CN102099551A - 热电能量存储系统和用于储存热电能量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于热电能量存储的系统和方法。本发明还涉及一种具有至少一个热存储单元(x，y，z)的热电能量存储系统。在一个优选的实施例中，各个热存储单元(x，y，z)包括通过热交换器连接起来并包含蓄热介质的热槽和冷槽。热电能量存储系统(10)还包括工作流体回路，其用于使工作流体循环穿过各个热交换器(24，30，36，38，40)，从而与蓄热介质进行热传递。通过在热传递期间最大限度地减小工作流体和各个热交换器(24，30，36，38，40)中的蓄热介质之间的温差，从而实现改进的循环效率。这通过改变蓄热介质参数来实现。

Description

热电能量存储系统和用于储存热电能量的方法

技术领域

本发明总体上大致电能的储存。其特别涉及一种用于将电能以热能形式储存在热能存储器中的系统和方法。

背景技术

基底负载发电机，例如核电厂和带有随机的、间歇的能源的发电机，例如风力涡轮和太阳能电池板在低功率需求期间产生过剩的电功率。大型电能存储系统是将该过剩的能量转用于高峰需求的时间，并平衡总电力生成和消耗的方法。

在之前的专利申请EP1577548中，申请人已经描述了热电能量存储(TEES)系统的思想。TEES将过剩的电力转换成热量，储存该热量，并在需要时将该热量转换回电力。这种能量存储系统是耐用、紧凑且与地点无关的，并且适合于储存大量的电能。热能可采用通过温度变化的显热的形式或采用通过相变的潜热的形式或这两种形式的组合来储存。用于显热的存储介质可以是固体、液体或气体。用于潜热的存储介质通过相变而产生，并且可能包括任何相或其串式或并式组合。

所有电能储存技术都天生具有有限的循环效率。因而，对于为存储器充热的每单位电能，在放热时只有一定百分比的能量被恢复为电能。剩余的电能损失了。例如，如果通过电阻加热器提供储存在TEES系统中的热量，那么其具有大约40％的循环效率。热电能量存储的效率出于各种根源于热力学第二定律的原因而受到限制。第一，热量至机械功的转换受限于卡诺效率。第二，任何热泵的性能系数都随着输入水平和输出水平之间的温差增加而下降。第三，任何从工作流体至热存储器的热流都需要温差才能进行，反之亦然。该情况不可避免地降低了温度水平并因而降低了热做功的能力。

可以注意到，许多工业工艺涉及热能的提供和热能的储存。例如制冷设备、热泵、空调和加工工业。在太阳能热电厂中，提供热量，可能储存热量，并转换成电能。然而，所有这些应用都不同于TEES系统，因为它们不涉及用于储存电力这唯一目的的热量。

在本领域中已知的是，通过热泵可为热量存储单元提供热量。例如斯特林机(参见美国专利3080706第2栏第22-30行)。另外，国际专利WO2007/134466公开了一种具有集成热泵的TEES系统。

热泵需要做功以使热能从冷源移动至较热的吸热器。因为存放在热侧的能量大于从冷侧带走数量相等的能量所需要的功，所以同电阻发热相比，热泵将使热量“倍增”。热输出与功输入的比被称为性能系数，而其值大于1。这样，热泵的使用将提高热电能量存储系统的循环效率。循环效率是由存储器中提供的电量除以提供给存储器的电量。

美国专利4089744公开了一种通过可逆的热量泵送而实现的热能存储方法。过剩的电输出通过利用它提升蓄热流体的温度水平而以显热的形式存储起来。在该方案中，低水平热源是蓄热水，其还用作热泵和涡轮循环中的工作流体。热力学分析，例如图6中所示的分析类型，显示了等同于美国专利4089744的方案的效率被限制为大约50％。

因此，需要提供一种有效的热电能量存储系统，其具有优选地大于55％的循环效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种热电能量存储系统，其用于将电能转换成热能，并以改进的循环效率储存并转换回电能。该目的通过根据权利要求1所述的热电能量存储系统和根据权利要求7所述的方法实现。优选的实施例由从属权利要求公开。

根据本发明的第一方面，提供了一种热电能量存储系统，其包括与热交换器相连并包含蓄热介质的热存储单元、用于使工作流体循环穿过热交换器从而用于与蓄热介质进行热传递的工作流体回路，其中在热传递期间最大限度地减小了在工作流体和热存储单元中的蓄热介质之间的温差。

当热电能量存储系统处于充热(或“热泵”)循环中时，热力机(thermodynamic machine)包括涡轮，并且当热电能量存储系统处于放热(或“涡轮”)循环中时，热力机包括压缩机。

该热存储单元优选地包括至少两个热存储单元，各个热存储单元均与热交换器相连，并包含蓄热介质。

在一个优选的实施例中，一个或多个热交换器对于充热循环和放热循环是公用的。然而，对于充热循环和放热循环也可有分开的热交换器。串联使用的两个或多个热交换器优选地液力地相连。

此外，蓄热介质可能是液体，并且可将蓄热介质的流速改变成在热传递期间最大限度地减小在工作流体和各个热存储单元中的蓄热介质之间的温差。

本发明的蓄热介质可以是固体或液体。所附的说明的图3和图4中所示的特别的实施例显示了其中蓄热介质是液体的方案。

在一个优选的实施例中，对于充热循环和放热循环都使用包含单一类型的工作流体的单工作流体回路。然而，对于充热循环和放热循环也可有分开的工作流体回路。此外，各个分开的工作流体回路可包含不同类型的工作流体。

优选地，将各个连接的热交换器的入口点和出口点处的蓄热介质的温度改变成在热传递期间最大限度地减小在工作流体和各个热存储单元中的蓄热介质之间的温差。

此外，至少其中一个热存储单元可包含不同类型的蓄热介质，从而在热传递期间最大限度地减小在工作流体和各个热存储单元中的蓄热介质之间的温差。

在一个优选的实施例中，一个或多个热存储单元包括用于储存显热的蓄热介质和用于储存潜热的相变存储介质，其设置成在热传递期间最大限度地减小在工作流体和各个热存储单元中的蓄热介质之间的温差。

在热传递期间，在工作流体和各个热存储单元中的蓄热介质之间的温差优选地小于50℃。

在本发明的第二方面，提供了一种用于将热电能量储存在热电能量存储系统中的方法，该方法包括：通过压缩工作流体，经由热交换器将热量提供给蓄热介质，从而使热存储单元充热；通过热力机由蓄热介质经由热交换器加热工作流体使其膨胀，从而热存储单元放热；以及改变蓄热介质参数，从而确保在充热和放热期间最大限度地减小在工作流体和蓄热介质之间的温差。

改变蓄热介质参数的步骤优选地包括改变蓄热介质的流速。

此外，改变蓄热介质参数的步骤可包括改变蓄热介质的初始温度和最终温度。

改变蓄热介质参数的步骤优选地包括改变蓄热介质的类型。

附图说明

在下文中将参照附图中所示的优选的典型实施例更详细地解释本发明的主题，其中：

图1显示了热电能量存储系统的简化的示意图；

图2是典型的TEES系统中的热泵循环和涡轮循环的焓-压强曲线图；

图3是本发明的TEES系统的热泵循环部分的截面的示意图；

图4是本发明的TEES系统的涡轮循环部分的截面的示意图；

图5a-5f示出了在充热和放热期间工作流体和热交换器中的蓄热流体的简化的焓-温度曲线图；

图6显示了本发明的TEES系统中的循环的热传递的焓-温度曲线图；

图7显示了在本发明的TEES系统中的优化情形中的循环的热传递的焓-温度曲线图；

出于一致起见，用相同的标号表示所有图中示出的相似元件。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的TEES系统10的简图，其包括热存储器12和冷存储器14，该热存储器12和冷存储器14通过热泵循环系统16和涡轮循环系统18而彼此联接起来。热存储器12包含蓄热介质，冷存储器14是吸热器，并且热泵循环和涡轮循环都包含工作流体。

热泵循环系统16在工作流体的流动方向上包括蒸发器20、压缩机组22、热交换器24和膨胀阀26。涡轮循环系统18在工作流体的流动方向上包括进给泵28、热交换器30、涡轮32和冷凝器34。在热泵循环系统和涡轮循环系统中的热交换器24，30定位成可与热存储器12交换热量。在热泵循环系统16和涡轮循环系统18中的蒸发器20和冷凝器34分别定位成可与冷存储器14交换热量。

冷存储器14是处于比热存储器温度更低的任何温度下的储热器。然而，冷存储器温度可能高于或低于环境温度。实际上，冷存储器可能是另一吸热器，例如冷却水或来自大气的空气。在一个备选实施例中，涡轮和压缩机组可能是基于正排量(positive displacement)的热力机，例如往复式或旋转式膨胀器或压缩机。

压缩机组22可包括一个或几个可能带有中间冷却的单独的压缩机(未显示)。涡轮32可包括一个或几个可能带有再加热的单独的涡轮(未显示)。类似地，蒸发器20、冷凝器34、进给泵28和膨胀阀26可包括一个或多个单元。

在运行中，工作流体按以下方式围绕TEES系统10而流动。压缩机22中的工作流体最初是蒸气形式，并且利用剩余电能压缩和加热工作流体。通过热交换器24供给工作流体，在热交换器24中工作流体将热量排放到蓄热介质中。压缩的工作流体离开热交换器，并进入膨胀阀26中。这里工作流体膨胀至较低的蒸发器的压强。工作流体从膨胀阀流入蒸发器20中，在蒸发器20中加热工作流体至蒸发。这利用来自冷存储器的可用热量来实现。

在冷凝器34中，通过与冷存储器14交换热量而使工作流体冷凝。冷凝的工作流体通过出口离开冷凝器，并在热存储器处通过进给泵28泵送到热交换器30中。工作流体在这里由蓄热介质所储存的热量加热、蒸发和过热。工作流体离开热交换器30，并进入涡轮32中，在涡轮中使工作流体膨胀，从而导致涡轮产生电能。

膨胀阀26、蒸发器20和压缩机22在充热或“热泵循环”期间运行。类似地，涡轮32、冷凝器34和进给泵28在放热或“涡轮循环”期间运行。在充热、储存和放热期间，热存储器12始终运行。在例如图2的焓-压强曲线中可清晰地显示这两个循环。

图2中所示的实线循环代表热泵循环，其对热存储器充热，并且热泵循环沿着箭头所示的逆时针方向行进。对于这个典型的实施例，假定工作流体是水。热泵循环在蒸发器中起始于点A，其中蒸汽利用来自冷存储器的热量而蒸发以形成蒸气(图2中A-B1的转变)。在热泵循环的下一阶段，蒸气在从点B1至C1和从点B2至C2的两个阶段中利用电能被压缩。在压缩发生在两个阶段中的情况下，这是压缩机组包括两个单独单元的结果。在这两个压缩级之间，工作流体从点C1冷却至B2。热的、压缩的过热蒸气在点C2处离开压缩机组，在点C2处它被冷却至D1处的饱和温度，在D2处冷凝，并进一步冷却至点D3。该冷却和冷凝通过将热量从工作流体传递至热存储器中来实现，从而储存热能。冷却的工作流体通过膨胀阀返回至其在点A处的初始的低压状态。

图2中所示的点线循环代表兰金涡轮循环，其使热存储器放热，并且该循环沿着箭头所示的顺时针方向行进。兰金涡轮循环起始于点E，在点E处利用泵将处于液态下的工作流体从点E泵送至F1。接下来，从点F1至点G，工作流体接收来自蓄热介质的热量。详细地说，热量从蓄热介质传递给工作流体，导致工作流体在F2变热，在F3沸腾，并在G点达到某一过热程度。点G处过热的工作流体蒸气在机械装置例如涡轮中膨胀至点H，以产生电力。在膨胀之后，工作流体进入冷凝器中，在冷凝器中它通过与冷存储器交换热量而冷凝至其在点E处的初始状态。

完整的能量储存过程，即热泵循环和兰金涡轮循环的循环效率按以下方式进行计算；由涡轮膨胀所提供的功除以热泵压缩机中所使用的功：

(h_G-h_H)/(h_c2-h_B2+h_c1-h_B1)，

其中字母h表示相应点的焓。对于图2中所描绘的典型的条件，循环效率为50.8％。单从焓-压强曲线中无法判断这是否是特别有效的TEES系统，或者其在效率上可如何进行改进。

参照图1所示的TEES系统，热泵循环构件16中的热交换器24和涡轮循环构件18中的热交换器30可分别包括几个串联设置的单独的热交换器，如图3和图4中所示。

图3示出了本发明的热电能量存储系统10中的热泵循环构件16的简化的示意图。这里串联地设置了三个单独的热存储单元x，y，z。各个热存储单元x，y，z包括与储槽对42，44，46相连接的热交换器36，38，40。各储槽对包括冷槽和热槽，其中蓄热介质通过相关联的热交换器而从冷槽流向热槽。图3中的三个热存储单元在图中从左至右表示为x，y和z。在本实施例中，热交换器是逆流热交换器，而循环的工作流体是水。

在运行中，图3的热泵循环构件16按照与参照图1和图2所述的TEES系统的热泵循环构件16基本上相似的方式工作。另外，工作流体流过另两个分开的热交换器。在图3所示的典型的情形下，在工作流体的流动方向上，工作流体在其穿过热交换器40时的初始温度和最终温度是510℃和270℃，穿过热交换器38时是270℃和270℃，而穿过热交换器36时是270℃和100℃。因而，获得了410℃的总温度下降。

在图5中，分别以焓-温度曲线图a)，b)和c)显示了三个热交换器36，38，40和相关联的储槽对42，44，46各自的工作流体(如实线所示)和蓄热介质(如虚线所示)在充热期间的特征。蓄热介质的温度在各个阶段升高，而工作流体的温度只在阶段a)和c)中下降。

图4示出了本发明的热电能量存储系统10中的涡轮循环构件18的简化的示意图。这里，串联设置的三个单独的热存储单元x，y，z的装置是与图3中所示的单元相同的单元。同样，储槽对42，44，46均包括热槽和冷槽，然而蓄热介质通过热交换器而从热槽流向冷槽。

在运行中，图4的涡轮循环构件18按照与参照图1和图2所述的TEES系统的涡轮循环构件本质上相似的方式执行。另外，工作流体流过另两个分开的热交换器。在图4所示的典型的情形下，在工作流体的流动方向上，工作流体在其穿过热交换器36时的初始温度和最终温度是80℃和240℃，穿过热交换器38时是240℃和240℃，而穿过热交换器40时是240℃和490℃。因而，获得了410℃的总温度升高。

当热泵循环构件16运行时，用于热泵循环的工作流体导管联接在热存储单元x，y，z上。当涡轮泵循环构件18运行时，则用于涡轮循环的工作流体导管代替用于热泵循环的工作流体导管联接在热存储单元x，y，z上。这样，涡轮循环获得了由热泵循环存放至热存储单元中的热能。

在图5中，分别以焓-温度曲线图d)、e)和f)显示了三个热交换器36，38，40和相关联的储槽对42，44，46各自的工作流体(如实线所示)和蓄热介质(如虚线所示)在放热期间的特征。蓄热介质的温度在各个阶段下降，而工作流体的温度只在阶段d)和f)中升高。

图6在单个温度-焓曲线图上显示了一个特别的系统实施例的从图5a)至图5f)的等压线，即恒定压强线。此外，使用的大写字母与图2是一致的。因而，图6显示了在TEES系统10充热和放热期间，在三个分开的热存储单元x，y，z处的热传递过程。

实线等压线C2至D3代表热泵循环，点线等压线F1至G代表兰金涡轮循环，而虚线等压线X1至X2，Y1至Y2，Z1至Z2分别代表三个热存储单元x，y，z中的蓄热介质。

热量只能从较高温度流向较低温度。因此，在热泵循环的冷却期间，工作流体的特征等压线必须高于蓄热介质的特征等压线，相反，蓄热介质的特征等压线在涡轮循环的加热期间必须高于工作流体的特征等压线。这些特征等压线的斜率通过各个蓄热介质的质量流量(kg/s)和热容量(J/kg/K)的乘积相对于工作流体的质量流量来限定。该乘积对于三个热传递分段是各不相同的；热存储单元x中的液态水的加热/冷却、热存储单元y中的沸腾/冷凝、以及将热量在热存储单元z中提供至过饱和区域或从中提取热量。

由于储存在蓄热介质中的显热的缘故，温度剖面在时间上是静态的。因而，虽然各个热交换器中的蓄热介质的量(volume)保持恒定，但是储存在热槽和冷槽中的热的和冷的蓄热介质的量会变化。另外，热交换器中的温度分布保持恒定。

重要的是，本发明确定了在热传递期间工作流体和蓄热介质之间的平均温差越小，那么TEES系统的效率越高。在焓-温度曲线图中，该特征表现为充热循环和放热循环的特征等压线定位得相对更紧密，如图7中所示。

本发明确定，在各个热存储单元x，y和z中的蓄热介质可以是相同或不同的流体。此外，本发明确定了各个热存储单元x，y和z中的蓄热介质可处于不同的温度。同样，在各个热存储单元中的蓄热介质的流速可以不同。特别地，为了取得优化的TEES系统的循环效率，可利用各种蓄热介质、蓄热介质的初始温度和最终温度以及蓄热介质流速的组合。

在图7所示的改进效率的情形下，同图6中的情形相比，蓄热介质穿过热存储单元y的热交换器38的流速以因数三增加。(应该注意的是，在图6中热交换器38中的流速被设为任意的速率，其相对大于热交换器36和40中的流速，但该流速不如图7中优化。)在热存储单元y的热交换器38中的热传递期间，可注意到蓄热介质和工作流体之间的平均温差的下降。因此，作为结果的TEES系统设计在涡轮循环的热交换器38中具有比之前更高的饱和温度(在图7中标为F2’和F3’，同图6的F2和F3相比)。同图6中的200℃相比，这在图7中等于230℃的温度。因此，同图2中的50.8％的效率相比，图7的实施例中的TEES系统的循环效率为61.1％。

换而言之，本发明要求热泵循环的工作流体和蓄热介质之间的温差，以及涡轮循环的工作流体和蓄热介质之间的温差相对较小(例如平均小于50℃)。这通过改变上面规定的某些TEES参数来实现。

在本发明的一个优选的实施例中，这三个蓄热介质是流体。例如，这些可能是不同的液态显热存储介质，例如水、油或熔盐。同样，在本发明的一个优选的实施例中，热交换器是逆流热交换器，其具有最小接近温度10K(即在两个交换热量的流体之间的最小温差是10K)，而膨胀装置优选地是恒温膨胀阀。

在另一优选的实施例中，沸腾/冷凝热交换器38处的热量被传递给蓄热介质的相变潜热，从而在沸腾/冷凝区域中实现甚至更紧密地匹配的温度剖面。一个优选的实施例使用蒸汽作为用于热泵循环和涡轮循环的工作流体。

在一个备选的优选的实施例中没有冷存储器，但蒸发器和冷凝器替代冷存储器，使用周围的热量(无限大)作为用于热泵循环和涡轮循环的冷侧的储存器。图1的冷存储器是第二蓄热储存器，其在热泵循环和涡轮循环的冷侧具有储存在大约100℃的温度的潜热。因为工作流体例如水的饱和压强的温度依赖性，该附加的蓄热储存器在压缩机和涡轮方面可导致更好的经济性。可以想到该经济性在恰当长的存储时间后将不仅仅是补偿用于该储槽的额外费用。

本领域技术人员应该知道，如图1、图3和图4所示，TEES系统可以几种不同的方式来实现。例如，热存储器可包括：

带有内置的热交换器的固体结构，其备有合适的措施来处理温度变化时蓄热介质的膨胀-收缩。

双槽式熔盐蓄热系统，其在槽之间具有热交换器，并且在充热期间熔盐从冷槽流向热槽，在放热期间从热槽流向冷槽。

多热槽-多冷槽式熔盐和液体蓄热介质，其在压缩过程的出口处的蒸发器运行温度和热泵工作流体的温度之间的分级地处于不同的温度。

相变材料，其具有在高操作压强下低于热泵工作流体的冷凝温度，并在高操作压强下高于涡轮循环工作流体的沸点的合适的相变温度。

上述蓄热选项的任何串式和并式组合。

热存储器中具有两个、三个(如图3和图4中所示)、四个或更多个热存储单元。

本领域技术人员应该知道，TEES系统中的冷凝器和蒸发器可由能够承担这两个任务的多用途热交换装置替代，因为用于热泵循环的蒸发和用于涡轮循环的冷凝将在不同的时期执行。类似地，涡轮和压缩机的作用可通过能够完成双重任务的相同的机器来执行，这里称为热力机。

用于本发明的优选的工作流体是水；主要是由于基于水的热泵循环和涡轮循环的较高的效率，以及水作为工作流体的友好特性，即没有全球变暖的可能，没有臭氧消耗的可能，没有健康危害等等。对于本发明在低于水的凝固点以下的环境温度下的运行而言，可选择商业制冷剂作为热泵工作流体，或者可将第二底部热泵循环与基于水的循环级联起来，从而提供蒸发热。

Claims (10)

1.一种用于为热力机提供热能用以产生电力的热电能量存储系统(10)，其包括：

热存储单元(12)，其与热交换器(24，30)相连，并包含蓄热介质，

工作流体回路，其用于使工作流体循环穿过所述热交换器(24，30)，从而与所述蓄热介质进行热传递，且

其中在热传递期间最大限度地减小了所述工作流体和所述热存储单元(12)中的蓄热介质之间的温差。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热存储单元包括至少两个热存储单元(x，y，z)，各个热存储单元与热交换器(36，38，40)相连，并包含蓄热介质。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述蓄热介质是液体，并且将所述蓄热介质的流速改变成在热传递期间最大限度地减小所述工作流体和各个所述热存储单元(x，y，z)中的蓄热介质之间的温差。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的系统，其特征在于，在各个连接的热交换器(36，38，40)的入口点和出口点处将所述蓄热介质的温度改变成在热传递期间最大限度地减小所述工作流体和各个所述热存储单元(x，y，z)中的蓄热介质之间的温差。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的系统，其特征在于，所述热存储单元中的至少一个包含不同类型的蓄热介质，从而在热传递期间最大限度地减小所述工作流体和各个所述热存储单元(x，y，z)中的蓄热介质之间的温差。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，在热传递期间，所述工作流体和各个所述热存储单元(x，y，z)中的蓄热介质之间的温差小于50℃。

7.一种用于在热电能量存储系统中储存热电能量的方法，其包括：

通过压缩工作流体经由热交换器(24，30，36，38，40)将热量提供给蓄热介质，从而使热存储单元(12，x，y，z)充热；

通过热力机(32)由所述蓄热介质经由所述热交换器加热所述工作流体使其膨胀，从而使所述热存储单元(12，x，y，z)放热；且

改变所述蓄热介质参数，从而确保在充热和放热期间最大限度地减小所述工作流体和所述蓄热介质之间的温差。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，改变所述蓄热介质参数的步骤包括改变所述蓄热介质的流速。

9.根据权利要求7或权利要求8所述的方法，其特征在于，改变所述蓄热介质参数的步骤包括改变所述蓄热介质的初始温度和最终温度。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的方法，其特征在于，改变所述蓄热介质参数的步骤包括改变所述蓄热介质的类型。

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