspersor está configurado para permitir la comunicación hidráulica del segundo recipiente 11b de compresión de aire con el colector 102 de intercambio de agua. El segundo colector 194b de aspersor está equipado con una segunda boquilla 192b de aspersor cuyo extremo se inserta en el segundo recipiente 11b de compresión de aire. El segundo colector 194b de aspersor también está equipado con una segunda válvula 193b de aspersor configurada para controlar el suministro de agua al segundo recipiente 11b de compresión de aire a través de la segunda boquilla 192b de aspersor.
El subsistema 10 de almacenamiento de energía incluye además una bomba 103 de agua inversa dispuesta en el colector 102 de intercambio de agua. La bomba 103 de agua inversa es una bomba eléctrica que está acoplada a una red 15 de energía eléctrica y alimentada por electricidad. La bomba 103 de agua inversa está configurada para bombear el agua para el intercambio entre el primer y el segundo recipiente, 11a y 11b, de compresión de aire de las primera y segunda ramas 101a y 101b de almacenamiento de energía, según corresponda.
Para controlar el intercambio de agua entre el primer y segundo recipientes 11a y 11b de compresión de aire, el subsistema 10 de almacenamiento de energía incluye una primera válvula 105a de intercambio de agua y una segunda válvula 105b de intercambio de agua. La primera válvula 105a de intercambio de agua está dispuesta en el colector 102 de intercambio de agua entre el primer punto 190a de acoplamiento y la bomba 103 de agua inversa, mientras que la segunda válvula 105b de intercambio de agua está dispuesta en el colector 102 de intercambio de agua entre el segundo punto 190b de acoplamiento y la bomba 103 de agua inversa.
El primer recipiente 12a de almacenamiento de aire y el segundo recipiente 12b de almacenamiento de aire pueden acoplarse neumáticamente mediante un colector 106 de intercambio de aire comprimido. Para controlar el intercambio de aire comprimido entre el primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire, el subsistema 10 de almacenamiento de energía incluye una primera válvula 107a de intercambio de aire y una segunda válvula 107b de intercambio de aire.
El funcionamiento del subsistema 10 de almacenamiento de energía comienza a precargar el primer recipiente 11a de compresión de aire o el segundo recipiente 11b de compresión de aire con agua.
Para precargar el primer recipiente 11a de compresión de aire, debe abrirse la primera válvula 191a de agua de entrada superior y la primera válvula 195a de agua de entrada inferior 195a dispuesta en el primer colector 19a de entrada de agua de la primera rama 101a de almacenamiento de energía para permitir el acceso de agua al primer recipiente 11a de compresión de aire. A su vez, la primera válvula 1042a de aire comprimido y la primera válvula 1043a de aire de entrada también están abiertas para permitir el escape del aire desde el primer recipiente 11a de compresión de aire durante el prellenado con agua. Las primeras válvulas 1041a de almacenamiento de aire, la primera válvula 105a de intercambio de agua y la primera válvula 107a de intercambio de aire deben cerrarse para impedir que escape agua del primer recipiente 11a de compresión de aire. Cuando se desea, puede suministrarse agua de forma adicional a través del primer colector 194a de rociador. En este caso, también debe abrirse la primera válvula 193a de rociador.
Debe entenderse que el funcionamiento del subsistema 10 de almacenamiento de energía puede comenzar con la precarga del segundo recipiente 11b de compresión de aire con agua, mutatis mutandis.
Tras llenar el primer recipiente 11a de compresión de aire con agua, la primera válvula 191a de agua de entrada superior y la primera válvula 193a de aspersor se cierran, mientras que la primera válvula 195a de agua de entrada inferior dispuesta en el primer colector 19a de entrada de agua se abre para proporcionar entrada de agua desde el primer recipiente 11a de compresión de aire. Además, la segunda válvula 191b de agua de entrada superior y la segunda válvula 195b de agua de entrada inferior dispuestas en el segundo colector 19b de entrada de agua están cerradas, mientras que la primera válvula 1043a de aire de entrada y la primera válvula 1042a de aire comprimido se abren para proporcionar entrada de aire al primer recipiente 11a de compresión de aire. A su vez, la segunda válvula 193b de aspersor se abre para proporcionar entrada de agua al primer colector 19a de entrada de agua. La segunda válvula 1042b de aire comprimido dispuesta en el segundo colector 16b de aire comprimido de la segunda rama 101b de almacenamiento de energía también está cerrada.
A continuación, la primera válvula 193a de aspersor, la segunda válvula 1041b de almacenamiento de aire y la segunda válvula 1042b de aire comprimido se cierran, mientras que la primera válvula 105a de intercambio de agua y la segunda válvula 105b de intercambio de agua dispuestas en el colector 102 de intercambio de agua se abren. A continuación, la bomba 103 de agua inversa se activa para bombear el agua desde el primer recipiente 11a de compresión de aire de la primera rama 101a de almacenamiento de energía al segundo recipiente 11b de compresión de aire de la segunda rama 101b de almacenamiento de energía. Durante el bombeo, el agua pasa a través del segundo colector 194b de aspersor, y se pulveriza a través de la segunda boquilla 192b de aspersor. Por lo tanto, el agua se acumula en el segundo recipiente 11b de compresión de aire, mientras que el aire situado en el segundo recipiente 11b de compresión de aire se comprime.
Debe observarse que, debido a la compresión, la temperatura del aire en el segundo recipiente 11b de compresión de aire puede aumentar por encima de la temperatura de la temperatura original del aire en el segundo recipiente 11b de compresión de aire. El calor interno generado debido al proceso de compresión del aire también se transfiere al agua debido al intercambio de calor con el agua pulverizada. De hecho, el calor puede intercambiarse entre el agua y el aire debido al contacto continuo entre el aire y las gotitas de agua rociadas desde la segunda boquilla 192b de aspersor.
Cuando la presión de aire en el segundo recipiente 11b de compresión de aire alcanza un valor predeterminado, p. ej., 10 bar a 60 bar, la segunda válvula 1041b de almacenamiento de aire y la segunda válvula 1042b de aire comprimido dispuestas en el segundo colector 16b de aire comprimido se abren para permitir el paso del aire comprimido desde el segundo recipiente 11b de compresión de aire a los segundos recipientes 12b de almacenamiento de aire, debido a la diferencia de presión de aire entre el segundo recipiente 11b de compresión de aire y los segundos recipientes 12b de almacenamiento de aire. La segunda válvula 1043b de aire de entrada está cerrada para evitar el escape del aire del segundo colector 16b de aire comprimido durante el paso de aire.
Cuando el segundo recipiente 11b de compresión de aire se llena con agua según se desee, y todo el aire comprimido se transfiere del segundo recipiente 11b de compresión de aire a los segundos recipientes 12b de almacenamiento de aire, la bomba 103 de agua inversa es desactivada, y la segunda válvula 105b de intercambio de agua se cierra. A continuación, la segunda válvula 1041b de almacenamiento de aire se cierra, mientras que la segunda válvula 1042b de aire comprimido y la segunda válvula 1043b de aire de entrada están abiertas para permitir el flujo de entrada de aire de la atmósfera al recipiente 11b de compresión de aire.
Posteriormente, la primera válvula 195a de agua de entrada inferior dispuesta en el primer colector 19a de entrada de agua se cierra, mientras que la primera y segunda válvulas 105a y 105b de intercambio de agua dispuestas en el colector 102 de intercambio de agua se abren, y la bomba 103 de agua inversa se activa en la dirección opuesta para bombear el agua desde el segundo recipiente 11b de compresión de aire de la segunda rama 101b de almacenamiento de energía en el primer recipiente 11a de compresión de aire de la primera rama 101a de almacenamiento de energía. Durante el bombeo, el agua pasa a través del primer colector 194a de aspersor, y se pulveriza a través de la primera boquilla 192a de aspersor. Por lo tanto, el agua se acumula en el primer recipiente 11a de compresión de aire, mientras que el aire presente en el primer recipiente 11a de compresión de aire se comprime.
Cuando la presión de aire en el primer recipiente 11a de compresión de aire alcanza un valor predeterminado, p. ej., 10 bar a 60 bar, la primera válvula 1041a de almacenamiento de aire y la primera válvula 1042a de aire comprimido dispuestas en el primer colector 16a de aire comprimido se abren para permitir el paso del aire comprimido desde el primer recipiente 11a de compresión de aire a los primeros recipientes 12a de almacenamiento de aire, debido a la diferencia de presión de aire entre el primer recipiente 11a de compresión de aire y los primeros recipientes 12a de almacenamiento de aire. La primera válvula 1043a de aire de entrada está cerrada para impedir el escape del aire desde el primer colector 16a de aire comprimido durante el paso de aire.
Cuando el segundo recipiente 11b de compresión de aire se llena con agua según se desee, y todo el aire comprimido se transfiere del primer recipiente 11a de compresión de aire a los primeros recipientes 12a de almacenamiento de aire, la bomba 103 de agua inversa es desactivada, y la primera válvula 105a de intercambio de agua se cierra.
A continuación, se cierra la primera válvula 1041a de almacenamiento de aire.
Como se ha descrito anteriormente, debido a la compresión, la temperatura del aire en el primer recipiente 11a de compresión de aire puede aumentar por encima de la temperatura de la temperatura original del aire en el primer recipiente 11a de compresión de aire. El calor interno generado debido al proceso de compresión del aire también se transfiere al agua debido al intercambio de calor con el agua pulverizada. De hecho, el calor puede intercambiarse entre el agua y el aire debido al contacto continuo entre las gotitas de aire y agua rociadas desde la segunda boquilla 192b de aspersor.
Tal proceso de compresión puede repetirse tantas veces como sea necesario para alcanzar la presión deseada del aire en el primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire.
Debe entenderse que, al final del proceso de compresión, una temperatura del agua en el primer y segundo recipientes 11a y 11b de aire, así como una temperatura del aire en el primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire son mayores que la temperatura del aire externo en la atmósfera. Por lo tanto, cuando el primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire y los primer y segundo recipientes 11a y 11b de compresión de aire están aislados térmicamente del entorno, las temperaturas más altas del aire comprimido y el agua pueden mantenerse durante un tiempo relativamente largo.
El sistema 1 para almacenamiento de energía y generación de energía eléctrica utiliza el gas comprimido del primer y/o segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire del subsistema 10 de almacenamiento de energía para producir electricidad por el subsistema 100 de generación de electricidad.
El sistema 1 para almacenamiento de energía y generación de electricidad incluye una tubería 108 de aire y una válvula 109 de control de aire. La válvula 109 de control hidráulico está acoplada a la tubería 108 de aire y al colector 106 de intercambio de aire comprimido y está configurada para regular el flujo del gas comprimido liberado desde el primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire que pasan a través del colector 106 de intercambio de aire comprimido a la tubería 108 de aire. La regulación es tal que se mantiene un caudal deseado de salida del gas comprimido durante períodos de tiempo especificados a través de la tubería 108 de aire.
En funcionamiento, el gas comprimido transferido a través de la tubería 108 de aire puede suministrarse al subsistema 100 de generación de electricidad.
El subsistema 100 de generación de electricidad incluye un sistema 110 de bombeo de elevación de aire y un sistema 117 de energía hidroeléctrica accionado por el sistema 110 de bombeo de elevación de aire.
El sistema 110 de bombeo de elevación de aire incluye un tanque 111 de recogida de agua dispuesto bajo el suelo. El tanque 111 de recogida de agua contiene el agua 112 de recolección que se bombeará. Debe entenderse que el agua 112 de recolección puede bombearse hacia el tanque 111 de recogida de agua a través de un colector 120 de recogida de agua procedente de cualquier fuente de agua. El suministro del agua 112 de recogida puede controlarse mediante una válvula 121 de recogida de agua dispuesta en el colector 120 de recogida de agua.
Cuando se desee, también puede utilizarse el agua acumulada en los recipientes 11a y 11b de compresión de aire como agua 112 de recogida. En este caso, puede bombearse al tanque 111 de recogida de agua a través del colector 120 de recogida de agua, mutatis mutandis, finalizado el proceso de compresión de aire.
El sistema 110 de bombeo de elevación de aire también incluye un tubo 113 ascendente que está parcialmente sumergido en el agua 112. Se inyecta aire comprimido en una base 114 del tubo ascendente 113 a través de la tubería 108 de aire equipada con un inyector 115 de aire para proporcionar burbujas de aire dentro del tubo ascendente 113 que producen un flujo ascendente del agua, junto con las burbujas de aire.
El inyector 115 de aire está acoplado a la base 114 del tubo ascendente 113 a través de una pluralidad de orificios 116 de camisa distribuidos uniformemente alrededor del perímetro de la tubería en una pluralidad de filas y/o columnas para asegurar una alimentación uniforme del aire al tubo ascendente 113. En funcionamiento, el aire comprimido suministrado por la tubería 108 de aire entra en el tubo ascendente 113 a través de los orificios 116 de la camisa, formando burbujas que mueven el agua dentro del tubo ascendente 113 en dirección ascendente.
El sistema 117 de energía hidroeléctrica incluye una salida 119 de liberación de aire a través de la cual el aire liberado de las burbujas escapa a la atmósfera.
El sistema de bombeo de elevación de aire incluye un tubo 1130 de retorno acoplado hidráulicamente al sistema 117 de energía hidroeléctrica. El tubo 1130 de retorno está configurado para devolver un flujo que contiene el agua 1131 de retorno después de pasar a través del sistema 117 de energía hidroeléctrica. El flujo de agua 1131 de retorno sin burbujas de aire vuelve al tanque 111 de recogida de agua después de pasar a través del sistema 117 de energía hidroeléctrica. El flujo de agua de retorno vuelve al tanque 111 de recogida de agua a través de una abertura 118 de circulación dispuesta en una pared del tanque 111 de recogida de agua.
Como se ha descrito anteriormente, la bomba 103 de agua inversa del subsistema 10 de almacenamiento de energía es una bomba eléctrica que está acoplada a la red 15 de energía eléctrica y alimentada por electricidad. En funcionamiento, la bomba 103 de agua inversa bombea el agua para el intercambio entre el primer y segundo recipientes 11a y 11b de compresión de aire de las primera y segunda ramas 101a y 101b de almacenamiento de energía, según corresponda, para comprimir aire y almacenar el aire comprimido en el primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire.
El aire comprimido que sale del subsistema 10 de almacenamiento de aire puede suministrarse de forma controlable a una presión deseada a través de la tubería 108 para accionar el sistema 117 de energía hidroeléctrica dispuesto dentro del tubo ascendente 113.
Con referencia a la Fig. 3 , se ilustra una vista en sección transversal esquemática de un sistema de energía hidroeléctrica del sistema 117 de almacenamiento de energía y de generación de energía eléctrica. El sistema 117 de energía hidroeléctrica incluye una carcasa 31 que incluye la salida 119 de liberación de aire en una parte 32 superior a través de la cual escapa el aire liberado de las burbujas a la atmósfera. El sistema 117 de energía hidroeléctrica incluye una turbina hidráulica 33 montada en la carcasa 31. La turbina hidráulica 33 tiene una bobina 34 de turbina equipada con palas 35 de turbina. La turbina hidráulica 33 es impulsada por el flujo de agua y las burbujas que actúan sobre las palas 35 de turbina. El flujo de agua se genera por elevación del aire y es proporcionado por el tubo ascendente 113. El agua se acumula en una parte inferior 36 de la carcasa 31, y luego vuelve al tanque de recolección de agua (111 en la Fig. 2) a través del tubo 1130 de retorno que está acoplado a la parte inferior 36.
El sistema 117 de energía hidroeléctrica también incluye un generador eléctrico (no mostrado) acoplado a la turbina hidráulica 33. El generador eléctrico está conectado a una red de energía eléctrica (15 en la Fig.2), y está configurado para generar energía eléctrica de salida y proporcionarla a la red de energía eléctrica.
El exceso de energía eléctrica en la red 15 de energía eléctrica puede convertirse nuevamente a energía neumática y, por lo tanto, almacenarse en el subsistema 10 de almacenamiento de energía a través de la compresión de aire. La energía neumática puede entonces ser convertida de vuelta a electricidad por el sistema 117 de energía hidroeléctrica y alimentarse a la red, y así sucesivamente.
Debe señalarse que el rendimiento del sistema 110 de bombeo de elevación de aire depende de una serie de parámetros importantes.
Estos parámetros pueden clasificarse en dos tipos: parámetros de diseño y parámetros de funcionamiento. Los parámetros de diseño incluyen, entre otros, la configuración del sistema 110 de bombeo de elevación de aire, por ejemplo, el diámetro y la altura del tubo ascendente 113 y otras características geométricas. Los parámetros de funcionamiento incluyen, entre otros, la relación de inmersión en el sistema 110 de bombeo de elevación de aire y el caudal de gas.
El inventor descubrió que la temperatura del gas comprimido también puede afectar al rendimiento del sistema 110 de bombeo de elevación de aire. En particular, cuanto mayor sea la temperatura del gas comprimido, mayor será el caudal del flujo ascendente del agua junto con las burbujas de aire en el tubo ascendente 113.
Estos parámetros de diseño y funcionamiento afectan a varios fenómenos que ocurren en el sistema de elevación de aire, tales como tamaño y forma de las burbujas, régimen de flujo de gas, caída de presión, retención de gas y caudal de líquido.
Como puede entender una persona versada en la técnica, la temperatura del aire aumenta durante la compresión. Por lo tanto, el aire comprimido almacenado en el primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire del subsistema 10 de almacenamiento de energía y el agua dentro de los recipientes 11a y 11b de compresión tiene una temperatura mayor que la temperatura ambiente del aire en la atmósfera. Cuando el primer y segundo recipientes 12a, 12b de almacenamiento de aire y los recipientes 11a y 11b de compresión están aislados térmicamente del entorno, la mayor temperatura del aire comprimido y del agua pueden mantenerse durante un tiempo relativamente largo. El sistema 1 de almacenamiento de energía y generación de electricidad aprovecha de forma ventajosa esta característica para mejorar el rendimiento del subsistema 100 de generación de electricidad almacenando el calor generado por el proceso de compresión de aire y a continuación recuperando este calor mediante el proceso de generación de energía eléctrica.
El sistema 1 para almacenamiento de energía y generación de electricidad incluye un sistema de control generalmente indicado por un número 18 de referencia. El sistema 18 de control está acoplado, entre otros, a la válvula 109 de control de aire dispuesta en la tubería 108 de aire para regular el flujo del gas comprimido liberado desde el primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire del subsistema 10 de almacenamiento de energía, de modo que se mantenga un caudal deseado de salida del gas comprimido durante períodos de tiempo específicos a través de la tubería 108 de aire.
El sistema 18 de control es un sistema informático que, de forma general, puede incluir, sin limitaciones, medidores de flujo, sensores, accionadores, dispositivos de monitorización, así como otros dispositivos similares o adecuados. Cada uno de ellos puede ser un componente disponible comercialmente. El sistema 18 de control incluye también un controlador electrónico (no mostrado) programado con un modelo de software almacenado en un medio legible por ordenador (no mostrado), y configurado para controlar el funcionamiento del sistema 1 de almacenamiento de energía y generación de electricidad.
Para medir la presión del aire dentro del primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire y dentro del volumen del primer y segundo recipientes 11a y 11b de compresión de aire no ocupados por el agua, el sistema de control puede incluir uno o más sensores de presión neumática (no mostrados) que pueden funcionar para producir señales de sensor de presión del aire a lo largo del funcionamiento del sistema. De igual modo, el sistema de control puede incluir uno o más sensores de presión hidráulica (no mostrados) que pueden funcionar para producir señales de sensor de presión hidráulica a lo largo del funcionamiento del sistema. La localización de los sensores de presión neumática e hidráulica depende de la configuración específica del sistema. Por ejemplo, los sensores de presión neumática pueden disponerse en el primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire. A su vez, los sensores de presión hidráulica pueden estar dispuestos dentro del primer y segundo recipientes 11a y 11b de compresión de aire ocupados por agua. Cuando sea necesario, el sistema 18 de control puede alertar al operario de cualquier caída de presión perjudicial. Las señales de sensor de presión hidráulica y de gas pueden transmitirse al sistema 18 de control a través de un cable de conexión, o de forma inalámbrica.
El sistema 18 de control incluye un sensor de nivel de agua superior (no mostrado) dispuesto dentro del tanque 111 de recogida de agua. El sensor de nivel de agua superior está configurado para producir señales de nivel para asegurar que el nivel de agua dentro del tanque 111 de recogida de agua esté dentro de un intervalo límite de nivel predeterminado.
El sistema 18 de control puede incluir uno o más sensores de presión neumática. Por ejemplo, un sensor P de presión neumática puede estar dispuesto dentro de la tubería 108 de aire y medir una presión del aire que pasa a través de la tubería 108 de aire. El controlador electrónico del sistema 18 de control puede acoplarse operativamente a los sensores de presión neumática, al sensor de presión hidráulica y a los sensores de nivel de agua, para una compresión controlable de aire. El controlador electrónico puede, entre otras cosas, responder a las señales del sensor de presión del aire, a las señales del sensor de presión hidráulica, a las señales de nivel y a las señales del sensor de flujo de aire y agua, respectivamente, para controlar el funcionamiento del subsistema 10 de almacenamiento de energía.
Para proporcionar regulación del caudal, el sistema 18 de control puede incluir uno o más medidores de flujo hidráulicos y neumáticos (no mostrados). Por ejemplo, puede disponerse un medidor AF de flujo neumático dentro de la tubería 108 de aire para producir señales de sensor de flujo de aire representativas del aire que fluye dentro de la tubería 108 de aire. El controlador electrónico del sistema 18 de control está acoplado a la válvula 109 de control de aire. El medidor AF de flujo neumático está acoplado operativamente al controlador electrónico. El medidor AF de flujo neumático está configurado para producir señales de sensor de flujo de aire representativas del flujo de aire dentro de la tubería 108 de aire. El controlador electrónico puede responder a señales de sensor de flujo de aire y configurarse para generar señales de control para controlar, entre otros, el funcionamiento de la válvula 109 de control neumático para regular el flujo del gas comprimido liberado desde el primer y segundo recipientes 12a y 12b de almacenamiento de aire del subsistema 10 de almacenamiento de energía para proporcionar una descarga controlable del aire comprimido requerido para impulsar el sistema 110 de bombeo de elevación de aire.
Puede disponerse un caudalímetro hidráulico (no mostrado) dentro del tubo ascendente 113 del sistema 110 de bombeo de elevación de aire para producir señales de sensor de flujo de agua representativas del flujo de agua dentro del tubo ascendente 113. El medidor de flujo hidráulico está acoplado al controlador electrónico del sistema de control que, entre otros, responde a la señal del sensor de flujo de agua y para controlar el funcionamiento del sistema 117 de energía hidroeléctrica.
Dependiendo de los atributos de potencia del subsistema 10 de generación de electricidad (disponibilidad de entrada y demanda de salida), puede especificarse y mantenerse un caudal de aire deseado durante el funcionamiento del sistema. La válvula 109 de control de aire asegura un suministro estable de aire presurizado para producir una salida de energía eléctrica constante a lo largo de los períodos estipulados, superando por tanto determinados problemas técnicos encontrados con la tecnología convencional cuando se alimenta electricidad a la red.
Según algunas realizaciones, el controlador electrónico del sistema 18 de control también puede acoplarse operativamente a la primera y segunda válvulas 1041a, 1041b de almacenamiento de aire y a la primera y segunda válvulas 1042a, 1042b de aire comprimido para controlar el paso del aire comprimido desde el primer y segundo recipientes 11a, 11b de compresión de aire al primer y segundo recipientes 12a, 12b de almacenamiento de aire, según corresponda. De igual modo, el sistema 18 de control también puede acoplarse operativamente a la primera y segunda válvulas 1043a, 1043b de aire de entrada para controlar el suministro de aire para compresión en el primer y segundo recipientes 11a, 11b de compresión de aire, según corresponda.
Según algunas realizaciones, el controlador electrónico del sistema 18 de control también puede acoplarse operativamente a la primera y segunda válvulas 191a, 191b de agua de entrada superior, a la primera y segunda válvulas 195a, 195b de agua de entrada inferior así como a las primera y segunda válvulas 105a, 105b de intercambio de agua; y a la bomba 103 de agua inversa para regular el intercambio de agua entre el primer y segundo recipientes 11a y 11b de compresión de aire de la primera y segunda ramas 101a y 101b de almacenamiento de energía como se ha descrito anteriormente.
Además, debe entenderse que la fraseología y la terminología empleadas en la presente memoria tienen el propósito de descripción y no deben considerarse como limitativas.
Por último, cabe señalar que la palabra “que comprende” como se utiliza en todas las reivindicaciones adjuntas debe interpretarse como “que incluye, aunque no de forma limitativa” .
Es importante, por lo tanto, que el ámbito de la invención no se interprete como limitado por las realizaciones ilustrativas expuestas en la presente memoria. Son posibles otras variaciones dentro del ámbito de la presente invención como se define en las reivindicaciones adjuntas. Otras combinaciones y subcombinaciones de características, funciones, elementos y/o propiedades pueden ser reivindicadas a través de la modificación de las presentes reivindicaciones o de la presentación de nuevas reivindicaciones en esta solicitud o en una solicitud relacionada.
En general, se describe un sistema para almacenamiento de energía y generación de electricidad. El sistema puede incluir un subsistema de almacenamiento de energía y un subsistema de generación de electricidad acoplado al subsistema de almacenamiento de energía. El subsistema de almacenamiento de energía puede estar configurado para almacenar energía en forma de aire comprimido a una temperatura superior a la temperatura ambiente del aire en la atmósfera. El subsistema de generación de electricidad puede configurarse para producir electricidad utilizando el aire comprimido almacenado en el subsistema de almacenamiento de energía a la temperatura superior a la temperatura del aire ambiente en la atmósfera.
Se entenderá que la invención se ha descrito anteriormente puramente a modo de ejemplo, y puede hacerse la modificación de detalles dentro del ámbito de la invención.
Cada característica descrita en la descripción, y (donde proceda) las reivindicaciones y dibujos, pueden proporcionarse de forma independiente o en cualquier combinación adecuada.
Los números de referencia que aparecen en las reivindicaciones son a modo de ilustración únicamente y no tendrán ningún efecto limitativo sobre el ámbito de las reivindicaciones.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    Un sistema para el almacenamiento de energía configurado para almacenar energía en forma de aire comprimido, comprendiendo el sistema:
    una primera rama (101a) de almacenamiento de energía y una segunda rama (101b) de almacenamiento de energía, incluyendo la primera rama (101a) de almacenamiento de energía:
    un primer recipiente (11 a) de compresión de aire dispuesto en una perforación hecha en el suelo, y configurado para recoger agua y aire de la atmósfera y para comprimir el aire a una presión predeterminada;
    un primer recipiente (12a) de almacenamiento de aire que se comunica neumáticamente con el primer recipiente (11a) de compresión de aire y configurado para contener aire comprimido;
    un primer colector (16a) de aire comprimido acoplado neumáticamente al primer recipiente (11a) de compresión de aire y al primer recipiente de almacenamiento de aire, y configurado para proporcionar comunicación neumática entre el primer recipiente (11a) de compresión de aire y el primer recipiente (12a) de almacenamiento de aire; un primer colector (17a) de entrada de aire acoplado neumáticamente al colector de aire comprimido, y configurado para proporcionar aire procedente de la atmósfera, para comprimir el aire en el primer recipiente (11 a) de compresión de aire y llenar el primer recipiente (12a) de almacenamiento de aire con el aire comprimido;
    un primer conjunto (104a) de válvula de aire que incluye:
    una primera válvula (1041a) de almacenamiento de aire dispuesta en el primer colector (16a) de aire comprimido entre el primer recipiente (12a) de almacenamiento de aire y un primer punto de acoplamiento del primer colector (17a) de entrada de aire al primer colector (16a) de aire comprimido y configurado para controlar el paso del aire comprimido del primer recipiente (11a) de compresión de aire al primer recipiente (12a) de almacenamiento de aire; una primera válvula (1042a) de aire comprimido dispuesta en el primer colector (16a) de aire comprimido entre el primer recipiente (11 a) de compresión de aire y el primer punto de acoplamiento, y configurada para controlar el paso del aire comprimido del primer recipiente (11a) de compresión de aire al primer recipiente (12a) de almacenamiento de aire; y
    una primera válvula (1043a) de aire de entrada configurada para controlar el suministro de aire para compresión en el primer recipiente (11a) de compresión de aire y para el almacenamiento del aire comprimido en el primer recipiente (12a) de almacenamiento de aire;
    un primer colector (19a) de entrada de agua acoplado hidráulicamente al primer recipiente (11 a) de compresión de aire y configurado para suministrar agua al primer recipiente (11 a) de compresión de aire;
    una primera válvula (191a) de agua de entrada superior y una primera válvula (195a) de agua de entrada inferior dispuesta en el primer colector (19a) de entrada de agua y configurada para controlar el suministro de agua en el primer recipiente (11a) de compresión de aire;
    la segunda rama (101b) de almacenamiento de energía incluye:
    un segundo recipiente (11 b) de compresión de aire dispuesto en una perforación hecha en el suelo, y configurado para recoger agua y aire de la atmósfera y para comprimir el aire a una presión predeterminada;
    un segundo recipiente (12b) de almacenamiento de aire que comunica neumáticamente con el segundo recipiente (11b) de compresión de aire y configurado para contener aire comprimido y acoplado neumáticamente al primer recipiente (12a) de almacenamiento de aire a través de un colector de intercambio de aire comprimido;
    un segundo colector (16b) de aire comprimido acoplado neumáticamente al segundo recipiente (11b) de compresión de aire y al segundo recipiente (12b) de almacenamiento de aire, y configurado para proporcionar comunicación neumática entre el segundo recipiente (11b) de compresión de aire y el segundo recipiente (12b) de almacenamiento de aire;
    un segundo colector (17b) de entrada de aire acoplado neumáticamente al segundo colector (16b) de aire comprimido y configurado para proporcionar aire desde la atmósfera, para comprimir el aire en el segundo recipiente (11b) de compresión de aire y para llenar el segundo recipiente (12b) de almacenamiento de aire con el aire comprimido, un segundo conjunto (104b) de válvula de aire que incluye:
    una segunda válvula (104b) de almacenamiento de aire dispuesta en el segundo colector (16b) de aire comprimido entre el segundo recipiente (12b) de almacenamiento de aire y un segundo punto de acoplamiento del segundo colector (17b) de entrada de aire al segundo colector de aire comprimido y configurado para controlar el paso del aire comprimido del segundo recipiente de compresión de aire al segundo recipiente (12b) de almacenamiento de aire; una segunda válvula (1042b) de aire comprimido dispuesta en el segundo colector (16b) de aire comprimido entre el segundo recipiente de compresión de aire y el segundo punto de acoplamiento, y configurada para controlar el paso del aire comprimido del segundo recipiente de compresión de aire al segundo recipiente (12b) de almacenamiento de aire; y
    una segunda válvula (1043b) de entrada de aire configurada para controlar el suministro de aire para compresión en el segundo recipiente de compresión de aire y para el almacenamiento del aire comprimido en el segundo recipiente (12b) de almacenamiento de aire;
    un segundo colector (19b) de entrada de agua acoplado hidráulicamente al segundo recipiente de compresión de aire, y configurado para suministrar agua al segundo recipiente de compresión de aire;
    una segunda válvula (191 b) de entrada de agua superior y una segunda válvula (195b) de entrada de agua inferior dispuesta en el segundo colector (19b) de entrada de agua y configurada para controlar el suministro de agua en el segundo recipiente de compresión de aire;
    en donde el aire comprimido durante el almacenamiento tiene una temperatura mayor que una temperatura ambiente del aire en la atmósfera.
    El sistema de la reivindicación 1, en donde el primer y segundo recipientes (12a y 12b) de almacenamiento de aire están dispuestos en orificios de perforación correspondientes hechos en el suelo.
    El sistema de la reivindicación 2, en donde el primer y segundo recipientes de almacenamiento de aire, y el primer y segundo recipientes de compresión en las perforaciones correspondientes están rodeados por un material de relleno compactado y aislado térmicamente que llena un espacio entre las paredes de estos recipientes y las paredes de la perforación.
    El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además:
    un colector (102) de intercambio de agua acoplado hidráulicamente al primer colector (19a) de entrada de agua de la primera rama (101a) de almacenamiento de energía entre las primeras válvulas de agua de entrada superior e inferior en un extremo del primer colector (19a) de entrada de agua y al segundo colector (19b) de entrada de agua de la segunda rama de almacenamiento de energía entre las segundas válvulas de agua de entrada superior e inferior en otro extremo del primer colector (19a) de entrada de agua; y
    una bomba (103) de agua inversa dispuesta en el colector (102) de intercambio de agua, estando configurada la bomba (103) de agua inversa para bombear agua para el intercambio entre el primer y el segundo recipientes de compresión de aire de la primera y segunda ramas de almacenamiento de energía, según corresponda.
    El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde
    la primera rama (11 a) de almacenamiento de energía incluye además:
    un primer colector (194a) de aspersor acoplado al primer colector (19a) de entrada de agua en un extremo del primer colector (194a) de aspersor, e insertado en el primer recipiente (11a) de compresión de aire en otro extremo del primer colector (194a) de aspersor, estando configurado el primer colector (194a) de aspersor para permitir la comunicación hidráulica del primer recipiente (11 a) de compresión de aire con el colector (102) de intercambio de agua;
    una primera boquilla (192a) de aspersor en el extremo que se inserta en el primer recipiente de compresión, y
    una primera válvula (193a) de aspersor configurada para controlar el suministro de agua al primer recipiente (11a) de compresión de aire a través de la primera boquilla (192a) de aspersor; y en donde la segunda rama (101b) de almacenamiento de energía incluye:
    un segundo colector (194b) de aspersor acoplado al segundo colector (19b) de entrada de agua en un extremo del segundo colector (194b) de aspersor, e insertado en el segundo recipiente de compresión de aire en otro extremo del segundo colector (194b) de aspersor, estando configurado el segundo colector (194b) de aspersor para permitir la comunicación hidráulica del segundo recipiente de compresión de aire con el colector (102) de intercambio de agua;
    una segunda boquilla (192b) de aspersor en el extremo que se inserta en el segundo recipiente de compresión, y
    una segunda válvula (193b) de aspersor configurada para controlar el suministro de agua al segundo recipiente de compresión de aire a través de la segunda boquilla (192b) de aspersor.
    El sistema de la reivindicación 4, que comprende además:
    una primera válvula (105a) de intercambio de agua dispuesta en el colector (102) de intercambio de agua entre dicho primer punto de acoplamiento del primer colector (17a) de entrada de aire al primer colector (16a) de aire comprimido y la bomba (103) de agua inversa; y
    una segunda válvula (105b) de intercambio de agua dispuesta en el colector (102) de intercambio de agua entre dicho segundo punto de acoplamiento y la bomba (103) de agua inversa;
    la primera válvula (105a) de intercambio de agua y la segunda válvula (105b) de intercambio de agua están adaptadas para controlar el intercambio de agua entre el primer y el segundo recipientes de compresión de aire.
    El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, que comprende además una primera válvula (107a) de intercambio de aire y una segunda válvula (107b) de intercambio de aire, estando adaptadas la primera y la segunda válvulas de intercambio para controlar el intercambio de aire comprimido entre el primer y el segundo recipientes (12a y 12b) de almacenamiento de aire.
    El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, que comprende una tubería (108) de aire, y una válvula (109) de control de aire acoplada al colector de intercambio de aire comprimido y al tubo (108) de aire, estando la válvula (109) de control de aire configurada para regular el flujo del gas comprimido liberado desde el primer y segundo recipientes (12a y 12b) de almacenamiento de aire del sistema para almacenamiento de energía, de forma que se mantenga un caudal deseado de salida del gas comprimido durante períodos de tiempo específicos a través de la tubería (108) de aire.
    El sistema de la reivindicación 8, que incluye un sistema (18) de control acoplado a la válvula de control de aire dispuesta en la tubería (108) de aire para regular el flujo del gas comprimido a través de la tubería de aire.
    El sistema de la reivindicación 9, en donde el sistema (18) de control incluye un controlador electrónico acoplado a la válvula (109) de control de aire, y un medidor (AF) de flujo neumático dispuesto dentro de la tubería (108) de aire y acoplado operativamente al controlador electrónico;
    el medidor (AF) de flujo neumático está configurado para producir señales de sensor de flujo de aire representativas del flujo de aire dentro de la tubería de aire;
    el controlador electrónico responde a las señales del sensor de flujo de aire y está configurado para controlar el funcionamiento de la válvula de control de aire para regular el flujo del gas comprimido liberado desde el primer y segundo recipientes de almacenamiento de aire del sistema para almacenamiento de energía.
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