CN104302875A - 用于储存和释出热能的设备及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于储存和释出热能的设备及其运行方法。设备按布雷顿过程工作，其中，借助压气机(13)给蓄热器(14)加入和借助透平(15)给蓄冷器(16)加入。为了排出，所述过程相反。按本发明附加规定，蓄冷器供应冷却循环(31)，它通过制冷装置(33)为超导发电机(36)提供冷却。由此可有利地尤其在风力发电站(22)中达到适宜的发电机重量，因为发电机由于安置在风力发电站(22)的短舱内，所以在其重量方面受到限制。由此有利地在风力发电站(22)内可以转换更大的功率。

Description

用于储存和释出热能的设备及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种用于储存热能的设备，它具有用于工作气体的循环。其中，在所述循环中下列装置按说明的顺序通过工作气体导管互相连接：第一流体热动力机械、蓄热器、第二流体热动力机械以及蓄冷器。沿工作气体从蓄热器向蓄冷器的通流方向看，作为作功机械的第一流体热动力机械与作为动力机的第二流体热动力机械连接。

此外，本发明还涉及两种运行所述设备的方法。在一种储存热能的方法中，循环沿着从蓄热器到蓄冷器的方向通过，这与组件的上述顺序相应。按本发明同样涉及的另一种方法，储存的热量也可以由设备转换为例如机械能。在这里，按相反的顺序通过这些装置，换句话说，工作气体的通流方向相反。此时工作气体首先经过蓄冷器，然后经过蓄热器，在这种情况下，第一流体热动力机械作为动力机运行，而第二流体热动力机械作为作功机械运行。

在本申请的范围内，使用术语动力机和作功机械，作功机械为达到其目的消耗机械功。因此用作作功机械的流体热动力机械作为压气机或作为压缩机使用。与此相对地，动力机做功，此时流体热动力机械为了做功而转换在工作气体内可供使用的热能。在这种情况下流体热动力机械因而作为发动机运行。

术语“流体热动力机械”成为机器的一种总称，这些机器可以从工作流体，与本申请结合地是从工作气体，提取热能或可以将热能供给工作流体。热能(热力学的能量)不仅理解为热的能量，而且也理解为冷的能量。流体热动力机械可例如设计为活塞式机械。优选地也可以使用流体动力学的流体热动力机械，它们的叶轮允许工作气体连续流过。优选地，可考虑使用轴向作用式透平或压气机。

背景技术

例如US2010/0257862A1记载了前言所述的原理。在这里为了实施上述方法使用活塞式机械。此外由US5436508还已知，借助前言所述用于储存热能的设备，也可以在利用风能发电时中间贮存剩余容量，以便在需要的情况下重新提取。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种前言所述类型的用于储存热能的设备或转换热能的方法(例如将机械能转换为热能并接着存贮，或将储存的热能转换为机械能)，借助此设备或借助此方法能尽可能有效地利用储存的热能。

上述技术问题通过前言所述设备按照本发明采取下述措施得以解决，亦即在一个与所述循环不同的用于冷却剂的冷却循环内可以连接蓄冷器，在冷却循环中下列装置按说明的顺序通过冷却剂导管互相连接：蓄冷器、制冷装置、以及要冷却的耗冷器。冷却剂通常不同于工作气体，这说明冷却循环与所述循环不同。为了在改变运行状态时避免清洗，特别有利的是，在蓄冷器内这些利用于传热的通道能造成两个通道系统，只要每个通道系统能与一个循环连接。因此，冷却循环利用其中一个通道系统，而加入循环(Ladekreislauf)利用另一个通道系统。当然，加入循环可以分为在蓄冷器内的通道系统和或许另一些通过它与排出循环(Entladekreislauf)连接的导管部分(对此在下面更多说明)。加入循环为贮存热能负责，而通过排出循环将热能重新释放给工作气体。

制冷装置是必要的，为的是能将要冷却的耗冷器调整为所要求的温度水平。因为蓄冷器的贮存温度高于所需要的温度水平。当然，通过蓄冷器可以进行冷却剂的预冷却，所以在制冷装置内必须克服较小的温度差。这也有利地减少制冷装置的能量需求。可以利用在热能储存设备中反正同时发生的过程制冷。但过程制冷在为了排出热能的排出时不再提供，不过为了运行要冷却的耗冷器不必为此单独造成所述的过程制冷。由此有利地改善用于储存和释出热能的设备以及耗冷器总的能量平衡。

加入循环(和排出循环)可以作为开式或闭式循环运行(对此在下面更多说明)。在开式循环中空气成为工作气体，它可以从大气中提取并接着重新送回大气。作为制冷装置可以使用任何形式的装置。特别有利的是使用热虹吸，它有利地达到比较低的温度水平。

按本发明一种特殊的设计，耗冷器配备有超导器件。在这里，尤其对于使用高温超导体的情况，例如Bi2223或YBCO，使用氮作为冷却剂。必须将氮置于约50至60K的温度水平。借助蓄冷器预冷到约180K，这简化了冷却过程，并且减少制冷装置的功率消耗。

按本发明另一项扩展设计规定，所述电机是发电机，它尤其能安装在风力发电设备中。如此使用带来突出的优点，因为具有超导器件(尤其在同步发电机内电激励式转子的绕组)的电机可以设计为有较小的质量。在设计风力发电设备时发电机的质量构成限制因素，因为它必须装配在风力发电站处于大高度的短舱内。在传统的发电机中，所使用的发电机的质量当然比功率提高得更快，其比值大约为指数1.6。因此，目前在风力发电设备中，对于发电机功率提升适用的经济性界限约为6MW。另一方面，建造强风的风力发电设备要求在短舱内安装大功率发电机。这可以按本发明通过使用具有超导器件的发电机达到。若风力发电设备与按本发明用于储存和释出热能的设备耦合，则带来的优点是可以合理利用蓄冷器保持低的损耗，这种损耗是基于超导发电机绕组必要的冷却所需要的。与此同时也可以使用储存热能的设备，为的是以已知的方式在电网内中间贮存剩余的容量，以及在电能消耗高峰时段通过释出热能重新转换为电流。也就是说，这涉及利用一种协作效应，它在总体上提高设备运行时尤其用风力发电设备运行时的效率。当然，设备例如也可以借助抽水蓄能电站或借助传统的发电站运行，例如燃气轮机发电站。

此外可有利地规定，所述电机是电动机M，它与第一流体热动力机械机械耦合。也就是说，这种流体动力机械必须在蓄冷器和蓄热器(或许还有附加的低温蓄热器)的加入过程驱动，以便将热动力加入过程置于运行之中。特别有利的是，当由于例如在风力发电站内使用超导发电机提供用于冷却此电机的基础结构时，还将这种电动机设计为具有超导绕组的电机。由此可以进一步提高设备效率。

当将另一种具有超导器件(例如绕组)的发电机作为电机使用时，同样对提高效率起有利的作用。它然后与第一流体动力机械机械耦合，并在增加蓄热器和蓄冷器能量需求的时刻应排出时使用。作为替代方式，也可以将发电机与第三流体热动力机械连接，其中，第三流体动力机械与第一流体热动力机械以及第四流体热动力机械与第二流体热动力机械在加入和排出循环内并联。在这里，在第一与第三和/或第二与第四流体热动力机械之间分别设置一个阀门机构。现在通过接通阀门机构，可有利地根据工作气体的通流方向，分别选择这一个或另一个流体动力机械。这样做的优点是，各自使用的流体动力机械可以在要接通的运行状态最佳化。因为在使用仅两个流体动力机械时，两者根据通流方向必须不仅作为作功机械而且作为动力机使用，所以在不设置附加的流体动力机械的情况下只能选择一种结构性妥协。然而因为不仅在热加入运行时而且在热排出运行时均力求尽可能高的效率，允许并联流体动力机械，所以不仅用于储存热能的方法，而且用于转换热能的方法，均在效率最佳时实施。取代使用阀，也可以为加入循环和排出循环采用单独的导管。这种构型的优点是，分别使用的流体动力机械在加入过程和排出过程中可以优化各自的运行状态。由此达到提高系统效率。这当然要用更高的设备购置费才能买到。在这里必须进行经济上的权衡。

工作气体可按选择在闭式或开式循环内流动(这不仅适用加入循环而且适用于排出循环，但不适用于冷却循环)。开式循环始终使用环境空气作为工作气体。它从周围环境抽吸，以及在过程结束时也重新排入周围环境，所以周围环境使开式循环闭合。闭式循环也允许使用另一种工作气体作为环境空气。这种工作气体在闭式循环内流动。因为在同时调整环境压力和环境温度时没有在环境内膨胀，所以在闭式循环的情况下工作气体必须流过换热器，它允许将工作气体的热量排入环境或由环境接收。

可以附加规定，在循环内在第一流体动力机械前附加设置一个低温蓄热器。这种蓄热器之所以称为低温蓄热器，是因为它通过储存热量达到的温度水平根据工作原理低于蓄热器的温度水平。热量以设备的环境温度为基准确定。所有高于环境温度的东西是热的，而所有低于环境温度的东西是冷的。由此也可以明白，蓄冷器的温度水平低于环境温度。

使用低温蓄热器有下述优点。若设备使用于储存热能，则在经过在这种情况下作为作功机械(压气机)工作的第一流体动力机械之前通过低温蓄热器。由此已经将工作气体加热到高于环境温度。这样做的优点是，为了达到工作气体所要求的温度，作功机械只须消耗少量功率。具体地说，蓄热器应加热到500℃以上，这有利地可以在工作气体还借助可在技术上提供使用的热力压气机预热后完成，压气机允许将工作气体压缩到15bar。因此有利地设备的组件可以使用那些能在市场上买到的器件，无需昂贵地改造。

上述技术问题还通过前言所述的用于储存和释出热能的方法采取下述措施得以解决：蓄冷器在需要时连接在与所述循环不同的冷却循环中，其中，在冷却循环中下列装置按说明的顺序流过冷却剂：蓄冷器、制冷装置、以及要冷却的耗冷器。借助本方法可获得上面针对按本发明的设备说明的优点，在这里，所述方法可通过上述设备实施。作为特别适用的、尤其用于超导器件的冷却剂，可以采用氮。它在为冷却超导器件所需要的温度下处于液态，并能例如在作为制冷装置的热虹吸中被置于要求的温度水平。在这里，当制冷装置工作时，借助蓄冷器的预冷来降低能量需求。此外制冷装置的尺寸可以设计得较小。其结果是使这种方案特别经济。

附图说明

下面借助附图说明本发明其他详情。在这里，图中相同或相应的元件总是采用同样的标记，只在需要时才多次说明，如在说明各附图之间的区别时。其中：

图1表示按本发明设备的一种实施例线路图；以及

图2和图3借助另一些线路图表示按本发明方法(Prayton-Prozess:布雷顿过程)的实施例。

具体实施方式

按图1用于储存热能的设备有导管11，借助它将多个装置相互连接为，使它们能被一种工作气体流过。工作气体流动通过低温蓄热器12以及接着流过第一流体热动力机械13，它设计为流体动力学压气机。此外，所述导管然后通向蓄热器14。它与第二流体热动力机械15连接，后者设计为流体动力学透平。导管11从透平导向蓄冷器16。蓄冷器16通过导管11与低温蓄热器12连接，其中，在此导管段内还设有换热器17，工作气体可以借助它将热量排放给周围环境，或从周围环境吸收热量(根据运行类型)。

因此在图1中设置的是工作气体的闭式循环。当然同样可以设想，以图中没有表示的方式，取消在蓄冷器16与低温蓄热器12之间的导管段连同换热器17。在这种情况下循环通过周围环境闭合，此时，在低温蓄热器12抽吸在这种情况下由环境空气组成的工作气体，并在蓄冷器16之后将其重新送入周围环境中。

此外，在图1中还设有形式上为流体动力学透平的第三流体热动力机械18以及形式上为流体动力学压气机的第四流体热动力机械19。还可在图中看到，第一流体动力机械13在导管11中与第三流体动力机械18并联，以及第二流体动力机械15在导管11中与第四流体动力机械19并联。阀门机构20通过打开和关闭，保证总是只有第一与第二流体动力机械或第三与第四流体动力机械通流。第一和第二流体动力机械13和15借助第一轴21互相机械耦合，并由电动机M驱动，只要在电网中对产生的电能没有需求时，电动机M便由风力发电站22供电。在这种运行状态期间，加入蓄热器14和蓄冷器16，如以后还要详细说明的那样。若对电能的需求与实际发电量之间的比值较大，则由风力发电站22产生的电流直接馈入电网中。在另一种运行状态下，设备通过排出蓄热器14和蓄冷器16以及通过流体动力机械18和19借助第二轴23驱动发电机G1，附加地支持发电。第二轴23为此与第三流体动力机械18和第四流体动力机械19机械接合。

在按图1的设备中，低温蓄热器12、蓄热器14和蓄冷器15的结构相同，以及借助蓄冷器16通过局部放大详细说明。采用一个容器，它的壁24配置具有大的气孔26的绝缘材料25。在容器内部设置混凝土27，它起蓄热器或蓄冷器的作用。在混凝土27内部铺设平行延伸的管28，工作气体流动通过它们并在此过程中释出热量或吸收热量(取决于运行方式和存储器类型)。

此外，蓄冷器16还为另一个导管31供应储存的冷能。为该导管31在蓄冷器16内设置图中没有详细表示的通道系统，它与另一个与导管31连接的通道系统(同样没有表示)无关。导管31属于冷却循环，冷却剂，例如氮，可以通过它预冷。借助泵32使冷却剂在冷却循环中循环，以及还泵送通过一个图中没有详细表示的热虹吸形式的制冷装置。通过不同的阀34可以将一些旁通管35接入冷却循环内，它们分别与换热器36连接。换热器36分别导向电动机M、发电机G1和风力发电站22中的发电机G2。它们设有由高温超导体组成的超导器件，尤其绕组。冷却剂足以将这些绕组保持在一个不改变超导特性的温度水平下。

图1表示冷却循环的一种方案，其中制冷装置配置在风力发电站22外部。然而为了使要绝缘的导管31的路径保持为尽可能短，制冷装置应设在风力发电站22和电动机M以及发电机G1的附近。这种蓄冷器16有利地只分别配属于风力场的一个或少量几个风力发电站22。另一方面，基于在导管31输送冷能带来的损失以及隔热的成本太高。

借助按图2和图3的设备应能详细说明热的加入和排出过程。首先在图2中表示加入过程，它按热泵原理工作。与图1不同，在图2和图3中表示了一种开式循环，不过，如虚线表示的那样，它可以通过使用按选择设置的换热器17闭合。在图2和图3的实施例中由空气组成的工作气体中的状态，分别表示在导管旁的圆圈内。左上方说明压力bar。右上方说明焓KJ/Kg。左下方说明温度℃，以及右下方说明质量流量Kg/s。气体的流动方向通过导管11内的箭头表示。

在模型计算时，有1bar和20℃的工作气体进入(事先已加入的)低温蓄热器1内，以及离开它时温度为80℃。通过借助作为压气机工作的第一流体动力机械13压缩，导致其压力升高到15bar并由此还导致将温度提高到547℃。这种计算以下列公式为基础

T₂＝T₁+(T_2s-T₁)/η_c；T_2s＝T₁π^(K-1)/k，其中

T₂表示压气机出口温度，

T₁表示压气机进口温度，

η_c表示压气机等熵效率，

π表示压力比(在这里15∶1)，以及

K表示可压缩性，对于空气它等于1.4。

可以假定压缩机有等熵效率η_c为0.85。

现在加热的工作气体流过蓄热器14，可供使用的热能其主要部分储存在那里。在储存时工作气体冷却到20℃，而压力(流动引起的压力损失除外)保持15bar不变。接着，工作气体在第二流体动力机械的两个串联的级15a、15b中膨胀，所以它达到1bar的压力水平。在这里，工作气体在第一级后冷却到5℃，以及在第二级后冷却到-114℃。这种计算的基础同样是上面提供的公式。

在连接第二流体动力机械的高压透平和低压透平形式的这两级15a、15b的部分导管11内，附加地设脱水器29。它可以在第一次膨胀后干燥空气，所以包含在空气中的空气水分不会在第二流体动力机械的第二级15b中导致透平叶片覆冰(这只对于开式循环的情况是必要的)。

在进一步的过程中，膨胀后并因而冷却的工作气体从蓄冷器16提取热量并由此加热到0℃。在此路程中，在蓄冷器16内储存冷能量，它可以在接着的能量获取时利用。若比较工作气体在蓄冷器16出口与在低温蓄热器12进口处的温度，则清楚看出，为什么对于闭式循环的情况必须要提供使用换热器17。工作气体在这里可以重新加热到环境温度20℃，由此从周围环境提取可供过程使用的热量。当工作气体直接从周围环境抽吸时，当然可以取消这种措施，因为它已经具有环境温度。

对于冷却，在图2中表示了一种与图1中的方案不同的实施形式。电动机M和发电机G1在这种情况下没有超导器件。只是在风力发电站22中的发电机G2，它基于其在风力发电站短舱内的安装高度因而应当有尽可能小的质量，才利用这些与超导绕组及其必要的较小导线横截面相关联的优点。制冷装置33同样安置在风力发电站22的短舱内，所以冷却剂的路径至少在低的温度水平能有利地保持为较短。

借助图3可以理解蓄热器14和蓄冷器16的排出循环，其中，电动机G1产生电能。与图1不同，在图3中第一流体动力机械13和第二(两级)流体动力机械15，既使用在加入循环中也使用在排出循环中。这并不影响设备的工作原理，当然这要通过降低效率做到。因此应在附加使用第三和第四流体动力机械时较高的投资费用与提高效率之间进行平衡，提高效率可在使用第四流体动力机械时通过优化所有相应的运行状态达到。此外仍用虚线表示闭式循环的替代方式。脱水器29在图3中没有表示，因为它没有得到使用。

工作气体被导引通过蓄冷器16。在这里，工作气体从20℃冷却到-92℃。这一措施用于降低功率消耗，以便运行作为压气机工作的第二流体动力机械。功率消耗降低的系数，与用绝对温标K标示的温度差相对应，亦即293K/181K＝1.62。在本例中，压气机将工作气体压缩到10bar。在这里温度升高到100℃。压缩到15bar在技术上也是合理的。经压缩的工作气体流过蓄热器14并由此加热到500℃，此时压力略降至9.8bar。接着，工作气体通过第一流体动力机械膨胀，它因而在这种运行状态下作为透平工作。工作气体膨胀到1bar，此时在第一流体动力机械的出口在工作气体内始终还存在温度为183℃。

为了同样能充分利用剩余热量，工作气体接着导引通过低温蓄热器，并由此冷却到130℃。热量必须贮存，为的是能在蓄热器14和蓄冷器16后续的加入过程中使用于将工作气体预热到80℃(如上面已说明的那样)。因此低温蓄热器作为中间存储器工作，以及始终正好在另外两个存储器，亦即蓄热器14和蓄冷器16排出时加入，或反之。然而如已提及的那样，当取消低温蓄热器时，并不限制设备的工作原理和方法。

Claims (9)

1.一种用于储存和释出热能的设备，具有工作气体的加入循环和排出循环，其中，在加入循环中下列装置按说明的顺序通过工作气体导管(11)互相连接：

·第一流体热动力机械(13)，

·蓄热器(14)，

·第二流体热动力机械(15)，以及

·蓄冷器(16)，

其中，沿工作气体从蓄热器(14)向蓄冷器(15)的通流方向看，作为作功机械的第一流体热动力机械(13)与作为动力机的第二流体热动力机械(15)连接，

其特征为：

所述蓄冷器(16)可以连接在与上述循环分离的冷却循环内，在冷却循环中下列装置按说明的顺序通过冷却剂导管(31)互相连接：

·蓄冷器，

·制冷装置(33)，以及

·要冷却的耗冷器(G1、G2、M)。

2.按照权利要求1所述的设备，其特征为，所述耗冷器(G1、G2、M)是具有超导器件的电机。

3.按照权利要求2所述的设备，其特征为，所述电机是发电机G2。

4.按照权利要求3所述的设备，其特征为，所述发电机G2安装在风力设备(22)内。

5.按照权利要求2或4之一所述的设备，其特征为，所述电机是电动机M，它与第一流体热动力机械(13)机械耦合。

6.按照权利要求2、4或5之一所述的设备，其特征为，所述电机是发电机G1，它

·与第一流体热动力机械(13)连接，或

·与第三流体热动力机械耦接，其中，第三流体热动力机械(18)与第一流体热动力机械(13)以及第四流体热动力机械(19)与第二流体热动力机械(15)在加入和排出循环内并联，其中，在第一与第三以及第二与第四流体热动力机械之间分别设置阀门机构(20)。

7.按照权利要求2至6之一所述的设备，其特征为，对于超导器件可考虑使用高温超导体，尤其是Bi2223或YBCO。

8.一种用于储存和释出热能的方法，其中，工作气体流过加入循环或排出循环，在加入循环中按说明的顺序流过下列装置：

·第一流体热动力机械(13)，

·蓄热器(14)，

·第二流体热动力机械(15)，以及

·蓄冷器(16)，

其中，第一流体热动力机械(13)作为作功机械运行，以及第二流体热动力机械(15)作为动力机运行，

其特征为：

蓄冷器(16)在需要时连接在一个与所述循环分离的冷却循环内，其中，在该冷却循环中下列装置按说明的顺序被冷却剂流过：

·蓄冷器，

·制冷装置(33)，以及

·要冷却的耗冷器(G1、G2、M)。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征为，使用氮作为冷却剂。