BR112019013625B1 - SYSTEM AND METHOD OF POWER GENERATION WITH VARIABLE PRESSURE TURBINES - Google Patents
SYSTEM AND METHOD OF POWER GENERATION WITH VARIABLE PRESSURE TURBINES Download PDFInfo
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Abstract
Sistemas e métodos relacionados com turbinas de pressão variável são revelados. Um sistema de geração de potência pode incluir um sistema de ciclo fechado configurado para gerar energia, um combustor e um sistema de controle. O sistema de ciclo fechado pode incluir um fluido de trabalho circulando em um percurso de ciclo fechado. O combustor pode fornecer energia térmica para o fluido de trabalho. Além disso, o sistema de controle pode ser configurado para determinar o aumento de uma quantidade de potência gerada pelo sistema de ciclo fechado, e em resposta à determinação de aumentar a quantidade de potência gerada pelo sistema de ciclo fechado, causar um aumento na pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado.Systems and methods relating to variable pressure turbines are disclosed. A power generation system may include a closed-cycle system configured to generate power, a combustor, and a control system. The closed-loop system may include a working fluid circulating in a closed-loop path. The combustor can supply thermal energy to the working fluid. Furthermore, the control system may be configured to determine to increase an amount of power generated by the closed cycle system, and in response to the determination to increase the amount of power generated by the closed cycle system, cause an increase in the pressure of the closed cycle system. working fluid in the closed cycle path.
Description
[001] Este pedido reivindica prioridade para o Pedido de Patente dos EUA No. 15/395.622, depositado em 30 de dezembro de 2016, que é aqui incorporado por referência em sua totalidade.[001] This application claims priority to US Patent Application No. 15/395,622, filed on December 30, 2016, which is incorporated herein by reference in its entirety.
[002] Os sistemas de geração de energia podem incluir uma turbina e um compressor. O sistema de geração de energia pode ingerir ar, comprimir o ar ingerido, queimar o ar comprimido com combustível, e exaurir pelo menos uma parte do ar e do combustível queimados para a atmosfera. A combustão do ar comprimido com combustível pode gerar energia mecânica.[002] Power generation systems may include a turbine and a compressor. The power generation system may ingest air, compress the ingested air, burn the compressed air with fuel, and exhaust at least a portion of the burned air and fuel to the atmosphere. The combustion of compressed air with fuel can generate mechanical energy.
[003] Um sistema de geração de energia pode incluir um sistema de ciclo termodinâmico fechado, tal como um sistema de ciclo de Brayton fechado. O sistema de ciclo fechado pode incluir, pelo menos, um fluido de trabalho circulado através de um percurso de ciclo fechado incluindo pelo menos dois permutadores de calor, uma turbina e um compressor. Em alguns sistemas, um ou mais permutadores de calor recuperativos também podem ser incluídos. Um gerador elétrico pode ser usado para obter trabalho a partir da energia térmica no sistema, de preferência, através da geração de eletricidade a partir de energia mecânica recebida a partir da turbina. Além disso, um trem de acionamento pode ser usado para fornecer energia mecânica recebida da turbina para um sistema de acionamento externo.[003] A power generation system may include a closed thermodynamic cycle system, such as a closed Brayton cycle system. The closed cycle system may include at least one working fluid circulated through a closed cycle path including at least two heat exchangers, a turbine and a compressor. In some systems, one or more recuperative heat exchangers may also be included. An electrical generator can be used to obtain work from the thermal energy in the system, preferably by generating electricity from mechanical energy received from the turbine. Additionally, a drive train can be used to supply mechanical energy received from the turbine to an external drive system.
[004] O sistema de geração de energia pode ainda incluir um sistema de controle e um combustor. O sistema de controle pode ser configurado causar um aumento ou uma diminuição na pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado. Beneficamente, as modalidades aqui descritas podem permitir que a saída de energia da turbina seja variada enquanto a turbina opera a uma rotação constante por minuto (“RPM”) e a uma temperatura constante, o que pode melhorar a eficiência da turbina.[004] The power generation system may also include a control system and a combustor. The control system can be configured to cause an increase or decrease in working fluid pressure in the closed cycle path. Beneficially, the embodiments described herein can allow the power output of the turbine to be varied while the turbine operates at a constant rotation per minute (“RPM”) and a constant temperature, which can improve the efficiency of the turbine.
[005] Exemplos de sistemas podem incluir um sistema de ciclo fechado configurado para gerar energia, o sistema de ciclo fechado compreendendo um fluido de trabalho circulando em um ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que o percurso de ciclo fechado compreende um trecho de alta pressão e um trecho de baixa pressão; um combustor, em que o combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente; e um sistema de controle configurado para: determinar aumentar uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo fechado, em resposta à determinação de aumentar a quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo fechado, causar um aumento na pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado, determinar diminuir a quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo fechado, e em resposta à determinação de diminuir a quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo fechado, causar uma diminuição na pressão do fluido de trabalho no percurso de fluido de ciclo fechado percurso.[005] Examples of systems may include a closed-loop system configured to generate power, the closed-loop system comprising a working fluid circulating in a closed cycle through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, a turbine and a cold-side heat exchanger, where the closed cycle path comprises a high pressure section and a low pressure section; a combustor, wherein the combustor supplies thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger; and a control system configured to: determine to increase an amount of energy generated by the closed cycle system, in response to determining to increase the amount of energy generated by the closed cycle system, cause an increase in the pressure of the working fluid in the flow path closed cycle, determine to decrease the amount of energy generated by the closed cycle system, and in response to the determination to decrease the amount of energy generated by the closed cycle system, cause a decrease in the pressure of the working fluid in the closed cycle fluid path route.
[006] Exemplos de métodos podem incluir um sistema de geração de energia de ciclo fechado compreendendo um fluido de trabalho circulando em um ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica para o fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, determinar aumentar o nível de saída de energia; e em resposta à determinação de aumentar o nível de saída de energia, aumentar a pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[006] Examples of methods may include a closed-cycle power generation system comprising a working fluid circulating in a closed cycle through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, a turbine and a heat exchanger. cold-side heat, in which a combustor supplies thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger, determining increasing energy output level; and in response to the determination to increase the level of power output, increase the pressure of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[007] Exemplos de métodos podem incluir em um sistema de geração de energia de ciclo fechado compreendendo um fluido de trabalho circulando em um ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica para o fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, determinar diminuir o nível de saída de energia; e em resposta à determinação de diminuir o nível de saída de energia, diminuir a pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[007] Examples of methods may include a closed-cycle power generation system comprising a working fluid circulating in a closed cycle through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, a turbine and an exchanger cold-side heat exchanger, in which a combustor provides thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger, determining lower energy output level; and in response to the determination to decrease the level of energy output, decrease the pressure of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[008] Exemplo de meio não transitório legível por computador pode incluir instruções armazenadas no mesmo executáveis por um dispositivo de computação para fazer com que o dispositivo de computação execute funções, as funções incluem em um sistema de geração de energia de ciclo fechado compreendendo um fluido de trabalho circulando em um percurso de ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, determinar aumentar um nível de saída de energia; e em resposta à determinação de aumentar o nível de saída de energia, aumentar a pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[008] Example of non-transitory computer-readable medium may include instructions stored therein executable by a computing device to cause the computing device to perform functions, the functions include in a closed-loop power generation system comprising a fluid of work circulating in a closed cycle path through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, a turbine and a cold-side heat exchanger, where a combustor supplies thermal energy to the working fluid through the hot side heat exchanger, determine increase a power output level; and in response to the determination to increase the level of power output, increase the pressure of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[009] Exemplo de meio não transitório legível por computador pode incluir instruções armazenadas no mesmo executáveis por um dispositivo de computação para fazer com que o dispositivo de computação execute funções, as funções incluem em um sistema de geração de energia de ciclo fechado compreendendo um fluido de trabalho circulando em um percurso de ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, determinar diminuir um nível de saída de energia; e em resposta à determinação de diminuir o nível de saída de energia, diminuir a pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[009] Example of non-transitory computer-readable medium may include instructions stored therein executable by a computing device to cause the computing device to perform functions, the functions include in a closed-loop power generation system comprising a fluid of work circulating in a closed cycle path through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, a turbine and a cold-side heat exchanger, where a combustor supplies thermal energy to the working fluid through the hot side heat exchanger, determine decrease a power output level; and in response to the determination to decrease the level of energy output, decrease the pressure of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[0010] Exemplos de sistemas podem incluir em um sistema de geração de energia de ciclo fechado compreendendo um meio de fluido de trabalho para circular o fluido de trabalho em um percurso de fluido de ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, meios para determinar aumentar um nível de saída de energia; e meios para em resposta à determinação de aumentar o nível de saída de energia, aumentar a pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[0010] Example systems may include a closed-loop power generation system comprising a working fluid means for circulating the working fluid in a closed-loop fluid path through, in sequence, a compressor, an exchanger hot side heat exchanger, a turbine and a cold side heat exchanger, wherein a combustor provides thermal energy to the working fluid through the hot side heat exchanger, means for determining an increase in a power output level; and means to, in response to the determination to increase the level of power output, increase the pressure of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[0011] Exemplos de sistemas podem incluir em um sistema de geração de energia de ciclo fechado compreendendo um meio de fluido de trabalho para circular o fluido de trabalho em um percurso de fluido de ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, meios para determinar diminuir um nível de saída de energia; e meios para em resposta à determinação de diminuir o nível de saída de energia, diminuir a pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[0011] Example systems may include a closed-cycle power generation system comprising a working fluid means for circulating the working fluid in a closed-cycle fluid path through, in sequence, a compressor, an exchanger hot-side heat exchanger, a turbine and a cold-side heat exchanger, wherein a combustor provides thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger, means for determining a decrease in a power output level; and means to, in response to the determination to decrease the level of power output, decrease the pressure of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[0012] Exemplos de sistemas podem incluir um sistema de ciclo fechado configurado para gerar energia, o sistema de ciclo fechado compreendendo um fluido de trabalho circulando em um ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que o percurso de ciclo fechado compreende um trecho de alta pressão e um trecho de baixa pressão; um combustor, em que o combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente; e um sistema de controle configurado para: determinar aumentar uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo fechado, em resposta à determinação de aumentar a quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo fechado, causar um aumento na massa do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado, determinar diminuir a quantidade de energia gerada pelo ciclo fechado e, em resposta à determinação de diminuir a quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo fechado, causar uma diminuição na massa do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado.[0012] Examples of systems may include a closed-loop system configured to generate power, the closed-loop system comprising a working fluid circulating in a closed cycle through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, a turbine and a cold-side heat exchanger, where the closed cycle path comprises a high pressure section and a low pressure section; a combustor, wherein the combustor supplies thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger; and a control system configured to: determine to increase an amount of energy generated by the closed cycle system, in response to determining to increase the amount of energy generated by the closed cycle system, cause an increase in the mass of the working fluid in the flow path closed cycle, determine to decrease the amount of energy generated by the closed cycle and, in response to the determination to decrease the amount of energy generated by the closed cycle system, cause a decrease in the mass of the working fluid in the closed cycle path.
[0013] Exemplos de métodos podem incluir um sistema de geração de energia de ciclo fechado incluindo um fluido de trabalho circulando em um ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica para o fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, determinar aumentar o nível de saída de energia; e em resposta à determinação de aumentar o nível de saída de energia, aumentar a massa do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[0013] Examples of methods may include a closed-cycle power generation system including a working fluid circulating in a closed cycle through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, a turbine, and a heat exchanger. cold-side heat, in which a combustor supplies thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger, determining increasing energy output level; and in response to the determination to increase the level of energy output, increase the mass of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[0014] Exemplos de métodos podem incluir um sistema de geração de energia de ciclo fechado incluindo um fluido de trabalho circulando em um ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica para o fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, determinar diminuir o nível de saída de energia; e em resposta à determinação de diminuir o nível de saída de energia, diminuir a massa do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[0014] Examples of methods may include a closed-cycle power generation system including a working fluid circulating in a closed cycle through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, a turbine, and a heat exchanger. cold-side heat, in which a combustor supplies thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger, determining lower energy output level; and in response to the determination to decrease the level of energy output, decrease the mass of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[0015] Exemplos de meio não transitório legível por computador podem incluir instruções armazenadas no mesmo executáveis por um dispositivo de computação para fazer com que o dispositivo de computação execute funções, as funções incluem um sistema de geração de energia de ciclo fechado incluindo um fluido de trabalho circulando em um percurso de ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, determinar aumentar um nível de saída de energia; e em resposta à determinação de aumentar o nível de saída de energia, aumentar a massa do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[0015] Examples of non-transitory computer-readable medium may include instructions stored thereon executable by a computing device to cause the computing device to perform functions, the functions include a closed-loop power generation system including a work circulating in a closed cycle path through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, a turbine, and a cold-side heat exchanger, where a combustor supplies thermal energy to the working fluid through the exchanger of hot side heat, determine increase a power output level; and in response to the determination to increase the level of energy output, increase the mass of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[0016] Exemplos de meio não transitório legível por computador podem incluir instruções armazenadas no mesmo executáveis por um dispositivo de computação para fazer com que o dispositivo de computação execute funções, as funções incluem um sistema de geração de energia de ciclo fechado incluindo um fluido de trabalho circulando em um percurso de ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, determinar diminuir um nível de saída de energia; e em resposta à determinação de diminuir o nível de saída de energia, diminuir a massa do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[0016] Examples of non-transitory computer-readable medium may include instructions stored thereon executable by a computing device to cause the computing device to perform functions, the functions include a closed-loop power generation system including a work circulating in a closed cycle path through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, a turbine, and a cold-side heat exchanger, where a combustor supplies thermal energy to the working fluid through the exchanger hot side heat, determine decrease a power output level; and in response to the determination to decrease the level of energy output, decrease the mass of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[0017] Exemplos de sistemas podem incluir em um sistema de geração de energia de ciclo fechado incluindo um meio de fluido de trabalho para circular o fluido de trabalho em um percurso de fluido de ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, meios para determinar aumentar um nível de saída de energia; e meios para em resposta à determinação de aumentar o nível de saída de energia, aumentar a massa do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[0017] Example systems may include in a closed cycle power generation system including a working fluid means for circulating the working fluid in a closed cycle fluid path through, in sequence, a compressor, an exchanger hot side heat exchanger, a turbine and a cold side heat exchanger, wherein a combustor provides thermal energy to the working fluid through the hot side heat exchanger, means for determining an increase in a power output level; and means to, in response to the determination to increase the level of energy output, increase the mass of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[0018] Exemplos de sistemas podem incluir em um sistema de geração de energia de ciclo fechado incluindo um meio de fluido de trabalho para circular o fluido de trabalho em um percurso de fluido de ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, meios para determinar diminuir um nível de saída de energia; e meios para em resposta à determinação de diminuir o nível de saída de energia, diminuir a massa do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[0018] Example systems may include in a closed cycle power generation system including a working fluid means for circulating the working fluid in a closed cycle fluid path through, in sequence, a compressor, an exchanger hot-side heat exchanger, a turbine and a cold-side heat exchanger, wherein a combustor provides thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger, means for determining a decrease in a power output level; and means to, in response to the determination to decrease the level of energy output, decrease the mass of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[0019] A Figura 1 ilustra esquematicamente a operação de um sistema de armazenamento elétrico térmico bombeado.[0019] Figure 1 schematically illustrates the operation of a pumped thermal electrical storage system.
[0020] A Figura 2 é um fluxograma esquemático de fluido de trabalho e meio de armazenamento de calor de um sistema térmico bombeado em um modo de carga/bomba de calor.[0020] Figure 2 is a schematic flowchart of working fluid and heat storage medium of a pumped thermal system in a load/heat pump mode.
[0021] A Figura 3 é um fluxograma esquemático de fluido de trabalho e meio de armazenamento de calor de um sistema térmico bombeado em um modo de descarga/motor de calor.[0021] Figure 3 is a schematic flowchart of working fluid and heat storage medium of a pumped thermal system in a discharge/heat engine mode.
[0022] A Figura 4 é um diagrama esquemático de pressão e temperatura do fluido de trabalho à medida que sofre o ciclo de carga na Figura 2.[0022] Figure 4 is a schematic diagram of pressure and temperature of the working fluid as it undergoes the load cycle in Figure 2.
[0023] A Figura 5 é um diagrama esquemático de pressão e temperatura do fluido de trabalho à medida que sofre o ciclo de descarga na Figura 3.[0023] Figure 5 is a schematic diagram of pressure and temperature of the working fluid as it undergoes the discharge cycle in Figure 3.
[0024] A Figura 6 é uma vista em perspectiva esquemática de um sistema de fluido de trabalho fechado no sistema térmico bombeado nas Figuras 2-3.[0024] Figure 6 is a schematic perspective view of a working fluid system enclosed in the pumped thermal system in Figures 2-3.
[0025] A Figura 7 é uma vista esquemática em perspectiva do sistema térmico bombeado nas Figuras 2-3 com tanques de armazenamento de lado quente e lado frio e um sistema de fluido de trabalho de ciclo fechado.[0025] Figure 7 is a schematic perspective view of the pumped thermal system in Figures 2-3 with hot side and cold side storage tanks and a closed cycle working fluid system.
[0026] A Figura 8 mostra um ciclo de carga de armazenamento de calor para um sistema de sal fundido/água nc = 0,9 e nt = 0,95. As linhas tracejadas correspondem a nc = nt = 1.[0026] Figure 8 shows a heat storage load cycle for a molten salt/water system nc = 0.9 and nt = 0.95. The dashed lines correspond to nc = nt = 1.
[0027] A Figura 9 mostra um ciclo de descarga (extração) de armazenamento de calor para o sistema de sal fundido/água na Figura 8 com nc = 0,9 e nt = 0,95. As linhas tracejadas correspondem a nc = nt = 1.[0027] Figure 9 shows a heat storage discharge (extraction) cycle for the molten salt/water system in Figure 8 with nc = 0.9 and nt = 0.95. The dashed lines correspond to nc = nt = 1.
[0028] A Figura 10 mostra um ciclo de armazenamento de calor em um sistema térmico bombeado com taxas de compressão variáveis entre os ciclos de carga e descarga.[0028] Figure 10 shows a heat storage cycle in a pumped thermal system with variable compression rates between charge and discharge cycles.
[0029] A Figura 11 mostra os contornos de eficiência de ida e volta para um sistema de água/sal. Os símbolos Φ e 0 representam um intervalo aproximado dos valores de eficiência adiabática da turbomáquinas atuais. As setas tracejadas representam a direção do aumento de eficiência.[0029] Figure 11 shows the round-trip efficiency contours for a water/salt system. The symbols Φ and 0 represent an approximate range of adiabatic efficiency values for current turbomachinery. The dashed arrows represent the direction of efficiency increase.
[0030] A Figura 12 mostra contornos de eficiência de ida e volta para um sistema de armazenamento/sal mais frio. Os símbolos Φ e 0 representam um intervalo aproximado dos valores de eficiência adiabática da turbomáquinas atuais.[0030] Figure 12 shows round-trip efficiency contours for a cooler salt/storage system. The symbols Φ and 0 represent an approximate range of adiabatic efficiency values for current turbomachinery.
[0031] A Figura 13 é um fluxograma esquemático de fluido de trabalho e meio de armazenamento de calor de um sistema térmico bombeado com um permutador de calor gás-gás para o fluido de trabalho em um modo de carga/bomba de calor.[0031] Figure 13 is a schematic flow chart of working fluid and heat storage medium of a pumped thermal system with a gas-gas heat exchanger for the working fluid in a load/heat pump mode.
[0032] A Figura 14 é um fluxograma esquemático de fluido de trabalho e meio de armazenamento de calor de um sistema térmico bombeado com um permutador de calor gás-gás para o fluido de trabalho em um modo de descarga/motor de calor.[0032] Figure 14 is a schematic flowchart of working fluid and heat storage medium from a pumped thermal system with a gas-gas heat exchanger to the working fluid in a discharge/heat engine mode.
[0033] A Figura 15 é um fluxograma esquemático de fluido de trabalho e meio de armazenamento de calor de um sistema térmico bombeado com um permutador de calor gás-gás para o fluido de trabalho em um modo de carga/bomba de calor com rejeição de calor indireta para o ambiente.[0033] Figure 15 is a schematic flowchart of working fluid and heat storage medium from a pumped thermal system with a gas-gas heat exchanger to the working fluid in a load/heat pump mode with heat rejection. indirect heat to the environment.
[0034] A Figura 16 é um fluxograma esquemático de fluido de trabalho e meio de armazenamento de calor de um sistema térmico bombeado com um permutador de calor gás-gás para o fluido de trabalho em um modo de descarga/motor de calor com rejeição de calor indireta para o ambiente.[0034] Figure 16 is a schematic flowchart of working fluid and heat storage medium from a thermal system pumped with a gas-gas heat exchanger to the working fluid in a discharge/heat engine mode with heat rejection. indirect heat to the environment.
[0035] A Figura 17 mostra um ciclo de carga de armazenamento de calor para um sistema de armazenamento com um permutador de calor gás-gás, um meio de armazenamento de lado frio capaz de descer a temperaturas significativamente abaixo da temperatura ambiente e nc = 0,9 e nt = 0,95.[0035] Figure 17 shows a heat storage charge cycle for a storage system with a gas-to-gas heat exchanger, a cold-side storage medium capable of descending to temperatures significantly below ambient temperature and nc = 0 .9 and nt = 0.95.
[0036] A Figura 18 mostra um ciclo de descarga de armazenamento de calor para um sistema de armazenamento com um permutador de calor gás-gás, um meio de armazenamento de lado frio capaz de descer a temperaturas significativamente abaixo da temperatura ambiente e nc = 0,9 e nt = 0,95.[0036] Figure 18 shows a heat storage discharge cycle for a storage system with a gas-to-gas heat exchanger, a cold-side storage medium capable of descending to temperatures significantly below ambient temperature and nc = 0 .9 and nt = 0.95.
[0037] A Figura 19 é um fluxograma esquemático de recarga de lado quente em um ciclo de calor bombeado em modo solar com aquecimento de um sal solar apenas por energia solar.[0037] Figure 19 is a schematic flowchart of hot-side recharging in a pumped heat cycle in solar mode with heating a solar salt by solar energy alone.
[0038] A Figura 20 é um fluxograma esquemático de um ciclo de descarga de um sistema térmico bombeado com rejeição de calor para ambiente.[0038] Figure 20 is a schematic flowchart of a discharge cycle of a pumped thermal system with heat rejection to the environment.
[0039] A Figura 21 é um fluxograma esquemático de um ciclo de descarga de um sistema térmico bombeado com rejeição de calor para um fluido intermediário circulado em um banho térmico à temperatura ambiente.[0039] Figure 21 is a schematic flowchart of a discharge cycle of a pumped thermal system with heat rejection for an intermediate fluid circulated in a thermal bath at room temperature.
[0040] As Figuras 22 e 23 são sistemas térmicos bombeados com pares de compressor/turbina separados para os modos de carga e descarga.[0040] Figures 22 and 23 are pumped thermal systems with separate compressor/turbine pairs for charging and discharging modes.
[0041] As Figuras 24 e 25 mostram sistemas térmicos bombeados configurados em um modo de geração de entrada de calor de combustão.[0041] Figures 24 and 25 show pumped thermal systems configured in a combustion heat input generation mode.
[0042] A Figura 26 é um fluxograma esquemático de recarga de lado quente em um ciclo de calor bombeado através de aquecimento por uma fonte de calor de combustão ou uma fonte de calor residual.[0042] Figure 26 is a schematic flowchart of hot side recharging in a pumped heat cycle through heating by a combustion heat source or a waste heat source.
[0043] A Figura 27 mostra um exemplo de um sistema térmico bombeado com controle de energia regulado por pressão.[0043] Figure 27 shows an example of a pumped thermal system with pressure-regulated power control.
[0044] A Figura 28 mostra um exemplo de um sistema térmico bombeado com um gerador encapsulado de pressão.[0044] Figure 28 shows an example of a thermal system pumped with an encapsulated pressure generator.
[0045] A Figura 29 é um exemplo de estatores variáveis em um par de compressor/turbina.[0045] Figure 29 is an example of variable stators in a compressor/turbine pair.
[0046] A Figura 30 mostra um sistema de computador que é programado para implementar vários métodos e/ou regular vários sistemas da presente divulgação.[0046] Figure 30 shows a computer system that is programmed to implement various methods and/or regulate various systems of the present disclosure.
[0047] A Figura 31 ilustra um sistema de geração de energia, de acordo com uma modalidade de exemplo.[0047] Figure 31 illustrates a power generation system, according to an example embodiment.
[0048] A Figura 32 ilustra um método, de acordo com uma modalidade de exemplo.[0048] Figure 32 illustrates a method, according to an example embodiment.
[0049] A Figura 33 ilustra um método, de acordo com uma modalidade exemplar.[0049] Figure 33 illustrates a method, according to an exemplary embodiment.
[0050] Embora várias modalidades da invenção tenham sido mostradas e descritas aqui, será óbvio para os especialistas na técnica que tais modalidades são fornecidas apenas a título de exemplo. Numerosas variações, alterações e substituições podem ocorrer aos peritos na técnica sem se afastar da invenção. Deve ser entendido que podem ser empregues várias alternativas às modalidades da invenção aqui descritas. Deve ser entendido que diferentes aspectos da invenção podem ser apreciados individualmente, coletivamente ou em combinação uns com os outros.[0050] Although various embodiments of the invention have been shown and described herein, it will be obvious to those skilled in the art that such embodiments are provided by way of example only. Numerous variations, changes and substitutions may occur to those skilled in the art without departing from the invention. It should be understood that various alternatives to the embodiments of the invention described herein may be employed. It should be understood that different aspects of the invention can be appreciated individually, collectively or in combination with each other.
[0051] Deve ser entendido que a terminologia aqui utilizada é utilizada com o objetivo de descrever modalidades específicas, e não pretende limitar o âmbito da presente invenção. Deve ser notado que, como usado aqui, as formas singulares de “um”, “uma” e “o” incluem referências plurais, a menos que o contexto dite claramente o contrário. Além disso, salvo indicação em contrário, todos os termos técnicos e científicos aqui utilizados têm o mesmo significado que é normalmente entendido por um especialista na técnica à qual essa invenção pertence.[0051] It should be understood that the terminology used here is used for the purpose of describing specific embodiments, and is not intended to limit the scope of the present invention. It should be noted that, as used here, the singular forms of “a,” “an,” and “the” include plural references unless the context clearly dictates otherwise. Furthermore, unless otherwise indicated, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as is normally understood by one skilled in the art to which this invention belongs.
[0052] Embora as modalidades preferidas da presente invenção sejam aqui mostradas e descritas, será óbvio para os especialistas na técnica que tais modalidades são fornecidas apenas a título de exemplo. Numerosas variações, alterações e substituições ocorrerão agora aos peritos na técnica sem se afastar da invenção. Deve ser entendido que várias alternativas às modalidades da invenção aqui descritas podem ser empregues na prática da invenção. Pretende-se que as reivindicações seguintes definam o âmbito da invenção e que os métodos e estruturas dentro do âmbito destas reivindicações e seus equivalentes sejam abrangidos por este meio.[0052] Although preferred embodiments of the present invention are shown and described herein, it will be obvious to those skilled in the art that such embodiments are provided by way of example only. Numerous variations, changes and substitutions will now occur to those skilled in the art without departing from the invention. It should be understood that various alternatives to the embodiments of the invention described herein may be employed in the practice of the invention. The following claims are intended to define the scope of the invention and the methods and structures within the scope of these claims and their equivalents are hereby encompassed.
[0053] Motores de turbina são geralmente projetados para ingerir ar atmosférico, comprimir, queimá-lo com combustível e exaurir de volta para a atmosfera. Também podem incorporar recuperação para permitir a recuperação de calor da turbina para pré-aquecer o ar de combustão. Nestes sistemas de “ar de respiração”, ar de entrada é restrito a Sí 1 bar (100 PKa). Por exemplo, um trem ou caminhão movido a turbina absorve ar ambiente à temperatura e pressão locais e uma aeronave movida a turbina absorve ar de baixa pressão e baixa temperatura que é ambiente no nível do voo. Em geral, os veículos movidos a turbina não tiveram sucesso no mercado, exceto para aeronaves comerciais e navios de guerra. Trens, caminhões e barcos mercantes foram construídos com turbinas, mas geralmente todos eles falharam no mercado porque eles normalmente operam principalmente em energia de “cruzeiro”, que é significativamente menor que a energia de pico, e em que a maioria das turbinas é ineficiente. No pico de energia, as turbinas podem ser eficientes, mas geralmente a eficiência cai significativamente em baixa ou energia ociosa, pelo menos porque, a baixa RPM e temperatura, as pás das turbinas encurtam e as folgas de ponta aumentam a lacuna com a blindagem. O desafio é construir um motor de turbina que possa operar com eficiência total em um intervalo muito mais amplo de energia de saída. Ou, mais especificamente, para construir um sistema movido a turbina que possa operar com eficiência total em um intervalo muito mais amplo de energia de saída.[0053] Turbine engines are generally designed to take in atmospheric air, compress it, burn it with fuel and exhaust it back into the atmosphere. They can also incorporate recovery to allow heat recovery from the turbine to preheat the combustion air. In these “breathing air” systems, incoming air is restricted to Sí 1 bar (100 PKa). For example, a turbine-powered train or truck takes in ambient air at local temperature and pressure, and a turbine-powered aircraft takes in low-pressure, low-temperature air that is ambient at the flight level. In general, turbine-powered vehicles have not been successful in the market, except for commercial aircraft and warships. Trains, trucks, and merchant ships have been built with turbines, but generally all of them have failed in the market because they typically operate primarily on “cruise” power, which is significantly less than peak power, and at which most turbines are inefficient. At peak power, turbines can be efficient, but generally efficiency drops significantly at low or idle power, not least because, at low RPM and temperature, turbine blades shorten and tip clearances increase the gap with the shield. The challenge is to build a turbine engine that can operate at full efficiency over a much wider range of output power. Or, more specifically, to build a turbine-powered system that can operate at full efficiency over a much wider range of output power.
[0054] Um exemplo de sistema de geração de energia pode ser implementado em um sistema de ciclo fechado, como um sistema de ciclo de Brayton fechado, no qual um combustor de ar fornece energia térmica ao ciclo de circuito fechado, enquanto um controlador controla a pressão do fluido de trabalho para manter um sistema de energia variável altamente eficiente em que a turbina pode operar a uma RPM constante e/ou a uma temperatura constante. Em algumas modalidades, a taxa de fluxo de massa variável do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado pode variar a pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado. Além disso, o combustor pode fornecer energia térmica ao fluido de trabalho. Em algumas modalidades, operar a turbina a uma RPM constante pode melhorar a eficiência da turbina (por exemplo, reduzindo as perdas aerodinâmicas). Além disso, em algumas modalidades, a operação da turbina a uma temperatura constante pode melhorar a eficiência da turbina (por exemplo, reduzindo as perdas de lacuna). O sistema pode ser compacto o suficiente para fornecer energia mecânica ou elétrica para um passageiro ou veículo comercial.[0054] An example of a power generation system can be implemented in a closed-loop system, such as a closed Brayton cycle system, in which an air combustor provides thermal energy to the closed-loop cycle, while a controller controls the working fluid pressure to maintain a highly efficient variable power system in which the turbine can operate at a constant RPM and/or a constant temperature. In some embodiments, the varying mass flow rate of the working fluid in the closed cycle path can vary the pressure of the working fluid in the closed cycle path. Furthermore, the combustor can supply thermal energy to the working fluid. In some embodiments, operating the turbine at a constant RPM can improve turbine efficiency (e.g., reducing aerodynamic losses). Furthermore, in some embodiments, operating the turbine at a constant temperature can improve turbine efficiency (e.g., reducing gap losses). The system can be compact enough to provide mechanical or electrical power to a passenger or commercial vehicle.
[0055] O sistema proposto supera algumas das limitações que limitam o sucesso das turbinas em veículos comerciais e veículos de menor escala.[0055] The proposed system overcomes some of the limitations that limit the success of turbines in commercial vehicles and smaller-scale vehicles.
[0056] O termo “reversível”, como usado aqui, geralmente se refere a um processo ou operação que pode ser revertida através de mudanças infinitesimais em alguma propriedade do processo ou operação sem produção substancial de entropia (por exemplo, dissipação de energia). Um processo reversível pode ser aproximado por um processo que está em equilíbrio termodinâmico. Em alguns exemplos, em um processo reversível, a direção do fluxo de energia é reversível. Como alternativa, ou além disso, a direção geral de operação de um processo reversível (por exemplo, a direção do fluxo de fluido) pode ser revertida, como, por exemplo, do sentido horário para o anti-horário, e vice-versa.[0056] The term “reversible”, as used herein, generally refers to a process or operation that can be reversed through infinitesimal changes in some property of the process or operation without substantial production of entropy (e.g., energy dissipation). A reversible process can be approximated by a process that is in thermodynamic equilibrium. In some examples, in a reversible process, the direction of energy flow is reversible. Alternatively, or in addition, the general direction of operation of a reversible process (e.g., the direction of fluid flow) may be reversed, such as from clockwise to counterclockwise, and vice versa.
[0057] O termo “sequência”, como usado aqui, geralmente se refere a elementos (por exemplo, operações unitárias) em ordem. Tal ordem pode se referir a ordem de processo, como, por exemplo, a ordem na qual um fluido flui de um elemento para outro. Em um exemplo, um compressor, unidade de armazenamento de calor e turbina em sequência incluem o compressor a montante da unidade de troca de calor, e a unidade de troca de calor a montante da turbina. Nesse caso, um fluido pode fluir do compressor para a unidade de troca de calor e da unidade de troca de calor para a turbina. Um fluido que flui através de operações unitárias em sequência pode fluir através das operações unitárias sequencialmente. Uma sequência de elementos pode incluir um ou mais elementos intervenientes. Por exemplo, um sistema compreendendo um compressor, unidade de armazenamento de calor e turbina em sequência pode incluir um tanque auxiliar entre o compressor e a unidade de armazenamento de calor. Uma sequência de elementos pode ser cíclica.[0057] The term “sequence”, as used here, generally refers to elements (e.g., unit operations) in order. Such order may refer to process order, such as the order in which a fluid flows from one element to another. In one example, a compressor, heat storage unit and turbine in sequence include the compressor upstream of the heat exchange unit, and the heat exchange unit upstream of the turbine. In this case, a fluid can flow from the compressor to the heat exchange unit and from the heat exchange unit to the turbine. A fluid that flows through unit operations sequentially can flow through unit operations sequentially. A sequence of elements may include one or more intervening elements. For example, a system comprising a compressor, heat storage unit and turbine in sequence may include an auxiliary tank between the compressor and the heat storage unit. A sequence of elements can be cyclic.
[0058] A divulgação fornece sistemas térmicos bombeados capazes de armazenar energia elétrica e/ou calor e liberar energia (por exemplo, produzir eletricidade) em um momento posterior. Os sistemas térmicos bombeados da divulgação podem incluir um motor de calor e uma bomba de calor (ou refrigerador). Em alguns casos, o motor de calor pode ser operado ao contrário como uma bomba de calor. Em alguns casos, o motor de calor pode ser operado ao contrário como um refrigerador. Qualquer descrição dos sistemas de bomba de calor/motor de calor ou sistemas de refrigerador/motor de calor capazes de inverter a operação aqui também pode ser aplicada a sistemas que incluam sistema(s) de motor de calor, sistema(s) de bomba de calor e/ou sistema(s) de refrigerador separados e/ou reversíveis. Além disso, como as bombas de calor e refrigeradores compartilham os mesmos princípios operacionais (embora com objetivos diferentes), qualquer descrição de configurações ou operação de bombas de calor aqui também pode ser aplicada a configurações ou operação de refrigeradores, e vice-versa.[0058] The disclosure provides pumped thermal systems capable of storing electrical energy and/or heat and releasing energy (e.g., producing electricity) at a later time. The pumped thermal systems of the disclosure may include a heat engine and a heat pump (or chiller). In some cases, the heat engine can be operated in reverse as a heat pump. In some cases, the heat engine can be operated in reverse as a refrigerator. Any description of heat pump/heat engine systems or refrigerator/heat engine systems capable of reversing operation herein may also be applied to systems that include heat engine system(s), heat pump system(s), separate and/or reversible heat and/or refrigerator system(s). Furthermore, because heat pumps and refrigerators share the same operating principles (albeit with different purposes), any description of heat pump settings or operation here can also be applied to refrigerator settings or operation, and vice versa.
[0059] Os sistemas da presente divulgação podem operar como motores de calor ou bombas de calor (ou refrigeradores). Em algumas situações, os sistemas da divulgação podem funcionar alternadamente como motores de calor e bombas de calor. Em alguns exemplos, um sistema pode operar como um motor de calor para gerar energia e, subsequentemente, operar como uma bomba de calor para armazenar energia, ou vice- versa. Tais sistemas podem operar alternadamente e sequencialmente como motores de calor e como bombas de calor. Em alguns casos, tais sistemas operam reversível ou substancialmente reversivelmente como motores de calor como bombas de calor.[0059] The systems of the present disclosure can operate as heat engines or heat pumps (or refrigerators). In some situations, disclosure systems may function alternately as heat engines and heat pumps. In some examples, a system may operate as a heat engine to generate energy and subsequently operate as a heat pump to store energy, or vice versa. Such systems can operate alternately and sequentially as heat engines and as heat pumps. In some cases, such systems operate reversibly or substantially reversibly as heat engines such as heat pumps.
[0060] Referência será feita agora para as figuras, onde os numerais semelhantes se referem a partes iguais por toda parte. Será apreciado que as figuras e recursos nas mesmas não são necessariamente desenhados em escala.[0060] Reference will now be made to the figures, where like numerals refer to like parts throughout. It will be appreciated that the figures and features therein are not necessarily drawn to scale.
[0061] A Figura 1 ilustra esquematicamente os princípios operacionais do armazenamento elétrico térmico bombeado usando um sistema de armazenamento de eletricidade de bomba de calor/motor de calor. A eletricidade pode ser armazenada na forma de energia térmica de dois materiais ou meios em diferentes temperaturas (por exemplo, reservatórios de energia térmica compreendendo fluidos de armazenamento de calor ou meios de armazenamento térmico) usando um sistema de bomba de calor/motor de calor combinado. Em um modo de carga ou bomba de calor, o sistema pode consumir trabalho para transferir calor de um material ou meio frio para um material ou meio quente, diminuindo assim a temperatura (por exemplo, energia sensível) do material frio e aumentando a temperatura (isto é, energia sensível) do material quente. Em um modo de descarga ou de motor de calor, o trabalho pode ser produzido pelo sistema por transferir calor do material quente para o material frio, diminuindo assim a temperatura (isto é, energia sensível) do material quente e aumentando a temperatura (isto é, energia sensível) do material frio. O sistema pode ser configurado para garantir que o trabalho produzido pelo sistema na descarga seja uma fração favorável da energia consumida sob carga. O sistema pode ser configurado para atingir alta eficiência de ida e volta, definida aqui como o trabalho produzido pelo sistema na descarga dividido pelo trabalho consumido pelo sistema sob carga. Além disso, o sistema pode ser configurado para atingir a alta eficiência de ida e volta usando componentes de um custo desejado (por exemplo, um custo razoavelmente baixo). As setas H e W na Figura 1 representam direções de fluxo de calor e trabalho, respectivamente.[0061] Figure 1 schematically illustrates the operating principles of pumped thermal electrical storage using a heat pump/heat engine electricity storage system. Electricity can be stored in the form of thermal energy from two materials or media at different temperatures (e.g. thermal energy reservoirs comprising heat storage fluids or thermal storage media) using a combined heat pump/heat engine system . In a load or heat pump mode, the system may consume work to transfer heat from a cold material or medium to a hot material or medium, thereby decreasing the temperature (e.g., sensible energy) of the cold material and increasing the temperature (e.g., sensible energy) of the cold material or medium. i.e. sensible energy) of the hot material. In a discharge or heat engine mode, work can be produced by the system by transferring heat from the hot material to the cold material, thereby decreasing the temperature (i.e., sensible energy) of the hot material and increasing the temperature (i.e. , sensible energy) of the cold material. The system can be configured to ensure that the work produced by the system on discharge is a favorable fraction of the energy consumed under load. The system can be configured to achieve high round-trip efficiency, defined here as the work produced by the system at discharge divided by the work consumed by the system under load. Furthermore, the system can be configured to achieve high round-trip efficiency using components of a desired cost (e.g., a reasonably low cost). Arrows H and W in Figure 1 represent directions of heat flow and work, respectively.
[0062] Motores de calor, bombas de calor e refrigeradores da divulgação podem envolver um fluido de trabalho para e do qual o calor é transferido durante um ciclo termodinâmico. Os motores de calor, bombas de calor e refrigeradores da divulgação podem operar em um ciclo fechado. Ciclos fechados permitem, por exemplo, uma seleção mais ampla de fluidos de trabalho, operação a pressões de lado frio elevadas, operação em temperaturas de lado frio mais baixas, maior eficiência e menor risco de danos à turbina. Um ou mais aspectos da divulgação descritos em relação a sistemas com fluidos de trabalho submetidos a ciclos fechados podem também ser aplicados a sistemas com fluidos de trabalho submetidos a ciclos abertos.[0062] Heat engines, heat pumps, and refrigerators of the disclosure may involve a working fluid to and from which heat is transferred during a thermodynamic cycle. Disclosure's heat engines, heat pumps, and refrigerators can operate in a closed cycle. Closed cycles allow, for example, a wider selection of working fluids, operation at high cold-side pressures, operation at lower cold-side temperatures, greater efficiency and a lower risk of turbine damage. One or more aspects of the disclosure described in relation to systems with working fluids subjected to closed cycles may also be applied to systems with working fluids subjected to open cycles.
[0063] Em um exemplo, os motores de calor podem operar em um ciclo de Brayton e as bombas de calor/refrigeradores podem operar em um ciclo de Brayton reverso (também conhecido como ciclo de refrigeração de gás). Outros exemplos de ciclos termodinâmicos que o fluido de trabalho pode sofrer ou aproximar incluem o ciclo de Rankine, o ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal, o ciclo de Stirling, o ciclo de Ericsson ou qualquer outro ciclo vantajosamente empregado em conjunto com troca de calor com fluidos de armazenamento de calor da divulgação.[0063] In one example, heat engines may operate on a Brayton cycle and heat pumps/refrigerators may operate on a reverse Brayton cycle (also known as a gas refrigeration cycle). Other examples of thermodynamic cycles that the working fluid may undergo or approximate include the Rankine cycle, the ideal vapor compression refrigeration cycle, the Stirling cycle, the Ericsson cycle, or any other cycle advantageously employed in conjunction with temperature exchange. heat with disclosure heat storage fluids.
[0064] O fluido de trabalho pode sofrer um ciclo termodinâmico operando em um, dois ou mais níveis de pressão. Por exemplo, o fluido de trabalho pode operar em um ciclo fechado entre um limite de baixa pressão em um lado frio do sistema e um limite de alta pressão em um lado quente do sistema. Em algumas implementações, um limite de baixa pressão de cerca de 10 atmosferas (atm) (1,01325 MPa) ou maior pode ser usado. Em alguns casos, o limite de baixa pressão pode ser pelo menos cerca de 1 atm (0,101325 MPa), pelo menos cerca de 2 atm (0,20265 MPa), pelo menos cerca de 5 atm (0,506625 MPa), pelo menos cerca de 10 atm (1,01325 MPa), pelo menos cerca de 15 atm (1,51988 MPa), pelo menos cerca de 20 atm (2,0265 MPa), pelo menos cerca de 30 atm (3,03975 MPa), pelo menos cerca de 40 atm (4,053 MPa), pelo menos cerca de 60 atm (6,0795 MPa), pelo menos cerca de 80 atm (8,106 MPa), pelo menos cerca de 100 atm (10,1325 MPa), pelo menos cerca de 120 atm (12,159 MPa), pelo menos cerca de 160 atm (16,212 MPa), ou pelo menos cerca de 200 atm (20,265 MPa), 500 atm (50,6625 MPa), 1000 atm (101,325 MPa), ou mais. Em alguns casos, um limite de baixa pressão subatmosférica pode ser usado. Por exemplo, o limite de baixa pressão pode ser inferior a cerca de 0,1 atm (0,0101325 MPa), inferior a cerca de 0,2 atm (0,020265 MPa), inferior a cerca de 0,5 atm (0,0506625 MPa) ou inferior a cerca de 1 atm (0,101325 MPa). Em alguns casos, o limite de baixa pressão pode ser de cerca de 1 atmosfera (atm) (0,101325 MPa). No caso de um fluido de trabalho operando em um ciclo aberto, o limite de baixa pressão pode ser de cerca de 1 atm (0,101325 MPa) ou igual à pressão ambiente.[0064] The working fluid can undergo a thermodynamic cycle operating at one, two or more pressure levels. For example, the working fluid may operate in a closed cycle between a low pressure limit on a cold side of the system and a high pressure limit on a hot side of the system. In some implementations, a low pressure limit of about 10 atmospheres (atm) (1.01325 MPa) or greater may be used. In some cases, the low pressure limit may be at least about 1 atm (0.101325 MPa), at least about 2 atm (0.20265 MPa), at least about 5 atm (0.506625 MPa), at least about 10 atm (1.01325 MPa), at least about 15 atm (1.51988 MPa), at least about 20 atm (2.0265 MPa), at least about 30 atm (3.03975 MPa ), at least about 40 atm (4.053 MPa), at least about 60 atm (6.0795 MPa), at least about 80 atm (8.106 MPa), at least about 100 atm (10.1325 MPa), at least about 120 atm (12.159 MPa), at least about 160 atm (16.212 MPa), or at least about 200 atm (20.265 MPa), 500 atm (50.6625 MPa), 1000 atm (101.325 MPa), or more. In some cases, a low subatmospheric pressure limit may be used. For example, the low pressure limit may be less than about 0.1 atm (0.0101325 MPa), less than about 0.2 atm (0.020265 MPa), less than about 0.5 atm (0 .0506625 MPa) or less than about 1 atm (0.101325 MPa). In some cases, the low pressure limit may be about 1 atmosphere (atm) (0.101325 MPa). In the case of a working fluid operating in an open cycle, the low pressure limit may be about 1 atm (0.101325 MPa) or equal to ambient pressure.
[0065] Em alguns casos, o valor do limite de baixa pressão pode ser selecionado com base nos requisitos de saída de energia e/ou entrada de energia desejados do ciclo termodinâmico. Por exemplo, um sistema térmico bombeado com um limite de baixa pressão de cerca de 10 atm (1,01325 MPa) pode ser capaz de fornecer uma saída de energia comparável a uma turbina a gás industrial com entrada de ar ambiente (1 atm) (0,101325 MPa). O valor do limite de baixa pressão também pode estar sujeito a compensações de custo/segurança. Além disso, o valor do limite de baixa pressão pode ser limitado pelo valor do limite de alta pressão, os intervalos de operação de lado quente e do meio de armazenamento de calor (por exemplo, intervalos de pressão e temperatura sobre os quais os meios de armazenamento de calor são estáveis), taxas de pressão e condições operacionais (por exemplo, limites de operação, condições ótimas de operação, queda de pressão) alcançadas por turbomáquinas e/ou outros componentes do sistema, ou qualquer combinação dos mesmos. O limite de alta pressão pode ser determinado de acordo com essas restrições do sistema. Em alguns casos, valores mais altos do limite de alta pressão podem levar a uma melhor transferência de calor entre o fluido de trabalho e o meio de armazenamento de lado quente.[0065] In some cases, the low pressure limit value may be selected based on the desired energy output and/or energy input requirements of the thermodynamic cycle. For example, a pumped thermal system with a low pressure limit of about 10 atm (1.01325 MPa) may be capable of providing power output comparable to an industrial gas turbine with ambient air input (1 atm) ( 0.101325 MPa). The value of the low pressure limit may also be subject to cost/safety tradeoffs. Furthermore, the value of the low pressure limit may be limited by the value of the high pressure limit, the hot side and heat storage medium operating ranges (e.g., pressure and temperature ranges over which the heat storage media heat storage are stable), pressure rates and operating conditions (e.g. operating limits, optimum operating conditions, pressure drop) achieved by turbomachinery and/or other system components, or any combination thereof. The high pressure limit can be determined according to these system constraints. In some cases, higher values of the high pressure limit can lead to better heat transfer between the working fluid and the hot-side storage medium.
[0066] Fluidos de trabalho utilizados em sistemas térmicos bombeados podem incluir ar, argônio, outros gases nobres, dióxido de carbono, hidrogênio, oxigênio, ou qualquer combinação dos mesmos, e/ou outros fluidos em estado gasoso, líquido, crítico, ou estado supercrítico (por exemplo, CO2 supercrítico). O fluido de trabalho pode ser um gás ou um líquido de baixa viscosidade (por exemplo, viscosidade abaixo de cerca de 500x10-6 Poise a 1 atm (0,101325 MPa), satisfazendo a exigência de que o fluxo seja contínuo. Em algumas implementações, um gás com uma alta taxa específica de calor pode ser usado para alcançar maior eficiência de ciclo do que um gás com uma baixa taxa de calor específico. Por exemplo, o argônio (por exemplo, razão de calor específica de cerca de 1,66) pode ser usado para substituir o ar (por exemplo, razão de calor específica de cerca de 1,4). Em alguns casos, o fluido de trabalho pode ser uma mistura de um, dois, três ou mais fluidos. Em um exemplo, o hélio (com alta condutividade térmica e alto calor específico) pode ser adicionado ao fluido de trabalho (por exemplo, argônio) para melhorar as taxas de transferência de calor nos permutadores de calor.[0066] Working fluids used in pumped thermal systems may include air, argon, other noble gases, carbon dioxide, hydrogen, oxygen, or any combination thereof, and/or other fluids in a gaseous, liquid, critical, or critical state. supercritical (e.g. supercritical CO2). The working fluid may be a gas or a low viscosity liquid (e.g. viscosity below about 500x10-6 Poise at 1 atm (0.101325 MPa), satisfying the requirement that the flow be continuous. In some implementations , a gas with a high specific heat ratio can be used to achieve higher cycle efficiency than a gas with a low specific heat ratio, for example, argon (e.g. specific heat ratio of about 1.66. ) can be used to replace air (e.g. specific heat ratio of about 1.4). In some cases, the working fluid may be a mixture of one, two, three or more fluids. Helium (with high thermal conductivity and high specific heat) can be added to the working fluid (e.g. argon) to improve heat transfer rates in heat exchangers.
[0067] Aqui, os sistemas térmicos bombeados podem utilizar meios ou materiais de armazenamento de calor, tais como um ou mais fluidos de armazenamento de calor. Os meios de armazenamento de calor podem ser gases ou líquidos de baixa viscosidade, satisfazendo a exigência de que o fluxo seja contínuo. Os sistemas podem utilizar um primeiro meio de armazenamento de calor em um lado quente do sistema (“meio de armazenamento térmico de lado quente (HTS)” ou “HTS” aqui) e um segundo meio de armazenamento de calor em um lado frio do sistema (“meio de armazenamento térmico de lado frio (CTS) ”ou “CTS” aqui). Os meios de armazenamento térmico (por exemplo, líquidos de baixa viscosidade) podem ter altas capacidades de calor por unidade de volume (por exemplo, capacidades de calor acima de 1400 Joule (quilograma Kelvin)- 1) e altas condutividades térmicas (por exemplo, condutividade térmica acima de 0,7 Watt Kelvin)-1). Em algumas implementações, vários meios de armazenamento térmico diferentes (também "meio de armazenamento de calor" aqui) ou no lado quente, no lado frio ou no lado quente e no lado frio podem ser usados.[0067] Here, pumped thermal systems may utilize heat storage media or materials, such as one or more heat storage fluids. The heat storage media can be gases or low viscosity liquids, satisfying the requirement that the flow be continuous. Systems may utilize a first heat storage medium on a hot side of the system (“hot side thermal storage (HTS) medium” or “HTS” here) and a second heat storage medium on a cold side of the system. (“cold-side thermal storage (CTS) medium” or “CTS” here). Thermal storage media (e.g. low viscosity liquids) can have high heat capacities per unit volume (e.g. heat capacities above 1400 Joule (kilogram Kelvin)-1) and high thermal conductivities (e.g. thermal conductivity above 0.7 Watt Kelvin)-1). In some implementations, several different thermal storage media (also "heat storage medium" here) either hot side, cold side, or hot side and cold side may be used.
[0068] As temperaturas de operação do meio de armazenamento térmico de lado quente podem estar no intervalo líquido do meio de armazenamento térmico de lado quente, e as temperaturas de operação do meio de armazenamento térmico de lado frio podem estar no intervalo líquido do meio de armazenamento térmico de lado frio. Em alguns exemplos, os líquidos podem permitir uma troca mais rápida de grandes quantidades de calor por contra-fluxo convectivo do que sólidos ou gases. Assim, em alguns casos, os meios de HTS e CTS líquidos podem ser utilizados com vantagem. Os sistemas térmicos bombeados que utilizam aqui meios de armazenamento térmico podem, vantajosamente, fornecer uma alternativa de armazenamento de energia segura, não tóxica e independente da geografia (por exemplo, eletricidade).[0068] The operating temperatures of the hot-side thermal storage medium may be in the net range of the hot-side thermal storage medium, and the operating temperatures of the cold-side thermal storage medium may be in the net range of the hot-side thermal storage medium. cold side thermal storage. In some examples, liquids may allow faster exchange of large amounts of heat by convective counterflow than solids or gases. Thus, in some cases, liquid HTS and CTS media may be used with advantage. Pumped thermal systems using thermal storage means here can advantageously provide a safe, non-toxic and geography-independent energy storage alternative (e.g. electricity).
[0069] Em algumas implementações, o meio de armazenamento térmico de lado quente pode ser um sal fundido ou uma mistura de sais fundidos. Qualquer sal ou mistura de sal que seja líquida ao longo do intervalo de temperatura de operação do meio de armazenamento térmico de lado quente pode ser empregue. Os sais fundidos podem fornecer inúmeras vantagens como meio de armazenamento de energia térmica, como baixa pressão de vapor, falta de toxicidade, estabilidade química, baixa reatividade química com aços típicos (por exemplo, ponto de fusão abaixo da temperatura de fluência dos aços, baixa corrosividade, baixa capacidade de dissolução ferro e níquel) e baixo custo. Em um exemplo, o HTS é uma mistura de nitrato de sódio e nitrato de potássio. Em alguns exemplos, o HTS é uma mistura eutética de nitrato de sódio e nitrato de potássio. Em alguns exemplos, o HTS é uma mistura de nitrato de sódio e nitrato de potássio com um ponto de fusão mais baixo do que os constituintes individuais, um ponto de ebulição mais alto do que os constituintes individuais ou uma combinação destes. Outros exemplos incluem nitrato de potássio, nitrato de cálcio, nitrato de sódio, nitrito de sódio, nitrato de lítio, óleo mineral, ou qualquer combinação destes. Exemplos adicionais incluem quaisquer meios gasosos (incluindo gases comprimidos), líquidos ou sólidos (por exemplo, sólidos em pó) com capacidades de armazenamento térmico adequadas (por exemplo, altas) e/ou capazes de atingir taxas de transferência de calor adequadas (por exemplo, altas) com o fluido de trabalho. Por exemplo, uma mistura de 60% de nitrato de sódio e 40% de nitrato de potássio (também conhecido como sal solar em algumas situações) pode ter uma capacidade térmica de aproximadamente 1500 Joule (Kelvin mole)-1 e uma condutividade térmica de aproximadamente 0,75 Watt (metro Kelvin)-1 dentro de um intervalo de temperatura de interesse. O meio de armazenamento térmico de lado quente pode ser operado em um intervalo de temperatura que os aços estruturais podem manipular.[0069] In some implementations, the hot-side thermal storage medium may be a molten salt or a mixture of molten salts. Any salt or salt mixture that is liquid over the operating temperature range of the hot-side thermal storage medium may be employed. Molten salts can provide numerous advantages as a means of storing thermal energy, such as low vapor pressure, lack of toxicity, chemical stability, low chemical reactivity with typical steels (e.g., melting point below the creep temperature of steels, low corrosivity, low capacity for dissolving iron and nickel) and low cost. In one example, HTS is a mixture of sodium nitrate and potassium nitrate. In some examples, HTS is a eutectic mixture of sodium nitrate and potassium nitrate. In some examples, HTS is a mixture of sodium nitrate and potassium nitrate with a lower melting point than the individual constituents, a higher boiling point than the individual constituents, or a combination thereof. Other examples include potassium nitrate, calcium nitrate, sodium nitrate, sodium nitrite, lithium nitrate, mineral oil, or any combination thereof. Additional examples include any gaseous (including compressed gases), liquid, or solid (e.g., powdered solids) media with adequate (e.g., high) thermal storage capabilities and/or capable of achieving adequate heat transfer rates (e.g., , high) with the working fluid. For example, a mixture of 60% sodium nitrate and 40% potassium nitrate (also known as solar salt in some situations) may have a heat capacity of approximately 1500 Joule (mol Kelvin)-1 and a thermal conductivity of approximately 0.75 Watt (meter Kelvin)-1 within a temperature range of interest. The hot-side thermal storage medium can be operated in a temperature range that structural steels can handle.
[0070] Em alguns casos, a água líquida a temperaturas de cerca de 0 °C a 100 °C (cerca de 273 K-373 K) e uma pressão de cerca de 1 atm (0,101325 MPa). pode ser utilizada como meio de armazenamento térmico de lado frio. Devido a um possível risco de explosão associado à presença de vapor no ponto de ebulição da água, ou perto dele, a temperatura de operação pode ser mantida abaixo de 100 °C ou menos, mantendo uma pressão operacional de 1 atm (0,101325 MPa) (sem pressurização). Em alguns casos, o intervalo operacional de temperatura do meio de armazenamento térmico de lado frio pode ser estendido (por exemplo, a -30 °C a 100 °C a 1 atm (0,101325 MPa)) usando uma mistura de água e um ou mais compostos anticongelantes (por exemplo, etilenoglicol, propilenoglicol ou glicerol).[0070] In some cases, liquid water at temperatures of about 0 °C to 100 °C (about 273 K-373 K) and a pressure of about 1 atm (0.101325 MPa). can be used as a cold-side thermal storage medium. Due to a possible explosion hazard associated with the presence of steam at or near the boiling point of water, the operating temperature may be maintained below 100°C or less while maintaining an operating pressure of 1 atm (0.101325 MPa ) (without pressurization). In some cases, the operating temperature range of the cold-side thermal storage medium can be extended (e.g., to -30°C to 100°C at 1 atm (0.101325 MPa)) using a mixture of water and a or more antifreeze compounds (e.g. ethylene glycol, propylene glycol or glycerol).
[0071] Como descrito em maior detalhe em outras partes deste documento, a eficiência de armazenamento melhorada pode ser conseguida aumentando a diferença de temperatura à qual o sistema opera, por exemplo, utilizando um fluido de armazenamento de calor de lado frio capaz de funcionar a temperaturas mais baixas. Em alguns exemplos, o meio de armazenamento térmico de lado frio pode compreender hidrocarbonetos, tais como, por exemplo, alcanos (por exemplo, hexano ou heptano), alcenos, alcinos, aldeídos, cetonas, ácidos carboxílicos (por exemplo, HCOOH), éteres, cicloalcanos, hidrocarbonetos aromáticos, álcoois (por exemplo, butanol), outro(s) tipo(s) de moléculas de hidrocarbonetos, ou quaisquer combinações destes. Em alguns casos, o meio de armazenamento térmico de lado frio pode ser hexano (por exemplo, n-hexano). O hexano tem um amplo intervalo líquido e pode permanecer fluido (ou seja, líquido) em todo seu intervalo líquido (-94 °C a 68 °C em 1 atm (0,101325 MPa). Propriedades de baixa temperatura dos hexanos são auxiliadas pela sua imiscibilidade com a água. Outros líquidos, tais como, por exemplo, etanol ou metanol, podem tornar-se viscosos nas extremidades de baixa temperatura dos seus intervalos líquidos devido à pré- cristalização da água absorvida pelo ar. Em alguns casos, o meio de armazenamento térmico de lado frio pode ser heptano (por exemplo, n-heptano). O heptano tem um amplo intervalo líquido e pode permanecer fluido (ou seja, líquido) em todo seu intervalo líquido (-91 °C a 98 °C em 1 atm (0,101325 MPa). As propriedades de baixa temperatura do heptano são auxiliadas pela sua imiscibilidade com a água. Em temperaturas ainda mais baixas, outros meios de armazenamento de calor podem ser usados, como, por exemplo, isohexano (2-metilpentano). Em alguns exemplos, líquidos criogênicos com pontos de ebulição abaixo de -150 °C (123 K) ou cerca de -180 °C (93,15 K) podem ser usados como meio de armazenamento térmico de lado frio (por exemplo, propano, butano, pentano, nitrogênio, hélio, néon, argônio e criptônio, ar, hidrogênio, metano ou gás natural liquefeito). Em algumas implementações, a escolha do meio de armazenamento térmico de lado frio pode ser limitada pela escolha do fluido de trabalho. Por exemplo, quando é utilizado um fluido de trabalho gasoso, pode ser necessário um meio de armazenamento térmico de lado frio do líquido tendo um intervalo de temperatura de líquido pelo menos parcialmente ou substancialmente acima do ponto de ebulição do fluido de trabalho.[0071] As described in greater detail elsewhere in this document, improved storage efficiency can be achieved by increasing the temperature difference at which the system operates, for example, by utilizing a cold-side heat storage fluid capable of operating at lower temperatures. In some examples, the cold-side thermal storage medium may comprise hydrocarbons such as, for example, alkanes (e.g., hexane or heptane), alkenes, alkynes, aldehydes, ketones, carboxylic acids (e.g., HCOOH), ethers , cycloalkanes, aromatic hydrocarbons, alcohols (e.g., butanol), other type(s) of hydrocarbon molecules, or any combinations thereof. In some cases, the cold-side thermal storage medium may be hexane (e.g., n-hexane). Hexane has a wide liquid range and can remain fluid (i.e. liquid) throughout its liquid range (-94°C to 68°C at 1 atm (0.101325 MPa). Low temperature properties of hexanes are aided by the its immiscibility with water. Other liquids, such as, for example, ethanol or methanol, may become viscous at the low temperature ends of their liquid ranges due to pre-crystallization of water absorbed by the air. Cold-side thermal storage can be heptane (e.g., n-heptane). Heptane has a wide liquid range and can remain fluid (i.e., liquid) throughout its liquid range (-91°C to 98°C). 1 atm (0.101325 MPa). The low temperature properties of heptane are aided by its immiscibility with water. At even lower temperatures, other heat storage media can be used, such as isohexane (2-). methylpentane). In some examples, cryogenic liquids with boiling points below -150 °C (123 K) or about -180 °C (93.15 K) can be used as a cold-side thermal storage medium (e.g. , propane, butane, pentane, nitrogen, helium, neon, argon and krypton, air, hydrogen, methane or liquefied natural gas). In some implementations, the choice of cold-side thermal storage medium may be limited by the choice of working fluid. For example, when a gaseous working fluid is used, a liquid cold-side thermal storage means having a liquid temperature range at least partially or substantially above the boiling point of the working fluid may be required.
[0072] Em alguns casos, o intervalo de temperatura de operação dos meios de CTS e/ou HTS pode ser alterado por pressurizar (ou seja, aumentando a pressão) ou evacuar (isto é, diminuindo a pressão) os tanques e assim alterar a temperatura na qual os meios de armazenamento passam por transições de fase (por exemplo, indo de líquido para sólido, ou de líquido para gás).[0072] In some cases, the operating temperature range of the CTS and/or HTS means can be changed by pressurizing (i.e., increasing pressure) or evacuating (i.e., decreasing pressure) the tanks and thereby changing the temperature at which storage media undergo phase transitions (e.g., going from liquid to solid, or from liquid to gas).
[0073] Em alguns casos, os fluidos de armazenamento de calor de lado quente e de lado frio dos sistemas térmicos bombeados estão em um estado líquido em pelo menos uma parte do intervalo de temperatura de operação do dispositivo de armazenamento de energia. O fluido de armazenamento de calor de lado quente pode ser líquido dentro de um determinado intervalo de temperaturas. Da mesma forma, o fluido de armazenamento de calor de lado frio pode ser líquido dentro de um determinado intervalo de temperaturas. Os fluidos de armazenamento de calor podem ser aquecidos, resfriados ou mantidos para atingir uma temperatura operacional adequada antes, durante ou após a operação.[0073] In some cases, the hot-side and cold-side heat storage fluids of pumped thermal systems are in a liquid state in at least a portion of the operating temperature range of the energy storage device. The hot-side heat storage fluid can be liquid within a certain temperature range. Likewise, the cold-side heat storage fluid can be liquid within a certain temperature range. Heat storage fluids can be heated, cooled, or maintained to reach a suitable operating temperature before, during, or after operation.
[0074] Sistemas térmicos bombeados da divulgação podem circular entre os modos carregado e descarregado. Em alguns exemplos, os sistemas térmicos bombeados podem ser totalmente carregados, parcialmente carregados ou parcialmente descarregados, ou totalmente descarregados. Em alguns casos, o armazenamento de calor no lado frio pode ser carregado (também "recarregado" aqui) independentemente do armazenamento de calor de lado quente. Além disso, em algumas implementações, a carga (ou parte dela) e a descarga (ou parte dela) podem ocorrer simultaneamente. Por exemplo, uma primeira porção de um armazenamento de calor de lado quente pode ser recarregada enquanto uma segunda porção do armazenamento de calor de lado quente juntamente com um armazenamento de calor de lado frio estão sendo descarregados.[0074] Pumped thermal systems of the disclosure can cycle between charged and discharged modes. In some examples, pumped thermal systems may be fully charged, partially charged or partially discharged, or fully discharged. In some cases, cold-side heat storage can be charged (also "recharged" here) independently of hot-side heat storage. Furthermore, in some implementations, charging (or part thereof) and discharging (or part thereof) may occur simultaneously. For example, a first portion of a hot-side heat storage may be recharged while a second portion of the hot-side heat storage together with a cold-side heat storage are being discharged.
[0075] Os sistemas térmicos bombeados podem ser capazes de armazenar energia por um determinado período de tempo. Em alguns casos, uma dada quantidade de energia pode ser armazenada durante pelo menos cerca de 1 segundo, pelo menos cerca de 30 segundos, pelo menos cerca de 1 minuto, pelo menos cerca de 5 minutos, pelo menos cerca de 30 minutos, pelo menos cerca de 1 hora, pelo menos cerca de 2 horas, pelo menos cerca de 3 horas, pelo menos cerca de 4 horas, pelo menos cerca de 5 horas, pelo menos cerca de 6 horas, pelo menos cerca de 7 horas, pelo menos cerca de 8 horas, pelo menos cerca de 9 horas, pelo menos cerca de 10 horas, pelo menos cerca de 12 horas pelo menos cerca de 14 horas, pelo menos cerca de 16 horas, pelo menos cerca de 18 horas, pelo menos cerca de 20 horas, pelo menos cerca de 22 horas, pelo menos cerca de 24 horas (1 dia), pelo menos cerca de 2 dias, pelo menos cerca de 4 dias, pelo menos cerca de 6 dias, pelo menos cerca de 8 dias, pelo menos cerca de 10 dias, 20 dias, 30 dias, 60 dias, 100 dias, 1 ano ou mais.[0075] Pumped thermal systems may be capable of storing energy for a certain period of time. In some cases, a given amount of energy may be stored for at least about 1 second, at least about 30 seconds, at least about 1 minute, at least about 5 minutes, at least about 30 minutes, at least about 1 hour, at least about 2 hours, at least about 3 hours, at least about 4 hours, at least about 5 hours, at least about 6 hours, at least about 7 hours, at least about 8 hours, at least about 9 hours, at least about 10 hours, at least about 12 hours, at least about 14 hours, at least about 16 hours, at least about 18 hours, at least about 20 hours, at least about 22 hours, at least about 24 hours (1 day), at least about 2 days, at least about 4 days, at least about 6 days, at least about 8 days, at least about 10 days, 20 days, 30 days, 60 days, 100 days, 1 year or more.
[0076] Os sistemas térmicos bombeados da divulgação podem ser capazes de armazenar/receber entrada de, e/ou extrair/fornecer saída de uma quantidade substancialmente grande de energia e/ou potência para uso com sistemas de geração de energia (por exemplo, sistemas de geração de energia intermitentes como energia eólica ou energia solar), sistemas de distribuição de energia (por exemplo, rede elétrica) e/ou outras cargas ou usos em escala de grade ou configurações independentes. Durante um modo de carga de um sistema térmico bombeado, a energia elétrica recebida de uma fonte de energia externa (por exemplo, um sistema de energia eólica, um sistema de energia solar fotovoltaica, uma rede elétrica, etc.) pode ser usada para operar o sistema térmico bombeado em um modo de bomba de calor (ou seja, transferir calor de um reservatório de baixa temperatura para um reservatório de alta temperatura, assim armazenando energia). Durante um modo de descarga do sistema térmico bombeado, o sistema pode fornecer energia elétrica a um sistema de energia externo ou carga (por exemplo, uma ou mais redes elétricas conectadas a uma ou mais cargas, uma carga, como uma fábrica ou um processo de energia intensiva, etc.) operando em modo de motor de calor (ou seja, transferindo calor de um reservatório de alta temperatura para um reservatório de baixa temperatura, assim extraindo energia). Como descrito aqui, durante a carga e/ou descarga, o sistema pode receber ou rejeitar energia térmica, incluindo, mas não limitado a, energia eletromagnética (por exemplo, radiação solar) e energia térmica (por exemplo, energia sensível a partir de um meio aquecido por radiação solar, calor de combustão, etc.).[0076] The pumped thermal systems of the disclosure may be capable of storing/receiving input from, and/or extracting/providing output of, a substantially large amount of energy and/or power for use with power generation systems (e.g., systems intermittent power generation systems such as wind power or solar power), power distribution systems (e.g. electrical grid) and/or other loads or uses in grid-scale or stand-alone configurations. During a load mode of a pumped thermal system, electrical energy received from an external energy source (e.g., a wind energy system, a solar photovoltaic energy system, an electrical grid, etc.) can be used to operate the thermal system pumped in a heat pump mode (i.e. transferring heat from a low-temperature reservoir to a high-temperature reservoir, thus storing energy). During a pumped thermal system discharge mode, the system may supply electrical energy to an external power system or load (e.g., one or more electrical grids connected to one or more loads, a load such as a factory or a manufacturing process). energy intensive, etc.) operating in heat engine mode (i.e. transferring heat from a high temperature reservoir to a low temperature reservoir, thus extracting energy). As described herein, during charging and/or discharging, the system may receive or reject thermal energy, including, but not limited to, electromagnetic energy (e.g., solar radiation) and thermal energy (e.g., sensible energy from a medium heated by solar radiation, combustion heat, etc.).
[0077] Em algumas implementações, os sistemas térmicos bombeados são síncronos à grade. A sincronização pode ser conseguida combinando a velocidade e a frequência de motores/geradores e/ou turbomáquinas de um sistema com a frequência de uma ou mais redes de grade com as quais o sistema troca energia. Por exemplo, um compressor e uma turbina podem girar em uma determinada velocidade fixa (por exemplo, 3600 rotações por minuto (rpm)) que é um múltiplo da frequência da grade (por exemplo, 60 hertz (Hz)). Em alguns casos, essa configuração pode eliminar a necessidade de componentes eletrônicos de energia adicionais. Em algumas implementações, a turbomáquina e/ou os motores/geradores não são sincronizados à grade. Em tais casos, a correspondência de frequência pode ser realizada através do uso de eletrônica de energia. Em algumas implementações, a turbomáquina e/ou os motores/geradores não são diretamente síncronos à rede, mas podem ser combinados através do uso de engrenagens e/ou uma caixa de engrenagens mecânica. Como descrito em maior detalhe em outro local, os sistemas térmicos bombeados podem também ser passáveis (“rampable”). Tais capacidades podem permitir que esses sistemas de armazenamento de energia de escala de grade operem como plantas de energia de pico e/ou como carga após usinas de energia. Em alguns casos, os sistemas da divulgação podem ser capazes de operar como plantas de energia de carga de base.[0077] In some implementations, the pumped thermal systems are synchronous to the grid. Synchronization can be achieved by combining the speed and frequency of a system's motors/generators and/or turbomachinery with the frequency of one or more grid networks with which the system exchanges energy. For example, a compressor and turbine may rotate at a certain fixed speed (e.g., 3600 revolutions per minute (rpm)) that is a multiple of the grid frequency (e.g., 60 hertz (Hz)). In some cases, this configuration can eliminate the need for additional power electronics. In some implementations, the turbomachinery and/or motors/generators are not synchronized to the grid. In such cases, frequency matching can be accomplished through the use of power electronics. In some implementations, the turbomachinery and/or motors/generators are not directly synchronous to the grid, but can be combined through the use of gears and/or a mechanical gearbox. As described in greater detail elsewhere, pumped thermal systems can also be rampable. Such capabilities could enable these grid-scale energy storage systems to operate as peaking power plants and/or as load after power plants. In some cases, the systems of the disclosure may be capable of operating as baseload power plants.
[0078] Os sistemas térmicos bombeados podem ter uma determinada capacidade de energia. Em alguns casos, a capacidade de energia durante a carga pode diferir da capacidade de energia durante a descarga. Por exemplo, cada sistema pode ter uma capacidade de carga e/ou descarga de menos de 1 megawatt (MW), pelo menos cerca de 1 megawatt, pelo menos cerca de 2 MW, pelo menos cerca de 3 MW, pelo menos cerca de 4 MW, pelo menos cerca de 5 MW, pelo menos cerca de 6 MW, pelo menos cerca de 7 MW, pelo menos cerca de 8 MW, pelo menos cerca de 9 MW, pelo menos cerca de 10 MW, pelo menos 20 MW, pelo menos cerca de 30 MW, pelo menos 40 MW, pelo menos cerca de 50 MW, pelo menos cerca de 75 MW, pelo menos cerca de 100 MW, pelo menos cerca de 200 MW, pelo menos cerca de 500 MW, pelo menos 1 gigawatt (GW), pelo menos 2 GW, pelo menos cerca de 5 GW, pelo menos cerca de 10 GW, pelo menos cerca de 20 GW, pelo menos cerca de 30 GW, pelo menos cerca de 40 GW, pelo menos cerca de 50 GW, pelo menos cerca de 75 GW, pelo menos cerca de 100 GW, ou mais.[0078] Pumped thermal systems can have a certain energy capacity. In some cases, the energy capacity during charging may differ from the energy capacity during discharge. For example, each system may have a charging and/or discharging capacity of less than 1 megawatt (MW), at least about 1 megawatt, at least about 2 MW, at least about 3 MW, at least about 4 MW, at least about 5 MW, at least about 6 MW, at least about 7 MW, at least about 8 MW, at least about 9 MW, at least about 10 MW, at least 20 MW, at least at least about 30 MW, at least about 40 MW, at least about 50 MW, at least about 75 MW, at least about 100 MW, at least about 200 MW, at least about 500 MW, at least about 1 gigawatt (GW), at least about 2 GW, at least about 5 GW, at least about 10 GW, at least about 20 GW, at least about 30 GW, at least about 40 GW, at least about 50 GW , at least about 75 GW, at least about 100 GW, or more.
[0079] Os sistemas térmicos bombeados podem ter uma determinada capacidade de armazenamento de energia. Em um exemplo, um sistema térmico bombeado é configurado como uma unidade de 100 MW operando por 10 horas. Em outro exemplo, um sistema térmico bombeado é configurado como uma planta de 1 GW operando por 12 horas. Em alguns casos, a capacidade de armazenamento de energia pode ser inferior a 1 megawatt-hora (MWh), pelo menos cerca de 1 megawatt-hora, pelo menos cerca de 10 MWh, pelo menos cerca de 100 MWh, pelo menos 1 gigawatt hora (GWh) pelo menos cerca de 5 GWh, pelo menos cerca de 10 GWh, pelo menos cerca de 20 GWh, pelo menos 50 GWh, pelo menos cerca de 100 GWh, pelo menos cerca de 200 GWh, pelo menos cerca de 500 GWh, pelo menos cerca de 700 GWh, pelo menos GWh ou mais.[0079] Pumped thermal systems can have a certain energy storage capacity. In one example, a pumped thermal system is configured as a 100 MW unit operating for 10 hours. In another example, a pumped thermal system is configured as a 1 GW plant operating for 12 hours. In some cases, the energy storage capacity may be less than 1 megawatt-hour (MWh), at least about 1 megawatt-hour, at least about 10 MWh, at least about 100 MWh, at least 1 gigawatt-hour (GWh) at least about 5 GWh, at least about 10 GWh, at least about 20 GWh, at least about 50 GWh, at least about 100 GWh, at least about 200 GWh, at least about 500 GWh, at least around 700 GWh, at least GWh or more.
[0080] Em alguns casos, uma dada capacidade de energia pode ser obtida com um determinado tamanho, configuração e/ou condições operacionais do ciclo do motor de calor/bomba de calor. Por exemplo, tamanho de turbomáquinas, dutos, permutadores de calor ou outros componentes do sistema podem corresponder a uma determinada capacidade de energia.[0080] In some cases, a given energy capacity can be obtained with a certain size, configuration and/or operating conditions of the heat engine/heat pump cycle. For example, size of turbomachinery, ducts, heat exchangers or other system components may correspond to a certain energy capacity.
[0081] Em algumas implementações, uma dada capacidade de armazenamento de energia pode ser alcançada com um determinado tamanho e/ou número de tanques de armazenamento térmico de lado quente e/ou tanques de armazenamento térmico de lado frio. Por exemplo, o ciclo de motor de calor/bomba de calor pode operar em uma determinada capacidade de energia por um determinado período de tempo definido pela capacidade de armazenamento de calor do sistema ou da planta. O número e/ou a capacidade de armazenamento de calor dos tanques de armazenamento térmico de lado quente podem ser diferentes do número e/ou da capacidade de armazenamento de calor dos tanques de armazenamento térmico de lado frio. O número de tanques pode depender do tamanho dos tanques individuais. O tamanho dos tanques de armazenamento de lado quente pode diferir do tamanho dos tanques de armazenamento térmico de lado frio. Em alguns casos, os tanques de armazenamento térmico de lado quente, o permutador de calor de lado quente e o meio de armazenamento térmico de lado quente podem ser referidos como uma unidade de armazenamento de calor (térmica) de lado quente. Em alguns casos, os tanques de armazenamento térmico de lado frio, o permutador de calor de lado frio e o meio de armazenamento térmico de lado frio podem ser referidos como uma unidade de armazenamento de calor de lado frio (térmico).[0081] In some implementations, a given energy storage capacity can be achieved with a certain size and/or number of hot-side thermal storage tanks and/or cold-side thermal storage tanks. For example, the heat engine/heat pump cycle may operate at a certain energy capacity for a certain period of time defined by the heat storage capacity of the system or plant. The number and/or heat storage capacity of hot side thermal storage tanks may be different from the number and/or heat storage capacity of cold side thermal storage tanks. The number of tanks may depend on the size of the individual tanks. The size of hot side storage tanks may differ from the size of cold side thermal storage tanks. In some cases, the hot-side thermal storage tanks, the hot-side heat exchanger, and the hot-side thermal storage medium may be referred to as a hot-side (thermal) heat storage unit. In some cases, the cold-side thermal storage tanks, the cold-side heat exchanger, and the cold-side thermal storage medium may be referred to as a cold-side (thermal) heat storage unit.
[0082] Uma instalação de armazenamento térmico bombeado pode incluir qualquer número adequado de tanques de armazenamento de lado quente, tal como pelo menos cerca de 2, pelo menos cerca de 4, pelo menos cerca de 10, pelo menos cerca de 50, pelo menos cerca de 100, pelo menos cerca de 500 cerca de 1.000, pelo menos cerca de 5.000, pelo menos cerca de 10.000, e assim por diante. Em alguns exemplos, uma instalação de armazenamento térmico bombeado inclui 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1.000 ou mais tanques laterais quentes.[0082] A pumped thermal storage facility may include any suitable number of hot-side storage tanks, such as at least about 2, at least about 4, at least about 10, at least about 50, at least about 100, at least about 500 about 1,000, at least about 5,000, at least about 10,000, and so on. In some examples, a pumped thermal storage facility includes 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200 , 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000 or more hot side tanks.
[0083] Uma instalação de armazenamento térmico bombeado também pode incluir qualquer número adequado de tanques de armazenamento de lado frio, tais como pelo menos cerca de 2, pelo menos cerca de 4, pelo menos cerca de 10, pelo menos cerca de 50, pelo menos cerca de 100, pelo menos cerca de 500, pelo menos cerca de 1.000, pelo menos cerca de 5.000, pelo menos cerca de 10.000, e assim por diante. Em alguns exemplos, uma instalação de armazenamento térmico bombeado inclui 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1.000 ou mais tanques de lado frio.[0083] A pumped thermal storage facility may also include any suitable number of cold-side storage tanks, such as at least about 2, at least about 4, at least about 10, at least about 50, at least about at least about 100, at least about 500, at least about 1,000, at least about 5,000, at least about 10,000, and so on. In some examples, a pumped thermal storage facility includes 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 200 , 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1,000 or more cold side tanks.
[0084] Um aspecto da divulgação refere-se a sistemas térmicos bombeados que operam em ciclos de armazenamento térmico bombeado. Em alguns exemplos, os ciclos permitem que a eletricidade seja armazenada como calor (por exemplo, na forma de um diferencial de temperatura) e depois reconvertida em eletricidade através do uso de pelo menos dois componentes de turbomáquinas, um compressor e uma turbina. O compressor consome trabalho e aumenta a temperatura e a pressão de um fluido de trabalho (WF). A turbina produz trabalho e reduz a temperatura e a pressão do fluido de trabalho. Em alguns exemplos, mais de um compressor e mais de uma turbina são usados. Em alguns casos, o sistema pode incluir pelo menos 1, pelo menos 2, pelo menos 3, pelo menos 4 ou pelo menos 5 compressores. Em alguns casos, o sistema pode incluir pelo menos 1, pelo menos 2, pelo menos 3, pelo menos 4 ou pelo menos 5 turbinas. Os compressores podem ser dispostos em série ou em paralelo. As turbinas podem ser dispostas em série ou em paralelo.[0084] One aspect of the disclosure relates to pumped thermal systems that operate in pumped thermal storage cycles. In some examples, cycles allow electricity to be stored as heat (for example, in the form of a temperature differential) and then converted back to electricity through the use of at least two turbomachinery components, a compressor and a turbine. The compressor consumes work and increases the temperature and pressure of a working fluid (WF). The turbine produces work and reduces the temperature and pressure of the working fluid. In some examples, more than one compressor and more than one turbine are used. In some cases, the system may include at least 1, at least 2, at least 3, at least 4, or at least 5 compressors. In some cases, the system may include at least 1, at least 2, at least 3, at least 4, or at least 5 turbines. Compressors can be arranged in series or in parallel. The turbines can be arranged in series or in parallel.
[0085] As Figuras 2 e 3 são fluxogramas esquemáticos de fluido de trabalho e meio de armazenamento de calor de um sistema térmico bombeado exemplar em um modo de carga/bomba de calor e em um modo de descarga/motor de calor, respectivamente. O sistema pode ser idealizado para simplificar a explicação para que não haja perdas (ou seja, geração de entropia) nem na turbomáquina ou nos permutadores de calor. O sistema pode incluir um fluido de trabalho 20 (por exemplo, gás argônio) fluindo em um ciclo fechado entre um compressor 1, um permutador de calor de lado quente 2, uma turbina 3 e um permutador de calor de lado frio 4. Percursos/direções de fluxo de fluido para o fluido de trabalho 20 (por exemplo, um gás), um meio de armazenamento térmico de lado quente (HTS) 21 (por exemplo, um líquido de baixa viscosidade) e um meio de armazenamento térmico de lado frio (CTS) 22 (por exemplo, um líquido de baixa viscosidade) são indicados por setas.[0085] Figures 2 and 3 are schematic flowcharts of working fluid and heat storage medium of an exemplary pumped thermal system in a load/heat pump mode and in a discharge/heat engine mode, respectively. The system can be designed to simplify the explanation so that there are no losses (i.e., entropy generation) either in the turbomachinery or in the heat exchangers. The system may include a working fluid 20 (e.g., argon gas) flowing in a closed cycle between a compressor 1, a hot-side heat exchanger 2, a turbine 3, and a cold-side heat exchanger 4. Paths/ fluid flow directions for the working fluid 20 (e.g., a gas), a hot-side thermal storage medium (HTS) 21 (e.g., a low-viscosity liquid), and a cold-side thermal storage medium (CTS) 22 (e.g. a low viscosity liquid) are indicated by arrows.
[0086] As Figuras 4 e 5 são diagramas esquemáticos de pressão e temperatura do fluido de trabalho 20 à medida que esse passa pelos ciclos de carga nas Figuras 2 e 3, respectivamente, mais uma vez simplificados na aproximação da geração sem entropia. A pressão normalizada é mostrada no eixo y e a temperatura é mostrada no eixo x. A direção dos processos ocorrendo durante os ciclos é indicada com setas, e os processos individuais ocorrendo no compressor 1, o CFX de lado quente 2, a turbina 3 e o CFX de lado frio 4 são indicados no diagrama com seus respectivos numerais.[0086] Figures 4 and 5 are schematic diagrams of pressure and temperature of the working fluid 20 as it passes through the load cycles in Figures 2 and 3, respectively, once again simplified to the approximation of entropy-free generation. Normalized pressure is shown on the y-axis and temperature is shown on the x-axis. The direction of processes occurring during the cycles is indicated with arrows, and the individual processes occurring in compressor 1, hot-side CFX 2, turbine 3, and cold-side CFX 4 are indicated on the diagram with their respective numerals.
[0087] Os permutadores de calor 2 e 4 podem ser configurados como permutadores de calor de contrafluxo (CFXs), onde o fluido de trabalho flui em uma direção e a substância com a qual ele está trocando calor está fluindo na direção oposta. Em um permutador de calor de contrafluxo ideal com fluxos corretamente combinados (isto é, capacidades ou taxas de fluxo de capacidade balanceadas), as temperaturas do fluido de trabalho e do meio de armazenamento térmico são invertidas (isto é, o permutador de calor de contrafluxo pode ter eficácia de unidade).[0087] Heat exchangers 2 and 4 can be configured as counterflow heat exchangers (CFXs), where the working fluid flows in one direction and the substance with which it is exchanging heat is flowing in the opposite direction. In an ideal counterflow heat exchanger with correctly matched flows (i.e., balanced capacities or capacity flow rates), the temperatures of the working fluid and thermal storage medium are reversed (i.e., the counterflow heat exchanger may have unit effectiveness).
[0088] Os permutadores de calor de contrafluxo 2 e 4 podem ser projetados e/ou operados para reduzir a geração de entropia nos permutadores de calor a níveis insignificantes em comparação à geração de entropia associada a outros componentes e/ou processos do sistema (por exemplo, geração de entropia de compressor e/ou turbina). Em alguns casos, o sistema pode ser operado de forma que a geração de entropia no sistema seja minimizada. Por exemplo, o sistema pode ser operado de tal modo que a geração de entropia associada a unidades de armazenamento de calor seja minimizada. Em alguns casos, uma diferença de temperatura entre os elementos fluidos trocando calor pode ser controlada durante a operação, de tal modo que a geração de entropia nas unidades de armazenamento de calor de lado quente e de lado frio é minimizada. Em alguns casos, a entropia gerada nas unidades de armazenamento de calor de lado quente e de lado frio é insignificante quando comparada à entropia gerada pelo compressor, pela turbina ou por tanto o compressor e a turbina. Em alguns casos, a geração de entropia associada à transferência de calor nos permutadores de calor 2 e 4 e/ou geração de entropia associada à operação da unidade de armazenamento de lado quente, a unidade de armazenamento de lado frio ou ambas as unidades de armazenamento de lado quente e frio pode ser inferior a cerca de 50%, inferior a cerca de 25%, inferior a cerca de 20%, inferior a cerca de 15%, inferior a cerca de 10%, inferior a cerca de 5%, inferior a cerca de 4%, inferior a cerca de 3% 2%, ou inferior a cerca de 1% da entropia total gerada dentro do sistema (por exemplo, entropia gerada pelo compressor 1, o permutador de calor de lado quente 2, a turbina 3, o permutador de calor de lado frio 4 e/ou outros componentes descritos como, por exemplo, um recuperador). Por exemplo, a geração de entropia pode ser reduzida ou minimizada se as duas substâncias que trocam calor o fizerem em um diferencial de temperatura local ΔT ^ 0 (ou seja, quando a diferença de temperatura entre quaisquer dois elementos de fluido que estão em contato térmico próximo no permutador de calor é pequena). Em alguns exemplos, o diferencial de temperatura ΔT entre quaisquer dois elementos de fluido que estão em contato térmico próximo pode ser inferior a cerca de 300 Kelvin (K) (26,85 °C), inferior a cerca de 200 K (-73,15 °C), inferior a cerca de 100 K (-173,15 °C), inferior a cerca de 75 K (-198,15 °C), inferior a cerca de 50 K (-223,15 °C), inferior a cerca de 40 K (-233,15 °C), inferior a cerca de 30 K (-243,15 °C), inferior a cerca de 20 K (-253,15 °C), inferior a cerca de 10 K (-263,15 °C), inferior a cerca de 5 K (-268,15 °C), inferior a cerca de 3 K (-270,15 °C), inferior a cerca de 2 K (-271,15 °C) ou inferior a cerca de 1 K (-272,15 °C). Em outro exemplo, a geração de entropia associada à queda de pressão pode ser reduzida ou minimizada pelo projeto adequado. Em alguns exemplos, o processo de troca de calor pode ocorrer a uma pressão constante ou quase constante. Alternativamente, uma queda de pressão não negligenciável pode ser experimentada pelo fluido de trabalho e/ou um ou mais meios de armazenamento térmico durante a passagem através de um permutador de calor. A queda de pressão nos permutadores de calor pode ser controlada (por exemplo, reduzida ou minimizada) através do projeto adequado do permutador de calor. Em alguns exemplos, a queda de pressão em cada permutador de calor pode ser inferior a cerca de 20% da pressão de entrada, inferior a cerca de 10% da pressão de entrada, inferior a cerca de 5% da pressão de entrada, inferior a cerca de 3% da pressão de entrada, inferior a cerca de 2% da pressão de entrada, inferior a cerca de 1% da pressão de entrada, inferior a cerca de 0,5% da pressão de entrada, inferior a cerca de 0,25% da pressão de entrada ou inferior a cerca de 0,1% da pressão de entrada.[0088] Counterflow heat exchangers 2 and 4 can be designed and/or operated to reduce entropy generation in the heat exchangers to negligible levels compared to entropy generation associated with other system components and/or processes (e.g. example, compressor and/or turbine entropy generation). In some cases, the system can be operated in such a way that the generation of entropy in the system is minimized. For example, the system can be operated in such a way that the generation of entropy associated with heat storage units is minimized. In some cases, a temperature difference between the fluid elements exchanging heat can be controlled during operation, such that the generation of entropy in the hot-side and cold-side heat storage units is minimized. In some cases, the entropy generated in the hot-side and cold-side heat storage units is insignificant when compared to the entropy generated by the compressor, the turbine, or both the compressor and the turbine. In some cases, entropy generation associated with heat transfer in heat exchangers 2 and 4 and/or entropy generation associated with the operation of the hot-side storage unit, the cold-side storage unit, or both storage units hot and cold side may be less than about 50%, less than about 25%, less than about 20%, less than about 15%, less than about 10%, less than about 5%, less to about 4%, less than about 3%, 2%, or less than about 1% of the total entropy generated within the system (e.g., entropy generated by compressor 1, the hot-side heat exchanger 2, the turbine 3, the cold-side heat exchanger 4 and/or other described components such as, for example, a recuperator). For example, entropy generation can be reduced or minimized if the two substances exchanging heat do so at a local temperature differential ΔT^0 (i.e., when the temperature difference between any two fluid elements that are in thermal contact next to the heat exchanger is small). In some examples, the temperature differential ΔT between any two fluid elements that are in close thermal contact may be less than about 300 Kelvin (K) (26.85 °C), less than about 200 K (-73. 15 °C), less than about 100 K (-173.15 °C), less than about 75 K (-198.15 °C), less than about 50 K (-223.15 °C), less than about 40 K (-233.15 °C), less than about 30 K (-243.15 °C), less than about 20 K (-253.15 °C), less than about 10 K (-263.15 °C), less than about 5 K (-268.15 °C), less than about 3 K (-270.15 °C), less than about 2 K (-271. 15°C) or less than about 1K (-272.15°C). In another example, the entropy generation associated with pressure drop can be reduced or minimized by proper design. In some examples, the heat exchange process may occur at constant or near-constant pressure. Alternatively, a non-negligible pressure drop may be experienced by the working fluid and/or one or more thermal storage means during passage through a heat exchanger. Pressure drop across heat exchangers can be controlled (e.g., reduced or minimized) through proper heat exchanger design. In some examples, the pressure drop across each heat exchanger may be less than about 20% of the inlet pressure, less than about 10% of the inlet pressure, less than about 5% of the inlet pressure, less than about about 3% of inlet pressure, less than about 2% of inlet pressure, less than about 1% of inlet pressure, less than about 0.5% of inlet pressure, less than about 0, 25% of inlet pressure or less than about 0.1% of inlet pressure.
[0089] Ao entrar no permutador de calor 2, a temperatura do fluido de trabalho pode ou aumentar (tomando calor do meio de HTS 21, correspondente ao modo de descarga nas Figura 3 e 5) ou diminuir (dando calor ao meio de HTS 21, correspondendo ao modo de carga nas Figuras 2 e 4), dependendo da temperatura do meio de HTS no permutador de calor em relação à temperatura do fluido de trabalho. Do mesmo modo, ao entrar no permutador de calor 4, a temperatura do fluido de trabalho pode ou aumentar (tomando calor do meio de CTS 22, correspondente ao modo de carga nas Figura 2 e 4) ou diminuir (dando calor ao meio de CTS 22, correspondendo ao modo de descarga nas Figuras 3 e 5), dependendo da temperatura do meio de CTS no permutador de calor em relação à temperatura do fluido de trabalho.[0089] Upon entering heat exchanger 2, the temperature of the working fluid can either increase (taking heat from the HTS medium 21, corresponding to the discharge mode in Figures 3 and 5) or decrease (giving heat to the HTS medium 21 , corresponding to the charging mode in Figures 2 and 4), depending on the temperature of the HTS medium in the heat exchanger relative to the temperature of the working fluid. Likewise, upon entering heat exchanger 4, the temperature of the working fluid can either increase (taking heat from the CTS medium 22, corresponding to the charging mode in Figures 2 and 4) or decrease (giving heat to the CTS medium 22, corresponding to the discharge mode in Figures 3 and 5), depending on the temperature of the CTS medium in the heat exchanger relative to the temperature of the working fluid.
[0090] Como descrito em mais detalhe com referência ao modo de carga nas Figuras 2 e 4, o processo de adição de calor no CFX de lado frio 4 pode ocorrer em um intervalo de temperaturas diferente do processo de remoção de calor no CFX de lado quente 2. Similarmente, no modo de descarga nas Figuras 3 e 5, o processo de rejeição de calor no CFX de lado frio 4 pode ocorrer em um intervalo de temperatura diferente do processo de adição de calor no CFX de lado quente 2. Pelo menos uma parte dos intervalos de temperatura dos processos de troca de calor de lado quente e lado frio pode se sobrepor durante a carga, durante a descarga ou durante a carga e a descarga.[0090] As described in more detail with reference to the charging mode in Figures 2 and 4, the heat addition process in the cold side CFX 4 can occur in a different temperature range from the heat removal process in the cold side CFX 4. Similarly, in the discharge mode in Figures 3 and 5, the heat rejection process in cold-side CFX 4 may occur in a different temperature range than the heat addition process in hot-side CFX 2. At least a portion of the temperature ranges of the hot-side and cold-side heat exchange processes may overlap during charging, during discharging, or during charging and discharging.
[0091] Tal como aqui utilizado, as temperaturas T0, T1, T0+ e T1+ são assim chamadas porque T0+, T1+ são as temperaturas alcançadas com a saída de um compressor com uma dada taxa de compressão r, eficiência adiabática nc e temperaturas de entrada de T0, T1 respectivamente. Os exemplos nas Figuras 2, 3, 4 e 5 podem ser exemplos idealizados onde nc = 1 e onde a eficiência adiabática da turbina também tem o valor nt = 1.[0091] As used herein, the temperatures T0, T1, T0+ and T1+ are so called because T0+, T1+ are the temperatures reached with the outlet of a compressor with a given compression ratio r, adiabatic efficiency nc and inlet temperatures of T0, T1 respectively. The examples in Figures 2, 3, 4 and 5 may be idealized examples where nc = 1 and where the adiabatic turbine efficiency also has the value nt = 1.
[0092] Com referência ao modo de carga mostrado nas Figuras 2 e 4, o fluido de trabalho 20 pode entrar no compressor 1 na posição 30 a uma pressão P e uma temperatura T (por exemplo, a T1, P 2). À medida que o fluido de trabalho passa pelo compressor, o trabalho W1 é consumido pelo compressor para aumentar a pressão e a temperatura do fluido de trabalho (por exemplo, para T1+, P1), conforme indicado por Pj e Tj na posição 31. No modo de carga, a temperatura T1+ do fluido de trabalho saindo do compressor e entrando no CFX de lado quente 2 na posição 31 é maior que a temperatura do meio de HTS 21 entrando no CFX de lado quente 2 na posição 32 a partir de um segundo tanque de armazenamento térmico de lado quente 7 a uma temperatura T0+ (isto é, T0+ < T1+). Como estes dois líquidos passam em contato térmico uns com os outros no permutador de calor, a temperatura do fluido de trabalho diminui à medida que ele se move a partir da posição 31, posição 34, liberando calor Q1 ao meio de HTS, enquanto a temperatura do meio de HTS por sua vez aumenta à medida que se move a partir da posição 32 para a posição 33, absorvendo calor Q1 a partir do fluido de trabalho. Em um exemplo, o fluido de trabalho sai do CFX de lado quente 2 na posição 34 à temperatura T0+ e o meio de HTS sai do CFX de lado quente 2 na posição 33 para um primeiro tanque de armazenamento térmico de lado quente 6 à temperatura T1+. O processo de troca de calor pode ocorrer a uma pressão constante ou quase constante, de modo que o fluido de trabalho saia de CFX de lado quente 2 na posição 34 a uma temperatura mais baixa, mas com a mesma pressão P1, conforme indicado por P e Tj na posição 34. Similarmente, a temperatura do meio de HTS 21 aumenta no CFX de lado quente 2, enquanto a sua pressão pode permanecer constante ou quase constante.[0092] With reference to the charging mode shown in Figures 2 and 4, the working fluid 20 can enter the compressor 1 at position 30 at a pressure P and a temperature T (e.g., at T1, P 2). As the working fluid passes through the compressor, work W1 is consumed by the compressor to increase the pressure and temperature of the working fluid (e.g., for T1+, P1), as indicated by Pj and Tj at position 31. charge mode, the temperature T1+ of the working fluid leaving the compressor and entering the hot side CFX 2 at position 31 is greater than the temperature of the medium of HTS 21 entering the hot side CFX 2 at position 32 from one second hot side thermal storage tank 7 at a temperature T0+ (i.e. T0+ < T1+). As these two liquids pass into thermal contact with each other in the heat exchanger, the temperature of the working fluid decreases as it moves from position 31 to position 34, releasing heat Q1 to the HTS medium, while the temperature The medium's HTS in turn increases as it moves from position 32 to position 33, absorbing heat Q1 from the working fluid. In one example, the working fluid leaves the hot-side CFX 2 at position 34 at temperature T0+ and the HTS medium leaves the hot-side CFX 2 at position 33 to a first hot-side thermal storage tank 6 at temperature T1+ . The heat exchange process can occur at a constant or nearly constant pressure, so that the working fluid leaves CFX hot side 2 at position 34 at a lower temperature but at the same pressure P1, as indicated by P and Tj at position 34. Similarly, the temperature of the medium of HTS 21 increases in hot-side CFX 2, while its pressure may remain constant or nearly constant.
[0093] Ao sair do CFX de lado quente 2 na posição 34 (por exemplo, em T0+, P1), o fluido de trabalho 20 sofre expansão na turbina 3 antes de sair da turbina na posição 35. Durante a expansão, a pressão e a temperatura da turbina do fluido de trabalho diminuem (por exemplo, para T0, P2), conforme indicado por Pj e Tj na posição 35. A magnitude de trabalho W2 gerado pela turbina depende da entalpia do fluido de trabalho que entra na turbina e o grau de expansão. No modo de carga, o calor é removido do fluido de trabalho entre as posições 31 e 34 (no CFX de lado quente 2) e o fluido de trabalho é expandido de volta para a pressão na qual entrou inicialmente no compressor na posição 30 (por exemplo, P2). A taxa de compressão (por exemplo, P1/P2) no compressor 1 é igual à taxa de expansão na turbina 3, e a entalpia do gás que entra na turbina é menor do que a entalpia do gás que sai do compressor, o trabalho W2 gerado pela turbina 3 é menor do que o trabalho W1 consumido pelo compressor 1 (ou seja, W2 < W1).[0093] Upon exiting the hot-side CFX 2 at position 34 (e.g., at T0+, P1), the working fluid 20 undergoes expansion in turbine 3 before exiting the turbine at position 35. During expansion, the pressure and the working fluid turbine temperature decreases (e.g., to T0, P2), as indicated by Pj and Tj at position 35. The magnitude of work W2 generated by the turbine depends on the enthalpy of the working fluid entering the turbine and the degree of expansion. In charge mode, heat is removed from the working fluid between positions 31 and 34 (in hot-side CFX 2) and the working fluid is expanded back to the pressure at which it initially entered the compressor at position 30 (for example, P2). The compression ratio (e.g. P1/P2) in compressor 1 is equal to the expansion ratio in turbine 3, and the enthalpy of the gas entering the turbine is less than the enthalpy of the gas leaving the compressor, the work W2 generated by turbine 3 is less than the work W1 consumed by compressor 1 (i.e., W2 < W1).
[0094] Porque o calor foi retirado do fluido de trabalho no CFX de lado quente 2, a temperatura T0 em que o fluido de trabalho sai da turbina na posição 35 é mais baixa do que a temperatura T1 na qual o fluido de trabalho inicialmente entrou no compressor na posição 30. Para fechar o ciclo (ou seja, para retornar a pressão e a temperatura do fluido de trabalho aos seus valores iniciais T1, P2 na posição 30), calor Q2 é adicionado ao fluido de trabalho a partir do meio de CTS 22 no CFX de lado frio 4 entre as posições 35 e 30 (isto é, entre a turbina 3 e o compressor 1). Em um exemplo, o meio de CTS 22 entra no CFX de lado frio 4 na posição 36 a partir de um primeiro tanque de armazenamento térmico de lado frio 8 à temperatura T1 e sai do CFX de lado frio 4 na posição 37 em um segundo tanque de armazenamento térmico de lado frio 9 à temperatura T0, enquanto o fluido de trabalho 20 entra no CFX de lado frio 4 na posição 35 à temperatura T0 e sai do CFX de lado frio 4 na posição 30 à temperatura T1. Novamente, o processo de troca de calor pode ocorrer a uma pressão constante ou quase constante, de modo que o fluido de trabalho saia de CFX de lado frio 2 na posição 30 a uma temperatura mais alta, mas mesma pressão P2, como indicado por P e T$ na posição 30. Similarmente, a temperatura do meio de CTS 22 diminui no CFX de lado frio 2, enquanto a sua pressão pode permanecer constante ou quase constante.[0094] Because heat has been removed from the working fluid in hot-side CFX 2, the temperature T0 at which the working fluid leaves the turbine at position 35 is lower than the temperature T1 at which the working fluid initially entered in the compressor at position 30. To close the cycle (i.e., to return the pressure and temperature of the working fluid to their initial values T1, P2 at position 30), heat Q2 is added to the working fluid from the medium of CTS 22 on cold side CFX 4 between positions 35 and 30 (i.e. between turbine 3 and compressor 1). In one example, the CTS medium 22 enters the cold-side CFX 4 at position 36 from a first cold-side thermal storage tank 8 at temperature T1 and exits the cold-side CFX 4 at position 37 in a second tank. of cold-side thermal storage 9 at temperature T0, while the working fluid 20 enters the cold-side CFX 4 at position 35 at temperature T0 and leaves the cold-side CFX 4 at position 30 at temperature T1. Again, the heat exchange process can occur at a constant or nearly constant pressure, so that the working fluid leaves CFX cold side 2 at position 30 at a higher temperature but same pressure P2, as indicated by P and T$ at position 30. Similarly, the temperature of the medium of CTS 22 decreases in cold-side CFX 2, while its pressure may remain constant or nearly constant.
[0095] Durante a carga, o calor Q2 é removido do meio de CTS e o calor Q1 é adicionado ao meio de HTS, em que Q1 > Q2. Uma quantidade líquida de trabalho W1 - W2 é consumida, uma vez que o trabalho W1 utilizado pelo compressor é maior que o trabalho W2 gerado pela turbina. Um dispositivo que consome trabalho enquanto move o calor de um corpo frio ou meio de armazenamento térmico para um corpo quente ou meio de armazenamento térmico é uma bomba de calor; assim, o sistema térmico bombeado no modo de carga opera como uma bomba de calor.[0095] During charging, heat Q2 is removed from the CTS medium and heat Q1 is added to the HTS medium, where Q1 > Q2. A net amount of work W1 - W2 is consumed, since the work W1 used by the compressor is greater than the work W2 generated by the turbine. A device that consumes work while moving heat from a cold body or thermal storage medium to a hot body or thermal storage medium is a heat pump; thus, the pumped thermal system in load mode operates as a heat pump.
[0096] Em um exemplo, o modo de descarga mostrado nas Figuras 3 e 5 pode diferir do modo de carga mostrado nas Figuras 2 e 4 nas temperaturas do meio de armazenamento térmico sendo introduzidas nos permutadores de calor. A temperatura à qual o meio de HTS entra no CFX de lado quente 2 na posição 32 é T1+ em vez de T0+, e a temperatura do meio de CTS que entra no CFX de lado frio 4 na posição 36 é T0 em vez de T1. Durante a descarga, o fluido de trabalho entra no compressor na posição 30 em T0 e P2, sai do compressor na posição 31 em T0+ < T1+ e P1, absorve calor do meio de HTS no CFX de lado quente 2, entra na turbina 3 na posição 34 em T1+ e P1, sai da turbina na posição 35 em T1 > T0 e P2 e, finalmente, rejeita o calor para o meio de CTS no CFX de lado frio 4, retornando ao seu estado inicial na posição 30 em T0 e P2.[0096] In one example, the discharge mode shown in Figures 3 and 5 may differ from the charge mode shown in Figures 2 and 4 in the temperatures of the thermal storage medium being introduced into the heat exchangers. The temperature at which the HTS medium enters the hot-side CFX 2 at position 32 is T1+ instead of T0+, and the temperature of the CTS medium entering the cold-side CFX 4 at position 36 is T0 instead of T1. During discharge, the working fluid enters the compressor at position 30 at T0 and P2, leaves the compressor at position 31 at T0+ < T1+ and P1, absorbs heat from the HTS medium in hot-side CFX 2, enters turbine 3 at position 34 at T1+ and P1, leaves the turbine at position 35 at T1 > T0 and P2 and finally rejects heat to the CTS medium in cold side CFX 4, returning to its initial state at position 30 at T0 and P2 .
[0097] O meio de HTS na temperatura T1+ pode ser armazenado em um primeiro tanque de armazenamento térmico de lado quente 6, o meio de HTS à temperatura T0+ pode ser armazenado em um segundo tanque de armazenamento térmico de lado quente 7, o meio de CTS à temperatura T1 pode ser armazenado em um primeiro tanque de armazenamento térmico de lado frio 8, e o meio de CTS à temperatura T0 pode ser armazenado em um segundo tanque de armazenamento térmico de lado frio 9 durante ambos os modos de carga e de descarga. Em uma implementação, a temperatura de entrada do meio de HTS na posição 32 pode ser comutada entre T1+ e T0+ por comutação entre os tanques 6 e 7, respectivamente. Similarmente, a temperatura de entrada do meio de CTS na posição 36 pode ser comutada entre T1 e T0 por comutação entre os tanques 8 e 9, respectivamente. A comutação entre tanques pode ser conseguida incluindo uma válvula ou um sistema de válvulas (por exemplo, sistemas de válvulas 12 e 13 na Figura 7) para comutar conexões entre o permutador de calor de lado quente 2 e os tanques de lado quente 6 e 7, e/ou entre o permutador de calor de lado frio 4 e os tanques de lado frio 8 e 9 conforme necessário para os modos de carga e descarga. Em algumas implementações, conexões podem ser ligadas no lado do fluido de trabalho, enquanto as conexões dos tanques de armazenamento 6, 7, 8 e 9 aos permutadores de calor 2 e 4 permanecem estáticas. Em alguns exemplos, os percursos de fluxo e as conexões aos permutadores de calor podem depender do projeto (por exemplo, invólucro-e-tubo) de cada permutador de calor. Em algumas implementações, uma ou mais válvulas podem ser usadas para mudar a direção do fluido de trabalho e do meio de armazenamento de calor através do permutador de calor de contrafluxo na carga e descarga. Tais configurações podem ser utilizadas, por exemplo, devido às elevadas capacidades de armazenamento térmico do componente de permutador de calor, para diminuir ou eliminar transientes de temperatura, ou uma combinação destes. Em algumas implementações, uma ou mais válvulas podem ser usadas para mudar a direção somente do fluido de trabalho, enquanto a direção do HTS ou do CTS pode ser alterada mudando a direção do bombeamento, mantendo assim a configuração do contrafluxo. Em algumas implementações, diferentes configurações de válvula podem ser usadas para o HTS e o CTS. Além disso, qualquer combinação das configurações de válvula pode ser usada. Por exemplo, o sistema pode ser configurado para operar usando diferentes configurações de válvula em diferentes situações (por exemplo, dependendo das condições operacionais do sistema).[0097] The HTS medium at temperature T1+ can be stored in a first hot-side thermal storage tank 6, the HTS medium at temperature T0+ can be stored in a second hot-side thermal storage tank 7, the HTS medium at temperature T1+ can be stored in a second hot-side thermal storage tank 7, the CTS at temperature T1 may be stored in a first cold-side thermal storage tank 8, and the CTS medium at temperature T0 may be stored in a second cold-side thermal storage tank 9 during both loading and unloading modes. . In one implementation, the inlet temperature of the HTS medium at position 32 can be switched between T1+ and T0+ by switching between tanks 6 and 7, respectively. Similarly, the inlet temperature of the CTS medium at position 36 can be switched between T1 and T0 by switching between tanks 8 and 9, respectively. Switching between tanks can be achieved by including a valve or valve system (e.g., valve systems 12 and 13 in Figure 7) to switch connections between the hot-side heat exchanger 2 and the hot-side tanks 6 and 7 , and/or between the cold-side heat exchanger 4 and the cold-side tanks 8 and 9 as required for loading and unloading modes. In some implementations, connections may be connected on the working fluid side, while connections from storage tanks 6, 7, 8 and 9 to heat exchangers 2 and 4 remain static. In some examples, flow paths and connections to heat exchangers may depend on the design (e.g., shell-and-tube) of each heat exchanger. In some implementations, one or more valves may be used to change the direction of the working fluid and heat storage medium through the counterflow heat exchanger upon loading and unloading. Such configurations may be used, for example, due to the high thermal storage capabilities of the heat exchanger component, to reduce or eliminate temperature transients, or a combination thereof. In some implementations, one or more valves can be used to change the direction of the working fluid only, while the direction of the HTS or CTS can be changed by changing the pumping direction, thus maintaining the counterflow configuration. In some implementations, different valve configurations may be used for the HTS and CTS. Additionally, any combination of valve configurations can be used. For example, the system may be configured to operate using different valve configurations in different situations (e.g., depending on system operating conditions).
[0098] No modo de descarga mostrado nas Figuras 3 e 5, o fluido de trabalho 20 pode entrar no compressor 1 na posição 30 a uma pressão P e uma temperatura T (por exemplo, a T0, P2). À medida que o fluido de trabalho passa pelo compressor, o trabalho W1 é consumido pelo compressor para aumentar a pressão e a temperatura do fluido de trabalho (por exemplo, para To+, Pi), conforme indicado por P$ e T$ na posição 31. No modo de descarga, a temperatura T0+ do fluido de trabalho que sai do compressor e entra no CFX de lado quente 2 na posição 31 é menor do que a temperatura do meio de HTS 21 que entra no CFX de lado quente 2 na posição 32 de um primeiro tanque de armazenamento térmico de lado quente 6 a uma temperatura T1+ (isto é, T0+ < T1+). Como estes dois líquidos passam em contato térmico uns com os outros no permutador de calor, a temperatura do fluido de trabalho aumenta, uma vez que se move da posição 31 para posição 34, absorvendo calor Q1 do meio de HTS, enquanto a temperatura do meio de HTS, por sua vez diminui à medida se move da posição 32 para a posição 33, liberando calor Q1 para o fluido de trabalho. Em um exemplo, o fluido de trabalho sai do CFX de lado quente 2 na posição 34 à temperatura T1+ e o meio de HTS sai do CFX de lado quente 2 na posição 33 para o segundo tanque de armazenamento térmico de lado quente 7 à temperatura T0+. O processo de troca de calor pode ocorrer a uma pressão constante ou quase constante, de modo que o fluido de trabalho saia de CFX de lado quente 2 na posição 34 a uma temperatura mais alta, mas com a mesma pressão P1, conforme indicado por P e T$ na posição 34. Similarmente, a temperatura do meio de HTS 21 diminui no CFX de lado quente 2, enquanto a sua pressão pode permanecer constante ou quase constante.[0098] In the discharge mode shown in Figures 3 and 5, working fluid 20 can enter compressor 1 at position 30 at a pressure P and a temperature T (e.g., at T0, P2). As the working fluid passes through the compressor, work W1 is consumed by the compressor to increase the pressure and temperature of the working fluid (e.g., to To+, Pi), as indicated by P$ and T$ in position 31 In discharge mode, the temperature T0+ of the working fluid leaving the compressor and entering the hot side CFX 2 at position 31 is lower than the temperature of the HTS 21 medium entering the hot side CFX 2 at position 32. of a first hot-side thermal storage tank 6 at a temperature T1+ (i.e., T0+ < T1+). As these two liquids pass into thermal contact with each other in the heat exchanger, the temperature of the working fluid increases as it moves from position 31 to position 34, absorbing Q1 heat from the HTS medium, while the temperature of the medium of HTS in turn decreases as it moves from position 32 to position 33, releasing heat Q1 to the working fluid. In one example, the working fluid leaves the hot-side CFX 2 at position 34 at temperature T1+ and the HTS medium leaves the hot-side CFX 2 at position 33 to the second hot-side thermal storage tank 7 at temperature T0+ . The heat exchange process can occur at a constant or nearly constant pressure, so that the working fluid leaves CFX hot side 2 at position 34 at a higher temperature but at the same pressure P1, as indicated by P and T$ at position 34. Similarly, the temperature of the medium of HTS 21 decreases in hot-side CFX 2, while its pressure may remain constant or nearly constant.
[0099] Ao sair do CFX de lado quente 2 na posição 34 (por exemplo, em T1+, P1), o fluido de trabalho 20 sofre expansão na turbina 3 antes de sair da turbina na posição 35. Durante a expansão, a pressão e a temperatura da turbina do fluido de trabalho diminuem (por exemplo, para T1, P2), conforme indicado por P; e T; na posição 35. A magnitude de trabalho W2 gerado pela turbina depende da entalpia do fluido de trabalho que entra na turbina e o grau de expansão. No modo de descarga, é adicionado calor ao fluido de trabalho entre as posições 31 e 34 (no CFX de lado quente 2) e o fluido de trabalho é expandido de volta para a pressão na qual entrou inicialmente no compressor na posição 30 (por exemplo, P2). A taxa de compressão (por exemplo, P1/P2) no compressor 1 é igual à taxa de expansão na turbina 3 e a entalpia do gás que entra na turbina é maior do que a entalpia do gás que sai do compressor, o trabalho W2 gerado pela turbina 3 é maior do que o trabalho W1 consumido pelo compressor 1 (ou seja, W2 > W1).[0099] Upon exiting the hot-side CFX 2 at position 34 (e.g., at T1+, P1), the working fluid 20 undergoes expansion in turbine 3 before exiting the turbine at position 35. During expansion, the pressure and the working fluid turbine temperature decreases (e.g., for T1, P2), as indicated by P; and T; in position 35. The magnitude of work W2 generated by the turbine depends on the enthalpy of the working fluid entering the turbine and the degree of expansion. In discharge mode, heat is added to the working fluid between positions 31 and 34 (in hot-side CFX 2) and the working fluid is expanded back to the pressure at which it initially entered the compressor at position 30 (e.g. , P2). The compression ratio (e.g. P1/P2) in compressor 1 is equal to the expansion ratio in turbine 3 and the enthalpy of the gas entering the turbine is greater than the enthalpy of the gas leaving the compressor, the work W2 generated by turbine 3 is greater than the work W1 consumed by compressor 1 (i.e. W2 > W1).
[00100] Porque calor foi adicionado ao fluido de trabalho no CFX de lado quente 2, a temperatura T1 na qual o fluido de trabalho sai da turbina na posição 35 é mais elevada do que a temperatura T0 em que o fluido de trabalho inicialmente entrou no compressor na posição 30. Para fechar o ciclo (ou seja, para retornar a pressão e a temperatura do fluido de trabalho aos seus valores iniciais T0, P2 na posição 30), o calor Q2 é rejeitado pelo fluido de trabalho para o meio de CTS 22 no CFX de lado frio 4 entre as posições 35 e 30 (isto é, entre a turbina 3 e o compressor 1). O meio de CTS 22 entra no CFX de lado frio 4 na posição 36 a partir de um segundo tanque de armazenamento térmico de lado frio 9 à temperatura T0 e sai do CFX de lado frio 4 na posição 37 para um tanque de primeiro de armazenamento térmico de lado frio 8 à temperatura T1, enquanto que o fluido de trabalho 20 entra no CFX de lado frio 4 na posição 35 à temperatura T1 e sai do CFX de lado frio 4 na posição 30 à temperatura T0. Novamente, o processo de troca de calor pode ocorrer a uma pressão constante ou quase constante, de modo que o fluido de trabalho saia de CFX de lado frio 2 na posição 30 a uma temperatura mais alta, mas mesma pressão P2, como indicado por P e T; na posição 30. Similarmente, a temperatura do meio de CTS 22 aumenta no CFX de lado frio 2, enquanto a sua pressão pode permanecer constante ou quase constante.[00100] Because heat has been added to the working fluid in hot-side CFX 2, the temperature T1 at which the working fluid leaves the turbine at position 35 is higher than the temperature T0 at which the working fluid initially entered the compressor in position 30. To close the cycle (i.e., to return the pressure and temperature of the working fluid to their initial values T0, P2 in position 30), the heat Q2 is rejected by the working fluid into the CTS medium 22 on cold side CFX 4 between positions 35 and 30 (i.e. between turbine 3 and compressor 1). The CTS medium 22 enters the cold-side CFX 4 at position 36 from a second cold-side thermal storage tank 9 at temperature T0 and leaves the cold-side CFX 4 at position 37 to a first thermal storage tank cold side 8 at temperature T1, while the working fluid 20 enters the cold side CFX 4 at position 35 at temperature T1 and leaves the cold side CFX 4 at position 30 at temperature T0. Again, the heat exchange process can occur at a constant or nearly constant pressure, so that the working fluid leaves CFX cold side 2 at position 30 at a higher temperature but same pressure P2, as indicated by P and T; at position 30. Similarly, the temperature of the medium of CTS 22 increases in cold-side CFX 2, while its pressure may remain constant or nearly constant.
[00101] Durante a descarga, calor Q2 é adicionado ao meio de CTS e o calor Q1 é removido do meio de HTS, em que Q1 > Q2. Uma quantidade líquida de trabalho W2 - W1 é gerada, uma vez que o trabalho W1 utilizado pelo compressor é menor que o trabalho W2 gerado pela turbina. Um dispositivo que gera trabalho enquanto move o calor de um corpo quente ou de um meio de armazenamento térmico para um corpo frio ou um meio de armazenamento térmico é um motor de calor; assim, o sistema térmico bombeado no modo de descarga opera como um motor de calor.[00101] During discharge, heat Q2 is added to the CTS medium and heat Q1 is removed from the HTS medium, where Q1 > Q2. A net amount of work W2 - W1 is generated, since the work W1 used by the compressor is less than the work W2 generated by the turbine. A device that generates work while moving heat from a hot body or thermal storage medium to a cold body or thermal storage medium is a heat engine; thus, the pumped thermal system in discharge mode operates as a heat engine.
[00102] A Figura 6 é uma vista em perspectiva esquemática simplificada de um sistema de fluido de trabalho fechado no sistema térmico bombeado nas Figuras 2-3. Como indicado, o fluido de trabalho 20 (contido no interior da tubulação) circula no sentido horário entre o compressor 1, o permutador de calor de lado quente 2, a turbina 3 e o permutador de calor de lado frio 4. O compressor 1 e a turbina 3 podem ser agrupados em uma haste mecânica comum 10 tal que eles rodam juntos. Em algumas implementações, o compressor 1 e a turbina 3 podem ter hastes mecânicas separadas. Um motor/gerador 11 (por exemplo, incluindo um motor síncrono - conversor de gerador síncrono em uma única haste comum) fornece energia de e para a turbomáquina. Neste exemplo, o compressor, a turbina e o motor/gerador estão todos localizados em uma haste comum. Os tubos nas posições 32 e 33 transferem fluido de armazenamento térmico de lado quente para e a partir do permutador de calor de lado quente 2, respectivamente. Os tubos nas posições 36 e 37 transferem o fluido de armazenamento térmico de lado frio para e a partir do permutador de calor de lado frio 4, respectivamente.[00102] Figure 6 is a simplified schematic perspective view of a working fluid system closed in the pumped thermal system in Figures 2-3. As indicated, the working fluid 20 (contained within the piping) circulates clockwise between the compressor 1, the hot-side heat exchanger 2, the turbine 3 and the cold-side heat exchanger 4. The compressor 1 and The turbine 3 may be grouped together on a common mechanical rod 10 such that they rotate together. In some implementations, compressor 1 and turbine 3 may have separate mechanical rods. A motor/generator 11 (e.g. including a synchronous motor - synchronous generator converter on a single common shaft) provides power to and from the turbomachinery. In this example, the compressor, turbine and motor/generator are all located on a common rod. The tubes at positions 32 and 33 transfer hot-side thermal storage fluid to and from the hot-side heat exchanger 2, respectively. The tubes at positions 36 and 37 transfer the cold-side thermal storage fluid to and from the cold-side heat exchanger 4, respectively.
[00103] Embora o sistema da Figura 6 seja ilustrado como compreendendo um compressor 1 e turbina 3, o sistema pode incluir um ou mais compressores e uma ou mais turbinas, que podem operar, por exemplo, em uma configuração paralela, ou alternativamente em uma configuração em série ou em uma combinação de configurações paralela e em série. Em alguns exemplos, um sistema de compressores ou turbinas pode ser montado de tal modo que uma determinada taxa de compressão seja alcançada. Em alguns casos, diferentes taxas de compressão (por exemplo, sobre carga e descarga) podem ser usadas (por exemplo, conectando ou desconectando, em uma configuração paralela e/ou em série, um ou mais compressores ou turbinas do sistema de compressores ou turbinas). Em alguns exemplos, o fluido de trabalho é direcionado para uma pluralidade de compressores e/ou uma pluralidade de turbinas. Em alguns exemplos, o compressor e/ou turbina podem ter taxas de compressão dependentes da temperatura. O arranjo e/ou operação da turbomáquina e/ou outros elementos do sistema podem ser ajustados de acordo com a dependência da temperatura (por exemplo, para otimizar o desempenho).[00103] Although the system of Figure 6 is illustrated as comprising a compressor 1 and turbine 3, the system may include one or more compressors and one or more turbines, which may operate, for example, in a parallel configuration, or alternatively in a series configuration or a combination of parallel and series configurations. In some examples, a system of compressors or turbines may be assembled such that a certain compression ratio is achieved. In some cases, different compression ratios (e.g., over charge and discharge) may be used (e.g., by connecting or disconnecting, in a parallel and/or series configuration, one or more compressors or turbines of the compressor or turbine system ). In some examples, the working fluid is directed to a plurality of compressors and/or a plurality of turbines. In some examples, the compressor and/or turbine may have temperature-dependent compression ratios. The arrangement and/or operation of the turbomachinery and/or other system elements can be adjusted depending on temperature (e.g. to optimize performance).
[00104] A Figura 7 é uma vista em perspectiva esquemática simplificada do sistema térmico bombeado nas Figuras 2-3 com tanques de armazenamento de lado quente e lado frio e um sistema de fluido de trabalho de ciclo fechado. Neste exemplo, o meio de HTS é um sal fundido e o meio de CTS é um líquido a baixa temperatura. Um, dois ou mais primeiros tanques de lado quente 6 (à temperatura T1+) e um, dois ou mais segundos tanques de lado quente 7 (à temperatura T0+), ambos para manter o meio de HTS, estão em comunicação fluida com uma válvula 13 configurada para transferir o meio de HTS de e para o permutador de calor de lado quente 2. Um, dois ou mais primeiros tanques de lado frio 8 (à temperatura T1) e um, dois ou mais segundos tanques de lado frio 9 (à temperatura T0), ambos para manter o meio de CTS, estão em comunicação fluida com uma válvula 12, configurada para transferir o meio de CTS para e a partir do permutador de calor de lado frio 4.[00104] Figure 7 is a simplified schematic perspective view of the pumped thermal system in Figures 2-3 with hot side and cold side storage tanks and a closed cycle working fluid system. In this example, the HTS medium is a molten salt and the CTS medium is a low temperature liquid. One, two or more first hot side tanks 6 (at temperature T1+) and one, two or more second hot side tanks 7 (at temperature T0+), both to maintain the HTS medium, are in fluid communication with a valve 13 configured to transfer HTS medium to and from hot side heat exchanger 2. One, two or more cold side first tanks 8 (at temperature T1) and one, two or more cold side second tanks 9 (at temperature T0), both for maintaining the CTS medium, are in fluid communication with a valve 12, configured to transfer the CTS medium to and from the cold side heat exchanger 4.
[00105] Os reservatórios de energia térmica ou tanques de armazenamento podem ser tanques termicamente isolados que podem conter uma quantidade adequada do meio de armazenamento térmico relevante (por exemplo, fluido de armazenamento de calor). Os tanques de armazenamento podem permitir armazenamento relativamente compacto de grandes quantidades de energia térmica. Em um exemplo, os tanques de lado quente 6 e/ou 7 podem ter um diâmetro de cerca de 80 metros, enquanto os tanques de lado frio 8 e/ou 9 podem ter um diâmetro de cerca de 60 metros. Em outro exemplo, o tamanho de cada (ou seja, lado quente ou lado frio) armazenamento térmico para uma planta de 1 GW operando por 12 horas pode ser de cerca de 20 tanques de refinaria de petróleo de tamanho médio.[00105] Thermal energy reservoirs or storage tanks may be thermally insulated tanks that may contain a suitable amount of the relevant thermal storage medium (e.g., heat storage fluid). Storage tanks can allow relatively compact storage of large amounts of thermal energy. In one example, the hot side tanks 6 and/or 7 may have a diameter of about 80 meters, while the cold side tanks 8 and/or 9 may have a diameter of about 60 meters. In another example, the size of each (i.e., hot side or cold side) thermal storage for a 1 GW plant operating for 12 hours might be about 20 medium-sized oil refinery tanks.
[00106] Em algumas implementações, um terceiro conjunto de tanques contendo meios de armazenamento a temperaturas intermediárias entre os outros tanques pode ser incluído no lado quente e/ou no lado frio. Em um exemplo, um terceiro tanque de armazenamento ou de transferência (ou conjunto de tanques) a uma temperatura intermediária para as temperaturas de um primeiro tanque (ou conjunto de tanques) e um segundo tanque (ou conjunto de tanques) pode ser fornecido. Um conjunto de válvulas pode ser fornecido para comutar o meio de armazenamento entre os diferentes tanques e permutadores de calor. Por exemplo, os meios térmicos podem ser direcionados para diferentes conjuntos de tanques após a saída dos permutadores de calor, dependendo das condições operacionais e/ou do ciclo que está sendo usado. Em algumas implementações, um ou mais conjuntos adicionais de tanques de armazenamento a diferentes temperaturas podem ser adicionados no lado quente e/ou no lado frio.[00106] In some implementations, a third set of tanks containing storage media at temperatures intermediate between the other tanks may be included on the hot side and/or the cold side. In one example, a third storage or transfer tank (or set of tanks) at a temperature intermediate to the temperatures of a first tank (or set of tanks) and a second tank (or set of tanks) may be provided. A set of valves can be provided to switch the storage medium between different tanks and heat exchangers. For example, thermal media may be directed to different sets of tanks after leaving the heat exchangers, depending on the operating conditions and/or the cycle being used. In some implementations, one or more additional sets of storage tanks at different temperatures may be added on the hot side and/or the cold side.
[00107] Os tanques de armazenamento (por exemplo, tanques de lado quente compreendendo o meio de armazenamento térmico de lado quente e/ou tanques de lado frio compreendendo o meio de armazenamento térmico de lado frio) podem operar à pressão ambiente. Em algumas implementações, o armazenamento de energia térmica à pressão ambiente pode fornecer benefícios de segurança. Alternativamente, os tanques de armazenamento podem operar a pressões elevadas, tais como, por exemplo, a uma pressão de pelo menos cerca de 2 atm (0,20265 MPa), pelo menos cerca de 5 atm (0,506625 MPa), pelo menos cerca de 10 atm (1,01325 MPa), pelo menos cerca de 20 atm (2,0265 MPa), ou mais. Alternativamente, os tanques de armazenamento podem operar a pressões reduzidas, tais como, por exemplo, a uma pressão de no máximo cerca de 0,9 atm, no máximo cerca de 0,7 atm (0,0709275 MPa), no máximo cerca de 0,5 atm (0,0506625 MPa), no máximo cerca de 0,3 atm (0,0303975 MPa), no máximo cerca de 0,1 atm (0,0101325 MPa), no máximo cerca de 0,01 atm (0,00101325 MPa), no máximo cerca de 0,001 atm (0,000101325 MPa), ou menos. Em alguns casos (por exemplo, ao operar em pressões maiores/mais elevadas ou menores ou para evitar a contaminação do meio de armazenamento térmico), os tanques de armazenamento podem ser selados da atmosfera circundante. Alternativamente, em alguns casos, os tanques de armazenamento podem não ser selados. Em algumas implementações, os tanques podem incluir uma ou mais regulagens de pressão ou sistemas de alívio (por exemplo, uma válvula para segurança ou otimização do sistema).[00107] Storage tanks (e.g., hot-side tanks comprising hot-side thermal storage medium and/or cold-side tanks comprising cold-side thermal storage medium) can operate at ambient pressure. In some implementations, storing thermal energy at ambient pressure can provide safety benefits. Alternatively, the storage tanks may operate at elevated pressures, such as, for example, at a pressure of at least about 2 atm (0.20265 MPa), at least about 5 atm (0.506625 MPa), at least about 10 atm (1.01325 MPa), at least about 20 atm (2.0265 MPa), or more. Alternatively, storage tanks may operate at reduced pressures, such as, for example, at a maximum pressure of about 0.9 atm, a maximum of about 0.7 atm (0.0709275 MPa), a maximum of about 0.5 atm (0.0506625 MPa), maximum about 0.3 atm (0.0303975 MPa), maximum about 0.1 atm (0.0101325 MPa), maximum about 0.01 atm ( 0.00101325 MPa), at most about 0.001 atm (0.000101325 MPa), or less. In some cases (e.g. when operating at higher/higher or lower pressures or to prevent contamination of the thermal storage medium), storage tanks may be sealed from the surrounding atmosphere. Alternatively, in some cases, storage tanks may not be sealed. In some implementations, tanks may include one or more pressure regulation or relief systems (e.g., a valve for safety or system optimization).
[00108] Tal como aqui utilizado, o primeiro tanque de lado quente(s) 6 (à temperatura T1+) pode conter meio de HTS a uma temperatura mais elevada do que o segundo tanque lado quente(s) 7 (à temperatura T0+), e o primeiro tanque de lado frio(s) 8 (à temperatura T1) pode conter meio de CTS a uma temperatura mais elevada do que o segundo tanque lado frio(s) 9 (à temperatura T0). Durante a carga, o meio de HTS no primeiro(s) tanque(s) de lado quente (temperatura mais elevada) 6 e/ou meio de CTS no segundo(s) tanque(s) de lado frio 9 podem ser reabastecidos. Durante a descarga, pode ser consumido meio de HTS no primeiro(s) tanque(s) de lado quente 6 e/ou meio de CTS no segundo(s) tanque(s) de lado frio 9.[00108] As used herein, the first hot side tank(s) 6 (at temperature T1+) may contain HTS medium at a higher temperature than the second hot side tank(s) 7 (at temperature T0+), and the first cold side tank(s) 8 (at temperature T1) may contain CTS medium at a higher temperature than the second cold side tank(s) 9 (at temperature T0). During charging, the HTS medium in the first hot-side (higher temperature) tank(s) 6 and/or CTS medium in the second cold-side tank(s) 9 can be refilled. During discharge, HTS medium in the first hot-side tank(s) 6 and/or CTS medium in the second cold-side tank(s) 9 may be consumed.
[00109] Nos exemplos anteriores, em ambos os modos de operação, dois dos quatro tanques de armazenamento 6, 7, 8 e 9 estão alimentando o meio de armazenamento térmico para os permutadores de calor 2 e 4 nas entradas 32 e 36, respectivamente, e os outros dois tanques estão recebendo meio de armazenamento térmico dos permutadores de calor 2 e 4 a partir das saídas 33 e 37, respectivamente. Nesta configuração, os tanques de alimentação podem conter um meio de armazenamento a uma determinada temperatura devido a condições operacionais anteriores, enquanto as temperaturas dos tanques de recebimento podem depender da operação de sistema atual (por exemplo, parâmetros operacionais, cargas e/ou entrada de energia). As temperaturas do tanque de recepção podem ser ajustadas pelas condições do ciclo de Brayton. Em alguns casos, as temperaturas do tanque de recepção podem diferir dos valores desejados devido a desvios das condições de ciclo predeterminadas (por exemplo, variação da pressão absoluta em resposta à demanda do sistema) e/ou devido à geração de entropia dentro do sistema. Em alguns casos (por exemplo, devido à geração de entropia), pelo menos uma das quatro temperaturas do tanque pode ser maior do que a desejada. Em algumas implementações, um radiador pode ser usado para rejeitar ou dissipar esse calor residual para o meio ambiente. Em alguns casos, a rejeição de calor para o ambiente pode ser melhorada (por exemplo, usando resfriamento evaporativo, etc.). O calor desperdiçado gerado durante a operação dos sistemas térmicos bombeados aqui também pode ser utilizado para outros fins. Por exemplo, calor residual de uma parte do sistema pode ser usado em outras partes do sistema. Em outro exemplo, pode ser fornecido calor residual a um processo ou sistema externo, tal como, por exemplo, um processo de fabricação que requeira calor de baixo grau, aquecimento comercial ou residencial, dessalinização térmica, operações de secagem comercial, etc.[00109] In the previous examples, in both modes of operation, two of the four storage tanks 6, 7, 8 and 9 are feeding thermal storage medium to heat exchangers 2 and 4 at inlets 32 and 36, respectively, and the other two tanks are receiving thermal storage medium from heat exchangers 2 and 4 from outlets 33 and 37, respectively. In this configuration, the feed tanks may contain a storage medium at a certain temperature due to previous operating conditions, while the temperatures of the receiving tanks may depend on current system operation (e.g., operating parameters, loads, and/or input energy). Receiving tank temperatures can be adjusted by Brayton cycle conditions. In some cases, receiving tank temperatures may differ from desired values due to deviations from predetermined cycle conditions (e.g., variation in absolute pressure in response to system demand) and/or due to the generation of entropy within the system. In some cases (e.g. due to entropy generation), at least one of the four tank temperatures may be higher than desired. In some implementations, a radiator may be used to reject or dissipate this waste heat to the environment. In some cases, heat rejection to the environment can be improved (e.g. using evaporative cooling, etc.). The waste heat generated during the operation of the thermal systems pumped here can also be used for other purposes. For example, waste heat from one part of the system can be used in other parts of the system. In another example, waste heat may be supplied to an external process or system, such as, for example, a manufacturing process requiring low-grade heat, commercial or residential heating, thermal desalination, commercial drying operations, etc.
[00110] Componentes de sistemas térmicos bombeados da divulgação podem exibir desempenho não ideal, levando a perdas e/ou ineficiências. As maiores perdas no sistema podem ocorrer devido a ineficiências da turbomáquina (por exemplo, compressor e turbina) e dos permutadores de calor. As perdas devidas aos permutadores de calor podem ser pequenas em comparação com as perdas devidas à turbomáquina. Em algumas implementações, as perdas devidas aos permutadores de calor podem ser reduzidas para próximo de zero com projeto e despesa adequados. Portanto, em alguns exemplos analíticos, perdas devido aos permutadores de calor e outras possíveis pequenas perdas devido a bombas, o motor/gerador e/ou outros fatores podem ser negligenciados.[00110] Components of pumped thermal systems of the disclosure may exhibit suboptimal performance, leading to losses and/or inefficiencies. The largest losses in the system can occur due to inefficiencies in the turbomachinery (e.g. compressor and turbine) and heat exchangers. Losses due to heat exchangers can be small compared to losses due to turbomachinery. In some implementations, losses due to heat exchangers can be reduced to near zero with proper design and expense. Therefore, in some analytical examples, losses due to heat exchangers and other possible small losses due to pumps, the motor/generator and/or other factors may be neglected.
[00111] As perdas devidas à turbomáquinas podem ser quantificadas em termos de eficiências adiabáticas ηc e ηt (também conhecidas como eficiências isentrópicas) para compressores e turbinas, respectivamente. Para grandes turbomáquinas, os valores típicos podem variar entre ηc = 0,85 - 0,9 para compressores e ηt = 0,9 - 0,95 para turbinas. A quantidade real de trabalho produzido ou consumido por um ciclo pode então ser expressa como onde, em um exemplo, assumindo calores específicos constantes do fluido de trabalho r é a taxa de compressão (isto é, a relação da pressão mais elevada para a pressão mais baixa), e y = cp/cv é a relação de calores específicos do fluido de trabalho. Devido às ineficiências do compressor e da turbina, é necessário mais trabalho para atingir uma determinada taxa de compressão durante a compactação, e menos trabalho é gerado durante a expansão para uma determinada taxa de compressão. As perdas também podem ser quantificadas em termos das eficiências politrópicas, ou de estágio único, ncp e ntp, para compressores e turbinas, respectivamente. As eficiências politrópicas estão relacionadas com as eficiências adiabáticas nc e nt pelas equações [00111] Losses due to turbomachinery can be quantified in terms of adiabatic efficiencies ηc and ηt (also known as isentropic efficiencies) for compressors and turbines, respectively. For large turbomachines, typical values can vary between ηc = 0.85 - 0.9 for compressors and ηt = 0.9 - 0.95 for turbines. The actual amount of work produced or consumed by a cycle can then be expressed as where, in an example, assuming constant specific heats of the working fluid r is the compression ratio (i.e. the ratio of the highest pressure to the lowest pressure), and y = cp/cv is the ratio of specific heats of the working fluid. Due to compressor and turbine inefficiencies, more work is required to achieve a given compression ratio during compression, and less work is generated during expansion for a given compression ratio. Losses can also be quantified in terms of the polytropic, or single-stage, efficiencies, ncp and ntp, for compressors and turbines, respectively. The polytropic efficiencies are related to the adiabatic efficiencies nc and nt by the equations
[00112] Em exemplos onde nc = nt = 1, ciclos térmicos bombeados da divulgação podem seguir percursos idênticos em ambos os ciclos de carga e descarga (por exemplo, como mostrado nas Figuras 4 e 5). Nos exemplos onde nc < 1 e/ou nt < 1, a compressão no compressor pode levar a um maior aumento de temperatura do que no caso ideal para a mesma taxa de compressão, e a expansão na turbina pode levar a uma diminuição menor de temperatura no caso ideal.[00112] In examples where nc = nt = 1, pumped thermal cycles of the disclosure may follow identical paths in both charge and discharge cycles (e.g., as shown in Figures 4 and 5). In examples where nc < 1 and/or nt < 1, compression in the compressor can lead to a greater increase in temperature than in the ideal case for the same compression ratio, and expansion in the turbine can lead to a smaller decrease in temperature in the ideal case.
[00113] Em algumas implementações, a eficiência politrópica do compressor pode ser pelo menos 0,3, pelo menos 0,5, pelo menos 0,6, pelo menos 0,7, pelo menos 0,75, pelo menos 0,8, pelo menos 0,85, pelo menos cerca de 0,9, pelo menos cerca de 0,91, pelo menos cerca de 0,92, pelo menos cerca de 0,93, pelo menos cerca de 0,96, ou mais. Em algumas implementações, a eficiência politrópica do compressor ntp pode ser pelo menos cerca de 0,3, pelo menos cerca de 0,5, pelo menos cerca de 0,6, pelo menos cerca de 0,7, pelo menos cerca de 0,75, pelo menos cerca de 0,8, pelo menos cerca de 0,85, pelo menos 0,9, pelo menos cerca de 0,91, pelo menos cerca de 0,92, pelo menos cerca de 0,93, pelo menos cerca de 0,96, pelo menos cerca de 0,97 ou mais.[00113] In some implementations, the polytropic efficiency of the compressor may be at least 0.3, at least 0.5, at least 0.6, at least 0.7, at least 0.75, at least 0.8, at least about 0.85, at least about 0.9, at least about 0.91, at least about 0.92, at least about 0.93, at least about 0.96, or more. In some implementations, the polytropic efficiency of the NTP compressor may be at least about 0.3, at least about 0.5, at least about 0.6, at least about 0.7, at least about 0, 75, at least about 0.8, at least about 0.85, at least 0.9, at least about 0.91, at least about 0.92, at least about 0.93, at least about 0.96, at least about 0.97 or more.
[00114] T0+, T1+ foram previamente definidos como as temperaturas alcançadas na saída de um compressor com uma determinada taxa de compressão r, eficiência adiabática nc e temperaturas de entrada de T0, T1 respectivamente. Em alguns exemplos, essas quatro temperaturas são relacionadas pela equação [00114] T0+, T1+ were previously defined as the temperatures reached at the outlet of a compressor with a given compression ratio r, adiabatic efficiency nc and inlet temperatures of T0, T1 respectively. In some examples, these four temperatures are related by the equation
[00115] A Figura 8 mostra um armazenamento de calor exemplar para um sistema de água (CTS)/sal fundido (HTS) com nc = 0,9 e nt = 0,95. As linhas tracejadas correspondem a nc = nt = 1 e as linhas sólidas mostram o ciclo de carga com nt = 0,95 e nc = 0,9. Neste exemplo, o meio de CTS no lado frio é água, e o meio de HTS no lado quente é sal fundido. Em alguns casos, o sistema pode incluir 4 tanques de armazenamento de calor. No ciclo de carga, o fluido de trabalho em T0 e P2 pode trocar calor com um meio de CTS no permutador de calor de lado frio 4, pelo que a sua temperatura pode aumentar para T1 (assumindo uma queda de pressão insignificante, a sua pressão pode permanecer P2). No compressor 1 com nc = 0,9, a temperatura e a pressão do fluido de trabalho podem aumentar de T1, P2 para T1+, P1. O fluido de trabalho pode, em seguida, permutar calor com um meio de HTS no permutador de calor de lado quente 2, de tal modo que a sua temperatura pode diminuir (a pressão constante P1, assumindo que a queda de pressão insignificante). Se o fluido de trabalho entrar na turbina 3 com nt = 0,95 na temperatura T0+ e se expande de volta a sua pressão original P2, sua temperatura ao sair da turbina pode não ser T0. Em vez disso, o fluido de trabalho pode entrar na turbina a uma temperatura e sair da turbina a uma temperatura To e a pressão P2. Em alguns exemplos, as temperaturas estão relacionadas pela relação Em alguns exemplos, é a temperatura na qual o fluido de trabalho entra na entrada de uma turbina com eficiência adiabática ^t e taxa de compressão r para sair na temperatura T0.[00115] Figure 8 shows exemplary heat storage for a water (CTS)/molten salt (HTS) system with nc = 0.9 and nt = 0.95. The dashed lines correspond to nc = nt = 1 and the solid lines show the load cycle with nt = 0.95 and nc = 0.9. In this example, the CTS medium on the cold side is water, and the HTS medium on the hot side is molten salt. In some cases, the system may include 4 heat storage tanks. In the charging cycle, the working fluid at T0 and P2 can exchange heat with a CTS medium in the cold-side heat exchanger 4, whereby its temperature can increase to T1 (assuming a negligible pressure drop, its pressure may remain P2). In compressor 1 with nc = 0.9, the temperature and pressure of the working fluid can increase from T1, P2 to T1+, P1. The working fluid can then exchange heat with an HTS medium in the hot-side heat exchanger 2, such that its temperature can decrease (at constant pressure P1, assuming negligible pressure drop). If the working fluid enters turbine 3 with nt = 0.95 at temperature T0+ and expands back to its original pressure P2, its temperature at exit from the turbine may not be T0. Instead, the working fluid can enter the turbine at a temperature and exit the turbine at temperature To and pressure P2. In some examples, temperatures are related by the relationship In some examples, is the temperature at which the working fluid enters the inlet of a turbine with adiabatic efficiency ^t and compression ratio r to exit at temperature T0.
[00116] Em algumas implementações, a temperatura pode ser incorporada em ciclos de carga da divulgação pela primeira troca de calor do fluido de trabalho com o meio de HTS de T1+ para T0+, seguido de um arrefecimento adicional do fluido de To+ para, como ilustrado pela seção 38 do ciclo na Figura 8.[00116] In some implementations, the temperature can be incorporated into charging cycles of the disclosure by first exchanging heat of the working fluid with the HTS medium from T1+ to T0+, followed by further cooling of the fluid from To+ to , as illustrated by section 38 of the cycle in Figure 8.
[00117] A Figura 9 mostra um ciclo de descarga (extração) de armazenamento de calor exemplar para o sistema de água/sal fundido na Figura 8 com nc = 0,9 e nt = 0,95. As linhas tracejadas correspondem a nc = nt = 1 e as linhas sólidas mostram o ciclo de carga com nt = 0,95 e nc = 0,9. No ciclo de descarga, o fluido de trabalho a T1 e P2 pode trocar de calor com um meio de CTS no permutador de calor de lado frio 4, em que a sua temperatura pode diminuir a T0 (assumindo que a queda de pressão insignificante, a sua pressão pode permanecer P2). No compressor 1 com nc = 0,9, a temperatura e a pressão do fluido de trabalho podem aumentar de T0, P2 para T0+, P1. O fluido de trabalho pode, em seguida, permutar calor com um meio de HTS no permutador de calor de lado quente 2, de tal modo que a sua temperatura pode aumentar (a pressão constante P1, assumindo queda de pressão insignificante). O fluido de trabalho que entra na turbine 3 em T/ não pode sair da turbina à temperatura Ti como no ciclo de carga, mas pode, em vez disso, sair a uma temperatura, onde, em alguns exemplos, . Em alguns exemplos, e a temperatura na qual o fluido de trabalho sai da saída de uma turbina com eficiência adiabática e taxa de compressão r após entrar na entrada da turbina à temperatura Ti+.[00117] Figure 9 shows an exemplary heat storage discharge (extraction) cycle for the molten water/salt system in Figure 8 with nc = 0.9 and nt = 0.95. The dashed lines correspond to nc = nt = 1 and the solid lines show the load cycle with nt = 0.95 and nc = 0.9. In the discharge cycle, the working fluid at T1 and P2 can exchange heat with a CTS medium in the cold-side heat exchanger 4, whereby its temperature can decrease at T0 (assuming negligible pressure drop, the your pressure may remain P2). In compressor 1 with nc = 0.9, the temperature and pressure of the working fluid can increase from T0, P2 to T0+, P1. The working fluid can then exchange heat with an HTS medium in the hot-side heat exchanger 2, such that its temperature can increase (at constant pressure P1, assuming negligible pressure drop). The working fluid entering turbine 3 at T/ cannot leave the turbine at temperature Ti as in the load cycle, but can instead exit at a temperature , where, in some examples, . In some examples, and the temperature at which the working fluid leaves the outlet of a turbine with adiabatic efficiency and compression ratio r after entering the turbine inlet at temperature Ti+.
[00118] Em algumas implementações, a temperatura pode ser incorporada nos ciclos de descarga da divulgação por arrefecer primeiro o fluido de trabalho que sai da turbina em para Ti, como ilustrado pela secção 39 do ciclo na Figura 9, seguido de troca de calor do fluido de trabalho com o meio de CTS de T1 a T0.[00118] In some implementations, the temperature can be incorporated into the discharge cycles of the disclosure by first cooling the working fluid exiting the turbine in for Ti, as illustrated by section 39 of the cycle in Figure 9, followed by heat exchange of the working fluid with the CTS medium from T1 to T0.
[00119] Os ciclos de carga e descarga podem ser fechados por operações adicionais de rejeição de calor nas seções 38 (entre e 39 (entre , respectivamente. Em alguns casos, o fechamento dos ciclos por rejeição de calor em seções dos ciclos em que o fluido de trabalho pode rejeitar o calor para o ambiente a baixo custo pode eliminar a necessidade de entrada adicional de calor no sistema. As seções dos ciclos em que o fluido de trabalho pode rejeitar o calor para a temperatura ambiente podem ser limitadas a seções em que a temperatura do fluido de trabalho é suficientemente alta acima da temperatura ambiente para que a refrigeração ambiente seja viável. Em alguns exemplos, o calor pode ser rejeitado para o ambiente nas seções 38 e/ou 39. Por exemplo, o calor pode ser rejeitado usando um ou mais fluidos de trabalho para arejar os radiadores, arrefecimento intermediário de água, ou vários outros métodos. Em alguns casos, o calor rejeitado nas seções 38 e/ou 39 pode ser utilizado para outro fim útil, tal como, por exemplo, cogeração, dessalinização térmica e/ou outros exemplos aqui descritos.[00119] The charging and discharging cycles can be closed by additional heat rejection operations in sections 38 (between and 39 (between , respectively. In some cases, closing cycles by heat rejection in sections of the cycles where the working fluid can reject heat to the environment at low cost can eliminate the need for additional heat input into the system. Sections of the cycles in which the working fluid can reject heat to ambient temperature may be limited to sections in which the temperature of the working fluid is sufficiently high above ambient temperature for ambient refrigeration to be feasible. In some examples, heat may be rejected to the environment in sections 38 and/or 39. For example, heat may be rejected using one or more working fluids to aerate radiators, intermediate water cooling, or various other methods. In some cases, the heat rejected in sections 38 and/or 39 may be used for another useful purpose, such as, for example, cogeneration, thermal desalination and/or other examples described herein.
[00120] Em algumas implementações, os ciclos podem ser fechados por variar as taxas de compressão entre os ciclos de carga e descarga, como mostrado, por exemplo, na Figura 10. A capacidade de variar a taxa de compressão na carga e descarga pode ser implementada, por exemplo, por variar a velocidade de rotação do compressor e/ou da turbina, pelo controle de pressão variável do estator, por desviar um subconjunto dos estágios de compressão ou expansão em carga ou descarregar pelo uso de válvulas, ou por usar pares dedicados de compressor/turbina para o modo de carga e descarga. Em um exemplo, a taxa de compressão no ciclo de descarga na Figura 9 pode ser alterada de tal forma que a rejeição de calor na seção 39 não é usada, e somente a rejeição de calor na seção 38 no ciclo de carga é usada. Variar a taxa de compressão pode permitir que o calor (ou seja, a entropia) seja rejeitado a uma temperatura mais baixa, aumentando, assim, a eficiência global de ida e volta. Em alguns exemplos desta configuração, a taxa de compressão na carga, rc, pode ser ajustada tal que e na descarga, a taxa de compressão r pode ser ajustada tal que . Em alguns casos, as temperaturas superiores Ti+ e T1 podem ser idênticas na carga e descarga e nenhuma remoção de calor pode ser necessária nesta porção (também “trecho” aqui) do ciclo. Nesses casos, a temperatura T0+ na carga (por exemplo, e a temperatura To+ na descarga (por exemplo, pode ser diferente e o calor pode ser rejeitado (também “dissipado” ou “descartado” aqui) para o ambiente entre as temperaturas. Em uma implementação onde apenas os meios de armazenamento trocam calor com o ambiente, um dispositivo de rejeição de calor (por exemplo, dispositivos 55 e 56 mostrados na Figura 16) pode ser usado para baixar a temperatura do CTS de para entre descarga e carga.[00120] In some implementations, cycles can be closed by varying the compression rates between charge and discharge cycles, as shown, for example, in Figure 10. The ability to vary the compression rate at charge and discharge can be implemented, for example, by varying the rotational speed of the compressor and/or turbine, by variable stator pressure control, by bypassing a subset of the compression or expansion stages in loading or unloading by the use of valves, or by using pairs dedicated compressor/turbine units for loading and unloading mode. In one example, the compression ratio in the discharge cycle in Figure 9 can be changed such that heat rejection in section 39 is not used, and only heat rejection in section 38 in the charge cycle is used. Varying the compression ratio can allow heat (i.e. entropy) to be rejected at a lower temperature, thereby increasing the overall round-trip efficiency. In some examples of this configuration, the charge compression ratio, rc, can be adjusted such that and on discharge, the compression ratio r can be adjusted such that . In some cases, the upper temperatures Ti+ and T1 may be identical in charge and discharge and no heat removal may be required in this portion (also “section” here) of the cycle. In these cases, the temperature T0+ at the load (e.g. and the temperature To+ at discharge (e.g. may be different and heat may be rejected (also “dissipated” or “discarded” here) to the environment between the temperatures . In an implementation where only the storage media exchanges heat with the environment, a heat rejection device (e.g., devices 55 and 56 shown in Figure 16) can be used to lower the temperature of the CTS from for between discharging and charging.
[00121] A Figura 10 mostra um exemplo de um ciclo com taxas de compressão variáveis. A taxa de compressão pode ser maior na descarga (quando o trabalho é produzido pelo sistema) do que na carga (quando o trabalho é consumido pelo sistema), o que pode aumentar a eficiência global do sistema. Por exemplo, durante um ciclo de carga 80 com, uma menor taxa de compressão de <3 pode ser usada; durante um ciclo de descarga 81 com , uma taxa de compressão > 3 pode ser usada. As temperaturas superiores atingidas nos dois ciclos 80 e 81 podem ser T1 e T1+, e nenhum excesso de calor pode ser rejeitado.[00121] Figure 10 shows an example of a cycle with variable compression rates. The compression ratio can be greater at discharge (when work is produced by the system) than at load (when work is consumed by the system), which can increase the overall efficiency of the system. For example, during an 80 load cycle with , a lower compression ratio of <3 can be used; during a discharge cycle 81 with , a compression ratio > 3 can be used. The upper temperatures reached in the two cycles 80 and 81 can be T1 and T1+, and no excess heat can be rejected.
[00122] A taxa de compressão pode variar entre carga e descarga, de tal forma que a dissipação de calor para o meio ambiente necessária para o fechamento do ciclo tanto na carga quanto na descarga ocorre entre as temperaturas (a temperatura do fluido de trabalho antes de entrar na turbina durante o ciclo de carga) e (a temperatura do fluido de trabalho quando sai do compressor na descarga), e não acima da temperatura T1 (a temperatura do fluido de trabalho antes de entrar no compressor em carga e/ou sai da turbina em descarga). Em alguns exemplos, nenhum calor é rejeitado a uma temperatura acima da temperatura mais baixa do meio de HTS.[00122] The compression rate can vary between loading and unloading, in such a way that the heat dissipation to the environment necessary to close the cycle during both loading and unloading occurs between temperatures (the temperature of the working fluid before entering the turbine during the load cycle) and (the temperature of the working fluid when it leaves the compressor during discharge), and not above temperature T1 (the temperature of the working fluid before it enters the compressor under load and/or leaves the turbine under discharge). In some examples, no heat is rejected at a temperature above the lowest temperature of the HTS medium.
[00123] Na ausência de perdas e/ou ineficiências do sistema, como, por exemplo, no caso de sistemas térmicos bombeados compreendendo bomba (s) de calor e motor (es) de calor operando no limite de criação de entropia zero/isentrópico, uma determinada quantidade de calor QH pode ser transferida usando uma determinada quantidade de trabalho W no modo de bomba de calor (carga), e o mesmo QH pode ser usado no modo de aquecimento (descarga) para produzir o mesmo trabalho W, levando a uma eficiência de ida e volta unitária (ou seja, 100%). Na presença de perdas e/ou ineficiências do sistema, a eficiência de ida e volta dos sistemas térmicos bombeados pode ser limitada por quanto os componentes se desviam do desempenho ideal.[00123] In the absence of system losses and/or inefficiencies, as, for example, in the case of pumped thermal systems comprising heat pump(s) and heat engine(s) operating at the zero/isentropic entropy creation limit, a given amount of heat QH can be transferred using a given amount of work W in heat pump (load) mode, and the same QH can be used in heating (discharge) mode to produce the same work W, leading to a unit round-trip efficiency (i.e. 100%). In the presence of system losses and/or inefficiencies, the round-trip efficiency of pumped thermal systems can be limited by how much the components deviate from ideal performance.
[00124] A eficiência de ida e volta de um sistema térmico bombeado pode ser definida como Em alguns exemplos, com uma aproximação da troca de calor ideal, a eficiência da ida e volta pode ser derivada considerando a saída líquida do trabalho durante o ciclo de descarga e a entrada de trabalho líquido durante o ciclo de carga, usando as equações para trabalho e temperatura dadas acima.[00124] The round trip efficiency of a pumped thermal system can be defined as In some examples, with an approximation of ideal heat exchange, the round trip efficiency can be derived by considering the net work output during the discharge cycle. and the net work input during the load cycle, using the equations for work and temperature given above.
[00125] As eficiências de ida e volta podem ser calculadas para diferentes configurações de sistemas térmicos bombeados (por exemplo, para diferentes classes de meios de armazenamento térmico) com base nas eficiências dos componentes de turbomáquinas, nc e nt.[00125] Round-trip efficiencies can be calculated for different configurations of pumped thermal systems (e.g., for different classes of thermal storage media) based on the efficiencies of the turbomachinery components, nc and nt.
[00126] Em um exemplo, a Figura 11 mostra os contornos de eficiência de ida e volta para um sistema de água/sal, tal como, por exemplo, o sistema de água/sal nas Figuras 8 e 9 com T0 = 273 K (0 °C), a T1 = 373 K (100 °C) e uma taxa de compressão de r = 5,65 escolhida para conseguir a compatibilidade com o sal(is) no lado quente. Exemplos de contornos de eficiência de ida e volta em valores dede 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% e 90% são mostrados como uma função das eficiências dos componentes nc e nt nos eixos x e y, respectivamente. Os símbolos representam o intervalo aproximado dos valores de eficiência adiabática da turbomáquinas atuais. As setas tracejadas representam a direção do aumento de eficiência.[00126] In one example, Figure 11 shows the round-trip efficiency contours for a water/salt system, such as, for example, the water/salt system in Figures 8 and 9 with T0 = 273 K ( 0 °C), at T1 = 373 K (100 °C) and a compression ratio of r = 5.65 chosen to achieve compatibility with the salt(s) on the hot side. Examples of round-trip efficiency contours at values of of 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% and 90% are shown as a function of the efficiencies of the nc and nt components on the x and y axes, respectively. The symbols represent the approximate range of adiabatic efficiency values of current turbomachinery. The dashed arrows represent the direction of efficiency increase.
[00127] A Figura 12 mostra os contornos de eficiência de ida e volta para um sistema de armazenamento/sal mais frio, tal como, por exemplo, um sistema de hexano/sal com um permutador de calor de gás-gás nas Figuras 13, 14, 17 e 18, com T0 = 194 K (-79 °C), a T1 = 494 K (221 °C) e uma taxa de compressão de r = 3,28. Exemplos de contornos de eficiência de ida e volta em valores de Estore de 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% e 90% são mostrados como uma função das eficiências dos componentes nc e nt no eixo xey, respectivamente. Os símbolos © e 0 representam o intervalo aproximado dos valores de eficiência adiabática da turbomáquinas atuais. Como discutido em detalhe em outro local, o uso de hexano, heptano e/ou outro meio de CTS capaz de operar a baixa temperatura pode resultar em melhorias significativas da eficiência do sistema.[00127] Figure 12 shows the round-trip efficiency contours for a cooler storage/salt system, such as, for example, a hexane/salt system with a gas-to-gas heat exchanger in Figures 13, 14, 17 and 18, with T0 = 194 K (-79 °C), at T1 = 494 K (221 °C) and a compression ratio of r = 3.28. Examples of round-trip efficiency contours at Blind values of 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% and 90% are shown as a function of component efficiencies nc and nt on the x and y axis, respectively. The symbols © and 0 represent the approximate range of adiabatic efficiency values of current turbomachinery. As discussed in detail elsewhere, the use of hexane, heptane and/or other CTS media capable of low temperature operation can result in significant system efficiency improvements.
[00128] Outro aspecto da divulgação é direcionado para sistemas térmicos bombeados com recuperação. Em algumas situações, os termos regeneração e recuperação podem ser usados de forma intercambiável, embora possam ter diferentes significados. Como usado aqui, os termos "recuperação" e "recuperador" geralmente se referem à presença de um ou mais permutadores de calor adicionais onde o fluido de trabalho troca calor consigo mesmo durante diferentes ciclos de um ciclo termodinâmico através de troca de calor contínua sem armazenamento térmico intermediário. A eficiência de ida e volta dos sistemas térmicos bombeados pode ser substancialmente melhorada se os intervalos de temperatura permitidos dos materiais de armazenamento puderem ser estendidos. Em algumas implementações, isso pode ser feito escolhendo-se um material ou meio no lado frio que pode ir a temperaturas abaixo de 273 K (0 °C). Por exemplo, um meio de CTS (por exemplo, hexano) com um limite de temperatura inferior de cerca de T0 = 179 K (-94 °C) pode ser utilizado em um sistema com um meio de HTS de sal fundido. Contudo, To+ (isto é, a temperatura mais baixa do fluido de trabalho no permutador de calor de lado quente) em algumas taxas de compressão (por exemplo, modestas) pode estar abaixo do ponto de congelação do sal fundido, tornando o sal fundido inviável como o meio de HTS. Em algumas implementações, isso pode ser resolvido incluindo um fluido de trabalho no permutador de calor de fluido de trabalho (por exemplo, gás-gás) (também "recuperador" aqui) no ciclo.[00128] Another aspect of the disclosure is directed to pumped thermal systems with recovery. In some situations, the terms regeneration and recovery may be used interchangeably, although they may have different meanings. As used herein, the terms "recovery" and "recovery" generally refer to the presence of one or more additional heat exchangers where the working fluid exchanges heat with itself during different cycles of a thermodynamic cycle through continuous heat exchange without storage. intermediate thermal. The round-trip efficiency of pumped thermal systems can be substantially improved if the allowable temperature ranges of storage materials can be extended. In some implementations, this can be done by choosing a material or medium on the cold side that can go to temperatures below 273 K (0 °C). For example, a CTS medium (e.g., hexane) with a lower temperature limit of about T0 = 179 K (-94 °C) can be used in a system with a molten salt HTS medium. However, To+ (i.e., the lowest temperature of the working fluid in the hot-side heat exchanger) at some (e.g., modest) compression ratios may be below the freezing point of the molten salt, making the molten salt unviable. as the means of HTS. In some implementations, this can be resolved by including a working fluid in the working fluid (e.g. gas-to-gas) heat exchanger (also "scavenger" here) in the cycle.
[00129] A Figura 13 é um fluxograma esquemático de fluido de trabalho e meio de armazenamento de calor de um sistema térmico bombeado em um modo de carga/bomba de calor com um permutador de calor gás-gás 5 para o fluido de trabalho. O uso do permutador de calor gás-gás pode permitir o uso de um meio de armazenamento de calor mais frio no lado frio do sistema. O fluido de trabalho pode ser ar. O fluido de trabalho pode ser ar seco. O fluido de trabalho pode ser nitrogênio. O fluido de trabalho pode ser argônio. O fluido de trabalho pode ser uma mistura de principalmente argônio misturado com outro gás, como o hélio. Por exemplo, o fluido de trabalho pode compreender pelo menos cerca de 50% de argônio, pelo menos cerca de 60% de argônio, pelo menos cerca de 70% de argônio, pelo menos cerca de 80% de argônio, pelo menos cerca de 90% de argônio ou cerca de 100% de argônio, com equilíbrio de hélio.[00129] Figure 13 is a schematic flowchart of working fluid and heat storage medium of a pumped thermal system in a load/heat pump mode with a gas-gas heat exchanger 5 for the working fluid. The use of the gas-to-gas heat exchanger can allow the use of a cooler heat storage medium on the cold side of the system. The working fluid can be air. The working fluid can be dry air. The working fluid can be nitrogen. The working fluid can be argon. The working fluid can be a mixture of mainly argon mixed with another gas such as helium. For example, the working fluid may comprise at least about 50% argon, at least about 60% argon, at least about 70% argon, at least about 80% argon, at least about 90 % argon or about 100% argon, with helium balance.
[00130] A Figura 17 mostra um ciclo de carga de armazenamento de calor para o sistema de armazenamento na Figura 13 com um meio de armazenamento de lado frio (por exemplo, hexano líquido) capaz de descer até aproximadamente 179 K (-94 °C) e um sal fundido como o armazenamento de lado quente, e nc = 0,9 e nt = 0,95. O meio de CTS pode ser hexano ou heptano e o meio de HTS pode ser sal fundido. Em alguns casos, o sistema pode incluir quatro tanques de armazenamento de calor.[00130] Figure 17 shows a heat storage charge cycle for the storage system in Figure 13 with a cold-side storage medium (e.g., liquid hexane) capable of going down to approximately 179 K (-94 °C ) and a molten salt as hot-side storage, and nc = 0.9 and nt = 0.95. The CTS medium can be hexane or heptane and the HTS medium can be molten salt. In some cases, the system may include four heat storage tanks.
[00131] Em uma implementação, durante a carga nas Figuras 13 e 17, o fluido de trabalho entra no compressor em T1 e P2, sai do compressor em T1+ e P1, rejeita calor Q1 ao meio de HTS 21 no CFX de lado quente 2, que sai do CFX de lado quente 2 a T1 e P1, rejeita calor Qrecup (também “Qregen” aqui, como mostrado, por exemplo, nos desenhos anexos) para o fluido de trabalho de lado frio (baixa pressão) no permutador de calor ou recuperador 5, sai do recuperador 5 em T0+ e P1, rejeita o calor para o ambiente (ou outro dissipador de calor) na seção 38 (por exemplo, um radiador), entra na turbina 3 em e PI, sai da turbina a TO e P2, absorve o calor Q2 a partir do meio de CTS 22 no CFX de lado frio 4, que sai do CFX de lado frio 4 a T0+ e P2, absorve calor Qrecup a partir da fluido de trabalho de lado quente (alta pressão) no permutador de calor ou recuperador 5 e, finalmente, sai do recuperador 5 em T1 e P2, retornando ao seu estado inicial antes de entrar no compressor.[00131] In one implementation, during charging in Figures 13 and 17, the working fluid enters the compressor at T1 and P2, leaves the compressor at T1+ and P1, rejects heat Q1 to the middle of HTS 21 in hot-side CFX 2 , which leaves hot-side CFX 2 to T1 and P1, rejects heat Qrecup (also “Qregen” here, as shown, for example, in the accompanying drawings) to the cold-side (low pressure) working fluid in the heat exchanger or recuperator 5, leaves recuperator 5 at T0+ and P1, rejects heat to the environment (or other heat sink) at section 38 (e.g. a radiator), enters turbine 3 at and PI, leaves the turbine at TO and P2, absorbs heat Q2 from the middle of CTS 22 in the cold side CFX 4, which leaves the cold side CFX 4 at T0+ and P2, absorbs heat Qrecup from the hot side work (high pressure) in the heat exchanger or recuperator 5 and finally leaves the recuperator 5 at T1 and P2, returning to its initial state before entering the compressor.
[00132] A Figura 14 é um fluxograma esquemático do fluido de trabalho e meio de armazenamento de calor do sistema térmico bombeado na Figura 13 em modo de descarga/motor de calor. Novamente, o uso do permutador de calor gás-gás pode permitir o uso de fluido de armazenamento de calor mais frio (CTS) e/ou fluido de trabalho mais frio no lado frio do sistema.[00132] Figure 14 is a schematic flowchart of the working fluid and heat storage medium of the pumped thermal system in Figure 13 in discharge/heat engine mode. Again, the use of the gas-to-gas heat exchanger may allow the use of cooler heat storage fluid (CTS) and/or cooler working fluid on the cold side of the system.
[00133] A Figura 18 mostra um ciclo de descarga de armazenamento de calor para o sistema de armazenamento para o sistema de armazenamento na Figura 14 com um meio de armazenamento de lado frio (por exemplo, hexano líquido) capaz de descer até 179 K (-94 °C) e um sal fundido como o armazenamento de lado quente, e nc = 0,9 e nt = 0,95. Novamente, o meio de CTS pode ser hexano ou heptano e o meio de HTS pode ser sal fundido, e o sistema pode incluir 4 tanques de armazenamento de calor.[00133] Figure 18 shows a heat storage discharge cycle for the storage system for the storage system in Figure 14 with a cold-side storage medium (e.g., liquid hexane) capable of going down to 179 K ( -94 °C) and a molten salt as hot-side storage, and nc = 0.9 and nt = 0.95. Again, the CTS medium may be hexane or heptane and the HTS medium may be molten salt, and the system may include 4 heat storage tanks.
[00134] Durante a descarga nas Figuras 14 e 18, o fluido de trabalho entra no compressor em T0 e P2, sai do compressor em T0+ e P1, absorve o calor Qrecup a partir do fluido de trabalho de lado frio (baixa pressão) no permutador de calor ou recuperador 5, sai do recuperador 5 em T1 e P1, absorve calor Q1 a partir do meio de HTS 21 no CFX de lado quente 2, sai do CFX de lado quente 2 em T1+ e P1, entra na turbina 3 em Ti+ e Pi, sai da turbina eme P2, rejeita o calor para o ambiente (ou outro dissipador de calor) na seção 39 (por exemplo, um radiador), rejeita o calor Qrecup para o fluido de trabalho quente (alta pressão) no permutador de calor ou recuperador 5, entra no CFX de lado frio 4 em T0+ e P2, rejeita calor Q2 para o meio de CTS 22 no CFX de lado frio 4, e finalmente sai do CFX de lado frio 4 em T0 e P2, retornando ao seu estado inicial antes de entrar no compressor.[00134] During the discharge in Figures 14 and 18, the working fluid enters the compressor at T0 and P2, leaves the compressor at T0+ and P1, absorbs heat Qrecup from the cold side (low pressure) working fluid at heat exchanger or recuperator 5, leaves recuperator 5 at T1 and P1, absorbs heat Q1 from the middle of HTS 21 in hot-side CFX 2, leaves hot-side CFX 2 at T1+ and P1, enters turbine 3 at Ti+ and Pi, leaves the turbine in and P2, rejects heat to the environment (or other heat sink) in section 39 (e.g. a radiator), rejects heat Qrecup to the hot (high pressure) working fluid in heat exchanger or recuperator 5, enters in the cold-side CFX 4 at T0+ and P2, rejects heat Q2 to the middle of CTS 22 in the cold-side CFX 4, and finally leaves the cold-side CFX 4 at T0 and P2, returning to its initial state before entering the compressor.
[00135] Em outra implementação, mostrada na Figura 15, o ciclo de carga permanece o mesmo das Figuras 13 e 17, exceto que o fluido de trabalho sai do recuperador 5 em e P1 (em vez de em T0+ e P1, como nas Figuras 13 e 17), entra na turbina 3 em e P1, sai da turbina em To e P2, absorve calor Q2 a partir do meio de CTS 22 tendo uma temperatura (em vez de em T0+ como nas Figuras 13 e 17) no CFX de lado frio 4, e sai do CFX de lado frio 4 em e P2 (em vez de em T0+ e P2 como na Figura 13) antes de reentrar no recuperador 5. O calor entre as temperaturas TO+ e não é mais rejeitado diretamente a partir do fluido de trabalho para o ambiente (como na seção 38 nas Figuras 13 e 17).[00135] In another implementation, shown in Figure 15, the charging cycle remains the same as in Figures 13 and 17, except that the working fluid leaves the recuperator 5 at and P1 (instead of at T0+ and P1, as in Figures 13 and 17), enters turbine 3 at and P1, leaves the turbine at To and P2, absorbs heat Q2 from the medium of CTS 22 having a temperature (instead of at T0+ as in Figures 13 and 17) into cold-side CFX 4, and exits cold-side CFX 4 at and P2 (instead of at T0+ and P2 as in Figure 13) before re-entering recuperator 5. The heat between temperatures TO+ and it is no longer rejected directly from the working fluid into the environment (as in section 38 in Figures 13 and 17).
[00136] Durante a descarga na Figura 16, o ciclo de descarga permanece o mesmo das Figuras 14 e 8B, exceto que a temperatura do meio de HTS depositado no tanque 7 é alterada. O fluido de trabalho sai do recuperador 5 em e P1 (em vez de em T1 e P1, como nas Figuras 14 e 8B) e absorve calor Q1 do meio de HTS 21 no CFX de lado quente 2. O meio de HTS sai do CFX de lado quente 2 tendo uma temperatura (em vez de T1 como nas Figuras 14 e 18). O fluido de trabalho então sai do CFX de lado quente 2 em T1+ e P1, entra na turbina 3 em T1+ e P1, e sai da turbina em e P2 antes de reentrar no recuperador 5. O calor entre as temperaturas e T1 não é mais rejeitado diretamente do fluido de trabalho para o ambiente (como na seção 39 nas Figuras 14 e 18). Como na Figura 14, o meio de CTS entra no tanque 8 à temperatura T0+.[00136] During the discharge in Figure 16, the discharge cycle remains the same as in Figures 14 and 8B, except that the temperature of the HTS medium deposited in tank 7 is changed. The working fluid leaves the recuperator 5 in and P1 (instead of at T1 and P1, as in Figures 14 and 8B) and absorbs heat Q1 from the HTS medium 21 in the hot-side CFX 2. The HTS medium leaves the hot-side CFX 2 having a temperature (instead of T1 as in Figures 14 and 18). The working fluid then leaves hot side CFX 2 at T1+ and P1, enters turbine 3 at T1+ and P1, and exits the turbine at and P2 before reentering the stove 5. The heat between temperatures and T1 is no longer rejected directly from the working fluid to the environment (as in section 39 in Figures 14 and 18). As in Figure 14, the CTS medium enters tank 8 at temperature T0+.
[00137] Após a descarga na Figura 16, em preparação para a carga na Figura 15, a permuta de calor com o ambiente pode ser utilizada para arrefecer o meio de HTS 21 a partir da temperatura utilizada no ciclo de descarga para a temperatura T1 utilizada no ciclo de carga. Da mesma forma, a troca de calor com o ambiente pode ser usada para resfriar o meio de CTS 22 da temperatura T0+ usada no ciclo de descarga para a temperatura utilizada no ciclo de carga. Ao contrário da configuração nas Figuras 13 e 14, em que o fluido de trabalho pode precisar rejeitar uma quantidade substancial de calor (nas seções 38 e 39, respectivamente) a uma taxa rápida, nesta configuração, o meio de armazenamento de lado quente e frio pode ser arrefecido a uma taxa arbitrariamente lenta (por exemplo, por irradiar para longe ou por outros meios de liberar o calor para o ambiente).[00137] After discharge in Figure 16, in preparation for charging in Figure 15, heat exchange with the environment can be used to cool the HTS 21 medium from the temperature used in the discharge cycle to the temperature T1 used in the charge cycle. Likewise, heat exchange with the environment can be used to cool the CTS 22 medium from the temperature T0+ used in the discharge cycle to the temperature used in the charging cycle. Unlike the configuration in Figures 13 and 14, where the working fluid may need to reject a substantial amount of heat (in sections 38 and 39, respectively) at a rapid rate, in this configuration, the hot and cold side storage medium can be cooled at an arbitrarily slow rate (e.g., by radiating away or by other means of releasing heat into the environment).
[00138] Como mostrado na Figura 16, em algumas implementações, o calor pode ser rejeitado a partir do meio de CTS para o ambiente pela circulação do meio de CTS no tanque 8 em um dispositivo de rejeição de calor 55 que pode absorver calor a partir do meio de CTS e rejeitar calor para o meio ambiente até o meio de CTS esfriar a partir da temperatura To+ à temperatura. Em alguns exemplos, o dispositivo de rejeição de calor 55 pode ser, por exemplo, um radiador, um banho térmico contendo uma substância tal como água ou água salgada, ou um dispositivo imerso em um corpo natural de água tal como um lago, rio ou oceano. Em alguns exemplos, o dispositivo de rejeição de calor 55 também pode ser um aparelho de refrigeração de ar, ou uma série de tubos que são conectados termicamente a um reservatório sólido (por exemplo, tubos embutidos no solo).[00138] As shown in Figure 16, in some implementations, heat may be rejected from the CTS medium to the environment by circulating the CTS medium in tank 8 in a heat rejection device 55 that can absorb heat from of the CTS medium and reject heat to the environment until the CTS medium cools from temperature To+ to temperature . In some examples, the heat rejection device 55 may be, for example, a radiator, a thermal bath containing a substance such as water or salt water, or a device immersed in a natural body of water such as a lake, river or ocean. In some examples, the heat rejection device 55 may also be an air cooling apparatus, or a series of tubes that are thermally connected to a solid reservoir (e.g., tubes embedded in the ground).
[00139] Similarmente, em algumas implementações, o calor pode ser rejeitado do meio de HTS para o meio ambiente pela circulação do HTS no tanque 7 em um dispositivo de rejeição de calor 56 que pode absorver calor do meio de HTS e rejeitar o calor para o meio ambiente até que o meio de HTS resfrie da temperaturaa temperatura Ti. Em alguns exemplos, o dispositivo de rejeição de calor 56 pode ser, por exemplo, um radiador, um banho térmico contendo uma substância tal como água ou água salgada, ou um dispositivo imerso em um corpo natural de água tal como um lago, rio ou oceano. Em alguns exemplos, o dispositivo de rejeição de calor 56 também pode ser um aparelho de refrigeração de ar ou uma série de tubos que são conectados termicamente a um reservatório sólido (por exemplo, tubos embutidos no solo).[00139] Similarly, in some implementations, heat may be rejected from the HTS medium to the environment by circulating the HTS in tank 7 in a heat rejection device 56 which may absorb heat from the HTS medium and reject the heat to the environment until the HTS medium cools from the temperature temperature Ti. In some examples, the heat rejection device 56 may be, for example, a radiator, a thermal bath containing a substance such as water or salt water, or a device immersed in a natural body of water such as a lake, river or ocean. In some examples, the heat rejection device 56 may also be an air cooling apparatus or a series of tubes that are thermally connected to a solid reservoir (e.g., tubes embedded in the ground).
[00140] Em algumas implementações, a rejeição de calor para o ambiente através da utilização do meio de armazenamento térmico pode ser usada em conjunto com ciclos de carga e/ou descarga de taxa de compressão variável descritos, por exemplo, na Figura i0. Neste sistema, apenas o meio de CTS pode trocar calor com o ambiente. Tal sistema também pode ser implementado com um recuperador para estender os intervalos de temperatura dos meios de HTS e CTS nos ciclos.[00140] In some implementations, the rejection of heat to the environment through the use of thermal storage medium can be used in conjunction with variable compression ratio charge and/or discharge cycles described, for example, in Figure i0. In this system, only the CTS medium can exchange heat with the environment. Such a system can also be implemented with a recuperator to extend the temperature ranges of the HTS and CTS media in the cycles.
[00141] Em algumas implementações, três tanques de armazenamento de lado frio separados nas respectivas temperaturas To, podem ser usados (por exemplo, um tanque extra pode ser usado além dos tanques 8 e 9). Durante a troca de calor no CFX de lado frio 4 no ciclo de descarga, o calor do fluido de trabalho que sai do recuperador 5 pode ser transferido para o meio de CTS no -tanque. O meio de CTS pode ser resfriado em/por, por exemplo, o dispositivo de rejeição de calor 55 antes de entrar no tanque. Em algumas implementações, três tanques de armazenamento de lado quente separados a temperaturas respectivas TI, podem ser usados (por exemplo, um tanque extra pode ser usado além dos tanques 6 e 7). Durante a troca de calor no CFX de lado quente 2 no ciclo de descarga, o calor a partir do fluido de trabalho que sai do recuperador 5 pode ser transferido para o meio de HTS no tanque. O meio de HTS pode ser resfriado em/por, por exemplo, o dispositivo de rejeição de calor 56 antes de entrar no T1-tanque. A rejeição de calor para ambiente de tal maneira pode apresentar várias vantagens. Em um primeiro exemplo, pode eliminar a necessidade de um fluido de trabalho potencialmente dispendioso para o permutador de calor de ambiente que seja capaz de absorver calor do fluido de trabalho a uma taxa proporcional à entrada/saída de energia do sistema. Os meios de HTS e CTS podem, em vez disso, rejeitar o calor durante períodos de tempo prolongados, reduzindo assim o custo da infraestrutura de refrigeração. Em um segundo exemplo, pode permitir que a decisão sobre quando o calor é rejeitado para o ambiente seja retardada, de modo que a troca de calor para ambiente possa ser realizada quando a temperatura (por exemplo, a temperatura ambiente) for mais favorável.[00141] In some implementations, three separate cold-side storage tanks at respective temperatures To, can be used (for example, an extra tank can be used in addition to tanks 8 and 9). During heat exchange in the cold-side CFX 4 in the discharge cycle, the heat of the working fluid leaving the recuperator 5 can be transferred to the CTS medium in the -tank. The CTS medium may be cooled in/by, for example, the heat rejection device 55 before entering the tank. In some implementations, three separate hot-side storage tanks at respective temperatures TI, can be used (for example, an extra tank can be used in addition to tanks 6 and 7). During heat exchange in the hot side CFX 2 in the discharge cycle, heat from the working fluid leaving the recuperator 5 can be transferred to the HTS medium in the tank. The HTS medium may be cooled in/by, for example, the heat rejection device 56 before entering the T1-tank. Rejecting heat to the environment in this way can have several advantages. In a first example, it can eliminate the need for a potentially expensive working fluid for the ambient heat exchanger that is capable of absorbing heat from the working fluid at a rate proportional to the energy input/output of the system. HTS and CTS media can instead reject heat over extended periods of time, thereby reducing the cost of cooling infrastructure. In a second example, it may allow the decision about when heat is rejected to the environment to be delayed, so that the exchange of heat to the environment can be carried out when the temperature (e.g. room temperature) is more favorable.
[00142] Nos ciclos de carga e descarga das Figuras 13 e 17 e Figuras 14 e 18, respectivamente, as mesmas taxas de compressão e valores de temperatura são usados tanto para carga quanto para descarga. Nesta configuração, a eficiência de ida e volta pode ser de cerca de narmazenado = 74%, como dado por To = 194 K (-79 °C), Ti = 494 K (221 °C). nt = 0,95, nc = 0,9 e r = 3,3.[00142] In the charge and discharge cycles of Figures 13 and 17 and Figures 14 and 18, respectively, the same compression ratios and temperature values are used for both charge and discharge. In this configuration, the round trip efficiency can be about nstored = 74%, as given by To = 194 K (-79 °C), Ti = 494 K (221 °C). nt = 0.95, nc = 0.9 and r = 3.3.
[00143] Assim, em alguns exemplos envolvendo fluido de trabalho para recuperação de fluido de trabalho, a rejeição de calor no lado quente (alta pressão) do ciclo de carga fechado pode ocorrer em três operações (troca de calor com o meio de HTS, seguida de recuperação, seguida de rejeição de calor ao meio ambiente), e a rejeição de calor no lado frio (baixa pressão) do ciclo de descarga fechado pode ocorrer em três operações (rejeição de calor ao ambiente, seguida de recuperação, seguida de troca de calor com o meio de CTS). Como resultado da recuperação, o (s) tanque (s) de HTS de temperatura mais alta 6 pode permanecer em T1+ enquanto o(s) tanque(s) de HTS de temperatura mais baixa 7 pode estar agora na temperatura T1 > T0+, e o tanque de CTS de temperatura mais baixa(s) 9 pode permanecer em T0 enquanto o(s) tanque(s) CTS de temperatura mais alta 8 pode agora estar na temperatura T0+ < T1.[00143] Thus, in some examples involving working fluid for working fluid recovery, heat rejection on the hot side (high pressure) of the closed load cycle can occur in three operations (heat exchange with the HTS medium, followed by recovery, followed by heat rejection to the environment), and heat rejection on the cold (low pressure) side of the closed discharge cycle can occur in three operations (heat rejection to the environment, followed by recovery, followed by exchange of heat with the CTS medium). As a result of recovery, the higher temperature HTS tank(s) 6 may remain at T1+ while the lower temperature HTS tank(s) 7 may now be at temperature T1 > T0+, and the lower temperature CTS tank(s) 9 may remain at T0 while the higher temperature CTS tank(s) 8 may now be at temperature T0+ < T1.
[00144] Em alguns casos, a recuperação pode ser implementada utilizando o permutador de calor 5 para transferência direta de calor entre o fluido de trabalho no lado de alta pressão e o fluido de trabalho no lado de baixa pressão. Em uma configuração alternativa, um par adicional (ou pluralidade) de permutadores de calor juntamente com um meio de transferência de calor ou fluido adicional (por exemplo, um fluido de transferência de calor térmico que seja líquido em um intervalo de temperatura apropriado, como, por exemplo, Therminol®) pode ser usado para obter recuperação. Por exemplo, um permutador de calor adicional pode ser adicionado em série com o permutador de calor de lado frio e um permutador de calor adicional pode ser adicionado em série com o permutador de calor de lado quente. O meio de transferência de calor adicional pode circular entre os dois permutadores de calor adicionais em um circuito de ciclo fechado. Em outros exemplos, um ou mais permutadores de calor adicionais podem ser colocados em outras partes do sistema para facilitar a recuperação. Além disso, um ou mais meios de transferência de calor adicionais ou suas misturas podem ser usados. O um ou mais fluidos de meio de transferência de calor adicionais podem estar em comunicação fluida ou térmica com um ou mais outros componentes, como, por exemplo, uma torre de resfriamento ou um radiador.[00144] In some cases, recovery can be implemented using heat exchanger 5 for direct heat transfer between the working fluid on the high pressure side and the working fluid on the low pressure side. In an alternative configuration, an additional pair (or plurality) of heat exchangers together with an additional heat transfer medium or fluid (e.g., a thermal heat transfer fluid that is liquid in an appropriate temperature range, such as, for example, Therminol®) can be used to achieve recovery. For example, an additional heat exchanger can be added in series with the cold side heat exchanger and an additional heat exchanger can be added in series with the hot side heat exchanger. The additional heat transfer medium can be circulated between the two additional heat exchangers in a closed cycle circuit. In other examples, one or more additional heat exchangers may be placed in other parts of the system to facilitate recovery. Furthermore, one or more additional heat transfer media or mixtures thereof may be used. The one or more additional heat transfer medium fluids may be in fluid or thermal communication with one or more other components, such as, for example, a cooling tower or a radiator.
[00145] Em um exemplo, hexano ou heptano podem ser utilizados como um meio de CTS e o sal de nitrato pode ser utilizado como um meio de HTS. No lado de baixa pressão do ciclo, as temperaturas de operação dos ciclos de armazenamento térmico bombeado podem ser limitadas pelo ponto de fusão do hexano (178 K ou -95 °C) em T0 e pelo ponto de fusão do nitrato (494 K ou 221 °C) em T1. No lado de alta pressão do ciclo, as temperaturas de operação podem ser limitadas pelo ponto de ebulição do hexano (341 K ou 68 °C) em T0+ e pela decomposição do nitrato (873 K ou 600 °C) em T1+. Nestas condições, os intervalos de temperatura de alta pressão e baixa pressão podem se sobrepor de forma que a recuperação possa ser implementada. As temperaturas reais T0, T1, T0+ e T1+ e taxas de pressão implementadas nos sistemas de hexano/nitrato podem diferir dos limites acima.[00145] In one example, hexane or heptane can be used as a CTS medium and the nitrate salt can be used as an HTS medium. On the low pressure side of the cycle, the operating temperatures of pumped thermal storage cycles can be limited by the melting point of hexane (178 K or -95 °C) at T0 and the melting point of nitrate (494 K or 221 °C) in T1. On the high pressure side of the cycle, operating temperatures can be limited by the boiling point of hexane (341 K or 68 °C) at T0+ and the decomposition of nitrate (873 K or 600 °C) at T1+. Under these conditions, the high pressure and low pressure temperature ranges can overlap so that recovery can be implemented. Actual temperatures T0, T1, T0+ and T1+ and pressure ratios implemented in hexane/nitrate systems may differ from the above limits.
[00146] Em alguns exemplos, a recuperação pode permitir que a taxa de compressão seja reduzida. Em alguns casos, a redução da taxa de compressão pode resultar na redução das perdas do compressor e da turbina. Em alguns casos, a taxa de compressão pode ser pelo menos cerca de 1,2, pelo menos cerca de 1,5, pelo menos cerca de 2, pelo menos cerca de 2,5, pelo menos cerca de 3, pelo menos cerca de 3,5, pelo menos cerca de 4, pelo menos cerca de 4,5 pelo menos cerca de 5, pelo menos cerca de 6, pelo menos cerca de 8, pelo menos cerca de 10, pelo menos cerca de 15, pelo menos cerca de 20, pelo menos cerca de 30 ou mais.[00146] In some examples, recovery may allow the compression ratio to be reduced. In some cases, reducing the compression ratio can result in reduced compressor and turbine losses. In some cases, the compression ratio may be at least about 1.2, at least about 1.5, at least about 2, at least about 2.5, at least about 3, at least about 3.5, at least about 4, at least about 4.5, at least about 5, at least about 6, at least about 8, at least about 10, at least about 15, at least about of 20, at least around 30 or more.
[00147] Em alguns casos, T0 pode ser pelo menos cerca de 30 K (-243,15 °C), pelo menos cerca de 50 K (-223,15 °C), pelo menos cerca de 80 K(-193,15 °C), pelo menos cerca de 100 K (-173,15 °C), pelo menos cerca de 120 K (-153,15 °C), pelo menos cerca de 140 K (-133,15 °C), pelo menos cerca de 160 K (-113,15 °C), pelo menos cerca de 180 K (-93,15 °C), pelo menos cerca de 200 K (-73,15 °C), pelo menos cerca de 220 K (-53,15 °C), pelo menos cerca de 240 K (-33,15 °C), pelo menos cerca de 260 K (-13,15 °C), ou pelo menos cerca de 280 K (6,85 °C). Em alguns casos, T0+ pode ser pelo menos cerca de 220 K (-53,15 °C)pelo menos cerca de 240 K (-33,15 °C), pelo menos cerca de 260 K (-13,15 °C), pelo menos cerca de 280 K (6,85 °C), pelo menos cerca de 300 K, pelo menos 320 K, pelo menos 340 K (66,85 °C), pelo menos 360 K (86,85 °C), pelo menos cerca de 380 K (106,85 °C), pelo menos cerca de 400 K (126,85 °C), ou mais. Em alguns casos, as temperaturas T0 e T0+ podem ser restringidas pela capacidade de rejeitar o excesso de calor para o ambiente à temperatura ambiente. Em alguns casos, as temperaturas T0 e T0+ podem ser restringidas pelas temperaturas de operação do CTS (por exemplo, uma temperatura de transição de fase). Em alguns casos, as temperaturas T0 e T0+ podem ser restringidas pela taxa de compressão utilizada. Qualquer descrição das temperaturas T0 e/ou T0+ aqui pode ser aplicada a qualquer sistema ou método da divulgação.[00147] In some cases, T0 may be at least about 30 K (-243.15 °C), at least about 50 K (-223.15 °C), at least about 80 K (-193, 15 °C), at least about 100 K (-173.15 °C), at least about 120 K (-153.15 °C), at least about 140 K (-133.15 °C), at least about 160 K (-113.15 °C), at least about 180 K (-93.15 °C), at least about 200 K (-73.15 °C), at least about 220 K (-53.15 °C), at least about 240 K (-33.15 °C), at least about 260 K (-13.15 °C), or at least about 280 K (6. 85°C). In some cases, T0+ may be at least about 220 K (-53.15 °C) at least about 240 K (-33.15 °C) at least about 260 K (-13.15 °C) , at least about 280 K (6.85 °C), at least about 300 K, at least 320 K, at least 340 K (66.85 °C), at least 360 K (86.85 °C) , at least about 380 K (106.85 °C), at least about 400 K (126.85 °C), or more. In some cases, the temperatures T0 and T0+ may be restricted by the ability to reject excess heat to the environment at room temperature. In some cases, the T0 and T0+ temperatures may be constrained by the CTS operating temperatures (e.g., a phase transition temperature). In some cases, the temperatures T0 and T0+ may be restricted by the compression ratio used. Any description of temperatures T0 and/or T0+ herein may be applied to any system or method of the disclosure.
[00148] Em alguns casos, T1 pode ser pelo menos cerca de 350 K (76,85 °C), pelo menos cerca de 400 K (126,85 °C), pelo menos cerca de 440 K (166,85 °C), pelo menos cerca de 480 K (206,85 °C), pelo menos cerca de 520 K (246,85 °C), pelo menos cerca de 560 K (286,85 °C), pelo menos cerca de 600 K (326,85 °C), pelo menos cerca de 640 K (366,85 °C), pelo menos cerca de 680 K (406,85 °C), pelo menos cerca de 720 K (446,85 °C), pelo menos cerca de 760 K (486,85 °C), pelo menos cerca de 800 K (526,85 °C), pelo menos cerca de 840 K (566,85 °C), pelo menos cerca de 880 K (606,85 °C), pelo menos cerca de 920 K (646,85 °C), pelo menos cerca de 960 K (686,85 °C), pelo menos cerca de 1000 K (726,85 °C), pelo menos cerca de 1100 K (826,85 °C), pelo menos cerca de 1200 K, pelo menos cerca de 1300 K, pelo menos cerca de 1400 K (1126,85 °C), ou mais. Em alguns casos, T1+ pode ser pelo menos cerca de 480 K (206,85 °C), pelo menos cerca de 520 K (246,85 °C), pelo menos cerca de 560 K (286,85 °C), pelo menos cerca de 600 K (326,85 °C), pelo menos cerca de 640 K (366,85 °C), pelo menos cerca de 680 K (406,85 °C), pelo menos cerca de 720 K (446,85 °C), pelo menos cerca de 760 K (486,85 °C), pelo menos cerca de 800 K (526,85 °C), pelo menos cerca de 840 K (566,85 °C), pelo menos cerca de 880 K (606,85 °C), pelo menos cerca de 920 K (646,85 °C), pelo menos cerca de 960 K (686,85 °C), pelo menos cerca de 1000 K (726,85 °C), pelo menos cerca de 1100 K (826,85 °C), pelo menos cerca de 1200 K (926,85 °C), pelo menos cerca de 1300 K (1026,85 °C), pelo menos cerca de 1400 K (1126,85 °C), pelo menos cerca de 1500 K (1226,85 °C), pelo menos cerca de 1600 K (1326,85 °C), pelo menos cerca de 1700 K (1426,85 °C), ou mais. Em alguns casos, as temperaturas T1 e T1+ podem ser restringidas pelas temperaturas de operação do HTS. Em alguns casos, as temperaturas T1 e T1+ podem ser restringidas pelos limites térmicos dos metais e materiais sendo usados no sistema. Por exemplo, um sal solar convencional pode ter um intervalo de temperatura recomendado de aproximadamente 560-840 K (286,85 - 566,85 °C). Várias melhorias no sistema, como, por exemplo, maior eficiência de ida e volta, maior potência e maior capacidade de armazenamento podem ser realizadas conforme materiais disponíveis, metalurgia e materiais de armazenamento melhoram com o tempo e permitem que diferentes intervalos de temperatura sejam alcançados. Qualquer descrição das temperaturas T1 e/ou T1+ aqui pode ser aplicada a qualquer sistema ou método da divulgação.[00148] In some cases, T1 may be at least about 350 K (76.85 °C), at least about 400 K (126.85 °C), at least about 440 K (166.85 °C ), at least about 480 K (206.85 °C), at least about 520 K (246.85 °C), at least about 560 K (286.85 °C), at least about 600 K (326.85 °C), at least about 640 K (366.85 °C), at least about 680 K (406.85 °C), at least about 720 K (446.85 °C), at least about 760 K (486.85 °C), at least about 800 K (526.85 °C), at least about 840 K (566.85 °C), at least about 880 K (606 .85 °C), at least about 920 K (646.85 °C), at least about 960 K (686.85 °C), at least about 1000 K (726.85 °C), at least about 1100 K (826.85 °C), at least about 1200 K, at least about 1300 K, at least about 1400 K (1126.85 °C), or more. In some cases, T1+ may be at least about 480 K (206.85 °C), at least about 520 K (246.85 °C), at least about 560 K (286.85 °C), at least at least about 600 K (326.85 °C), at least about 640 K (366.85 °C), at least about 680 K (406.85 °C), at least about 720 K (446, 85 °C), at least about 760 K (486.85 °C), at least about 800 K (526.85 °C), at least about 840 K (566.85 °C), at least about of 880 K (606.85 °C), at least about 920 K (646.85 °C), at least about 960 K (686.85 °C), at least about 1000 K (726.85 °C) C), at least about 1100 K (826.85 °C), at least about 1200 K (926.85 °C), at least about 1300 K (1026.85 °C), at least about 1400 K (1126.85 °C), at least about 1500 K (1226.85 °C), at least about 1600 K (1326.85 °C), at least about 1700 K (1426.85 °C) , or more. In some cases, the T1 and T1+ temperatures may be restricted by the HTS operating temperatures. In some cases, the T1 and T1+ temperatures may be restricted by the thermal limits of the metals and materials being used in the system. For example, a conventional solar salt may have a recommended temperature range of approximately 560-840 K (286.85 - 566.85 °C). Various system improvements, for example, greater round trip efficiency, greater power, and greater storage capacity can be realized as available materials, metallurgy, and storage materials improve over time and allow different temperature ranges to be achieved. Any description of T1 and/or T1+ temperatures herein may be applied to any system or method of the disclosure.
[00149] Em alguns casos, a eficiência de ida e volta narmazenado (por exemplo, a eficiência de armazenamento de eletricidade) com e/ou sem recuperação pode ser pelo menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 25%, pelo menos cerca de 30%, pelo menos cerca de 35%, pelo menos cerca de 40%, pelo menos cerca de 45%, pelo menos cerca de 50%, pelo menos cerca de 55%, pelo menos cerca de 60% %, pelo menos cerca de 70%, pelo menos cerca de 75%, pelo menos cerca de 80%, pelo menos cerca de 85%, pelo menos cerca de 90%, ou pelo menos cerca de 95%.[00149] In some cases, the stored round-trip efficiency (e.g., electricity storage efficiency) with and/or without recovery may be at least about 5%, at least about 10%, at least about of 15%, at least about 20%, at least about 25%, at least about 30%, at least about 35%, at least about 40%, at least about 45%, at least about 50%, at least about 55%, at least about 60% %, at least about 70%, at least about 75%, at least about 80%, at least about 85%, at least about 90%, or at least about 95%.
[00150] Em algumas implementações, pelo menos uma parte da transferência de calor no sistema (por exemplo, transferência de calor para e do fluido de trabalho) durante um ciclo de carga e/ou descarga inclui transferência de calor com o ambiente (por exemplo, transferência de calor nas seções 38 e 39). O restante da transferência de calor no sistema pode ocorrer através de comunicação térmica com meio de armazenamento térmico (por exemplo, meio de armazenamento térmico 21 e 22), através de transferência de calor no recuperador 5 e/ou através de vários processos de transferência de calor dentro dos limites de sistema (ou seja, não com o ambiente circundante). Em alguns exemplos, o ambiente pode se referir a reservatórios gasosos ou líquidos ao redor do sistema (por exemplo, ar, água), qualquer sistema ou meio capaz de trocar energia térmica com o sistema (por exemplo, outro ciclo ou sistema termodinâmico, sistemas de aquecimento/resfriamento, etc.), ou qualquer combinação destes. Em alguns exemplos, o calor transferido através de comunicação térmica com o meio de armazenamento de calor pode ser pelo menos cerca de 25%, pelo menos cerca de 50%, pelo menos cerca de 60%, pelo menos cerca de 70%, pelo menos cerca de 80%, ou pelo menos cerca de 90% de todo o calor transferido no sistema. Em alguns exemplos, o calor transferido através de transferência de calor no recuperador pode ser pelo menos cerca de 5%, pelo menos cerca de 10%, pelo menos cerca de 15%, pelo menos cerca de 20%, pelo menos cerca de 25%, pelo menos cerca de 50%, ou pelo menos cerca de 75% de todo o calor transferido no sistema. Em alguns exemplos, calor transferido através de comunicação térmica com o meio de armazenamento de calor e através de transferência de calor no recuperador pode ser pelo menos cerca de 25%, pelo menos cerca de 50%, pelo menos cerca de 60%, pelo menos cerca de 70%, pelo menos 80%, pelo menos cerca de 90%, ou mesmo cerca de 100% de todo o calor transferido no sistema. Em alguns exemplos, o calor transferido através da transferência de calor com o ambiente pode ser inferior a cerca de 5%, inferior a cerca de 10%, inferior a cerca de 15%, inferior a cerca de 20%, inferior a cerca de 30%, inferior a cerca de 40% inferior a cerca de 50%, inferior a cerca de 60%, inferior a cerca de 70%, inferior a cerca de 80%, inferior a cerca de 90%, inferior a cerca de 100% ou mesmo a 100% de todo o calor transferido no sistema. Em algumas implementações, toda a transferência de calor no sistema pode ser com o meio de armazenamento térmico (por exemplo, a meio de CTS e HTS), e somente o meio de armazenamento térmico pode conduzir a transferência de calor com o ambiente.[00150] In some implementations, at least a portion of the heat transfer in the system (e.g., heat transfer to and from the working fluid) during a charge and/or discharge cycle includes heat transfer with the environment (e.g. , heat transfer in sections 38 and 39). The remainder of the heat transfer in the system may occur through thermal communication with thermal storage medium (e.g., thermal storage medium 21 and 22), through heat transfer in recuperator 5, and/or through various heat transfer processes. heat within system boundaries (i.e., not with the surrounding environment). In some examples, the environment may refer to gaseous or liquid reservoirs surrounding the system (e.g., air, water), any system or medium capable of exchanging thermal energy with the system (e.g., another thermodynamic cycle or system, systems heating/cooling, etc.), or any combination thereof. In some examples, the heat transferred through thermal communication with the heat storage medium may be at least about 25%, at least about 50%, at least about 60%, at least about 70%, at least about about 80%, or at least about 90% of all heat transferred in the system. In some examples, the heat transferred via heat transfer in the recuperator may be at least about 5%, at least about 10%, at least about 15%, at least about 20%, at least about 25%. , at least about 50%, or at least about 75% of all heat transferred in the system. In some examples, heat transferred through thermal communication with the heat storage medium and through heat transfer in the recuperator may be at least about 25%, at least about 50%, at least about 60%, at least about about 70%, at least 80%, at least about 90%, or even about 100% of all heat transferred in the system. In some examples, the heat transferred through heat transfer with the environment may be less than about 5%, less than about 10%, less than about 15%, less than about 20%, less than about 30%. %, less than about 40% less than about 50%, less than about 60%, less than about 70%, less than about 80%, less than about 90%, less than about 100% or even at 100% of all heat transferred in the system. In some implementations, all heat transfer in the system may be with the thermal storage medium (e.g., through CTS and HTS), and only the thermal storage medium may conduct heat transfer with the environment.
[00151] Os ciclos térmicos bombeados da divulgação (por exemplo, os ciclos nas Figuras 13 e 14) podem ser implementados através de várias configurações de tubos e válvulas para transportar o fluido de trabalho entre as turbomáquinas e os permutadores de calor. Em algumas implementações, um sistema de válvulas pode ser usado de forma que os diferentes ciclos do sistema possam ser trocados mantendo o mesmo ou quase o mesmo perfil de temperatura em pelo menos um, através de um subconjunto ou através de todos os permutadores de calor de contrafluxo no sistema. Por exemplo, a válvula pode ser configurada de modo que o fluido de trabalho possa passar através dos permutadores de calor em direções de fluxo opostas na carga e descarga e direções de fluxo do meio de HTS e CTS são invertidas por inverter a direção das bombas.[00151] The pumped thermal cycles of the disclosure (e.g., the cycles in Figures 13 and 14) can be implemented through various configurations of pipes and valves to transport working fluid between turbomachinery and heat exchangers. In some implementations, a valve system may be used so that different cycles of the system can be switched while maintaining the same or nearly the same temperature profile on at least one, across a subset, or across all of the heat exchangers. counterflow in the system. For example, the valve can be configured so that the working fluid can pass through the heat exchangers in opposite flow directions in loading and unloading and flow directions of the HTS and CTS medium are reversed by reversing the direction of the pumps.
[00152] Em algumas implementações, o sistema com um recuperador pode ter uma taxa de compressão e/ou expansão diferente na carga e descarga. Isto pode então envolver a rejeição de calor em apenas um ou ambos os locais de rejeição de calor 38 e 39 como mostrado na Figura 5C ao longo das linhas descritas acima.[00152] In some implementations, the system with a recuperator may have a different compression and/or expansion rate at loading and unloading. This may then involve heat rejection at only one or both heat rejection locations 38 and 39 as shown in Figure 5C along the lines described above.
[00153] A Figura 19 é um fluxograma esquemático de recarga de lado quente em um ciclo de calor bombeado em modo solar com aquecimento de um sal solar apenas por energia solar. O sistema pode incluir um aquecedor solar para aquecer o armazenamento de calor de lado quente. O meio de HTS 21 no segundo tanque de armazenamento térmico quente 7 de um ciclo de descarga, tal como, por exemplo, o meio de HTS do ciclo de descarga na Figura 14, pode ser recarregado dentro do elemento 17 usando o aquecimento fornecido pela radiação solar. O meio de HTS (por exemplo, sal fundido) pode ser aquecido por aquecimento solar a partir da temperatura T1 no segundo tanque de armazenamento térmico quente 7 para a temperatura T1+ no primeiro tanque de armazenamento térmico quente 6.[00153] Figure 19 is a schematic flowchart of hot-side recharging in a pumped heat cycle in solar mode with heating a solar salt by solar energy alone. The system may include a solar heater to heat the hot-side heat storage. The HTS medium 21 in the second hot thermal storage tank 7 of a discharge cycle, such as, for example, the HTS medium of the discharge cycle in Figure 14, can be recharged within the element 17 using the heating provided by radiation. solar. The HTS medium (e.g., molten salt) may be heated by solar heating from temperature T1 in the second hot thermal storage tank 7 to temperature T1+ in the first hot thermal storage tank 6.
[00154] Em algumas implementações, tais como, por exemplo, para os sistemas nas Figuras 19 calor solar para aquecimento do meio de HTS (por exemplo, de T1 = 493 K (220 ° C) até T1+ = 873 K (600 ° C)) pode ser fornecido por uma instalação solar de concentração. Em alguns exemplos, uma instalação de concentração de pequena escala pode ser utilizada para fornecer calor. Em alguns casos, a instalação solar concentrada pode incluir um ou mais componentes para alcançar alta eficiência de concentração solar, incluindo, por exemplo, atuadores de alto desempenho (por exemplo, atuadores fluídicos adaptáveis fabricados a partir de polímeros), sistema de controle de multiplicação, layout de heliostato denso etc. Em alguns exemplos, o calor fornecido para aquecer o meio de HTS (por exemplo, no elemento 17) pode ser um fluxo de calor residual a partir da instalação solar de concentração.[00154] In some implementations, such as, for example, for the systems in Figures 19 solar heat for heating the HTS medium (e.g., from T1 = 493 K (220 ° C) to T1+ = 873 K (600 ° C )) can be supplied by a concentrating solar installation. In some examples, a small-scale concentrating facility may be used to provide heat. In some cases, the concentrated solar installation may include one or more components to achieve high solar concentrating efficiency, including, for example, high-performance actuators (e.g. adaptive fluidic actuators manufactured from polymers), a multiplication control system , dense heliostat layout etc. In some examples, the heat supplied to heat the HTS medium (e.g., in element 17) may be a waste heat flow from the concentrating solar installation.
[00155] A Figura 20 é um fluxograma esquemático de um ciclo de descarga de sistema térmico bombeado que pode ser acoplado com entrada de calor externa (por exemplo, solar, combustão) com rejeição de calor para ambiente. Tal ciclo de descarga pode ser usado, por exemplo, em situações em que a capacidade de recarga de lado quente (por exemplo, usando aquecimento solar, calor residual ou combustão) é maior do que a capacidade de recarga de lado frio. O calor solar pode ser usado para carregar o meio de HTS 21 nos tanques de armazenamento de T1 para T1+, como descrito aqui em outro local. O ciclo de descarga pode funcionar de forma semelhante ao ciclo de descarga na Figura 3, mas depois de sair da turbina 3, o fluido de trabalho 20 pode prosseguir para o CFX de lado frio 4 permutador de calor 4 onde troca de calor com um meio de armazenamento térmico intermediário (ITS) 61 tendo uma temperatura inferior T0 em ou próxima da temperatura ambiente. O meio de ITS 61 entra no CFX de lado frio 4 a partir de um segundo tanque de armazenamento térmico intermediário 59 à temperatura T0 (por exemplo, temperatura ambiente) e sai do CFX de lado frio 4 para um primeiro tanque de armazenamento térmico intermediário 60 à temperatura T± , enquanto o fluido de trabalho 20 entra no CFX de lado frio 4 à temperatura Tr e sai do CFX de lado frio 4 à temperatura T0. O fluido de trabalho entra no compressor 1 em T0 e P2, sai do compressor em T0+ e P1, absorve calor Q1 do meio de HTS 21 no CFX de lado quente 2, sai do CFX de lado quente 2 em T1+ e P1, entra na turbina 3 em T1+ e P1, sai da turbina em Tj_ e P2, Q2 rejeita calor Q2 a partir do seu meio de ITS 61 no CFX de lado frio 4, e sai do CFX de lado frio 4 a T0 e P2, retornando ao seu estado inicial, antes de entrar no compressor.[00155] Figure 20 is a schematic flowchart of a pumped thermal system discharge cycle that can be coupled with external heat input (e.g., solar, combustion) with heat rejection to the environment. Such a discharge cycle can be used, for example, in situations where the hot-side recharge capacity (e.g. using solar heating, waste heat or combustion) is greater than the cold-side recharge capacity. Solar heat can be used to charge the HTS 21 medium in storage tanks from T1 to T1+, as described elsewhere here. The discharge cycle may operate similarly to the discharge cycle in Figure 3, but after exiting the turbine 3, the working fluid 20 may proceed to the cold-side CFX 4 heat exchanger 4 where it exchanges heat with a medium intermediate thermal storage (ITS) 61 having a temperature lower than T0 at or near ambient temperature. The ITS medium 61 enters the cold-side CFX 4 from a second intermediate thermal storage tank 59 at temperature T0 (e.g., room temperature) and leaves the cold-side CFX 4 to a first intermediate thermal storage tank 60 at temperature T±, while the working fluid 20 enters the cold-side CFX 4 at temperature Tr and leaves the cold-side CFX 4 at temperature T0. The working fluid enters compressor 1 at T0 and P2, leaves the compressor at T0+ and P1, absorbs heat Q1 from the medium of HTS 21 in hot-side CFX 2, leaves hot-side CFX 2 at T1+ and P1, enters turbine 3 at T1+ and P1, leaves the turbine at Tj_ and P2, Q2 rejects heat Q2 from its medium of ITS 61 at cold-side CFX 4, and leaves cold-side CFX 4 at T0 and P2, returning to its initial state, before entering the compressor.
[00156] Em algumas implementações, o meio de ITS 61 pode ser um líquido em todo o intervalo de To para Tr . Em outras implementações, o meio de ITS 61 pode não ser líquido em todo o intervalo de T0 para T± , mas pode ser fornecido ao permutador de calor de contrafluxo 4 a uma taxa de fluxo superior de modo a conseguir um menor aumento de temperatura através do permutador de calor de contrafluxo (por exemplo, tal que a temperatura do meio de ITS na saída do permutador de calor de contrafluxo 4 seja menor que Tr ) enquanto arrefece o fluido de trabalho de Tr para TO. Neste caso, a temperatura do meio de ITS no tanque 60 pode ser menor do que T\ . O meio de ITS no tanque 60 pode trocar calor com o ambiente (por exemplo, através de um radiador ou outras implementações aqui descritas) para resfriar de volta para a temperatura To. Em alguns casos, o meio de ITS pode então ser devolvido ao tanque 59. Em alguns casos, o calor depositado no meio de ITS pode ser utilizado para vários fins úteis, tais como, por exemplo, aquecimento residencial ou comercial, dessalinização térmica ou outros usos aqui descritos em outro local.[00156] In some implementations, the ITS medium 61 may be a liquid throughout the range of To to Tr. In other implementations, the ITS medium 61 may not be liquid throughout the range from T0 to T±, but may be supplied to the counterflow heat exchanger 4 at a higher flow rate so as to achieve a lower temperature rise across of the counterflow heat exchanger (e.g., such that the temperature of the ITS medium at the outlet of the counterflow heat exchanger 4 is less than Tr) while cooling the working fluid from Tr to TO. In this case, the temperature of the ITS medium in tank 60 may be lower than T\. The ITS medium in tank 60 may exchange heat with the environment (e.g., through a radiator or other implementations described herein) to cool back to the temperature To. In some cases, the ITS medium may then be returned to tank 59. In some cases, the heat deposited in the ITS medium may be used for various useful purposes, such as, for example, residential or commercial heating, thermal desalination, or other uses described elsewhere.
[00157] A Figura 21 é um fluxograma esquemático de um ciclo de descarga de um sistema térmico bombeado no modo solar ou modo aquecido de combustão com rejeição de calor para um fluido intermediário circulado em um banho térmico à temperatura ambiente. O ciclo de descarga pode funcionar de forma semelhante ao ciclo de descarga na Figura 20, mas depois de sair da turbina 3, o fluido de trabalho 20 pode prosseguir para o CFX de lado frio 4 onde troca calor com um meio ou fluido intermediário 62 circulando através de um banho térmico 63 à temperatura T0 em ou próximo da temperatura ambiente. O meio ou fluido intermediário 62 (por exemplo, Therminol®, ou um óleo de transferência de calor) pode ser usado para trocar calor entre o fluido de trabalho 20 e um banho térmico 63 no CFX de lado frio 4. O uso do fluido intermediário 62 pode fornecer uma vantagem sobre o contato com um dissipador de calor ou meio barato (por exemplo, água) diretamente com o fluido de trabalho. Por exemplo, o contato direto desse meio térmico com o fluido de trabalho no CFX de lado frio 4 pode causar problemas, como, por exemplo, evaporação ou sobre-pressurização (por exemplo, explosão) do meio térmico. O fluido intermediário 62 pode permanecer na fase líquida ao longo de todo, pelo menos uma porção de, ou uma porção significativa da operação no CFX de lado frio 4. Quando o fluido intermediário 62 passa através do banho térmico 58, pode ser suficientemente arrefecido para circular de volta para o CFX de lado frio 4 para resfriar o fluido de trabalho de T± para TO. O banho térmico 63 pode conter uma grande quantidade de material ou meio de dissipador de calor barato, tal como, por exemplo, água. Em alguns casos, o calor depositado no material de dissipador de calor pode ser utilizado para vários fins úteis, tais como, por exemplo, aquecimento residencial ou comercial, dessalinização térmica ou outras utilizações aqui descritas em outro local. Em alguns casos, o material de dissipador de calor pode ser reequilibrado com a temperatura ambiente (por exemplo, através de um radiador ou outras implementações aqui descritas).[00157] Figure 21 is a schematic flowchart of a discharge cycle of a thermal system pumped in solar mode or heated mode of combustion with heat rejection for an intermediate fluid circulated in a thermal bath at room temperature. The discharge cycle may operate similarly to the discharge cycle in Figure 20, but after exiting the turbine 3, the working fluid 20 may proceed to the cold-side CFX 4 where it exchanges heat with a circulating medium or intermediate fluid 62. through a thermal bath 63 at temperature T0 at or near room temperature. The intermediate medium or fluid 62 (e.g., Therminol®, or a heat transfer oil) may be used to exchange heat between the working fluid 20 and a thermal bath 63 in the cold-side CFX 4. The use of the intermediate fluid 62 may provide an advantage over contacting a heat sink or cheap medium (e.g. water) directly with the working fluid. For example, direct contact of this thermal medium with the working fluid in the cold-side CFX 4 may cause problems, such as, for example, evaporation or over-pressurization (e.g., explosion) of the thermal medium. The intermediate fluid 62 may remain in the liquid phase throughout at least a portion of, or a significant portion of, the operation in the cold-side CFX 4. When the intermediate fluid 62 passes through the thermal bath 58, it may be sufficiently cooled to circulate back to the cold side CFX 4 to cool the working fluid from T± to TO. Thermal bath 63 may contain a large amount of inexpensive heat sink material or medium, such as, for example, water. In some cases, the heat deposited on the heat sink material may be used for various useful purposes, such as, for example, residential or commercial heating, thermal desalination, or other uses described elsewhere herein. In some cases, the heat sink material can be rebalanced with the ambient temperature (e.g., through a radiator or other implementations described herein).
[00158] Em algumas implementações, os ciclos de descarga nas Figuras 20 e/ou 21 podem incluir um recuperador, como descrito em maior detalhe em exemplos ao longo da divulgação. Tais sistemas podem ser implementados usando as temperaturas T1+, T1, T0+ e T0, descrito em maior detalhe em outro local.[00158] In some implementations, the discharge cycles in Figures 20 and/or 21 may include a recuperator, as described in greater detail in examples throughout the disclosure. Such systems can be implemented using the temperatures T1+, T1, T0+ and T0, described in greater detail elsewhere.
[00159] Em alguns casos, o sistema térmico bombeado pode fornecer fontes de calor e/ou fontes de frio para outras instalações ou sistemas, tais como, por exemplo, através da co-localização com uma instalação de gás para líquidos (GTL) ou uma instalação de dessalinização. Em um exemplo, as instalações de GTL podem fazer uso de um ou mais reservatórios frios no sistema (por exemplo, o meio de CTS no tanque 9 para uso na separação de oxigênio na instalação de GTL) e/ou um ou mais reservatórios quentes no sistema (por exemplo, o meio de HTS no tanque 6 para uso em um processo de Fischer-Tropsch na instalação de GTL). Em outro exemplo, um ou mais reservatórios quentes ou um ou mais reservatórios frios no sistema térmico bombeado podem ser utilizados para a operação de métodos de dessalinização térmica. Outros exemplos de usos possíveis de calor e frio incluem co-localização ou troca de calor com sistemas de aquecimento/arrefecimento de edifícios/áreas.[00159] In some cases, the pumped thermal system may provide heat sources and/or cold sources for other installations or systems, such as, for example, through co-location with a gas-to-liquids (GTL) installation or a desalination plant. In one example, the GTL installations may make use of one or more cold reservoirs in the system (e.g., the CTS medium in tank 9 for use in oxygen separation in the GTL installation) and/or one or more hot reservoirs in the GTL installation. system (e.g. the HTS medium in tank 6 for use in a Fischer-Tropsch process in the GTL installation). In another example, one or more hot reservoirs or one or more cold reservoirs in the pumped thermal system may be used for the operation of thermal desalination methods. Other examples of possible uses of heat and cold include co-location or heat exchange with building/area heating/cooling systems.
[00160] Inversamente, em alguns casos, o sistema térmico bombeado pode utilizar fontes de calor residual e/ou fontes de frio residual de outras instalações ou sistemas, como, por exemplo, através da co-localização com um terminal de importação ou exportação de gás natural liquefeito. Por exemplo, uma fonte de frio residual pode ser usada para resfriar o meio de armazenamento térmico de lado frio 22. Em algumas implementações, a carga de lado frio usando frio residual pode ser combinado com recarga do meio de armazenamento térmico de lado quente 21 pela entrada externa de calor (por exemplo, solar, combustão, calor residual, etc.). Em alguns casos, o meio de armazenamento recarregado pode então ser usado em um ciclo de descarga como, por exemplo, os ciclos de descarga nas Figuras 14 ou 16. Em alguns casos, o sistema térmico bombeado pode ser usado como um motor de calor com uma fonte de calor residual que serve como entrada de calor de lado quente e como fonte de frio residual servindo como dissipador de calor de lado frio. Em outra implementação, o meio de armazenamento de lado quente pode ser recarregado utilizando uma versão modificada do ciclo mostrado na Figura 15, onde a temperatura T0 é sobre a temperatura ambiente To+ e corresponde a uma temperatura acima da temperatura ambiente. Em alguns exemplos, uma fonte de calor residual pode ser usada para fornecer o calor necessário a uma temperatura de pelo menos To+ para aquecer o fluido de trabalho e/ou o meio de CTS para To+. Em outra implementação, um fluido intermediário (por exemplo, Therminol ®) que pode permanecer líquido entre as temperaturas To+ e T0 pode ser usado para transferir o calor a partir da fonte de calor residual para o fluido de trabalho.[00160] Conversely, in some cases, the pumped thermal system may utilize waste heat sources and/or waste cold sources from other facilities or systems, such as, for example, through co-location with a food import or export terminal. liquefied natural gas. For example, a source of residual cold may be used to cool the cold-side thermal storage medium 22. In some implementations, cold-side charging using residual cold may be combined with recharging the hot-side thermal storage medium 21 by external heat input (e.g. solar, combustion, waste heat, etc.). In some cases, the recharged storage medium can then be used in a discharge cycle, such as the discharge cycles in Figures 14 or 16. In some cases, the pumped thermal system can be used as a heat engine with a residual heat source serving as a hot-side heat input and a residual cold source serving as a cold-side heat sink. In another implementation, the hot-side storage medium can be recharged using a modified version of the cycle shown in Figure 15, where the temperature T0 is about the ambient temperature To+ and corresponds to a temperature above the ambient temperature. In some examples, a waste heat source may be used to provide the necessary heat at a temperature of at least To+ to heat the working fluid and/or the medium from CTS to To+. In another implementation, an intermediate fluid (e.g., Therminol®) that can remain liquid between temperatures To+ and T0 can be used to transfer heat from the waste heat source to the working fluid.
[00161] Em um aspecto adicional da divulgação, são fornecidos sistemas térmicos bombeados compreendendo múltiplos sistemas de fluido de trabalho, ou percursos de fluxo de fluido de trabalho. Em alguns casos, os componentes do sistema térmico bombeado nos modos de carga e descarga podem ser os mesmos. Por exemplo, o mesmo par de compressor/turbina pode ser usado em ciclos de carga e descarga. Alternativamente, um ou mais componentes do sistema podem diferir entre os modos de carga e descarga. Por exemplo, pares separados de compressor/turbina podem ser usados em ciclos de carga e descarga. Em uma implementação, o sistema possui um conjunto de permutadores de calor, e um conjunto comum de tanques de HTS e CTS que são carregados ou descarregados por dois pares ou conjuntos de compressores e turbinas. Em outra implementação, o sistema possui um conjunto comum de tanques de HTS e CTS, mas conjuntos separados de permutadores de calor e conjuntos separados de compressores e turbinas.[00161] In a further aspect of the disclosure, pumped thermal systems comprising multiple working fluid systems, or working fluid flow paths, are provided. In some cases, the components of the thermal system pumped in charging and discharging modes may be the same. For example, the same compressor/turbine pair can be used in charge and discharge cycles. Alternatively, one or more system components may differ between charging and discharging modes. For example, separate compressor/turbine pairs can be used in charge and discharge cycles. In one implementation, the system has a set of heat exchangers, and a common set of HTS and CTS tanks that are loaded or unloaded by two pairs or sets of compressors and turbines. In another implementation, the system has a common set of HTS and CTS tanks, but separate sets of heat exchangers and separate sets of compressors and turbines.
[00162] Sistemas térmicos bombeados com recuperação, utilização de fontes externas de calor, frio e/ou calor/frio residual podem se beneficiar de ter pares de compressor/turbina separados como resultado da operação de turbomáquinas em grandes e/ou diferentes intervalos de temperatura nos modos de carga e descarga. Por exemplo, mudanças de temperatura entre ciclos de carga e descarga podem levar a um período de ajuste térmico ou outras dificuldades durante a transição entre os ciclos (por exemplo, questões ou fatores relacionados à metalurgia, expansão térmica, número de Reynolds, taxas de compressão dependentes da temperatura, ou fricção de rolamento e/ou folga de ponta etc.). Em outro exemplo, turbomáquinas (por exemplo, turbomáquinas usadas em sistemas com recuperação) podem operar sobre uma taxa de pressão relativamente baixa (por exemplo, com relativamente poucas etapas de compressão), mas sobre temperaturas relativamente grandes durante a compressão e a expansão. Os intervalos de temperatura podem mudar (por exemplo, mudar como nas Figuras 17 e 18) entre os modos de carga e descarga. Em alguns casos, a operação em grandes intervalos de temperatura durante a compressão e/ou expansão pode complicar o projeto de um compressor/turbina combinado tanto para carga quanto para descarga. Além disso, a recuperação, incorporação de calor/frio residual e/ou outros recursos do sistema térmico bombeado podem reduzir a taxa de compressão do compressor/turbina no ciclo de carga e/ou o ciclo de descarga, reduzindo assim o custo associado à duplicação de conjuntos de compressor/turbina.[00162] Pumped thermal systems with recovery, utilization of external sources of heat, cold and/or residual heat/cold can benefit from having separate compressor/turbine pairs as a result of operating turbomachinery in large and/or different temperature ranges in loading and unloading modes. For example, temperature changes between charge and discharge cycles can lead to a period of thermal adjustment or other difficulties during the transition between cycles (e.g., issues or factors related to metallurgy, thermal expansion, Reynolds number, compression ratios dependent on temperature, or bearing friction and/or tip clearance, etc.). In another example, turbomachines (e.g., turbomachines used in systems with recovery) may operate at a relatively low pressure rate (e.g., with relatively few compression steps), but at relatively high temperatures during compression and expansion. The temperature ranges may change (e.g., change as in Figures 17 and 18) between charging and discharging modes. In some cases, operation over wide temperature ranges during compression and/or expansion can complicate the design of a combined compressor/turbine for both charging and unloading. Additionally, recovery, incorporation of waste heat/cold and/or other features of the pumped thermal system can reduce the compression ratio of the compressor/turbine in the charging cycle and/or the discharge cycle, thereby reducing the cost associated with duplication. of compressor/turbine assemblies.
[00163] As Figuras 22 e 23 mostram sistemas térmicos bombeados com pares de compressor 1/turbina 3 separados para o modo de carga C e modo de descarga D. Os pares de compressor/turbina separados podem ou não ser agrupados em uma haste mecânica comum. Neste exemplo, os pares de compressor/turbina C e D podem ter hastes separadas 10. As hastes 10 podem rodar à mesma velocidade ou velocidades diferentes. Os pares de compressor/turbina separados ou sistemas de fluido de trabalho podem ou não compartilhar permutadores de calor (por exemplo, os permutadores de calor 2 e 4).[00163] Figures 22 and 23 show pumped thermal systems with separate compressor 1/turbine 3 pairs for charge mode C and discharge mode D. The separate compressor/turbine pairs may or may not be grouped together on a common mechanical rod . In this example, compressor/turbine pairs C and D may have separate shafts 10. The shafts 10 may rotate at the same speed or different speeds. Separate compressor/turbine pairs or working fluid systems may or may not share heat exchangers (e.g., heat exchangers 2 and 4).
[00164] No exemplo da Figura 22, o sistema tem um conjunto comum de tanques de HTS 6 e 7 e tanques de CTS 8 e 9. O sistema tem pares separados de permutadores de calor 2 e 4 e pares separados de compressor 1/turbina 3 para o modo de carga C e modo de descarga D. Os percursos de fluxo de meio de armazenamento de HTS e CTS para o ciclo de carga são mostrados como linhas pretas sólidas. Os percursos de fluxo de meio de armazenamento de HTS e CTS para o ciclo de descarga são mostrados como linhas cinza tracejadas.[00164] In the example of Figure 22, the system has a common set of HTS tanks 6 and 7 and CTS tanks 8 and 9. The system has separate pairs of heat exchangers 2 and 4 and separate pairs of compressor 1/turbine 3 for charge mode C and discharge mode D. The HTS and CTS storage medium flow paths for the charge cycle are shown as solid black lines. The HTS and CTS storage media flow paths for the discharge cycle are shown as dashed gray lines.
[00165] No exemplo da Figura 23, o sistema, mostrado em uma configuração de carga, tem um conjunto de permutadores de calor 2 e 4, e um conjunto comum de tanques de HTS 6 e 7 e tanques de CTS 8 e 9. Os tanques de HTS e CTS podem ser carregados por um compressor/conjunto de turbina C, ou descarregados por um conjunto de compressor/turbina D, cada conjunto compreendendo um compressor 1 e uma turbina 3. O sistema pode comutar entre os conjuntos C e D utilizando as válvulas 83. No exemplo da Figura 22, o sistema, novamente mostrado em uma configuração de carga, tem um conjunto comum de tanques de HTS 6 e 7 e tanques de CTS 8 e 9. Os tanques de HTS e CTS podem ser carregados pelo conjunto de carga C que inclui um primeiro conjunto de permutadores de calor 2 e 4, o compressor 1 e a turbina 3. Os tanques de HTS e CTS podem ser descarregados por comutar para um conjunto de descarga C separado que inclui um segundo conjunto de permutadores de calor 2 e 4, o compressor 1 e a turbina 3.[00165] In the example of Figure 23, the system, shown in a load configuration, has a set of heat exchangers 2 and 4, and a common set of HTS tanks 6 and 7 and CTS tanks 8 and 9. The HTS and CTS tanks can be loaded by a compressor/turbine assembly C, or unloaded by a compressor/turbine assembly D, each assembly comprising a compressor 1 and a turbine 3. The system can switch between sets C and D using valves 83. In the example of Figure 22, the system, again shown in a charging configuration, has a common set of HTS tanks 6 and 7 and CTS tanks 8 and 9. The HTS and CTS tanks can be charged by the charging assembly C that includes a first set of heat exchangers 2 and 4, the compressor 1 and the turbine 3. The HTS and CTS tanks can be discharged by switching to a separate discharge assembly C that includes a second set of exchangers 2 and 4, compressor 1 and turbine 3.
[00166] Em um exemplo, se os conjuntos de carga e descarga de compressores e turbinas nas Figuras 22 e 23 não são operados ao mesmo tempo, os conjuntos de carga e descarga podem compartilhar um conjunto comum de permutadores de calor que são comutados entre os pares de turbomáquinas utilizando as válvulas 83. Em um outro exemplo, se os conjuntos ou pares de turbomáquinas de carga e descarga em Figuras 22 e 23 são operados ao mesmo tempo (por exemplo, para que um conjunto carregue, após a geração intermitente, e o outro seja descarregado ao mesmo tempo, após a carga), então cada conjunto de turbomáquinas pode ter um conjunto dedicado de permutadores de calor. Neste caso, os conjuntos de carga e descarga podem ou não compartilhar um conjunto de tanques de HTS e CTS.[00166] In one example, if the compressor and turbine loading and unloading sets in Figures 22 and 23 are not operated at the same time, the loading and unloading sets may share a common set of heat exchangers that are switched between the pairs of turbomachines using valves 83. In another example, if the sets or pairs of charging and unloading turbomachines in Figures 22 and 23 are operated at the same time (e.g., for one set to charge, after intermittent generation, and the other is discharged at the same time, after charging), then each set of turbomachinery can have a dedicated set of heat exchangers. In this case, the loading and unloading sets may or may not share a set of HTS and CTS tanks.
[00167] Em algumas implementações, conjuntos ou pares separados de compressores/turbinas podem ser vantajosamente usados em sistemas térmicos bombeados usados com entradas de energia elétrica intermitentes e/ou variáveis. Por exemplo, um primeiro conjunto de compressor/turbina pode ser usado em um ciclo de carga que segue energia eólica e/ou solar (por exemplo, entrada de energia elétrica de sistemas de energia eólica e/ou solar) enquanto um segundo conjunto de compressor/turbina pode ser usado em um ciclo de descarga que segue carga (por exemplo, saída de energia elétrica para uma grade elétrica). Nesta configuração, sistemas térmicos bombeados colocados entre um sistema de geração de energia e uma carga podem auxiliar na suavização de variações/flutuações nos requisitos de energia de entrada e/ou saída.[00167] In some implementations, separate sets or pairs of compressors/turbines may be advantageously used in pumped thermal systems used with intermittent and/or variable electrical power inputs. For example, a first compressor/turbine assembly may be used in a load cycle that follows wind and/or solar energy (e.g., electrical energy input from wind and/or solar energy systems) while a second compressor assembly /turbine can be used in a discharge cycle that follows charge (e.g., output of electrical power to an electrical grid). In this configuration, pumped thermal systems placed between a power generation system and a load can assist in smoothing out variations/fluctuations in input and/or output power requirements.
[00168] De acordo com outro aspecto da divulgação, os sistemas térmicos bombeados podem ser aumentados por processos de conversão de energia adicionais e/ou podem ser utilizados diretamente como sistemas de conversão de energia sem armazenamento de energia (isto é, como sistemas de geração de energia). Em alguns exemplos, os sistemas térmicos bombeados podem ser modificados para permitir a geração direta de energia usando gás natural, combustível diesel, gás de petróleo (por exemplo, propano/butano), éter dimetílico, óleo combustível, aparas de madeira, gás de aterro, hexano, hidrocarbonetos ou qualquer outra substância combustível (por exemplo, combustível fóssil ou biomassa) para adicionar calor ao fluido de trabalho em um lado quente de um ciclo de fluido de trabalho e um dissipador de calor frio (por exemplo, água) para remover calor do fluido de trabalho em um lado frui do ciclo de fluido de trabalho.[00168] According to another aspect of the disclosure, pumped thermal systems can be augmented by additional energy conversion processes and/or can be used directly as energy conversion systems without energy storage (i.e., as power generation systems). power). In some examples, pumped thermal systems can be modified to allow direct power generation using natural gas, diesel fuel, petroleum gas (e.g., propane/butane), dimethyl ether, fuel oil, wood chips, landfill gas , hexane, hydrocarbons, or any other combustible substance (e.g., fossil fuel or biomass) to add heat to the working fluid on a hot side of a working fluid cycle and a cold heat sink (e.g., water) to remove Heat from the working fluid on one side comes from the working fluid cycle.
[00169] As Figuras 24 e 25 mostram sistemas térmicos bombeados configurados no modo de geração. Em alguns exemplos, os sistemas térmicos bombeados podem ser modificados pela adição de dois permutadores de calor adicionais 40 e 41, quatro válvulas adicionais 19a, 19b, 19c e 19d, um dissipador de calor (por exemplo, um sistema de arrefecimento de água; água de um reservatório de água doce como um rio, um lago ou um reservatório, água salgada de um reservatório de água salgada como um mar ou um oceano, resfriamento de ar usando radiadores, ventiladores /sopradores, convecção ou um dissipador de calor ambiental como solo/terra, ar frio etc) 42, e uma fonte de calor (por exemplo, uma câmara de combustão com uma mistura de oxidante- combustível) 43. A fonte de calor 43 pode trocar calor com um primeiro dos dois permutadores de calor adicionais 40, e o dissipador de calor 42 pode trocar calor com um segundo dos dois permutadores de calor adicionais 41. A fonte de calor 43 pode ser utilizada para trocar calor com o fluido de trabalho 20.[00169] Figures 24 and 25 show pumped thermal systems configured in generation mode. In some examples, the pumped thermal systems may be modified by adding two additional heat exchangers 40 and 41, four additional valves 19a, 19b, 19c and 19d, a heat sink (e.g., a water cooling system; water from a fresh water reservoir such as a river, a lake or a reservoir, salt water from a salt water reservoir such as a sea or an ocean, air cooling using radiators, fans/blowers, convection or an environmental heat sink such as soil /earth, cold air, etc.) 42, and a heat source (e.g., a combustion chamber with an oxidizer-fuel mixture) 43. The heat source 43 can exchange heat with a first of two additional heat exchangers 40 , and the heat sink 42 can exchange heat with a second of two additional heat exchangers 41. The heat source 43 can be used to exchange heat with the working fluid 20.
[00170] A fonte de calor 43 pode ser uma fonte de calor de combustão. Em alguns exemplos, a fonte de calor de combustão pode compreender uma câmara de combustão para a combustão de uma substância combustível (por exemplo, um combustível fóssil, um combustível sintético, resíduos sólidos urbanos (MSW) ou biomassa). Em alguns casos, a câmara de combustão pode ser separada a partir do permutador de calor 40. Em alguns casos, o permutador de calor 40 pode compreender a câmara de combustão. A fonte de calor 43 pode ser uma fonte de calor residual, tal como, por exemplo, calor desperdiçado a partir de uma planta elétrica, um processo industrial (por exemplo, exaustão do forno).[00170] The heat source 43 may be a combustion heat source. In some examples, the combustion heat source may comprise a combustion chamber for combustion of a combustible substance (e.g., a fossil fuel, a synthetic fuel, municipal solid waste (MSW), or biomass). In some cases, the combustion chamber may be separated from the heat exchanger 40. In some cases, the heat exchanger 40 may comprise the combustion chamber. The heat source 43 may be a waste heat source, such as, for example, waste heat from an electrical plant, an industrial process (e.g., furnace exhaust).
[00171] Em alguns exemplos, um aquecedor solar, uma fonte de calor de combustão, uma fonte de calor residual, ou qualquer combinação destes, pode ser usado para aquecer o fluido de armazenamento de calor de lado quente e/ou o fluido de trabalho. Em um exemplo, o fluido de trabalho pode ser aquecido diretamente usando qualquer uma dessas fontes de calor. Em outro exemplo, o fluido de armazenamento de calor de lado quente (ou meio de HTS) pode ser aquecido utilizando qualquer uma destas fontes de calor. Em outro exemplo, o fluido de armazenamento de calor de lado quente (ou meio de HTS) pode ser aquecido em paralelo com o fluido de trabalho utilizando qualquer uma destas fontes de calor.[00171] In some examples, a solar heater, a combustion heat source, a waste heat source, or any combination thereof, may be used to heat the hot side heat storage fluid and/or the working fluid . In one example, the working fluid can be heated directly using any of these heat sources. In another example, the hot side heat storage fluid (or HTS medium) can be heated using any of these heat sources. In another example, the hot-side heat storage fluid (or HTS medium) can be heated in parallel with the working fluid using any of these heat sources.
[00172] Os sistemas térmicos bombeados nas Figuras 24 e 25 podem ser operados como sistemas híbridos. Por exemplo, as válvulas 19a, 19b, 19c e 19d podem ser usadas para alternar entre dois modos. Quando as válvulas estão em uma primeira posição, o sistema pode operar como um sistema de armazenamento térmico bombeado (por exemplo, sistema fechado no modo de carga/descarga). Nesta configuração, o fluido de trabalho 20 (por exemplo, argônio ou ar) pode trocar calor com um meio de HTS (por exemplo, sal fundido) no permutador de calor de lado quente 2 e com um meio de CTS (por exemplo, hexano) no permutador de calor de lado frio 4. Quando as válvulas estão em uma segunda posição, o sistema pode operar como um sistema de geração de energia (por exemplo, sistema aberto no modo de geração). Nesta configuração, os permutadores de calor 2 e 4 podem ser desviados, e o fluido de trabalho 20 pode trocar calor com a câmara de combustão 43 no permutador de calor de lado quente 40 e com o dissipador de calor 42 no permutador de calor de lado frio 41. A configuração e/ou projeto de processos de transferência de calor (por exemplo, transferência de calor em permutadores de calor) aqui descritos em relação a sistemas térmicos bombeados também podem ser aplicados a sistemas térmicos bombeados híbridos e vice-versa. Por exemplo, o dissipador de calor 42, a fonte de calor 43, os permutadores de calor 40 e 41 e/ou a quantidade de calor transferida no lado frio e/ou no lado quente podem ser configurados para diminuir ou minimizar a geração de entropia associada ao processos de transferência de calor e/ou maximizar a eficiência do sistema.[00172] The pumped thermal systems in Figures 24 and 25 can be operated as hybrid systems. For example, valves 19a, 19b, 19c and 19d can be used to switch between two modes. When the valves are in a first position, the system can operate as a pumped thermal storage system (e.g. closed system in charge/discharge mode). In this configuration, the working fluid 20 (e.g., argon or air) can exchange heat with an HTS medium (e.g., molten salt) in the hot-side heat exchanger 2 and with a CTS medium (e.g., hexane ) on the cold side heat exchanger 4. When the valves are in a second position, the system can operate as a power generation system (e.g., open system in generation mode). In this configuration, heat exchangers 2 and 4 can be bypassed, and the working fluid 20 can exchange heat with the combustion chamber 43 in the hot-side heat exchanger 40 and with the heat sink 42 in the hot-side heat exchanger 40. cold 41. The configuration and/or design of heat transfer processes (e.g. heat transfer in heat exchangers) described here in relation to pumped thermal systems can also be applied to hybrid pumped thermal systems and vice versa. For example, the heat sink 42, the heat source 43, the heat exchangers 40 and 41, and/or the amount of heat transferred on the cold side and/or the hot side may be configured to decrease or minimize entropy generation. associated with heat transfer processes and/or maximize system efficiency.
[00173] Em algumas implementações, os sistemas híbridos podem operar em modos de armazenamento e geração simultaneamente. Por exemplo, as válvulas 19a, 19b, 19c e 19d podem ser configuradas para permitir uma dada divisão entre uma taxa de fluxo de fluido de trabalho para os permutadores de calor 40 e 41 e uma taxa de fluxo de fluido de trabalho para os permutadores de calor 2 e 4. Alternativamente, os sistemas híbridos podem operar exclusivamente no modo de armazenamento, ou exclusivamente no modo de geração (por exemplo, como uma planta de pico de gás natural). Em alguns casos, a divisão entre os modos pode ser selecionada com base na eficiência do sistema, entrada de energia elétrica disponível (por exemplo, com base na disponibilidade), saída de energia elétrica desejada (por exemplo, com base na demanda de carga) etc. Por exemplo, eficiência térmica de um sistema ideal (isto é, assumindo processos de compressão e expansão isentrópicos, processos ideais de transferência de calor) operando exclusivamente no modo de geração pode ser a eficiência térmica de um fluido de trabalho submetido a um ciclo de Brayton ideal. Em alguns exemplos, eficiências térmicas em sistemas híbridos da divulgação (por exemplo, operação de modo exclusivo e/ou dividido) podem ser pelo menos cerca de 10%, pelo menos 20%, pelo menos cerca de 30%, pelo menos cerca de 40%, pelo menos cerca de 50%, pelo menos cerca de 60%, ou mais.[00173] In some implementations, hybrid systems can operate in storage and generation modes simultaneously. For example, valves 19a, 19b, 19c and 19d may be configured to allow a given split between a working fluid flow rate to the heat exchangers 40 and 41 and a working fluid flow rate to the heat exchangers. heat 2 and 4. Alternatively, hybrid systems can operate exclusively in storage mode, or exclusively in generation mode (for example, as a natural gas peaking plant). In some cases, the split between modes may be selected based on system efficiency, available electrical power input (e.g., based on availability), desired electrical power output (e.g., based on load demand) etc. For example, thermal efficiency of an ideal system (i.e., assuming isentropic compression and expansion processes, ideal heat transfer processes) operating exclusively in generation mode could be the thermal efficiency of a working fluid subjected to a Brayton cycle ideal. In some examples, thermal efficiencies in hybrid systems of the disclosure (e.g., exclusive and/or split mode operation) may be at least about 10%, at least 20%, at least about 30%, at least about 40%. %, at least about 50%, at least about 60%, or more.
[00174] A fonte de calor 43 pode ser usada para trocar calor com um meio de HTS (por exemplo, um sal fundido). Por exemplo, a fonte de calor de combustão 43 pode ser usada para aquecer o meio de HTS 21. Em alguns casos, em vez de usar a fonte de calor de combustão 43 para trocar calor no permutador de calor 40 ou para trocar calor entre gases de combustão a partir da fonte de calor de combustão e o fluido de trabalho, a fonte de calor de combustão 43 pode ser utilizada para aquecer o meio de HTS 21 entre os dois tanques de HTS 7 e 6.[00174] Heat source 43 can be used to exchange heat with an HTS medium (e.g., a molten salt). For example, the combustion heat source 43 may be used to heat the HTS medium 21. In some cases, instead of using the combustion heat source 43 to exchange heat in the heat exchanger 40 or to exchange heat between gases of combustion from the combustion heat source and the working fluid, the combustion heat source 43 can be used to heat the HTS medium 21 between the two HTS tanks 7 and 6.
[00175] A Figura 26 é um fluxograma esquemático de recarga de lado quente em um ciclo de calor bombeado através de aquecimento pela fonte de calor 43 (por exemplo, fonte de calor de combustão, fonte de calor residual). Em um exemplo, a fonte de calor 43 é uma fonte de calor residual, tal como uma fonte de calor residual de uma refinaria ou outra instalação de processamento. Em um exemplo, a fonte de calor 43 é obtida a partir da combustão de gás natural para garantir a entrega de eletricidade mesmo se o sistema térmico bombeado ficar sem meio de armazenamento carregado. Por exemplo, a recarga do meio de armazenamento de lado quente usando a fonte de calor 43 pode fornecer uma vantagem sobre a recarga usando eletricidade ou outros meios (por exemplo, o preço da eletricidade no momento pode ser muito alto). A fonte de calor 43 pode ser usada para aquecer o meio de HTS 21 a partir da temperatura T1 no tanque 7 para a temperatura T1+ no tanque 6. O meio de HTS pode então ser usado no CFX 2 para trocar calor com o fluido de trabalho em um ciclo de descarga, tal como, por exemplo, os ciclos de descarga nas Figuras 20 e 21.[00175] Figure 26 is a schematic flowchart of hot side recharging in a pumped heat cycle through heating by heat source 43 (e.g., combustion heat source, waste heat source). In one example, the heat source 43 is a waste heat source, such as a waste heat source from a refinery or other processing facility. In one example, the heat source 43 is obtained from the combustion of natural gas to ensure delivery of electricity even if the pumped thermal system runs out of charged storage medium. For example, recharging the hot-side storage medium using heat source 43 may provide an advantage over recharging using electricity or other means (e.g., the price of electricity at present may be very high). The heat source 43 can be used to heat the HTS medium 21 from the temperature T1 in tank 7 to the temperature T1+ in tank 6. The HTS medium can then be used in the CFX 2 to exchange heat with the working fluid. in a discharge cycle, such as, for example, the discharge cycles in Figures 20 and 21.
[00176] Em alguns exemplos, como, por exemplo, quando o meio de CTS é uma substância combustível, como um combustível fóssil (por exemplo, hexano ou heptanos), a queima do meio de CTS armazenado nos tanques de CTS (por exemplo, os tanques 8 e 9) pode ser utilizada para fornecer energia térmica para aquecer o meio de HTS como mostrado, por exemplo, na Figura 26 ou para operação dos ciclos nas configurações mostradas, por exemplo, nas Figuras 24 e 25.[00176] In some examples, such as, for example, when the CTS medium is a combustible substance, such as a fossil fuel (e.g., hexane or heptanes), burning the CTS medium stored in the CTS tanks (e.g., tanks 8 and 9) can be used to provide thermal energy to heat the HTS medium as shown, for example, in Figure 26 or for operation of the cycles in the configurations shown, for example, in Figures 24 and 25.
[00177] Os sistemas da divulgação podem ser capazes de funcionar tanto em um ciclo de armazenamento de eletricidade apenas (compreendendo transferência de calor com um meio de HTS e um meio de CTS abaixo da temperatura ambiente) como em um motor de calor para ciclo ambiente, onde, em um modo de descarga, calor é inserido a partir do meio de HTS para o fluido de trabalho e rejeitado para o meio ambiente em vez de para o meio de CTS. Esta capacidade pode permitir o uso de aquecimento do HTS com substâncias combustíveis (por exemplo, como mostrado na Figura 26) ou o uso de aquecimento solar do HTS (por exemplo, como mostrado na Figura 19). A rejeição de calor para temperatura ambiente pode ser implementada usando, por exemplo, os ciclos de descarga nas Figuras 20 e 21. Em alguns casos, o calor pode ser rejeitado para o ambiente com o auxílio do meio de ITS 61 ou do meio intermediário 62.[00177] The systems of the disclosure may be capable of operating either in an electricity storage cycle only (comprising heat transfer with an HTS medium and a CTS medium below ambient temperature) or in a heat engine for ambient cycle , where, in a discharge mode, heat is input from the HTS medium into the working fluid and rejected into the environment rather than into the CTS medium. This capability may allow the use of heating the HTS with combustible substances (e.g., as shown in Figure 26) or the use of solar heating of the HTS (e.g., as shown in Figure 19). Heat rejection to ambient temperature can be implemented using, for example, the discharge cycles in Figures 20 and 21. In some cases, heat can be rejected to the environment with the aid of ITS medium 61 or intermediate medium 62 .
[00178] Aspectos da divulgação podem ser combinados sinergicamente. Por exemplo, os sistemas capazes de operar tanto em um ciclo de armazenamento de eletricidade somente como em um motor de calor para ciclo ambiente podem compreender um recuperador. Qualquer descrição em relação a tais sistemas híbridos sem um recuperador pode ser prontamente aplicada a sistemas híbridos com um recuperador pelo menos em algumas configurações. Em alguns casos, os sistemas híbridos podem ser implementados usando, por exemplo, a configuração paralela com válvulas na Figura 24. Por exemplo, os permutadores de calor de contrafluxo 4 nas Figuras 20 e 21 podem ser implementados como permutadores de calor de contrafluxo separados 67 para permutar calor com o ambiente, e podem ser utilizados em combinação com permutadores de calor de contrafluxo de lado frio 4 da divulgação.[00178] Aspects of disclosure can be combined synergistically. For example, systems capable of operating in both an electricity storage cycle only and a heat engine for ambient cycle may comprise a recuperator. Any description regarding such hybrid systems without a recuperator can be readily applied to hybrid systems with a recuperator in at least some configurations. In some cases, hybrid systems can be implemented using, for example, the parallel configuration with valves in Figure 24. For example, the counterflow heat exchangers 4 in Figures 20 and 21 can be implemented as separate counterflow heat exchangers 67 to exchange heat with the environment, and may be used in combination with cold-side counterflow heat exchangers 4 of the disclosure.
[00179] Em algumas implementações, os sistemas aqui podem ser configurados para permitir a comutação entre diferentes ciclos da divulgação usando um conjunto compartilhado de válvulas e tubos. Por exemplo, o sistema pode ser configurado para alternar entre o ciclo de carga somente de eletricidade (como mostrado, por exemplo, na Figura 15), o ciclo de descarga somente de eletricidade (como mostrado, por exemplo, na Figura 16), e o motor de calor para ciclo ambiente (tal como mostrado na Figura 21).[00179] In some implementations, the systems herein may be configured to allow switching between different cycles of the disclosure using a shared set of valves and tubes. For example, the system can be configured to alternate between the electricity-only charge cycle (as shown, for example, in Figure 15), the electricity-only discharge cycle (as shown, for example, in Figure 16), and the heat engine for ambient cycle (as shown in Figure 21).
[00180] Em um aspecto da divulgação, a pressão de fluidos de trabalho em sistemas térmicos bombeados pode ser controlada para obter controle de energia. Em um exemplo, a energia fornecida a um sistema fechado no modo de carga e/ou a energia extraída do sistema fechado no modo de descarga e/ou geração (por exemplo, entrada/saída de trabalho usando a haste 10) é proporcional à taxa de fluxo de massa ou molar do fluido de trabalho circulante. A taxa de fluxo de massa é proporcional à densidade, área e velocidade de fluxo. A velocidade de fluxo pode ser mantida fixa a fim de alcançar uma velocidade de eixo fixa (por exemplo, 3600 rpm ou 3000 rpm de acordo com os requisitos da grade elétrica de 60 e 50 Hz, respectivamente). Assim, à medida que a pressão do fluido de trabalho muda, a taxa de fluxo de massa e a potência podem mudar. Em um exemplo, como o fluxo de massa aumenta em um modo de descarga e/ou geração, mais carga deve ser adicionada ao sistema para manter uma velocidade constante do eixo rotativo, e vice-versa. Em outro exemplo, se a carga é reduzida durante a operação em um modo de descarga e/ou geração, a carga reduzida pode fazer com que a velocidade de haste aumente, aumentando assim a taxa de fluxo de massa. Por algum período de tempo, antes que o calor armazenado na capacidade térmica dos próprios permutadores de calor seja dissipado, esse aumento na taxa de fluxo de massa pode levar a um aumento na energia fornecida, aumentando, por sua vez, a velocidade de haste. A velocidade de haste e a energia podem continuar a aumentar incontrolavelmente, resultando em uma fuga do eixo rotativo. Em alguns exemplos, a regulação de pressão pode permitir o controle e, assim, a estabilização da fuga, através do ajuste da quantidade (por exemplo, densidade) do fluido de trabalho circulante, de acordo com os requisitos do sistema. Em um exemplo em que a velocidade de haste (e turbomáquinas, como uma turbina, conectada ao eixo) começa a fugir, um controlador pode reduzir a massa do fluido de trabalho circulante (por exemplo, taxa de fluxo de massa) para diminuir a energia fornecida, por sua vez, diminuindo a velocidade de haste. A regulação de pressão também pode permitir um aumento na taxa de fluxo de massa em resposta a um aumento na carga. Em cada um destes casos, as taxas de fluxo dos meios de HTS e CTS através dos permutadores de calor podem ser adaptadas à capacidade de calor do fluido de trabalho que passa através dos permutadores de calor.[00180] In one aspect of the disclosure, the pressure of working fluids in pumped thermal systems can be controlled to achieve power control. In one example, the energy supplied to a closed system in charge mode and/or the energy extracted from the closed system in discharge and/or generation mode (e.g., work input/output using rod 10) is proportional to the rate mass or molar flow rate of the circulating working fluid. The mass flow rate is proportional to density, area and flow velocity. The flow speed can be kept fixed in order to achieve a fixed shaft speed (e.g. 3600 rpm or 3000 rpm according to the electrical grid requirements of 60 and 50 Hz, respectively). Thus, as the pressure of the working fluid changes, the mass flow rate and power can change. In one example, as mass flow increases in a discharge and/or generation mode, more load must be added to the system to maintain a constant rotating shaft speed, and vice versa. In another example, if the load is reduced during operation in a discharge and/or generation mode, the reduced load can cause the rod speed to increase, thereby increasing the mass flow rate. For some period of time, before the heat stored in the thermal capacity of the heat exchangers themselves is dissipated, this increase in mass flow rate can lead to an increase in energy supplied, in turn increasing rod speed. Rod speed and power may continue to increase uncontrollably, resulting in a runaway of the rotating shaft. In some examples, pressure regulation may allow control and thus stabilization of leakage, by adjusting the quantity (e.g. density) of circulating working fluid in accordance with system requirements. In an example where shaft speed (and turbomachinery, such as a turbine, connected to the shaft) begins to run away, a controller can reduce the mass of the circulating working fluid (e.g., mass flow rate) to decrease the energy supplied, in turn, decreasing rod speed. Pressure regulation can also allow an increase in mass flow rate in response to an increase in load. In each of these cases, the flow rates of the HTS and CTS media through the heat exchangers can be adapted to the heat capacity of the working fluid passing through the heat exchangers.
[00181] Em alguns exemplos, a pressão de fluido de trabalho no sistema fechado pode ser variada usando um tanque de fluido de trabalho auxiliar em comunicação fluida com o sistema fechado. Nesta configuração, a entrada/saída de energia pode ser diminuída transferindo o fluido de trabalho a partir do circuito de ciclo fechado para o tanque, e a entrada/saída de energia pode ser aumentada transferindo o fluido de trabalho a partir do tanque para o circuito de ciclo fechado. Em um exemplo, quando a pressão de fluido de trabalho é diminuída, menos calor pode ser transferido entre os tanques de armazenamento térmico nos lados quente e frio do sistema, como resultado da diminuição da taxa de fluxo de massa e menor energia pode ser inserida para/emitida pelo sistema.[00181] In some examples, the working fluid pressure in the closed system can be varied using an auxiliary working fluid tank in fluid communication with the closed system. In this configuration, the energy input/output can be decreased by transferring the working fluid from the closed-loop circuit to the tank, and the energy input/output can be increased by transferring the working fluid from the tank to the closed-loop circuit. closed cycle. In one example, when the working fluid pressure is decreased, less heat can be transferred between thermal storage tanks on the hot and cold sides of the system, as a result of which the mass flow rate decreases and less energy can be input to /issued by the system.
[00182] Como a pressão de fluido de trabalho é variada, as taxas de compressão dos componentes da turbomáquina podem permanecer substancialmente inalteradas. Em alguns casos, um ou mais parâmetros operacionais e/ou configuração (por exemplo, estatores variáveis, velocidade de haste) dos componentes da turbomáquina podem ser ajustados em resposta a uma mudança na pressão de fluido de trabalho (por exemplo, para obter o desempenho desejado do sistema). Alternativamente, uma ou mais taxas de pressão podem mudar em resposta a uma mudança na pressão do fluido de trabalho.[00182] As the working fluid pressure is varied, the compression ratios of the turbomachinery components can remain substantially unchanged. In some cases, one or more operating parameters and/or configuration (e.g., variable stators, rod speed) of turbomachinery components may be adjusted in response to a change in working fluid pressure (e.g., to obtain performance desired from the system). Alternatively, one or more pressure ratios may change in response to a change in working fluid pressure.
[00183] Em alguns casos, o custo reduzido e/ou o consumo reduzido de energia parasita podem ser obtidos usando a configuração de controle de energia em relação a outras configurações (por exemplo, usando uma válvula de estrangulamento para controlar o fluxo do fluido de trabalho). Em alguns exemplos, a variação da pressão de fluido de trabalho enquanto mantém constante a temperatura e a velocidade de fluxo (ou quase constante) pode levar à geração de entropia desprezível. Em alguns exemplos, um aumento ou diminuição na pressão do sistema pode levar a mudanças, por exemplo, na eficiência das turbomáquinas.[00183] In some cases, reduced cost and/or reduced parasitic power consumption can be achieved by using the power control configuration over other configurations (e.g., using a throttling valve to control the flow of power fluid). work). In some examples, varying the working fluid pressure while keeping the temperature and flow velocity constant (or nearly constant) can lead to the generation of negligible entropy. In some examples, an increase or decrease in system pressure can lead to changes in, for example, the efficiency of turbomachinery.
[00184] A Figura 27 mostra um exemplo de um sistema térmico bombeado com controle de energia. A temperatura do fluido de trabalho nos lados quente e frio do sistema pode permanecer constante ou quase constante durante um dado período de tempo independentemente da taxa de fluxo de massa do fluido de trabalho devido às grandes capacidades térmicas dos permutadores de calor 2 e 4 e/ou o meio de armazenamento térmico de lado quente e frio nos tanques 6, 7, 8 e 9. Em alguns exemplos, as taxas de fluxo dos meios de HTS e CTS através dos permutadores de calor 2 e 4 são variadas em conjunto com uma mudança na pressão do fluido de trabalho, a fim de manter as temperaturas nos permutadores de calor e fluido de trabalho otimizadas ao longo de períodos de tempo mais longos. Assim, a pressão pode ser usada para variar a taxa de fluxo de massa no sistema. Um ou mais tanques auxiliares 44 cheios com o fluido de trabalho 20 (por exemplo, mistura de ar, argônio ou argônio-hélio) podem estar em comunicação fluida com um lado quente (por exemplo, alta pressão) do sistema térmico bombeado e/ou um lado frio (por exemplo, baixa pressão) do sistema térmico bombeado. Em alguns exemplos, o tanque auxiliar pode estar em comunicação fluida com o fluido de trabalho adjacente a uma entrada do compressor 1 e/ou adjacente a uma saída do compressor 1. Em alguns exemplos, o tanque auxiliar pode estar em comunicação fluida com o fluido de trabalho adjacente a uma entrada da turbina 3 e/ou adjacente a uma saída da turbina 3. Em exemplos adicionais, o tanque auxiliar pode estar em comunicação fluida com o fluido de trabalho em um ou mais sistemas de localização (por exemplo, um ou mais locais no lado de alta pressão do sistema, no lado de baixa pressão do sistema, ou qualquer combinação dos mesmos). Por exemplo, o tanque auxiliar pode estar em comunicação fluida com o fluido de trabalho em um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão do ciclo fechado. Em alguns casos, a comunicação fluida no lado de alta pressão pode ser fornecida após o compressor e antes da turbina. Em alguns casos, a comunicação fluida no lado de baixa pressão pode ser fornecida após a turbina e antes do compressor. Em alguns casos, o tanque auxiliar pode conter fluido de trabalho a uma pressão intermediária às altas e baixas pressões do sistema. O fluido de trabalho no tanque auxiliar pode ser usado para aumentar ou diminuir a quantidade de fluido de trabalho 20 circulando no ciclo fechado do sistema térmico bombeado. A quantidade de fluido de trabalho circulando no ciclo fechado pode ser diminuída por drenar o fluido de trabalho de lado de alta pressão do ciclo fechado para dentro do tanque através de um percurso de fluido contendo uma válvula ou controlador de fluxo de massa 46, carregando assim o tanque 44. A quantidade de fluido de trabalho circulando no ciclo fechado pode ser aumentada por drenar o fluido de trabalho do tanque para o lado de baixa pressão do circuito de ciclo fechado através de um percurso de fluido contendo uma válvula ou controlador de fluxo de massa 45, descarregando assim o tanque 44.[00184] Figure 27 shows an example of a pumped thermal system with energy control. The temperature of the working fluid on the hot and cold sides of the system can remain constant or nearly constant for a given period of time regardless of the mass flow rate of the working fluid due to the large thermal capacities of heat exchangers 2 and 4 and/or or the hot and cold side thermal storage medium in tanks 6, 7, 8 and 9. In some examples, the flow rates of the HTS and CTS media through heat exchangers 2 and 4 are varied in conjunction with a change in working fluid pressure in order to maintain temperatures in the heat exchangers and working fluid optimized over longer periods of time. Thus, pressure can be used to vary the mass flow rate in the system. One or more auxiliary tanks 44 filled with working fluid 20 (e.g., air, argon, or argon-helium mixture) may be in fluid communication with a hot (e.g., high pressure) side of the pumped thermal system and/or a cold (e.g. low pressure) side of the pumped thermal system. In some examples, the auxiliary tank may be in fluid communication with the working fluid adjacent to an inlet of the compressor 1 and/or adjacent to an outlet of the compressor 1. In some examples, the auxiliary tank may be in fluid communication with the fluid working fluid adjacent to a turbine inlet 3 and/or adjacent to a turbine outlet 3. In further examples, the auxiliary tank may be in fluid communication with the working fluid in one or more location systems (e.g., one or more locations on the high pressure side of the system, the low pressure side of the system, or any combination thereof). For example, the auxiliary tank may be in fluid communication with the working fluid on a high pressure side and a low pressure side of the closed cycle. In some cases, fluid communication on the high pressure side may be provided after the compressor and before the turbine. In some cases, fluid communication on the low pressure side may be provided after the turbine and before the compressor. In some cases, the auxiliary tank may contain working fluid at a pressure intermediate to the high and low system pressures. The working fluid in the auxiliary tank can be used to increase or decrease the amount of working fluid 20 circulating in the closed cycle of the pumped thermal system. The amount of working fluid circulating in the closed cycle can be decreased by draining the working fluid from the high pressure side of the closed cycle into the tank through a fluid path containing a valve or mass flow controller 46, thereby charging the tank 44. The amount of working fluid circulating in the closed cycle can be increased by draining the working fluid from the tank to the low pressure side of the closed cycle circuit through a fluid path containing a valve or flow controller. mass 45, thus unloading tank 44.
[00185] O controle de energia em escalas de tempo mais longas pode ser implementado alterando a pressão de fluido de trabalho e ajustando as taxas de fluxo dos fluidos de armazenamento térmico de lado quente 21 e de lado frio 22 através dos permutadores de calor 2 e 4, respectivamente.[00185] Power control on longer time scales can be implemented by changing the working fluid pressure and adjusting the flow rates of hot-side thermal storage fluids 21 and cold-side 22 through heat exchangers 2 and 4, respectively.
[00186] Em alguns exemplos, as taxas de fluxo dos meios de armazenamento térmico 21 e/ou 22 podem ser controladas (por exemplo, por um controlador) para manter dadas temperaturas de entrada e saída do permutador de calor. Em alguns exemplos, um primeiro controlador(es) pode ser fornecido para controlar as taxas de fluxo (por exemplo, taxas de fluxo de massa) de meio de armazenamento térmico, e um segundo controlador pode ser fornecido para controlar a taxa de fluxo de massa (por exemplo, por controlar massa, taxa de fluxo de massa, pressão, etc.) do fluido de trabalho.[00186] In some examples, the flow rates of thermal storage means 21 and/or 22 may be controlled (e.g., by a controller) to maintain given inlet and outlet temperatures of the heat exchanger. In some examples, a first controller(s) may be provided to control flow rates (e.g., mass flow rates) of thermal storage medium, and a second controller may be provided to control the mass flow rate. (e.g., by controlling mass, mass flow rate, pressure, etc.) of the working fluid.
[00187] Em outro aspecto da divulgação, são fornecidos sistemas térmicos bombeados com um motor/gerador encapsulado de pressão. O motor/gerador encapsulado de pressão pode ser fornecido como uma alternativa às configurações onde uma haste (também “virabrequim”) penetra através de uma parede de contenção de fluido de trabalho (onde pode ser exposta a um ou mais diferenciais de pressão relativamente altos) para conectar a um motor/gerador fora da parede de contenção de fluido de trabalho. Em alguns casos, a haste pode ser exposta a pressões e temperaturas do fluido de trabalho na porção de baixa pressão do ciclo de fluido de trabalho, na porção de alta pressão do ciclo de fluido de trabalho, ou em ambos. Em alguns casos, vedação(ões) de virabrequim capazes de conter as pressões às quais o virabrequim é exposto dentro da parede de contenção do fluido de trabalho podem ser difíceis de fabricar e/ou difíceis de manter. Em alguns casos, uma vedação rotativa entre ambientes de alta e baixa pressão pode ser difícil de alcançar. Assim, o acoplamento do compressor e da turbina ao motor/gerador pode ser desafiador. Em algumas implementações, o motor/gerador pode, portanto, ser colocado inteiramente dentro da porção de baixa pressão do ciclo de fluido de trabalho, de tal modo que o recipiente de pressão exterior ou a parede de contenção de fluido de trabalho podem não precisar ser penetrados.[00187] In another aspect of the disclosure, pumped thermal systems with an encapsulated pressure motor/generator are provided. The pressure encapsulated engine/generator can be provided as an alternative to configurations where a rod (also “crankshaft”) penetrates through a working fluid containment wall (where it may be exposed to one or more relatively high pressure differentials). to connect to a motor/generator outside the working fluid containment wall. In some cases, the rod may be exposed to working fluid pressures and temperatures in the low pressure portion of the working fluid cycle, the high pressure portion of the working fluid cycle, or both. In some cases, crankshaft seal(s) capable of containing the pressures to which the crankshaft is exposed within the working fluid containment wall may be difficult to manufacture and/or difficult to maintain. In some cases, a rotary seal between high and low pressure environments may be difficult to achieve. Therefore, coupling the compressor and turbine to the engine/generator can be challenging. In some implementations, the motor/generator may therefore be placed entirely within the low-pressure portion of the working fluid cycle, such that the outer pressure vessel or working fluid containment wall may not need to be removed. penetrated.
[00188] A Figura 28 mostra um exemplo de um sistema térmico bombeado com um gerador encapsulado de pressão 11. O motor/gerador é encapsulado dentro do recipiente de pressão ou parede de contenção de fluido de trabalho (mostrada como linhas tracejadas) e apenas condutores elétricos de passagem de alimentação 49 penetram através do recipiente de pressão. Uma parede de isolamento térmico 48 é adicionada entre o motor/gerador 11 e o fluido de trabalho na porção de baixa pressão do ciclo. Os requisitos técnicos para obter uma vedação adequada através da parede de isolamento térmico podem ser menos rigorosos devido à pressão ser a mesma em ambos os lados da parede de isolamento térmico (por exemplo, ambos os lados da parede de isolamento térmico podem estar localizados na porção de baixa pressão do ciclo). Em um exemplo, o valor de baixa pressão pode ser de aproximadamente 10 atm (1,01325 MPa). Em alguns casos, o motor/gerador pode ser adaptado para operação em pressões circundantes elevadas. Uma parede de isolamento térmico adicional 50 pode ser usada para criar uma vedação entre a saída do compressor 1 e a entrada da turbina 3 na porção de alta pressão do ciclo. Em alguns exemplos, colocar o motor/gerador no lado frio dos sistemas térmicos bombeados pode ser benéfico para a operação do motor/gerador (por exemplo, arrefecimento de um gerador supercondutor).[00188] Figure 28 shows an example of a pumped thermal system with an encapsulated pressure generator 11. The motor/generator is encapsulated within the pressure vessel or working fluid containment wall (shown as dashed lines) and only conductors electrical feed passage 49 penetrate through the pressure vessel. A thermal insulation wall 48 is added between the engine/generator 11 and the working fluid in the low pressure portion of the cycle. The technical requirements for obtaining an adequate seal through the thermal insulation wall may be less stringent due to the pressure being the same on both sides of the thermal insulation wall (for example, both sides of the thermal insulation wall may be located in the portion low cycle pressure). In one example, the low pressure value may be approximately 10 atm (1.01325 MPa). In some cases, the engine/generator can be adapted for operation at elevated surrounding pressures. An additional thermal insulation wall 50 may be used to create a seal between the compressor outlet 1 and the turbine inlet 3 in the high pressure portion of the cycle. In some examples, placing the engine/generator on the cold side of pumped thermal systems may be beneficial to engine/generator operation (e.g., cooling a superconducting generator).
[00189] Um outro aspecto da divulgação refere-se ao controle de pressão em ciclos de fluido de trabalho de sistemas térmicos bombeados usando estatores variáveis. Em alguns exemplos, o uso de estatores variáveis em componentes de turbomáquinas pode permitir que as taxas de pressão em ciclos de fluido de trabalho sejam variadas. A taxa de compressão variável pode ser realizada por meio de estatores móveis na turbomáquina.[00189] Another aspect of the disclosure relates to pressure control in working fluid cycles of thermal systems pumped using variable stators. In some examples, the use of variable stators in turbomachinery components can allow pressure rates in working fluid cycles to be varied. The variable compression ratio can be realized by means of movable stators in the turbomachine.
[00190] Em alguns casos, os sistemas térmicos bombeados (por exemplo, os sistemas nas Figuras 17 e 18) podem operar na mesma taxa de compressão tanto no ciclo de carga quanto no de descarga. Nesta configuração, o calor pode ser rejeitado (por exemplo, para o meio ambiente) na seção 38 no ciclo de carga e na seção 39 no ciclo de descarga, onde o calor na seção 38 pode ser transferido a uma temperatura mais baixa que o calor na seção 39. Em configurações alternativas, a taxa de compressão pode ser variada ao comutar entre o ciclo de carga e o ciclo de descarga. Em um exemplo, os estatores variáveis podem ser adicionados ao compressor e à turbina, permitindo assim que a taxa de compressão seja ajustada. A capacidade de variar a taxa de compressão entre os modos de carga e descarga pode permitir que o calor seja rejeitado apenas na temperatura mais baixa (por exemplo, o calor pode ser rejeitado na seção 38 no ciclo de carga, mas não na seção 39 do ciclo de descarga). Em alguns exemplos, uma maior porção (ou todo) do calor rejeitado para o meio ambiente é transferida a uma temperatura mais baixa, o que pode aumentar a eficiência de ida e volta do sistema.[00190] In some cases, pumped thermal systems (e.g., the systems in Figures 17 and 18) can operate at the same compression ratio in both the charging and discharging cycles. In this configuration, heat can be rejected (e.g. to the environment) in section 38 in the charging cycle and in section 39 in the discharge cycle, where the heat in section 38 can be transferred at a lower temperature than the heat in section 39. In alternative configurations, the compression ratio can be varied by switching between the charge cycle and the discharge cycle. In one example, variable stators can be added to the compressor and turbine, thus allowing the compression ratio to be adjusted. The ability to vary the compression ratio between charge and discharge modes may allow heat to be rejected only at the lowest temperature (e.g., heat may be rejected at section 38 in the charge cycle, but not at section 39 of the discharge cycle). In some examples, a greater portion (or all) of the heat rejected to the environment is transferred at a lower temperature, which can increase the round-trip efficiency of the system.
[00191] A Figura 29 é um exemplo de estatores variáveis em um par de compressor/turbina. O compressor 1 e a turbina 3 podem ter estatores variáveis, de modo que a taxa de compressão de cada um pode ser ajustada. Tal ajuste pode aumentar a eficiência de ida e volta.[00191] Figure 29 is an example of variable stators in a compressor/turbine pair. Compressor 1 and turbine 3 can have variable stators, so the compression ratio of each can be adjusted. Such adjustment can increase round-trip efficiency.
[00192] O compressor e/ou a turbina podem (cada) incluir um ou mais estágios de compressão. Por exemplo, o compressor e/ou a turbina podem ter várias filas de recursos repetidos distribuídos ao longo de sua circunferência. Cada estágio de compressão pode incluir uma ou mais linhas de recursos. As linhas podem ser organizadas em uma determinada ordem. Em um exemplo, o compressor 1 e a turbina 3 compreendem, cada um, uma sequência de uma pluralidade de palhetas guia de entrada 51, uma primeira pluralidade de rotores 52, uma pluralidade de estatores 53, uma segunda pluralidade de rotores 52 e uma pluralidade de palhetas guia de saída 54. Cada pluralidade de recursos pode ser disposta em uma linha ao longo da circunferência do compressor/turbina. A configuração (por exemplo, direção ou ângulo) dos estatores 53 pode ser variada, como indicado na Figura 29.[00192] The compressor and/or turbine may (each) include one or more compression stages. For example, the compressor and/or turbine may have multiple rows of repeating features distributed along its circumference. Each compression stage can include one or more feature lines. Rows can be arranged in a certain order. In one example, the compressor 1 and the turbine 3 each comprise a sequence of a plurality of inlet guide vanes 51, a first plurality of rotors 52, a plurality of stators 53, a second plurality of rotors 52 and a plurality of of outlet guide vanes 54. Each plurality of features may be arranged in a line along the circumference of the compressor/turbine. The configuration (e.g., direction or angle) of the stators 53 can be varied, as indicated in Figure 29.
[00193] O par de compressor/turbina pode ser combinado. Em alguns casos, uma pressão de saída do compressor pode ser aproximadamente a mesma que uma pressão de entrada da turbina, e uma pressão de entrada do compressor pode ser aproximadamente a mesma que a pressão de saída da turbina; assim, a taxa de pressão através da turbina pode ser a mesma que a taxa de pressão através do compressor. Em alguns casos, as pressões de entrada/saída e/ou as taxas de pressão podem diferir em uma determinada quantidade (por exemplo, para levar em conta a queda de pressão no sistema). O uso de estatores variáveis no compressor e na turbina pode permitir que o compressor e a turbina permaneçam compatíveis à medida que a taxa de compressão é variada. Por exemplo, usando estatores variáveis, operação do compressor e da turbina pode permanecer dentro de condições operacionais adequadas (por exemplo, dentro de um determinado intervalo ou em um determinado ponto em seus respectivos mapas operacionais) conforme a taxa de compressão é variada. A operação dentro de intervalos determinados ou em determinados pontos nos mapas operacionais de turbomáquinas pode permitir que eficiências de turbomáquinas (por exemplo, eficiências isentrópicas) e a eficiência de armazenamento de ida e volta resultantes sejam mantidas dentro de um intervalo desejado. Em algumas implementações, o uso de estatores variáveis pode ser combinado com outros métodos para variar as taxas de compressão (por exemplo, velocidade de rotação do eixo variável, desvio de estágios de turbomáquinas, engrenagens, eletrônica de energia, etc.)[00193] The compressor/turbine pair can be combined. In some cases, a compressor outlet pressure may be approximately the same as a turbine inlet pressure, and a compressor inlet pressure may be approximately the same as the turbine outlet pressure; thus, the pressure rate through the turbine can be the same as the pressure rate through the compressor. In some cases, inlet/outlet pressures and/or pressure ratios may differ by a certain amount (e.g., to account for pressure drop in the system). The use of variable stators in the compressor and turbine can allow the compressor and turbine to remain compatible as the compression ratio is varied. For example, by using variable stators, compressor and turbine operation can remain within suitable operating conditions (e.g., within a certain range or at a certain point on their respective operating maps) as the compression ratio is varied. Operation within given ranges or at given points on turbomachinery operating maps can allow turbomachinery efficiencies (e.g., isentropic efficiencies) and the resulting round-trip storage efficiency to be maintained within a desired range. In some implementations, the use of variable stators may be combined with other methods to vary compression ratios (e.g. variable shaft rotational speed, bypass of turbomachinery stages, gears, power electronics, etc.)
[00194] Um outro aspecto da divulgação refere-se ao controle da taxa de carga e descarga em todo o intervalo a partir de carga/entrada de energia máxima até descarga/saída de energia máxima através da construção de unidades de sistema térmico bombeado compostas por subunidades de sistema térmico bombeado. Em alguns exemplos, sistemas térmicos bombeados podem ter uma entrada e/ou saída de energia mínima (por exemplo, entrada de energia mínima e/ou energia mínima) acima de 0% da entrada e/ou saída de energia máxima (por exemplo, entrada de energia máxima e/ou saída de energia máxima), respectivamente. Nesses casos, uma única unidade por si só pode ser capaz de passar continuamente da entrada de energia mínima para a entrada de energia máxima e da saída de energia mínima para a saída de energia máxima, mas pode não conseguir passar continuamente a partir da entrada de energia mínima para a saída de energia mínima (ou seja, da entrada de energia mínima para a entrada/saída de energia zero e da entrada/saída de energia zero para a saída de energia mínima). Uma capacidade de passar continuamente da entrada de energia mínima para a saída de energia mínima pode permitir que o sistema passe continuamente da entrada de energia máxima para a saída de energia máxima. Por exemplo, se tanto a energia de saída quanto a energia de entrada puderem ser desligadas até zero durante a operação, o sistema poderá variar continuamente a energia consumida ou fornecida em um intervalo a partir da entrada máxima (por exemplo, atuando como uma carga na grade) para a saída máxima (por exemplo, atuando como um gerador na grade). Tal funcionalidade pode aumentar (por exemplo, mais do que o dobro) o intervalo continuamente passável do sistema térmico bombeado. Aumentar o intervalo continuamente passável do sistema térmico bombeado pode ser vantajoso, por exemplo, quando o intervalo de energia continuamente passável é usado como uma métrica para determinar o valor dos ativos da grade. Além disso, tal funcionalidade pode permitir que os sistemas da divulgação sigam carga variável, geração variável, geração intermitente ou qualquer combinação dos mesmos.[00194] Another aspect of the disclosure relates to controlling the charge and discharge rate over the entire range from maximum charge/energy input to maximum discharge/energy output through the construction of pumped thermal system units comprised of pumped thermal system subunits. In some examples, pumped thermal systems may have a minimum energy input and/or output (e.g., minimum energy input and/or minimum energy) above 0% of the maximum energy input and/or output (e.g., input maximum power output and/or maximum power output), respectively. In these cases, a single unit by itself may be capable of moving continuously from minimum power input to maximum power input and from minimum power output to maximum power output, but may not be able to move continuously from input power. minimum energy to minimum energy output (i.e., from minimum energy input to zero energy input/output and from zero energy input/output to minimum energy output). An ability to continuously move from minimum energy input to minimum energy output can allow the system to continuously move from maximum energy input to maximum energy output. For example, if both output power and input power can be turned off to zero during operation, the system can continuously vary the power consumed or supplied over a range from the maximum input (e.g., by acting as a load on the grid) for maximum output (e.g. acting as a generator on the grid). Such functionality can increase (e.g. more than double) the continuously passable range of the pumped thermal system. Increasing the continuously passable range of the pumped thermal system can be advantageous, for example, when the continuously passable power range is used as a metric to determine the value of grid assets. Furthermore, such functionality may allow disclosure systems to track variable load, variable generation, intermittent generation, or any combination thereof.
[00195] Em algumas implementações, unidades de sistema térmico bombeado compostos de múltiplas subunidades de sistema térmico bombeado podem ser usadas. Em alguns casos, cada subunidade pode ter uma entrada e/ou saída de energia mínima acima de 0%. A passagem contínua da energia a partir da entrada de energia máxima para a saída de energia máxima pode incluir a combinação de uma determinada quantidade de subunidades. Por exemplo, um número adequado (por exemplo, suficientemente grande) de subunidades pode ser necessário para obter uma aceleração contínua. Em alguns exemplos, o número de subunidades pode ser de pelo menos cerca de 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 200, 500, 750, 1000 e semelhantes. Em alguns exemplos, o número de subunidades é 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000 ou mais. Cada subunidade pode ter uma determinada capacidade de energia. Por exemplo, cada subunidade pode ter uma capacidade de energia que é inferior a cerca de 0,1%, inferior a cerca de 0,5%, inferior a cerca de 1%, inferior a cerca de 5%, inferior a cerca de 10%, inferior a cerca de 25%, inferior a cerca de 50%, ou menos do que aproximadamente 90% da capacidade de energia total do sistema térmico bombeado composto. Em alguns casos, subunidades diferentes podem ter diferentes capacidades de energia. Em alguns exemplos, uma subunidade tem uma capacidade de energia de cerca de 10 kW, 100 kW, 500 kW, 1 MW, 2 MW, 5 MW, 10 MW, 20 MW, 50 MW, 100 MW ou mais. A passagem contínua da energia da entrada de energia máxima até a saída de energia máxima pode incluir o controle da entrada e/ou saída de cada subunidade (por exemplo, entrada de energia e/ou saída de energia) separadamente. Em alguns casos, as subunidades podem ser operadas em direções opostas (por exemplo, uma ou mais subunidades podem operar no modo de entrada de energia, enquanto uma ou mais subunidades podem operar no modo de saída de energia). Em um exemplo, se cada subunidade do sistema térmico bombeado puder ser continuamente passada entre uma entrada e/ou saída de energia máxima para baixo até cerca de 50% da entrada e/ou saída de energia máxima, respectivamente, três ou mais subunidades de sistema térmico combinado em uma unidade de sistema térmico bombeado composto que pode ser continuamente passada da entrada de energia máxima para a saída de energia máxima. Em algumas implementações, o sistema térmico bombeado composto pode não ter um intervalo totalmente contínuo entre a energia de entrada máxima e a energia de saída máxima, mas pode ter um número maior de pontos de operação neste intervalo em comparação com um sistema não composto.[00195] In some implementations, pumped thermal system units composed of multiple pumped thermal system subunits may be used. In some cases, each subunit may have a minimum energy input and/or output above 0%. The continuous passage of energy from the maximum energy input to the maximum energy output may include the combination of a certain number of subunits. For example, an adequate (e.g., sufficiently large) number of subunits may be required to obtain continuous acceleration. In some examples, the number of subunits may be at least about 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 200, 500, 750, 1000 and the like. In some examples, the number of subunits is 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750 , 800, 850, 900, 950, 1000 or more. Each subunit can have a certain energy capacity. For example, each subunit may have a power capacity that is less than about 0.1%, less than about 0.5%, less than about 1%, less than about 5%, less than about 10 %, less than about 25%, less than about 50%, or less than about 90% of the total energy capacity of the composite pumped thermal system. In some cases, different subunits may have different energy capacities. In some examples, a subunit has a power capacity of about 10 kW, 100 kW, 500 kW, 1 MW, 2 MW, 5 MW, 10 MW, 20 MW, 50 MW, 100 MW or more. The continuous passage of energy from maximum energy input to maximum energy output may include controlling the input and/or output of each subunit (e.g., energy input and/or energy output) separately. In some cases, the subunits may be operated in opposite directions (e.g., one or more subunits may operate in power input mode, while one or more subunits may operate in power output mode). In one example, if each subunit of the pumped thermal system can be continuously passed between a maximum power input and/or output downward to about 50% of the maximum power input and/or output, respectively, three or more system subunits thermal combined into a composite pumped thermal system unit that can be continuously passed from maximum power input to maximum power output. In some implementations, the composite pumped thermal system may not have a fully continuous range between maximum input power and maximum output power, but may have a greater number of operating points in this range compared to a non-composite system.
[00196] Um outro aspecto da divulgação refere-se ao controle da taxa de carga e descarga em um intervalo completo desde a entrada de carga/energia máxima até a saída de descarga/energia máxima através da construção de unidades de sistema de armazenamento de energia compostos constituídas por subunidades de sistema de armazenamento de energia. Em alguns exemplos, os sistemas de armazenamento de energia podem ter uma entrada e/ou saída de energia mínima (por exemplo, entrada de energia mínima e/ou saída de energia mínima) acima de 0% da entrada e/ou saída de energia máxima (por exemplo, entrada de energia máxima e/ou saída de energia máxima), respectivamente. Nesses casos, uma única unidade por si só pode ser capaz de passar continuamente da entrada de energia mínima para a entrada de energia máxima e da saída de energia mínima para a saída de energia máxima, mas pode não conseguir passar continuamente a partir da entrada de energia mínima para a saída de energia mínima (ou seja, da entrada de energia mínima para a entrada/saída de energia zero e da entrada/saída de energia zero para a saída de energia mínima). Uma capacidade de passar continuamente da entrada de energia mínima para a saída de energia mínima pode permitir que o sistema passe continuamente da entrada de energia máxima para a saída de energia máxima. Por exemplo, se tanto a energia de saída quanto a energia de entrada puderem ser totalmente redefinidas para zero durante a operação, o sistema poderá variar continuamente a energia consumida ou fornecida em um intervalo a partir da entrada máxima (por exemplo, atuando como um carga na grade) para a saída máxima (por exemplo, atuando como um gerador na grade). Tal funcionalidade pode aumentar (por exemplo, mais que o dobro) o intervalo continuamente passável do sistema de armazenamento de energia. Aumentar o intervalo continuamente passável do sistema de armazenamento de energia pode ser vantajoso, por exemplo, quando o intervalo de energia continuamente passável é usado como uma métrica para determinar o valor dos ativos da grade. Além disso, tal funcionalidade pode permitir que os sistemas da divulgação sigam carga variável, geração variável, geração intermitente ou qualquer combinação dos mesmos.[00196] Another aspect of the disclosure relates to controlling the charge and discharge rate over a complete range from the maximum charge/energy input to the maximum discharge/energy output by constructing energy storage system units. compounds made up of energy storage system subunits. In some examples, energy storage systems may have a minimum energy input and/or output (e.g., minimum energy input and/or minimum energy output) above 0% of the maximum energy input and/or output (e.g. maximum power input and/or maximum power output), respectively. In these cases, a single unit by itself may be capable of moving continuously from minimum power input to maximum power input and from minimum power output to maximum power output, but may not be able to move continuously from input power. minimum energy to minimum energy output (i.e., from minimum energy input to zero energy input/output and from zero energy input/output to minimum energy output). An ability to continuously move from minimum energy input to minimum energy output can allow the system to continuously move from maximum energy input to maximum energy output. For example, if both output power and input power can be completely reset to zero during operation, the system can continuously vary the power consumed or supplied over a range from the maximum input (e.g., acting as a load on the grid) for maximum output (e.g. acting as an on-grid generator). Such functionality can increase (e.g., more than double) the continuously passable range of the energy storage system. Increasing the continuously passable range of the energy storage system can be advantageous, for example, when the continuously passable energy range is used as a metric to determine the value of grid assets. Furthermore, such functionality may allow disclosure systems to track variable load, variable generation, intermittent generation, or any combination thereof.
[00197] Em algumas implementações, podem ser usadas unidades de sistema de armazenamento de energia compostos compostas por várias subunidades de sistema de armazenamento de energia. Em alguns exemplos, qualquer sistema de armazenamento de energia com recursos de entrada/saída de energia que pode se beneficiar de uma configuração composta pode ser usado. Em alguns exemplos, sistemas com recursos de entrada e/ou saída de energia que podem se beneficiar de uma configuração composta podem incluir vários sistemas de armazenamento e/ou geração de energia, como, por exemplo, plantas de energia a gás natural ou ciclo combinado, sistemas de célula de combustível, sistemas de bateria, sistemas de armazenamento de energia de ar comprimido, sistemas hidroelétricos bombeados, etc. Em alguns casos, cada subunidade pode ter uma entrada e/ou saída de energia mínima acima de 0%. A passagem contínua da energia a partir da entrada de energia máxima para a saída de energia máxima pode incluir a combinação de uma determinada quantidade de subunidades. Por exemplo, um número adequado (por exemplo, suficientemente grande) de subunidades pode ser necessário para obter uma aceleração contínua. Em alguns exemplos, o número de subunidades pode ser de pelo menos cerca de 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 200, 500, 750, 1000 e semelhantes. Em alguns exemplos, o número de subunidades é 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000 ou mais. Cada subunidade pode ter uma determinada capacidade de energia. Por exemplo, cada subunidade pode ter uma capacidade de energia inferior a cerca de 0,1%, inferior a cerca de 0,5%, inferior a cerca de 1%, inferior a cerca de 5%, inferior a cerca de 10%, inferior a cerca de 25%, inferior a cerca de 50%, ou inferior a cerca de 90% da capacidade total de energia do sistema de armazenamento de energia composto. Em alguns casos, subunidades diferentes podem ter diferentes capacidades de energia. Em alguns exemplos, uma subunidade tem uma capacidade de energia de cerca de 10 kW, 100 kW, 500 kW, 1 MW, 2 MW, 5 MW, 10 MW, 20 MW, 50 MW, 100 MW ou mais. A passagem contínua da energia da entrada de energia máxima até a saída de energia máxima pode incluir o controle da entrada e/ou saída de cada subunidade (por exemplo, entrada de energia e/ou saída de energia) separadamente. Em alguns casos, as subunidades podem ser operadas em direções opostas (por exemplo, uma ou mais subunidades podem operar no modo de entrada de energia, enquanto uma ou mais subunidades podem operar no modo de saída de energia). Em um exemplo, se cada subunidade do sistema de armazenamento de energia puder ser continuamente passada entre uma entrada e/ou saída de energia máxima até cerca de 50% da entrada e/ou saída de energia máxima, respectivamente, três ou mais dessas subunidades de sistema de armazenamento de energia podem ser combinadas em uma unidade de sistema de armazenamento de energia composto que pode ser continuamente passada da entrada de energia máxima para a saída de energia máxima. Em algumas implementações, o sistema de armazenamento de energia composto pode não ter um intervalo totalmente contínuo entre a entrada de energia máxima e a saída de energia máxima, mas pode ter um aumento no número de pontos de operação nesse intervalo em comparação com um sistema não composto.[00197] In some implementations, composite energy storage system units composed of multiple energy storage system subunits may be used. In some examples, any energy storage system with power input/output capabilities that can benefit from a composite configuration can be used. In some examples, systems with energy input and/or output capabilities that can benefit from a composite configuration may include multiple energy storage and/or generation systems, such as natural gas or combined cycle power plants. , fuel cell systems, battery systems, compressed air energy storage systems, pumped hydroelectric systems, etc. In some cases, each subunit may have a minimum energy input and/or output above 0%. The continuous passage of energy from the maximum energy input to the maximum energy output may include the combination of a certain number of subunits. For example, an adequate (e.g., sufficiently large) number of subunits may be required to obtain continuous acceleration. In some examples, the number of subunits may be at least about 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 200, 500, 750, 1000 and the like. In some examples, the number of subunits is 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750 , 800, 850, 900, 950, 1000 or more. Each subunit can have a certain energy capacity. For example, each subunit may have a power capacity of less than about 0.1%, less than about 0.5%, less than about 1%, less than about 5%, less than about 10%, less than about 25%, less than about 50%, or less than about 90% of the total energy capacity of the composite energy storage system. In some cases, different subunits may have different energy capacities. In some examples, a subunit has a power capacity of about 10 kW, 100 kW, 500 kW, 1 MW, 2 MW, 5 MW, 10 MW, 20 MW, 50 MW, 100 MW or more. The continuous passage of energy from maximum energy input to maximum energy output may include controlling the input and/or output of each subunit (e.g., energy input and/or energy output) separately. In some cases, the subunits may be operated in opposite directions (e.g., one or more subunits may operate in power input mode, while one or more subunits may operate in power output mode). In an example, if each subunit of the energy storage system can be continuously cycled between a maximum energy input and/or output up to about 50% of the maximum energy input and/or output, respectively, three or more such subunits of Energy storage system can be combined into a composite energy storage system unit that can be continuously switched from maximum energy input to maximum energy output. In some implementations, the composite energy storage system may not have a fully continuous range between maximum power input and maximum power output, but may have an increased number of operating points in that range compared to a non-composite system. compound.
[00198] A presente divulgação fornece sistemas de controle de computador (ou controladores) que são programados para implementar métodos da divulgação. A Figura 30 mostra um sistema de computador 1901 (ou controlador) que é programado ou de outra forma configurado para regular vários parâmetros de processo de sistemas de armazenamento e/ou recuperação de energia aqui divulgados. Tais parâmetros de processo podem incluir temperaturas, taxas de fluxo, pressões e mudanças de entropia.[00198] The present disclosure provides computer control systems (or controllers) that are programmed to implement methods of the disclosure. Figure 30 shows a computer system 1901 (or controller) that is programmed or otherwise configured to regulate various process parameters of energy storage and/or recovery systems disclosed herein. Such process parameters may include temperatures, flow rates, pressures, and entropy changes.
[00199] O sistema de computador 1901 inclui uma unidade de processamento central (CPU, também "processador" e "processador de computador" aqui) 1905, que pode ser um processador de núcleo único ou múltiplos núcleos, ou uma pluralidade de processadores para processamento paralelo. O sistema de computador 1901 também inclui memória ou localização de memória 1910 (por exemplo, memória de acesso aleatório, memória somente de leitura, memória flash), unidade de armazenamento eletrônico 1915 (por exemplo, disco rígido), interface de comunicação 1920 (por exemplo, adaptador de rede) para comunicação com um ou mais outros sistemas e dispositivos periféricos 1925, como cache, outra memória, armazenamento de dados e/ou adaptadores de vídeo eletrônicos. A memória 1910, a unidade de armazenamento 1915, a interface 1920 e os dispositivos periféricos 1925 estão em comunicação com a CPU 1905 através de um barramento de comunicação (linhas sólidas), como uma placa-mãe. A unidade de armazenamento 1915 pode ser uma unidade de armazenamento de dados (ou repositório de dados) para armazenamento de dados. O sistema de computador 1901 pode ser operacionalmente acoplado a uma rede de computadores (“rede”) 1930 com o auxílio da interface de comunicação 1920. A rede 1930 pode ser a Internet, uma internet e/ou extranet, ou uma intranet e/ou extranet que está em comunicação com a Internet. A rede 1930, em alguns casos, é uma rede de telecomunicações e/ou dados. A rede 1930 pode incluir um ou mais servidores de computador, o que pode permitir a computação distribuída, como a computação em nuvem. A rede 1930, em alguns casos com o auxílio do sistema de computador 1901, pode implementar uma rede par-a-par, que pode permitir que dispositivos acoplados ao sistema de computador 1901 se comportem como um cliente ou um servidor.[00199] The computer system 1901 includes a central processing unit (CPU, also "processor" and "computer processor" herein) 1905, which may be a single-core or multi-core processor, or a plurality of processors for processing parallel. The computer system 1901 also includes memory or memory location 1910 (e.g., random access memory, read-only memory, flash memory), electronic storage unit 1915 (e.g., hard disk), communications interface 1920 (e.g., example, network adapter) for communicating with one or more other systems and peripheral devices 1925, such as cache, other memory, data storage, and/or electronic video adapters. The memory 1910, the storage unit 1915, the interface 1920, and the peripheral devices 1925 are in communication with the CPU 1905 via a communication bus (solid lines), such as a motherboard. The storage unit 1915 may be a data storage unit (or data repository) for storing data. The computer system 1901 may be operatively coupled to a computer network (“network”) 1930 with the aid of the communication interface 1920. The network 1930 may be the Internet, an internet and/or extranet, or an intranet and/or extranet that is in communication with the Internet. The 1930 network, in some cases, is a telecommunications and/or data network. Network 1930 may include one or more computer servers, which may enable distributed computing, such as cloud computing. The network 1930, in some cases with the assistance of the computer system 1901, may implement a peer-to-peer network, which may allow devices coupled to the computer system 1901 to behave as a client or a server.
[00200] O sistema de computador 1901 é acoplado a um sistema de armazenamento e/ou recuperação de energia 1935, que pode ser como descrito acima ou em outro local deste documento. O sistema de computador 1901 pode ser acoplado a várias operações de unidade do sistema 1935, tais como reguladores de fluxo (por exemplo, válvulas), sensores de temperatura, sensores de pressão, compressor(s), turbina(s), comutadores elétricos e módulos fotovoltaicos. O sistema 1901 pode ser diretamente acoplado, ou fazer parte do sistema 1935, ou estar em comunicação com o sistema 1935 através da rede 1930.[00200] The computer system 1901 is coupled to an energy storage and/or recovery system 1935, which may be as described above or elsewhere in this document. The computer system 1901 may be coupled to various unit operations of the system 1935, such as flow regulators (e.g., valves), temperature sensors, pressure sensors, compressor(s), turbine(s), electrical switches, and photovoltaic modules. System 1901 may be directly coupled, or be part of system 1935, or be in communication with system 1935 via network 1930.
[00201] A CPU 1905 pode executar uma sequência de instruções legíveis por máquina, que pode ser incorporada em um programa ou software. As instruções podem ser armazenadas em um local de memória, como a memória 1910. Exemplos de operações realizadas pela CPU 1905 podem incluir busca, decodificação, execução e escrita de volta.[00201] The CPU 1905 can execute a sequence of machine-readable instructions, which can be incorporated into a program or software. Instructions may be stored in a memory location, such as memory 1910. Examples of operations performed by CPU 1905 may include fetching, decoding, executing, and writing back.
[00202] Com referência continuada à Figura 30, a unidade de armazenamento 1915 pode armazenar arquivos, como controladores, bibliotecas e programas salvos. A unidade de armazenamento 1915 pode armazenar programas gerados por usuários e sessões gravadas, bem como saída(s) associada(s) aos programas. A unidade de armazenamento 1915 pode armazenar dados de usuário, por exemplo, preferências de usuário e programas de usuário. O sistema de computador 1901 em alguns casos pode incluir uma ou mais unidades de armazenamento de dados adicionais que são externas ao sistema de computador 1901, como localizadas em um servidor remoto que está em comunicação com o sistema de computador 1901 através de uma intranet ou da Internet.[00202] With continued reference to Figure 30, the storage unit 1915 can store files such as drivers, libraries, and saved programs. The storage unit 1915 can store user-generated programs and recorded sessions, as well as output(s) associated with the programs. The storage unit 1915 may store user data, e.g., user preferences and user programs. The computer system 1901 in some cases may include one or more additional data storage units that are external to the computer system 1901, such as located on a remote server that is in communication with the computer system 1901 via an intranet or the Internet.
[00203] O sistema de computador 1901 pode comunicar com um ou mais sistemas de computador remotos através da rede 1930. Por exemplo, o sistema de computador 1901 pode comunicar com um sistema de computador remoto de um usuário (por exemplo, operador). Exemplos de sistemas de computadores remotos incluem computadores pessoais, PCs slate ou tablet, telefones, telefones inteligentes ou assistentes digitais pessoais. O usuário pode acessar o sistema de computador 1901 através da rede 1930.[00203] Computer system 1901 may communicate with one or more remote computer systems via network 1930. For example, computer system 1901 may communicate with a remote computer system of a user (e.g., operator). Examples of remote computer systems include personal computers, slate or tablet PCs, telephones, smart phones, or personal digital assistants. The user can access the computer system 1901 through the network 1930.
[00204] Os métodos aqui descritos podem ser implementados por meio de código executável por máquina (por exemplo, processador de computador) armazenado em um local de armazenamento eletrônico do sistema de computador 1901, como, por exemplo, na memória 1910 ou unidade de armazenamento eletrônico 1915. O código executável por máquina ou legível por máquina pode ser fornecido na forma de software. Durante o uso, o código pode ser realizado pelo processador 1905. Em alguns casos, o código pode ser recuperado da unidade de armazenamento 1915 e armazenado na memória 1910 para acesso imediato pelo processador 1905. Em algumas situações, a unidade de armazenamento eletrônico 1915 pode ser excluída, e as instruções executáveis por máquina são armazenadas na memória 1910.[00204] The methods described herein may be implemented by means of machine-executable code (e.g., computer processor) stored in an electronic storage location of computer system 1901, such as, for example, in memory 1910 or storage unit electronic 1915. Machine-executable or machine-readable code may be provided in the form of software. During use, code may be carried by processor 1905. In some cases, code may be retrieved from storage unit 1915 and stored in memory 1910 for immediate access by processor 1905. In some situations, electronic storage unit 1915 may be deleted, and machine-executable instructions are stored in memory 1910.
[00205] O código pode ser pré-compilado e configurado para uso com uma máquina que tenha um processador adaptado para executar o código, ou possa ser compilado durante o tempo de execução. O código pode ser fornecido em uma linguagem de programação que pode ser selecionada para permitir que o código seja realizado de uma forma pré- compilada ou como-compilada.[00205] The code may be precompiled and configured for use with a machine that has a processor adapted to execute the code, or may be compiled at run time. The code may be provided in a programming language that may be selected to allow the code to be performed in a pre-compiled or as-compiled form.
[00206] Aspectos dos sistemas e métodos aqui fornecidos, tais como o sistema de computador 1901, podem ser incorporados na programação. Vários aspectos da tecnologia podem ser considerados como “produtos” ou “artigos de fabricação” tipicamente na forma de código executável por máquina (ou processador) e/ou dados associados que são transportados ou incorporados em um tipo de meio legível por máquina. O código executável por máquina pode ser armazenado em uma unidade de armazenamento eletrônico, como memória (por exemplo, memória somente de leitura, memória de acesso aleatório, memória flash) ou um disco rígido. A meio tipo “Armazenamento” pode incluir qualquer ou toda a memória tangível dos computadores, processadores ou similares, ou módulos associados, como várias memórias de semicondutor, unidades de fita, unidades de disco e similares, que podem fornecer armazenamento não transitório a qualquer momento para a programação de software. Todo ou parte do software pode, às vezes, ser comunicado através da Internet ou de várias outras redes de telecomunicações. Tais comunicações, por exemplo, podem permitir o carregamento do software de um computador ou processador para outro, por exemplo, a partir de um servidor de gerenciamento ou computador hospedeiro para a plataforma de computador de um servidor de aplicação. Assim, outro tipo de meio que pode conter os elementos de software inclui ondas óticas, elétricas e eletromagnéticas, como as usadas em interfaces físicas entre dispositivos locais, através de redes terrestres com fio e óticas e através de vários enlaces aéreos. Os elementos físicos que transportam tais ondas, tais como conexões com ou sem fio, conexões óticas ou semelhantes, também podem ser considerados como meios que suportam o software. Como usado aqui, a menos que restrito a meios de armazenamento “tangíveis” não transitórios, termos tais como “meio legível por computador ou máquina” referem-se a qualquer meio que participa no fornecimento de instruções para um processador para execução.[00206] Aspects of the systems and methods provided herein, such as computer system 1901, may be incorporated into programming. Various aspects of technology can be considered as “products” or “articles of manufacture” typically in the form of machine (or processor) executable code and/or associated data that are transported or incorporated into a type of machine-readable medium. Machine-executable code can be stored in an electronic storage unit, such as memory (e.g., read-only memory, random access memory, flash memory) or a hard drive. “Storage” media may include any or all of the tangible memory of computers, processors, or the like, or associated modules, such as various semiconductor memories, tape drives, disk drives, and the like, that can provide non-transitory storage at any time for software programming. All or part of the software may sometimes be communicated over the Internet or various other telecommunications networks. Such communications, for example, may allow the loading of software from one computer or processor to another, for example, from a management server or host computer to the computer platform of an application server. Thus, another type of medium that can contain software elements includes optical, electrical, and electromagnetic waves, such as those used in physical interfaces between local devices, across wired and optical terrestrial networks, and across various air links. The physical elements that carry such waves, such as wired or wireless connections, optical connections or the like, can also be considered as media supporting the software. As used herein, unless restricted to non-transitory “tangible” storage media, terms such as “computer or machine-readable medium” refer to any medium that participates in providing instructions to a processor for execution.
[00207] Assim, um meio legível por máquina, tal como código executável por computador, pode assumir muitas formas, incluindo, mas não limitado a, um meio de armazenamento tangível, um meio de onda portadora ou meio de transmissão físico. Meios de armazenamento não voláteis incluem, por exemplo, discos óticos ou magnéticos, tais como qualquer um dos dispositivos de armazenamento em qualquer computador(s) ou semelhante, como pode ser utilizado para implementar as bases de dados, etc. mostradas nos desenhos. Meios de armazenamento voláteis incluem memória dinâmica, como a memória principal de tal plataforma de computador. Meios de transmissão tangíveis incluem cabos coaxiais; fio de cobre e fibra ótica, incluindo os fios que compõem um barramento dentro de um sistema de computador. Os meios de transmissão de onda portadora podem assumir a forma de sinais elétricos ou eletromagnéticos, ou ondas acústicas ou de luz, como as geradas durante comunicações de dados por frequência de rádio (RF) e infravermelho (IR). Formas comuns de meio legível por computador incluem, por exemplo: um disquete, um disco flexível, disco rígido, fita magnética, qualquer outro meio magnético, um CD-ROM, DVD ou DVD-ROM, qualquer outro meio ótico, fita de papel de cartões perfurados, qualquer outro meio de armazenamento físico com padrões de furos, uma RAM, uma ROM, uma PROM e EPROM, uma FLASH-EPROM, qualquer outro chip ou cartucho de memória, um onda portadora transportando dados ou instruções, cabos ou enlaces transportando tal onda portadora, ou qualquer outro meio a partir do qual um computador pode ler código de programação e/ou dados. Muitas destas formas de meios legíveis por computador podem estar envolvidas no transporte de uma ou mais sequências de uma ou mais instruções para um processador para execução.[00207] Thus, a machine-readable medium, such as computer executable code, can take many forms, including, but not limited to, a tangible storage medium, a carrier wave medium, or physical transmission medium. Non-volatile storage media include, for example, optical or magnetic disks, such as any of the storage devices in any computer(s) or the like, as may be used to implement databases, etc. shown in the drawings. Volatile storage media includes dynamic memory, such as the main memory of such a computer platform. Tangible transmission media include coaxial cables; copper wire and fiber optics, including the wires that make up a bus within a computer system. Carrier wave transmission media may take the form of electrical or electromagnetic signals, or acoustic or light waves, such as those generated during radio frequency (RF) and infrared (IR) data communications. Common forms of computer-readable media include, for example: a floppy disk, a floppy disk, a hard disk, a magnetic tape, any other magnetic medium, a CD-ROM, DVD or DVD-ROM, any other optical medium, paper tape, punched cards, any other physical storage medium with hole patterns, a RAM, a ROM, a PROM and EPROM, a FLASH-EPROM, any other memory chip or cartridge, a carrier wave carrying data or instructions, cables or links carrying such a carrier wave, or any other medium from which a computer can read programming code and/or data. Many of these forms of computer-readable media may be involved in transporting one or more sequences of one or more instructions to a processor for execution.
[00208] A Figura 31 ilustra um exemplo de sistema de ciclo fechado, como um sistema de Brayton, e inclui um fluido de trabalho que flui através de pelo menos um compressor 101, um permutador de calor de lado quente 102, uma turbina 103 e um permutador de calor de lado frio 104. Os percursos de fluido são como indicados na Figura 31 e direção de fluxo de um fluido em um determinado percurso de fluido é indicada por uma ou mais setas. Cada um dos fluidos, componentes e/ou percursos de fluido identificados acima pode ser o mesmo ou similar ao percurso de ciclo fechado descrito anteriormente (por exemplo, ciclo de Brayton), como fluido de trabalho 20, compressor 1, permutador de calor de lado quente 2, turbina 3, e permutador de calor de lado frio 4. A Figura 31 é apenas ilustrativa e outros fluidos, componentes e/ou percursos de fluido podem estar presentes. Alguns componentes, como um permutador de calor de lado quente ou de lado frio, podem ser substituídos por outros componentes que tenham um propósito térmico semelhante.[00208] Figure 31 illustrates an example of a closed cycle system, such as a Brayton system, and includes a working fluid that flows through at least one compressor 101, a hot-side heat exchanger 102, a turbine 103, and a cold side heat exchanger 104. Fluid paths are as indicated in Figure 31 and flow direction of a fluid in a given fluid path is indicated by one or more arrows. Each of the fluids, components and/or fluid paths identified above may be the same or similar to the previously described closed cycle path (e.g., Brayton cycle), such as working fluid 20, compressor 1, side heat exchanger hot 2, turbine 3, and cold side heat exchanger 4. Figure 31 is illustrative only and other fluids, components and/or fluid paths may be present. Some components, such as a hot-side or cold-side heat exchanger, can be replaced with other components that serve a similar thermal purpose.
[00209] Em particular, a Figura 31 ilustra um sistema de geração de energia 100 implementado em um sistema de ciclo de Brayton fechado. O sistema 100 pode incluir um gerador elétrico 112 que pode gerar eletricidade e distribuir parte ou toda a eletricidade gerada para um sistema elétrico 113. O gerador elétrico 112, como ilustrado, pode incluir um alternador, um alternador de alta velocidade e/ou eletrônica de energia (por exemplo, eletrônica de conversão de frequência de energia) para gerenciamento, conversão e/ou modificação de fase, tensão, corrente e frequência elétrica de energia gerada e/ou distribuída. O gerador elétrico 112 pode ser mecanicamente acoplado ao compressor 101 e a turbina 103. O compressor 101 e a turbina 103 podem ser acoplados ao gerador elétrico 112 através de uma ou mais hastes 110. Em alternativa, o compressor 101 e a turbina 103 podem ser acoplados ao gerador elétrico 112 via uma ou mais caixas de engrenagens e/ou hastes.[00209] In particular, Figure 31 illustrates a power generation system 100 implemented in a closed Brayton cycle system. The system 100 may include an electrical generator 112 that can generate electricity and distribute some or all of the generated electricity to an electrical system 113. The electrical generator 112, as illustrated, may include an alternator, a high-speed alternator and/or electronics. energy (e.g., power frequency conversion electronics) for managing, converting, and/or modifying the phase, voltage, current, and electrical frequency of generated and/or distributed power. The electrical generator 112 may be mechanically coupled to the compressor 101 and the turbine 103. The compressor 101 and the turbine 103 may be coupled to the electrical generator 112 through one or more rods 110. Alternatively, the compressor 101 and the turbine 103 may be coupled to the electrical generator 112 via one or more gearboxes and/or rods.
[00210] Alternativamente ou adicionalmente, o sistema 100 pode incluir um trem de acionamento 114. O compressor 101 e a turbina 103 podem ser acoplados ao trem de acionamento 114 através de uma ou mais hastes 110. O trem de acionamento 114 pode ser configurado para fornecer energia mecânica a um sistema de acionamento externo 115.[00210] Alternatively or additionally, the system 100 may include a drive train 114. The compressor 101 and turbine 103 may be coupled to the drive train 114 via one or more rods 110. The drive train 114 may be configured to provide mechanical power to an external drive system 115.
[00211] No sistema de ciclo de Brayton, um fluido de trabalho pode circular através de um percurso de fluido de ciclo fechado que inclui, em sequência, o compressor 101, o permutador de calor de lado quente 102, a turbina 103 e o permutador de calor de lado frio 104. O percurso de ciclo fechado inclui um trecho de alta pressão 201 e um trecho de baixa pressão 202. O trecho de alta pressão 201 pode ser todo ou uma parte do percurso de ciclo fechado a jusante do compressor 101 e a montante da turbina 103. Além disso, o trecho de baixa pressão 202 pode ser todo ou uma parte do percurso de ciclo fechado a montante do compressor 101 e a jusante da turbina 103. A pressão do fluido de trabalho no trecho de alta pressão 201 pode ser maior do que a pressão do fluido de trabalho no trecho de baixa pressão 202. Exemplos não limitativos de fluidos de trabalho incluem ar, argônio, dióxido de carbono ou misturas gasosas.[00211] In the Brayton cycle system, a working fluid may circulate through a closed cycle fluid path that includes, in sequence, the compressor 101, the hot-side heat exchanger 102, the turbine 103, and the heat exchanger 102. cold side heat section 104. The closed cycle path includes a high pressure section 201 and a low pressure section 202. The high pressure section 201 may be all or a portion of the closed cycle path downstream of the compressor 101 and upstream of the turbine 103. Furthermore, the low-pressure section 202 may be all or a portion of the closed-cycle path upstream of the compressor 101 and downstream of the turbine 103. The pressure of the working fluid in the high-pressure section 201 may be greater than the pressure of the working fluid in the low pressure section 202. Non-limiting examples of working fluids include air, argon, carbon dioxide or gas mixtures.
[00212] O sistema 100 pode incluir um combustor 107. O combustor 107 pode fornecer energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente 102. O combustor 107 pode incluir uma câmara de combustão que é configurada para queimar uma substância combustível, tal como combustível fóssil ou sintético, resíduos sólidos ou biomassa.[00212] System 100 may include a combustor 107. The combustor 107 may provide thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger 102. The combustor 107 may include a combustion chamber that is configured to burn a combustible substance , such as fossil or synthetic fuel, solid waste or biomass.
[00213] Dentro do permutador de calor de lado quente 102, o fluido de trabalho circulando através do percurso de ciclo fechado pode entrar em contato térmico com um meio térmico de lado quente. Em algumas modalidades, o meio térmico de lado quente pode ser gás de combustão a partir do combustor 107 que flui através do permutador de calor de lado quente 102. Depois de sair do permutador de calor de lado quente 102, o gás de combustão pode ser exaurido para a atmosfera. Além disso, em algumas modalidades, o meio térmico de lado quente pode ser um fluido intermediário que flui através do permutador de calor de lado quente 102. Em tais modalidades, o gás de combustão a partir do combustor 107 pode fornecer energia térmica ao fluido intermediário. O fluido intermediário pode ser, por exemplo, ar ou água. Em outras modalidades, o combustor 107 pode aquecer diretamente o permutador de calor de lado quente 102 (por exemplo, aquecimento radiante).[00213] Within the hot-side heat exchanger 102, the working fluid circulating through the closed-loop path may come into thermal contact with a hot-side thermal medium. In some embodiments, the hot-side thermal medium may be combustion gas from the combustor 107 flowing through the hot-side heat exchanger 102. After exiting the hot-side heat exchanger 102, the combustion gas may be exhausted to the atmosphere. Furthermore, in some embodiments, the hot-side thermal medium may be an intermediate fluid that flows through the hot-side heat exchanger 102. In such embodiments, combustion gas from the combustor 107 may provide thermal energy to the intermediate fluid. . The intermediate fluid can be, for example, air or water. In other embodiments, the combustor 107 may directly heat the hot-side heat exchanger 102 (e.g., radiant heating).
[00214] Dentro do permutador de calor de lado frio 104, o fluido de trabalho circulando através do percurso de ciclo fechado pode entrar em contato térmico com um meio térmico de lado frio. O meio térmico de lado frio pode ser, por exemplo, ar ou água. Assim, em algumas modalidades, o permutador de calor de lado frio 104 pode ser um radiador refrigerado a ar. Além disso, em algumas modalidades, o permutador de calor de lado frio 104 pode ser um radiador arrefecido a água. Como mostrado, depois de sair do permutador de calor de lado frio 104, o vapor pode ser exaurido para a atmosfera.[00214] Within the cold-side heat exchanger 104, the working fluid circulating through the closed-loop path may come into thermal contact with a cold-side thermal medium. The cold side thermal medium can be, for example, air or water. Thus, in some embodiments, the cold-side heat exchanger 104 may be an air-cooled radiator. Furthermore, in some embodiments, the cold-side heat exchanger 104 may be a water-cooled radiator. As shown, after exiting the cold-side heat exchanger 104, the vapor may be exhausted to the atmosphere.
[00215] O sistema de ciclo de Brayton pode ainda incluir um ou mais permutadores de calor recuperativos (ou “recuperadores”) que podem transferir calor entre o fluido de trabalho em vários estágios dentro do percurso de ciclo fechado. No exemplo ilustrado, o fluido de trabalho circula ainda através de um recuperador 111. De preferência, o recuperador 111 é um permutador de calor de contrafluxo. Como mostrado, o recuperador 111 está contatando termicamente o fluido de trabalho a jusante do compressor 101 e a montante do permutador de calor de lado quente 102 com o fluido de trabalho a jusante da turbina 103 e a montante do permutador de calor de lado frio 104, de preferência em contrafluxo. A porção do percurso de ciclo fechado que inclui, em sequência, a turbina 103, o recuperador 111, o permutador de calor de lado frio 104, e o compressor 103 pode ser todo ou uma porção do trecho de baixa pressão 202. Pode não haver recuperadores em um sistema de ciclo de Brayton, ou pode haver mais de um recuperador em um sistema de ciclo de Brayton e o um ou mais recuperadores podem estar localizados em locais alternativos do que a localização mostrada dentro do esquema de circulação ilustrado na Figura 31.[00215] The Brayton cycle system may further include one or more recuperative heat exchangers (or “scavengers”) that may transfer heat between the working fluid at various stages within the closed cycle path. In the illustrated example, the working fluid is further circulated through a recuperator 111. Preferably, the recuperator 111 is a counterflow heat exchanger. As shown, the recuperator 111 is thermally contacting the working fluid downstream of the compressor 101 and upstream of the hot-side heat exchanger 102 with the working fluid downstream of the turbine 103 and upstream of the cold-side heat exchanger 104 , preferably in counterflow. The portion of the closed-cycle path that includes, in sequence, the turbine 103, the recuperator 111, the cold-side heat exchanger 104, and the compressor 103 may be all or a portion of the low-pressure portion 202. There may be no recuperators in a Brayton cycle system, or there may be more than one recuperator in a Brayton cycle system and the one or more recuperators may be located at alternative locations than the location shown within the circulation scheme illustrated in Figure 31.
[00216] Os sensores podem estar localizados em vários locais ao longo do sistema 100 ou externos ao sistema 100. Os sensores podem ser configurados para determinar e/ou relatar uma ou mais condições operacionais dentro ou fora do sistema. Na modalidade de exemplo ilustrada na Figura 31, os sensores de pressão podem estar localizados em várias entradas e saídas para componentes dentro do sistema. Por exemplo, o sensor de pressão 131 pode determinar e relatar a pressão do fluido de trabalho no trecho de alta pressão 201, o sensor de pressão 132 pode determinar e relatar a pressão do fluido de trabalho no trecho de baixa pressão 202, o sensor de pressão 133 pode determinar e relatar pressão do fluido de trabalho em um tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171, e o sensor de pressão 134 pode determinar e relatar a pressão do fluido de trabalho em um tanque de armazenamento de fluido de trabalho 162. Na modalidade exemplar ilustrada na Figura 31, os sensores de temperatura podem estar localizados em várias entradas e saídas para componentes dentro do sistema. Por exemplo, o sensor de temperatura 135 pode determinar e relatar a temperatura do fluido de trabalho a montante do compressor 101. Como exemplos ilustrativos, as condições operacionais podem incluir leituras de sensor (por exemplo, pressão do fluido de trabalho no trecho de alta pressão 201) e/ou uma combinação de leituras de sensor e/ou um valor derivado baseado nas leituras de sensor (por exemplo, soma da pressão do fluido de trabalho no trecho de alta pressão 201, pressão do fluido de trabalho no trecho de baixa pressão 202 e pressão do fluido de trabalho no tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171). Na aplicação prática, os sensores ilustrados podem refletir múltiplos sensores em um percurso de fluido (por exemplo, o sensor de pressão 131 pode ser dois ou mais sensores no trecho de alta pressão 201).[00216] The sensors may be located at various locations throughout the system 100 or external to the system 100. The sensors may be configured to determine and/or report one or more operating conditions within or outside the system. In the example embodiment illustrated in Figure 31, pressure sensors may be located at various inputs and outputs for components within the system. For example, the pressure sensor 131 may determine and report the pressure of the working fluid in the high-pressure portion 201, the pressure sensor 132 may determine and report the pressure of the working fluid in the low-pressure portion 202, the pressure sensor 132 may determine and report the pressure of the working fluid in the low-pressure portion 202, the pressure 133 can determine and report working fluid pressure in a working fluid storage tank 171, and pressure sensor 134 can determine and report working fluid pressure in a working fluid storage tank 162. In In the exemplary embodiment illustrated in Figure 31, temperature sensors may be located at various inputs and outputs for components within the system. For example, the temperature sensor 135 may determine and report the temperature of the working fluid upstream of the compressor 101. As illustrative examples, the operating conditions may include sensor readings (e.g., working fluid pressure in the high-pressure section 201) and/or a combination of sensor readings and/or a derived value based on the sensor readings (e.g. sum of working fluid pressure in high pressure section 201, working fluid pressure in low pressure section 202 and working fluid pressure in the working fluid storage tank 171). In practical application, the illustrated sensors may reflect multiple sensors in a fluid path (e.g., the pressure sensor 131 may be two or more sensors in the high pressure section 201).
[00217] Alternativa ou adicionalmente, outros tipos de sensores que determinam e/ou relatam uma ou mais condições operacionais do sistema podem estar localizados em todo o sistema ilustrado. O sensor 136 pode determinar e relatar o torque da turbina, a rotação da turbina, o torque do compressor e/ou o RPM do compressor. O sensor 137 pode conectar ao gerador elétrico 112 e a diversos componentes discretos incluídos, tais como alternadores e/ou eletrônica de energia. O sensor 137 também pode conectar a uma ligação de energia elétrica entre o gerador elétrico 112 e o sistema elétrico 113 ao qual o gerador elétrico 112 está fornecendo energia elétrica. O sensor 137 pode determinar e relatar corrente, voltagem, fase, frequência e/ou a quantidade de energia elétrica gerada e/ou distribuída pelo gerador elétrico 112 e/ou seus componentes discretos associados.[00217] Alternatively or additionally, other types of sensors that determine and/or report one or more operating conditions of the system may be located throughout the illustrated system. Sensor 136 may determine and report turbine torque, turbine rotation, compressor torque, and/or compressor RPM. The sensor 137 may connect to the electrical generator 112 and various included discrete components, such as alternators and/or power electronics. The sensor 137 may also connect to an electrical power link between the electrical generator 112 and the electrical system 113 to which the electrical generator 112 is supplying electrical power. The sensor 137 may determine and report current, voltage, phase, frequency and/or the amount of electrical energy generated and/or distributed by the electrical generator 112 and/or its associated discrete components.
[00218] O sistema 100 pode ainda incluir o sistema de controle 140. O sistema de controle 140 é configurado para controlar a(s) operação(s) do sistema 100 e seus componentes. Em algumas modalidades, o sistema de controle 140 pode ser configurado para dirigir componentes para executar uma ou mais funções aqui descritas. O sistema de controle 140 pode ser implementado com sistemas mecânicos e/ou com hardware, firmware e/ou software. Como um exemplo, o sistema de controle 140 pode tomar a forma de instruções de programa armazenadas em um meio legível por computador não transitório e um processador que executa as instruções. O sistema de controle 140 pode ser implementado no todo ou em parte no sistema 100 e/ou pelo menos uma entidade localizada remotamente a partir do sistema 100. Geralmente, a maneira pela qual o sistema de controle 140 é implementado pode variar, dependendo da aplicação particular. Em algumas modalidades, o sistema de controle 140 pode tomar a forma do sistema de computador 1901.[00218] System 100 may further include control system 140. Control system 140 is configured to control the operation(s) of system 100 and its components. In some embodiments, control system 140 may be configured to direct components to perform one or more functions described herein. The control system 140 can be implemented with mechanical systems and/or with hardware, firmware and/or software. As an example, control system 140 may take the form of program instructions stored on a non-transitory computer-readable medium and a processor that executes the instructions. The control system 140 may be implemented in whole or in part in the system 100 and/or at least one entity located remotely from the system 100. Generally, the manner in which the control system 140 is implemented may vary depending on the application. particular. In some embodiments, the control system 140 may take the form of the computer system 1901.
[00219] O sistema de controle 140 também pode estar em comunicação com um ou mais dos sensores. Para clareza de ilustração, as conexões não são mostradas na Figura 31 entre o sistema de controle 140 e cada um dos sensores ilustrados com o qual o sistema de controle 140 pode estar em comunicação, mas deve ser entendido que o sistema de controle 140 pode receber dados de sensor a partir de um sensor relevante. O sistema de controle 140 pode estar em comunicação com e receber dados dos sensores de qualquer forma prática, incluindo comunicação de dados elétrica com fio, comunicação de dados sem fio, transmissão ótica e/ou de fontes intermediárias, ou através de outras formas conhecidas na técnica. O sistema de controle 140 pode ser capaz de comparar dados calculados ou dados relatados de um ou mais sensores com dados relatados de um ou mais outros sensores, dados históricos de sensores, pontos de ajuste internos ou outros comparadores. Por exemplo, o sistema de controle 140 pode comparar os dados relatados de pelo menos dois dos sensores 131, 132, 133, 134, 135, 136 e 137.[00219] The control system 140 may also be in communication with one or more of the sensors. For clarity of illustration, connections are not shown in Figure 31 between the control system 140 and each of the illustrated sensors with which the control system 140 may be in communication, but it should be understood that the control system 140 may receive sensor data from a relevant sensor. The control system 140 may be in communication with and receive data from the sensors in any practical manner, including wired electrical data communication, wireless data communication, optical transmission and/or intermediate sources, or through other forms known in the art. technique. The control system 140 may be capable of comparing calculated data or reported data from one or more sensors with reported data from one or more other sensors, historical sensor data, internal set points, or other comparators. For example, control system 140 may compare data reported from at least two of sensors 131, 132, 133, 134, 135, 136, and 137.
[00220] Em uma modalidade de exemplo, o sistema de controle 140 pode ser configurado para determinar o aumento de uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton e, em resposta à determinação de aumentar a quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton, provocar um aumento na pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado. O sistema de controle 140 pode ainda ser configurado para determinar a diminuição de uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton, e em resposta à determinação de diminuir a quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton, causar uma diminuição na pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado.[00220] In an example embodiment, the control system 140 may be configured to determine to increase an amount of energy generated by the Brayton cycle system and, in response to the determination to increase the amount of energy generated by the Brayton cycle system Brayton, cause an increase in the pressure of the working fluid in the closed cycle path. The control system 140 may further be configured to determine to decrease an amount of energy generated by the Brayton cycle system, and in response to the determination to decrease the amount of energy generated by the Brayton cycle system, cause a decrease in pressure of the working fluid in the closed cycle path.
[00221] O sistema de controle 140 pode determinar aumentar uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton de várias maneiras. Por exemplo, o sistema de controle 140 pode determinar o aumento de uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton baseado, pelo menos em parte, na recepção de uma demanda por geração de energia aumentada, por exemplo, entrada de acelerador ou entrada de sistema de controle de operador humano. Adicionalmente, o sistema de controle 140 pode receber a demanda por geração de energia aumentada, por exemplo, do sistema elétrico 113 ou do sistema de acionamento externo 115. Como outro exemplo, o sistema de controle 140 pode determinar aumentar uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton baseado, pelo menos em parte, em qualquer uma das condições operacionais descritas acima, incluindo torque da turbina, RPM da turbina, torque do compressor e RPM do compressor; e corrente, tensão, fase, frequência e/ou quantidade de energia elétrica gerada e/ou distribuída pelo gerador elétrico e/ou seus componentes discretos. Como ainda outro exemplo, o sistema de controle 140 pode determinar o aumento de uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton baseado, pelo menos em parte, em qualquer uma das condições operacionais descritas acima atingindo um valor de energia aumentada de limiar.[00221] The control system 140 may determine to increase an amount of energy generated by the Brayton cycle system in various ways. For example, control system 140 may determine to increase an amount of power generated by the Brayton cycle system based, at least in part, on receiving a demand for increased power generation, e.g., throttle input or input. of human operator control system. Additionally, the control system 140 may receive demand for increased power generation, for example, from the electrical system 113 or the external drive system 115. As another example, the control system 140 may determine to increase an amount of power generated by the Brayton cycle system based, at least in part, on any of the operating conditions described above, including turbine torque, turbine RPM, compressor torque and compressor RPM; and current, voltage, phase, frequency and/or amount of electrical energy generated and/or distributed by the electrical generator and/or its discrete components. As yet another example, the control system 140 may determine to increase an amount of energy generated by the Brayton cycle system based, at least in part, on any of the operating conditions described above reaching a threshold increased energy value.
[00222] O sistema de controle 140 pode determinar diminuir uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton de um modo semelhante ao que o sistema de controle 140 determina aumentar uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton. Por exemplo, o sistema de controle 140 pode determinar diminuir uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton baseado, pelo menos em parte, em receber uma demanda por geração de energia reduzida, por exemplo, uma entrada de acelerador ou entrada de sistema de controle de operador humano. Adicionalmente, o sistema de controle 140 pode receber a demanda por geração de energia reduzida de, por exemplo, o sistema elétrico 113 ou o sistema de acionamento externo 115. Como outro exemplo, o sistema de controle 140 pode determinar diminuir uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton baseado, pelo menos em parte, em qualquer uma das condições operacionais descritas acima. Como ainda outro exemplo, o sistema de controle 140 pode determinar a diminuição de uma quantidade de energia gerada pelo sistema de ciclo de Brayton com base, pelo menos em parte, em qualquer uma das condições operacionais descritas acima atingindo um valor de energia reduzida de limiar.[00222] The control system 140 may determine to decrease an amount of energy generated by the Brayton cycle system in a similar way to the control system 140 determining to increase an amount of energy generated by the Brayton cycle system. For example, control system 140 may determine to decrease an amount of power generated by the Brayton cycle system based, at least in part, on receiving a demand for reduced power generation, e.g., a throttle input or system input. human operator control. Additionally, the control system 140 may receive demand for reduced power generation from, for example, the electrical system 113 or the external drive system 115. As another example, the control system 140 may determine to decrease an amount of power generated by the Brayton cycle system based, at least in part, on any of the operating conditions described above. As yet another example, the control system 140 may determine to decrease an amount of energy generated by the Brayton cycle system based, at least in part, on any of the operating conditions described above by reaching a threshold reduced energy value. .
[00223] O sistema 100 pode incluir um sistema de pistão 150, um sistema de bomba 160 e/ou um sistema de tanque de armazenamento 170. O sistema de controle 140 pode dirigir o sistema de pistão 150, o sistema de bomba 160 e/ou o sistema de tanque de armazenamento 170 para causar o aumento da pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado. Além disso, o sistema de controle 140 pode dirigir o sistema de pistão 150, o sistema de bomba 160 e/ou o sistema de tanque de armazenamento 170 para provocar a diminuição da pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado.[00223] System 100 may include a piston system 150, a pump system 160, and/or a storage tank system 170. The control system 140 may direct the piston system 150, the pump system 160, and/or or the storage tank system 170 to cause the working fluid pressure to increase in the closed cycle path. Furthermore, the control system 140 may direct the piston system 150, the pump system 160 and/or the storage tank system 170 to cause a decrease in working fluid pressure in the closed cycle path.
[00224] O sistema de pistão 150 pode incluir um reservatório de pistão 151 e pode incluir uma válvula 154. O reservatório de pistão 151 pode estar em comunicação fluida com o percurso de ciclo fechado. Como mostrado, o reservatório de pistão 151 é acoplado ao trecho de baixa pressão 202 a montante do permutador de calor de lado frio 104. Contudo, em outros exemplos, o reservatório de pistão 151 pode ser acoplado a uma ou mais outras localizações do percurso de ciclo fechado, incluindo a jusante do permutador de calor de lado frio 104 e a montante do compressor 101. A válvula 154 pode estar localizada entre o reservatório de pistão 151 e o trecho de baixa pressão 202. A válvula 154 pode ser capaz de: (i) permitir o fluxo de fluido de trabalho entre o reservatório de pistão 151 e o trecho de baixa pressão 202 (ou outra localização) e (ii) bloquear fluxo do fluido de trabalho entre o reservatório de pistão 151 e o trecho de baixa pressão 202 (ou outra localização).[00224] The piston system 150 may include a piston reservoir 151 and may include a valve 154. The piston reservoir 151 may be in fluid communication with the closed cycle path. As shown, the piston reservoir 151 is coupled to the low-pressure portion 202 upstream of the cold-side heat exchanger 104. However, in other examples, the piston reservoir 151 may be coupled to one or more other locations of the flow path. closed cycle, including downstream of the cold side heat exchanger 104 and upstream of the compressor 101. The valve 154 may be located between the piston reservoir 151 and the low pressure portion 202. The valve 154 may be capable of: ( i) allow the flow of working fluid between the piston reservoir 151 and the low pressure section 202 (or other location) and (ii) block the flow of the working fluid between the piston reservoir 151 and the low pressure section 202 (or other location).
[00225] O reservatório de pistão 151 pode incluir um reservatório 152 e um pistão 153. O reservatório 152 pode constituir uma porção do volume do percurso de ciclo fechado, dependendo do estado da válvula 154. Além disso, o reservatório 152 pode ter um volume variável para conter fluido de trabalho. O pistão 153 pode ser configurado para alterar o volume do reservatório 152.[00225] The piston reservoir 151 may include a reservoir 152 and a piston 153. The reservoir 152 may constitute a portion of the volume of the closed cycle path, depending on the state of the valve 154. Additionally, the reservoir 152 may have a volume variable to contain working fluid. The piston 153 may be configured to change the volume of the reservoir 152.
[00226] Em um sistema em que a válvula 154 está aberta ou não está presente, o sistema de controle 140 pode ser configurado para provocar um aumento na pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado por dirigir o pistão 153 para reduzir o volume do reservatório 151, desse modo reduzindo o volume do percurso de ciclo fechado. Além disso, o sistema de controle 140 pode ser configurado para causar uma diminuição na pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado por dirigir o pistão 153 para aumentar o volume do reservatório, aumentando assim o volume do percurso de ciclo fechado. Em um sistema de pistão 150 no qual a válvula 154 é operada em conjunto com o reservatório de pistão 151, o sistema de controle 140 pode ser configurado para provocar um aumento na pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado por abrir a válvula 154, assim injetando fluido de trabalho a partir do reservatório 152 para o percurso de ciclo fechado por atuar o pistão 153, e fechar a válvula 154. O sistema de controle 140 também pode ser configurado para provocar o processo inverso e diminuir a pressão no percurso de ciclo fechado.[00226] In a system in which the valve 154 is open or not present, the control system 140 can be configured to cause an increase in working fluid pressure in the closed cycle path by driving the piston 153 to reduce the volume of reservoir 151, thereby reducing the volume of the closed cycle path. Furthermore, the control system 140 may be configured to cause a decrease in working fluid pressure in the closed cycle path by directing the piston 153 to increase the volume of the reservoir, thereby increasing the volume of the closed cycle path. In a piston system 150 in which the valve 154 is operated in conjunction with the piston reservoir 151, the control system 140 may be configured to cause an increase in working fluid pressure in the closed cycle path by opening the valve 154. , thus injecting working fluid from the reservoir 152 into the closed cycle path by actuating the piston 153, and closing the valve 154. The control system 140 can also be configured to cause the reverse process and decrease the pressure in the flow path. closed cycle.
[00227] Em algumas modalidades, o sistema de controle 140 pode ser configurado para dirigir a válvula 154 para ser aberta para permitir o fluxo de fluido de trabalho entre o reservatório de pistão 151 e o trecho de baixa pressão 202. Além disso, em algumas modalidades, o sistema de controle 140 pode ser configurado para dirigir a válvula 154 para ser fechada para bloquear o fluxo de fluido de trabalho entre o reservatório de pistão 151 e o trecho de baixa pressão 202. O sistema de controle 140 pode dirigir a válvula 154 e todas as outras válvulas aqui descritas para serem abertas e ou fechadas por uma quantidade especificada (por exemplo, aberto, parcialmente aberto, fechado e parcialmente fechado). A válvula 154 e todas as outras válvulas aqui descritas podem ser qualquer válvula adequada capaz de permitir e bloquear o fluxo de fluido de trabalho, incluindo uma válvula de porta, válvula de globo, válvula de plugue, válvula de esfera, válvula de borboleta, válvula de retenção, válvula de estrangulamento e válvula de diafragma.[00227] In some embodiments, the control system 140 may be configured to direct the valve 154 to be opened to allow the flow of working fluid between the piston reservoir 151 and the low pressure portion 202. Additionally, in some In one embodiment, the control system 140 may be configured to direct the valve 154 to be closed to block the flow of working fluid between the piston reservoir 151 and the low pressure portion 202. The control system 140 may direct the valve 154 and all other valves described herein to be opened and/or closed by a specified amount (e.g., open, partially open, closed, and partially closed). Valve 154 and all other valves described herein may be any suitable valve capable of allowing and blocking the flow of working fluid, including a gate valve, globe valve, plug valve, ball valve, butterfly valve, valve check valve, throttling valve and diaphragm valve.
[00228] O sistema de bomba 160 pode incluir uma bomba 161, o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 162 e uma válvula 163. A bomba 161 pode estar em comunicação fluida com o percurso de ciclo fechado. Como mostrado, a bomba 161 é acoplada ao trecho de baixa pressão 202 a montante do permutador de calor de lado frio 104. Contudo, em outros exemplos, a bomba 161 pode ser acoplada a outras localizações do percurso de fluido fechado, incluindo a jusante do permutador de calor de lado frio 104 e a montante do compressor 101. A bomba 161 pode ser configurada para (i) bombear fluido de trabalho desde o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 162 para o trecho de baixa pressão 202 e (ii) bombear fluido de trabalho a partir do trecho de baixa pressão 202 para o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 162. A válvula 163 pode estar localizada entre a bomba 161 e o trecho de baixa pressão 202. A válvula 163 pode ser capaz de: (i) permitir o fluxo de fluido de trabalho entre o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 162 e o trecho de baixa pressão 202 e (ii) bloquear fluxo de fluido de trabalho entre o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 162 e o trecho de baixa pressão 202.[00228] The pump system 160 may include a pump 161, the working fluid storage tank 162, and a valve 163. The pump 161 may be in fluid communication with the closed cycle path. As shown, the pump 161 is coupled to the low pressure portion 202 upstream of the cold-side heat exchanger 104. However, in other examples, the pump 161 may be coupled to other locations of the closed fluid path, including downstream of the cold side heat exchanger 104 and upstream of the compressor 101. The pump 161 may be configured to (i) pump working fluid from the working fluid storage tank 162 to the low pressure section 202 and (ii) pump working fluid from the low pressure section 202 to the working fluid storage tank 162. The valve 163 may be located between the pump 161 and the low pressure section 202. The valve 163 may be capable of: (i ) allow the flow of working fluid between the working fluid storage tank 162 and the low pressure section 202 and (ii) block the flow of working fluid between the working fluid storage tank 162 and the low pressure section pressure 202.
[00229] O sistema de controle 140 pode ser configurado para causar um aumento na pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado por dirigir a bomba 161 para bombear fluido de trabalho para o ciclo de circuito fechado. Por exemplo, o sistema de controle 140 pode dirigir a bomba para bombear o fluido de trabalho do tanque de armazenamento de fluido de trabalho 162 para o trecho de baixa pressão 202. Além disso, o sistema de controle 140 pode ser configurado para causar uma diminuição da pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado por dirigir a bomba para bombear fluido para fora do percurso de ciclo fechado. Por exemplo, o sistema de controle 140 pode dirigir a bomba para bombear fluido de trabalho a partir do trecho de baixa pressão 202 para o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 162.[00229] The control system 140 can be configured to cause an increase in the pressure of the working fluid in the closed loop path by directing the pump 161 to pump working fluid into the closed loop loop. For example, the control system 140 may direct the pump to pump working fluid from the working fluid storage tank 162 to the low pressure portion 202. Additionally, the control system 140 may be configured to cause a decrease of working fluid pressure in the closed cycle path by directing the pump to pump fluid out of the closed cycle path. For example, the control system 140 may direct the pump to pump working fluid from the low pressure portion 202 to the working fluid storage tank 162.
[00230] Em algumas modalidades, o sistema de controle 140 pode ser configurado para dirigir a válvula 163 para ser aberta para permitir o fluxo de fluido de trabalho entre o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 162 e o trecho de baixa pressão 202. Além disso, em algumas modalidades, o sistema de controle 140 pode ser configurado para dirigir a válvula 163 para ser fechada para bloquear o fluxo de fluido de trabalho entre o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 162 e o trecho de baixa pressão 202.[00230] In some embodiments, the control system 140 may be configured to direct the valve 163 to be opened to allow the flow of working fluid between the working fluid storage tank 162 and the low pressure portion 202. In addition Furthermore, in some embodiments, the control system 140 may be configured to direct the valve 163 to be closed to block the flow of working fluid between the working fluid storage tank 162 and the low pressure portion 202.
[00231] O sistema de tanque de armazenamento 170 pode incluir o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171, uma válvula de alta pressão (primeira) 172 e uma válvula de baixa pressão (segunda) 173. O tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171 pode estar em comunicação fluida com o percurso de ciclo fechado e pode armazenar fluido de trabalho a uma pressão intermediária entre uma pressão do fluido de trabalho no trecho de alta pressão 201 e uma pressão do fluido de trabalho no trecho de baixa pressão 202. Como mostrado, o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171 é acoplado ao trecho de alta pressão 201 a montante da turbina 103 e é acoplado ao trecho de baixa pressão 202 a montante do permutador de calor de lado frio 104. No entanto, em outros exemplos, o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171 pode ser acoplado a outras localizações do percurso de ciclo fechado onde há um diferencial de pressão entre os locais de acoplamento.[00231] The storage tank system 170 may include the working fluid storage tank 171, a high pressure (first) valve 172 and a low pressure (second) valve 173. The working fluid storage tank 171 may be in fluid communication with the closed-loop path and may store working fluid at a pressure intermediate between a working fluid pressure in the high-pressure portion 201 and a working fluid pressure in the low-pressure portion 202. How shown, the working fluid storage tank 171 is coupled to the high pressure portion 201 upstream of the turbine 103 and is coupled to the low pressure portion 202 upstream of the cold side heat exchanger 104. However, in other examples , the working fluid storage tank 171 may be coupled to other locations of the closed cycle path where there is a pressure differential between the coupling locations.
[00232] A válvula de alta pressão 172 pode estar localizada entre o trecho de alta pressão 201 e o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171. Além disso, a válvula de baixa pressão 173 pode estar localizada entre o trecho de baixa pressão 202 e o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171. A válvula de alta pressão 172 pode ser capaz de (i) permitir o fluxo do fluido de trabalho a partir do trecho de alta pressão 201 para o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171 e (ii) bloquear o fluxo de fluido a partir do trecho de alta pressão 201 para o tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171. A válvula de baixa pressão 173 pode ser capaz de (i) permitir o fluxo do fluido de trabalho a partir do tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171 para o trecho de baixa pressão 202 e (ii) bloquear fluxo do fluido de trabalho a partir do tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171 para o trecho de baixa pressão 202.[00232] The high pressure valve 172 may be located between the high pressure portion 201 and the working fluid storage tank 171. Additionally, the low pressure valve 173 may be located between the low pressure portion 202 and the working fluid storage tank 171. The high pressure valve 172 may be capable of (i) allowing the flow of working fluid from the high pressure section 201 to the working fluid storage tank 171 and ( ii) blocking the flow of fluid from the high pressure portion 201 to the working fluid storage tank 171. The low pressure valve 173 may be capable of (i) allowing the flow of working fluid from the tank of working fluid storage tank 171 to the low pressure section 202 and (ii) blocking flow of the working fluid from the working fluid storage tank 171 to the low pressure section 202.
[00233] O sistema de controle 140 pode ser configurado para provocar um aumento da pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado por dirigir a válvula de alta pressão 172 para ser fechada e a válvula de baixa pressão 173 para ser aberta, permitindo assim a operação do fluido no tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171 para entrar no trecho de baixa pressão 202 e, depois, fechar a válvula de baixa pressão 173. Além disso, o sistema de controle 140 pode ser configurado para causar uma diminuição na pressão do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado por dirigir a válvula de alta pressão 172 para ser aberta e a válvula de baixa pressão 173 para ser fechada, permitindo assim que o fluido de trabalho no trecho de alta pressão 201 entre no tanque de armazenamento de fluido de trabalho 171.[00233] The control system 140 can be configured to cause an increase in working fluid pressure in the closed cycle path by directing the high pressure valve 172 to be closed and the low pressure valve 173 to be opened, thereby allowing operating the fluid in the working fluid storage tank 171 to enter the low pressure portion 202 and then closing the low pressure valve 173. Additionally, the control system 140 may be configured to cause a decrease in pressure of the working fluid in the closed-loop path by directing the high-pressure valve 172 to be opened and the low-pressure valve 173 to be closed, thereby allowing the working fluid in the high-pressure path 201 to enter the working fluid storage tank. working fluid 171.
[00234] O sistema 100 pode ser utilizado em uma variedade de aplicações. Por exemplo, o sistema 100 pode ser usado para alimentar um veículo, tal como uma aeronave, navio, barco, caminhão, trem e carro.[00234] System 100 can be used in a variety of applications. For example, system 100 can be used to power a vehicle, such as an aircraft, ship, boat, truck, train, and car.
[00235] Referindo à Figura 31, o sistema 100 é ilustrado no modo de geração de energia. Os sistemas de ciclo de Brayton no modo de descarga são geralmente consistentes com a conversão de energia térmica em uma quantidade substancial de energia mecânica ou elétrica. No entanto, o sistema de ciclo de Brayton também pode operar em modo quiescente, onde o sistema ainda está operando, mas não produzindo uma quantidade substancial de saída de energia.[00235] Referring to Figure 31, system 100 is illustrated in power generation mode. Brayton cycle systems in discharge mode are generally consistent with the conversion of thermal energy into a substantial amount of mechanical or electrical energy. However, the Brayton cycle system can also operate in quiescent mode, where the system is still operating but not producing a substantial amount of energy output.
[00236] Bombas e/ou turbomáquinas não operacionais em modo de inatividade podem fazer com que o perfil de temperatura em um permutador de calor de ciclo de Brayton seja significativamente diferente do perfil de temperatura desejado quando o permutador de calor estiver operando em modo de descarga. Essa diferença pode levar a longos tempos de aceleração para que um sistema de ciclo de descarga de Brayton fique on-line e comece a fornecer energia. Pode também levar a tensões térmicas adicionais com a mudança de temperatura. Beneficamente, as modalidades aqui descritas podem ser implementadas para executar o compressor e a turbina a uma velocidade muito baixa para “vazar” calor para dentro ou para fora dos permutadores de calor para manter um perfil de temperatura desejado nos permutadores de calor que permite uma transição rápida a operação ótima no modo de descarga. Por exemplo, o sistema 100 pode ser operado em um modo quiescente de modo que o ciclo é operado em um nível suficiente para circular o fluido de trabalho, mas está efetivamente gerando uma energia líquida não ou desprezível. No modo quiescente, as modalidades aqui descritas podem ser implementadas para manter uma pressão desejada do fluido de trabalho no percurso de ciclo fechado de modo que quando o sistema transita para, por exemplo, modo de descarga de alta saída, os permutadores de calor já estão em ou perto de temperaturas de operação. Dessa maneira, a transição de modos de descarga de saída quiescentes para alto pode levar muito pouco tempo.[00236] Pumps and/or turbomachinery not operating in idle mode can cause the temperature profile in a Brayton cycle heat exchanger to be significantly different from the desired temperature profile when the heat exchanger is operating in discharge mode . This difference can lead to long ramp-up times for a Brayton discharge cycle system to come online and begin delivering power. It can also lead to additional thermal stresses with the change in temperature. Beneficially, the embodiments described herein can be implemented to run the compressor and turbine at a very low speed to “leak” heat into or out of the heat exchangers to maintain a desired temperature profile in the heat exchangers that allows for a transition rapid optimal operation in discharge mode. For example, system 100 may be operated in a quiescent mode so that the cycle is operated at a level sufficient to circulate the working fluid, but is effectively generating no or negligible net energy. In quiescent mode, the embodiments described herein can be implemented to maintain a desired working fluid pressure in the closed cycle path so that when the system transitions to, for example, high output discharge mode, the heat exchangers are already at or near operating temperatures. In this way, the transition from quiescent to high output discharge modes can take very little time.
[00237] A Figura 32 é um fluxograma que ilustra um método 3200, de acordo com uma modalidade exemplar. Métodos ilustrativos, tais como o método 3200, podem ser executados no todo ou em parte por um componente de componentes de um sistema de geração de energia, tal como o sistema 100.[00237] Figure 32 is a flowchart illustrating a method 3200, according to an exemplary embodiment. Illustrative methods, such as method 3200, may be performed in whole or in part by a component of components of a power generation system, such as system 100.
[00238] Como mostrado pelo bloco 3202, o método 3200 pode envolver em um sistema de geração de energia de ciclo fechado compreendendo um fluido de trabalho circulando em um ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, determinar aumentar o nível de saída de energia.[00238] As shown by block 3202, method 3200 may involve a closed-loop power generation system comprising a working fluid circulating in a closed cycle through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, and a hot-side heat exchanger. , a turbine and a cold-side heat exchanger, in which a combustor supplies thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger, determine increasing the power output level.
[00239] Em algumas modalidades, o sistema de ciclo fechado pode incluir um sistema de ciclo de Brayton fechado. Além disso, em algumas modalidades, determinar aumentar o nível de saída de energia pode ser baseado, pelo menos em parte, na recepção de uma demanda por saída de energia aumentada. Além disso, em algumas modalidades, determinar aumentar o nível de saída de energia é baseado, pelo menos em parte, em qualquer das condições operacionais descritas acima. Além disso, em algumas modalidades, determinar aumentar o nível de saída de energia pode ser baseado, pelo menos em parte, em qualquer uma das condições operacionais descritas acima atingindo um valor de energia aumentada de limiar.[00239] In some embodiments, the closed cycle system may include a closed Brayton cycle system. Furthermore, in some embodiments, determining to increase the level of power output may be based, at least in part, on receiving a demand for increased power output. Furthermore, in some embodiments, determining to increase the power output level is based, at least in part, on any of the operating conditions described above. Furthermore, in some embodiments, determining to increase the power output level may be based, at least in part, on any of the operating conditions described above achieving a threshold increased power value.
[00240] Como mostrado pelo bloco 3204, o método 3200 pode envolver em resposta à determinação de aumentar o nível de saída de energia, aumentar a pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[00240] As shown by block 3204, method 3200 may involve, in response to the determination to increase the level of power output, increasing the pressure of the working fluid circulating in the closed loop path.
[00241] Em algumas modalidades, o percurso de ciclo fechado pode ter um volume variável e aumentar uma pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado pode envolver reduzir o volume do percurso de fluxo de ciclo fechado. Além disso, em algumas modalidades, a redução do volume do percurso de fluxo de ciclo fechado pode envolver a redução de um volume de um reservatório de pistão em comunicação fluida com o percurso de fluxo de ciclo fechado.[00241] In some embodiments, the closed-loop path may have a variable volume and increasing a pressure of the working fluid circulating in the closed-loop path may involve reducing the volume of the closed-loop flow path. Furthermore, in some embodiments, reducing the volume of the closed cycle flow path may involve reducing a volume of a piston reservoir in fluid communication with the closed cycle flow path.
[00242] Adicionalmente, em algumas modalidades, o aumento de uma pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado pode envolver a adição de fluido de trabalho adicional ao percurso de ciclo fechado. Além disso, em algumas modalidades, a adição de fluido de trabalho adicional ao percurso de ciclo fechado pode envolver a adição de fluido de trabalho a partir de um tanque de armazenamento para um trecho de baixa pressão do percurso de ciclo fechado, onde o fluido de trabalho no tanque está a uma pressão maior do que o trecho de baixa pressão do ciclo fechado. Além disso, em algumas modalidades, a adição de fluido de trabalho adicional ao percurso de ciclo fechado pode envolver o bombeamento de fluido de trabalho para o percurso de ciclo fechado.[00242] Additionally, in some embodiments, increasing a pressure of the working fluid circulating in the closed cycle path may involve adding additional working fluid to the closed cycle path. Furthermore, in some embodiments, adding additional working fluid to the closed-loop path may involve adding working fluid from a storage tank to a low-pressure portion of the closed-loop path, where the working fluid is work in the tank is at a higher pressure than the low pressure section of the closed cycle. Furthermore, in some embodiments, adding additional working fluid to the closed cycle path may involve pumping working fluid into the closed cycle path.
[00243] A Figura 33 é um fluxograma que ilustra um método 3300, de acordo com uma modalidade de exemplo. Como mostrado pelo bloco 3302, o método 330 pode envolver em um sistema de geração de energia de ciclo fechado compreendendo um fluido de trabalho circulando em um ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente,determinar diminuir o nível de saída de energia.[00243] Figure 33 is a flowchart illustrating a method 3300, according to an example embodiment. As shown by block 3302, method 330 may involve a closed-cycle power generation system comprising a working fluid circulating in a closed cycle through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, a turbine and a cold-side heat exchanger, in which a combustor supplies thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger, determining lower energy output level.
[00244] Em algumas modalidades, o sistema de ciclo fechado pode incluir um sistema de ciclo de Brayton fechado. Além disso, em algumas modalidades, determinar diminuir o nível de saída de energia pode ser baseado, pelo menos em parte, na recepção de uma demanda por saída de energia reduzida. Além disso, em algumas modalidades, determinar diminuir o nível de saída de energia pode ser baseado, pelo menos em parte, em qualquer uma das condições operacionais descritas acima. Além disso, em algumas modalidades, determinar aumentar o nível de saída de energia pode ser baseado, pelo menos em parte, em qualquer uma das condições operacionais descritas acima, atingindo um valor de energia reduzida de limiar.[00244] In some embodiments, the closed cycle system may include a closed Brayton cycle system. Furthermore, in some embodiments, determining to decrease the level of power output may be based, at least in part, on receiving a demand for reduced power output. Furthermore, in some embodiments, determining to decrease the power output level may be based, at least in part, on any of the operating conditions described above. Furthermore, in some embodiments, determining to increase the power output level may be based, at least in part, on any of the operating conditions described above, achieving a threshold reduced power value.
[00245] Como mostrado pelo bloco 3304, o método 3300 pode envolver em resposta à determinação de diminuir o nível de saída de energia, diminuir a pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[00245] As shown by block 3304, method 3300 may involve, in response to the determination to decrease the power output level, decreasing the pressure of the working fluid circulating in the closed loop path.
[00246] Em algumas modalidades, o percurso de ciclo fechado pode ter um volume variável, e a diminuição de uma pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado pode envolver aumentar o volume do percurso de fluxo de ciclo fechado. Além disso, em algumas modalidades, aumentar o volume do percurso de fluxo de ciclo fechado pode envolver aumentar um volume de um reservatório de pistão em comunicação fluida com o percurso de fluxo de ciclo fechado.[00246] In some embodiments, the closed-loop path may have a variable volume, and decreasing a pressure of the working fluid circulating in the closed-loop path may involve increasing the volume of the closed-loop flow path. Furthermore, in some embodiments, increasing the volume of the closed cycle flow path may involve increasing a volume of a piston reservoir in fluid communication with the closed cycle flow path.
[00247] Adicionalmente, em algumas modalidades, a diminuição de uma pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado pode envolver remover fluido de trabalho a partir do percurso de ciclo fechado. Além disso, em algumas modalidades, a remoção do fluido de trabalho do percurso de ciclo fechado pode envolver adicionar fluido de trabalho a partir de um trecho de alta pressão do percurso de ciclo fechado para um tanque de armazenamento, onde o fluido de trabalho no tanque está a uma pressão inferior ao fluido de trabalho no trecho de alta pressão do ciclo fechado. Além disso, em algumas modalidades, a remoção do fluido de trabalho a partir do percurso de ciclo fechado pode envolver bombear fluido de trabalho para fora do percurso de ciclo fechado.[00247] Additionally, in some embodiments, decreasing a pressure of the working fluid circulating in the closed cycle path may involve removing working fluid from the closed cycle path. Additionally, in some embodiments, removing the working fluid from the closed-loop path may involve adding working fluid from a high-pressure portion of the closed-loop path to a storage tank, where the working fluid in the tank is removed. is at a lower pressure than the working fluid in the high pressure section of the closed cycle. Additionally, in some embodiments, removing the working fluid from the closed-loop path may involve pumping the working fluid out of the closed-loop path.
[00248] Em alguns exemplos, um método pode incluir uma combinação dos métodos 3200 e 3300. Como um exemplo, o método 3200 pode ser realizado e o método 3300 pode ser realizado após o método 3200 ser realizado. Como outro exemplo, o método 3300 pode ser realizado e o método 3200 pode ser realizado após o método 3300 ser realizado.[00248] In some examples, a method may include a combination of methods 3200 and 3300. As an example, method 3200 may be performed and method 3300 may be performed after method 3200 is performed. As another example, method 3300 may be performed and method 3200 may be performed after method 3300 is performed.
[00249] Algumas ou todas as funções descritas acima e ilustradas nas Figuras 32 e 33 podem ser realizadas por um dispositivo de computação em resposta à execução de instruções armazenadas em um meio legível por computador não transitório. O meio legível por computador não transitório pode ser, por exemplo, uma memória de acesso aleatório (RAM), uma memória somente de leitura (ROM), uma memória flash, uma memória cache, um ou mais discos codificados magneticamente, um ou mais discos codificados oticamente, ou qualquer outra forma de armazenamento de dados não transitório. O meio legível por computador não transitório também pode ser distribuído entre vários elementos de armazenamento de dados, que podem ser localizados remotamente uns dos outros.O dispositivo de computação que executa as instruções armazenadas pode ser o sistema de controle 140, conforme descrito e ilustrado na Figura 31.[00249] Some or all of the functions described above and illustrated in Figures 32 and 33 may be performed by a computing device in response to the execution of instructions stored in a non-transitory computer-readable medium. The non-transitory computer-readable medium may be, for example, a random access memory (RAM), a read-only memory (ROM), a flash memory, a cache memory, one or more magnetically encoded disks, one or more disks optically encoded, or any other form of non-transitory data storage. The non-transitory computer-readable medium may also be distributed among various data storage elements, which may be located remotely from each other. The computing device that executes the stored instructions may be the control system 140, as described and illustrated in Figure 31.
[00250] O meio legível por computador não transitório pode armazenar instruções executáveis por um processador (por exemplo, CPU 1905) para executar várias funções. As funções podem incluir em um sistema de geração de energia de ciclo fechado compreendendo um fluido de trabalho circulando em um ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica para o fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, determinar aumentar o nível de saída de energia; e em resposta à determinação de aumentar o nível de saída de energia, aumentar a pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[00250] The non-transitory computer-readable medium may store instructions executable by a processor (e.g., CPU 1905) to perform various functions. The functions may include in a closed cycle power generation system comprising a working fluid circulating in a closed cycle through, in sequence, a compressor, a hot side heat exchanger, a turbine and a hot side heat exchanger. cold, in which a combustor provides thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger, determining increase the energy output level; and in response to the determination to increase the level of power output, increase the pressure of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[00251] Além disso, as funções podem incluir em um sistema de geração de energia de ciclo fechado compreendendo um fluido de trabalho circulando em um ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, determinar diminuir um nível de saída de energia; e em resposta à determinação de diminuir o nível de saída de energia, diminuir a pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[00251] Furthermore, the functions may include in a closed cycle power generation system comprising a working fluid circulating in a closed cycle through, in sequence, a compressor, a hot side heat exchanger, a turbine and a cold-side heat exchanger, wherein a combustor supplies thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger, determining a lower power output level; and in response to the determination to decrease the level of energy output, decrease the pressure of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[00252] Além disso, as funções podem incluir em um sistema de geração de energia de ciclo fechado compreendendo um fluido de trabalho circulando em um ciclo fechado através de, em sequência, um compressor, um permutador de calor de lado quente, uma turbina, e um permutador de calor de lado frio, em que um combustor fornece energia térmica ao fluido de trabalho através do permutador de calor de lado quente, determinar aumentar um nível de saída de energia; em resposta à determinação de aumentar o nível de saída de energia, aumentar a pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado; determinar diminuir o nível de saída de energia; e em resposta à determinação de diminuir o nível de saída de energia, diminuir a pressão do fluido de trabalho circulando no percurso de ciclo fechado.[00252] Furthermore, the functions may include in a closed-cycle power generation system comprising a working fluid circulating in a closed cycle through, in sequence, a compressor, a hot-side heat exchanger, a turbine, and a cold-side heat exchanger, wherein a combustor supplies thermal energy to the working fluid through the hot-side heat exchanger, determining an increase in a power output level; in response to the determination to increase the level of energy output, increase the pressure of the working fluid circulating in the closed cycle path; determine to decrease the power output level; and in response to the determination to decrease the level of energy output, decrease the pressure of the working fluid circulating in the closed cycle path.
[00253] Embora vários aspectos e modalidades tenham sido divulgados aqui, outros aspectos e modalidades serão evidentes para os peritos na arte. Os vários aspectos e modalidades aqui divulgados são para fins de ilustração e não se destinam a ser limitativos, o verdadeiro âmbito sendo indicado pelas reivindicações seguintes.[00253] Although various aspects and embodiments have been disclosed herein, other aspects and embodiments will be apparent to those skilled in the art. The various aspects and embodiments disclosed herein are for purposes of illustration and are not intended to be limiting, the true scope being indicated by the following claims.
Claims (16)
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