CN107407533B

CN107407533B - 热能存储设备

Info

Publication number: CN107407533B
Application number: CN201580078036.4A
Authority: CN
Inventors: T.A.巴迈尔; V.赛德尔
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: ES2824127T3; CN107407533A; EP3245389A1; US10401093B2; WO2016150460A1; US20180080721A1; EP3245389B1

Abstract

一种热能存储设备（10），包括充能回路（100）和放能回路（200），所述充能回路（100）包括：‑用于生成充能回路（100）中的工作流体的流的第一流体输运机器（110），‑用于将热传递至工作流体的加热装置（120），‑用于存储工作流体的热能的主蓄热器（130）；所述放能回路（200）包括：‑主蓄热器（130），‑包括在热循环（220）中的换热器（227），用于将存储的热能转换为机械功率，所述热能存储设备（10）进一步包括辅蓄热器（140），包括：‑在加热装置（120）下游，连接至充能回路（100）的第一端部（141），‑在换热器（227）上游，连接至放能回路（200）的第二端部（142）。

Description

热能存储设备

技术领域

本发明涉及用于存储热能的设备（plant）以及涉及用于操作这样的设备的方法。

背景技术

将可再生能量整体形成到主功率供给网络中对能量网带来挑战，这是由于能量网被设计用于中心功率生产。通过可再生能源生成的电力对于电网络的功率供给具有无限制的优先级，以便支撑整体形成在能量系统中并增加其在电力生产中的份额。来自可再生能源的能量生产难以预报并且取决于诸如风速和太阳辐射的天气条件。为了解决此波动的生产，可再生能源需要被缩减，提供基础负荷（base load）的化石燃料电厂需要变得更具有灵活性否则能量价格由于高供给会显著降低。另外，诸如陆上和海上风的可再生能量的生产的位置与高功率消耗的区域不一致。因此，能量存储在功率供给网络的稳定性的改善中起重要作用。

敏感的热存储部在现有技术中用于存储来自可再生资源的波动能量。来自主供给电网的过量的电能被转换成热能并且存储在一些存储材料中。在没有风或者出现少量风的时候，存储的热能被用于生成蒸汽，以通过蒸汽涡轮发电机生产电能，并且生产的电力被供应到主供给电网中。

热能存储设备的可能的解决方案是充能循环和放能循环的组合，具有共同的热能存储装置。充能循环以闭式循环包括，流体输运机器（例如风扇）、加热装置、以及热能存储装置，所述加热装置可以是电阻或由电功率供应的感应加热器，所述电功率由可再生能源生成。放能循环以闭式循环包括，与充能循环相同的热能存储装置、流体输运机器（例如风扇或鼓风机）、和水蒸气循环。水蒸气循环包括诸如蒸汽涡轮机和热回收蒸汽发生器（HRSG）的热机、锅炉、换热器或蒸发器，用于将热能传递至水以产生蒸汽，所述蒸汽被供应至热机以从连接至热机的发电机生产电功率。

热能存储装置通常包括固体或块体（bulk）材料，例如石头、砖块、陶瓷和其它固体材料，其具有高热容量以长时间段地存储热能。

这些材料通过使用在充能循环中循环的工作流体（例如空气）来加热，其具有高于存储材料的温度。在放能循环中，存储的能量通过具有低于存储材料的温度的、相同或者不同的流体的流来回收。由于两个循环中沿流动方向的温度差，存储装置具有各自的热和冷端部。

在充能循环中，热能存储装置通过管道或者导管系统连接至加热装置并且连接至流体输运机器。流体输运机器将工作流体输运通过加热装置至热存储部的热端部。温度前沿从热端部到冷端部行进通过存储部。温度前沿是存储部中强温度梯度的区域，其分离存储部中的热和冷区域。当冷端部处的温度开始上升时，热能存储部的充能停止。

在放能循环中，工作流体的质量流沿着相比于充能循环相反的方向被引导通过存储装置。在放能循环中，工作流体在冷端部处进入存储部，由于从存储材料到工作流体的热传递达到指定的温度，并在工作流体进入蒸汽发生器之前在热端部处离开。

温度前沿沿相比于充能循环相反的方向行进通过存储装置。当对热能存储装置进行放能时，温度前沿从冷端部至热端部移动通过存储部。因此，离开热能存储装置并且例如供给HRSG的工作流体的温度在放能过程的部分期间连续降低。放能回路中工作流体的这种非均匀温度导致连接至其的热机的降低的性能，并且因此导致来自发电机的不恒定的电力生产。

有以如下方式改进热能存储设备的需求，所述方式使得上述不便可以以优化的方式被抑制或减少。

发明内容

此需求可以由根据本申请的基本方案被满足。本发明的有利实施例由本申请的优选方案描述。

根据本发明的第一方面，提供包括充能回路和放能回路的热能存储设备，所述充能回路包括：

- 第一流体输运机器，用于生成充能回路中的工作流体的流，

- 加热装置，用于将热传递至工作流体，

- 主蓄热器，用于存储工作流体的热能；

所述放能回路包括：

- 主蓄热器，

- 换热器，包括在热循环中，用于将存储在主蓄热器中的热能转换为机械功率，

其中热能存储设备进一步包括辅蓄热器，包括：

- 在加热装置下游、连接至充能回路的第一端部，

- 在换热器上游、连接至放能回路的第二端部。

辅蓄热器能够在主蓄热器放能期间工作为用于恒定负荷性能的热能增强存储部，特别是当放能回路中的工作流体的温度的降低可能导致（如果没有通过来自辅蓄热器的工作流体补偿的话）连接至其的热机的降低的性能，并且因此导致来自发电机的不恒定的电力生产时。

根据本发明的可能的实施例，辅蓄热器具有比主蓄热器更低的热容量。有利地，这确保辅增强蓄热器在主蓄热器的充能期间以在其长度处均匀的温度水平被完全充能。

根据本发明的另一可能的实施例，热能存储设备进一步包括在辅蓄热器上游和/或下游的至少一个阀，用于分别将辅蓄热器从充能回路和/或放能回路隔离。有利地，这允许使用辅蓄热器，当放能期间来自主蓄热器的工作流体温度不足够高（例如对于HRSG中的蒸汽生产来说不足够高）时，所述辅蓄热器待被优选地使用。这将减小当不使用辅蓄热器时的附加的压力损失，并且在放能期间优化总体设备效率。

根据本发明的另一可能的实施例，热能存储设备进一步包括在辅蓄热器上游或下游的第二流体输运机器。

根据本发明的另外的方面，提供了用于操作上述热能存储设备的方法，所述方法包括以下步骤：

- 加热工作流体，

- 生成在充能回路中的工作流体的流，用于对主蓄热器和辅蓄热器进行充能。

根据本发明的两个不同的实施例，主蓄热器和辅蓄热器可以分别被并联或串联地充能。并联的连接可以通过连接主蓄热器的热端部和在加热装置下游的辅蓄热器的第一端部来获得以及通过将辅蓄热器的第二端部连接到主蓄热器的热端部来获得。

串联的连接可以通过将主蓄热器的热端部从加热装置断开来获得、通过连接加热装置下游的辅蓄热器的第一端部来获得、并且通过将辅蓄热器的第二端部连接到主蓄热器的热端部来获得。

根据本发明的可能的实施例，所述方法进一步包括以下步骤：在辅蓄热器中从辅蓄热器的第一端部到第二端部产生恒定的温度分布后，停止工作流体的流动和加热。

根据本发明的另一可能的实施例，所述方法包括以下步骤：

- 生成放能回路中的工作流体的流，用于将热从主蓄热器传递至工作流体，

- 当主蓄热器的热端部处的温度低于预定值时，将辅蓄热器的第一端部连接至充能回路，并将辅蓄热器的第二端部连接至放能回路。有利地，这将允许包括在放能循环中的换热器的有效运作。

通常，根据本发明的方法允许达到与参考根据本发明的设备装置（plantapparatus）在以上所描述的相同的优势。

应指出，本发明的实施例已经参考不同的主题进行描述。特别地，一些实施例已经参考装置类型的权利要求进行描述，而其它实施例已经参考方法类型的权利要求进行描述。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中得到，除非另外指出，除了属于一个类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间的任何组合，特别是装置类型的权利要求的特征和方法类型的权利要求的特征之间的任何组合，也被认为通过此文献公开。

以上限定的方面和本发明的另外的方面从下文待描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考实施例的示例被解释。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于所述实施例的示例。

附图说明

图1示出了根据本发明的热能存储设备的示意图，

图2示出了图1的图的部分示意视图，更详细地示出了根据本发明的热能存储设备的第一实施例的一些部件，

图3示出了图1的图的部分示意视图，更详细地示出了根据本发明的热能存储设备的第二实施例的一些部件，

图4示出了图1、2和3的热能存储设备的部件的示意性截面视图。

具体实施方式

附图中的例示是示意性的。应指出，在不同附图中，相似或相同的元件或特征设置有相同的附图标记。为了避免不必要的重复，已经关于前述实施例阐述的元件或特征在描述的后面位置中不会再次阐述。

图1和2示意性地示出了热能存储设备10，包括充能回路100和放能回路200，其中工作流体（特别是热空气）被循环。

根据其它可能的实施例，工作流体可以是不同的气体或液体介质。

充能回路100以闭式循环包括：

- 第一流体输运机器110，用于生成充能回路100中的工作流体的流，

- 电供能的加热装置120，用于将热传递至工作流体，

- 蓄热器130，用于存储工作流体的热能，所述蓄热器130包括用于接收处于第一高温度T1的第一工作流体的热端部131，以及用于在低于第一高温度T1的第二低温度T2下从蓄热器130释放工作流体的冷端部132。

在附图中，第一流体输运机器100在蓄热器130的冷端部132的紧接（immediately）下游，并且加热装置120的出口通过充能导管121连接至蓄热器130的热端部131。根据本发明的另一可能的实施例（未示出），加热装置120在蓄热器130的冷端部132的紧接下游和第一流体输运机器110的上游。

当工作流体是空气时，第一流体输运机器110可以由风扇或鼓风机构成。

加热装置120可以是电阻或感应加热器或者由电功率供应的热泵，所述电功率由可再生能源生成，所述由可再生能源生成的电功率例如是通过风力涡轮机生成的风速生成功率或者通过光伏电池生成的太阳辐射生成功率。

加热装置120允许在蓄热器130的热端部131和冷端部132之间建立第一热温度T1和第二低温度T2。根据本发明的可能的实施例，通常的值是Tl = 600 °C和T2 = 200 °C。

通常，其它值是可能的，热温度T1的值取决于包括在放能回路200中用于将来自第二工作流体的热能转换为机械功率的热循环220的操作温度，如下详细描述的。低温度T2还可以是环境温度，但是通常被保持高于环境温度，以便减小加热装置120中用于将第一工作流体温度抬升至热温度T1所需的热负荷，并且以经济的方式设计蒸汽发生器的换热器表面。

根据本发明的可能的实施例，蓄热器130以这样的方式定向，使得第一工作流体从热端部131循环至冷端部132。在这样类型的安装中，在蓄热器130的热端部131和冷端部132之间形成的温度前沿从热端部132水平地行进到冷端部132。由于自然对流的影响，这样定向的温度前沿通常趋于变平，特别是在充能和放能操作之间的空闲阶段期间。

放能回路200以闭式循环包括：

- 蓄热器130，

- 换热器227，包括在热循环220中，用于将来自第二工作流体的热能转换为机械功率。换热器227和蓄热器130通过放能导管235连接，

- 第二流体输运机器210，用于生成放能回路200中的工作流体的流，所述流从蓄热器130的冷端部132到热端部131定向。放能回路200的工作流体因此沿相对于充能回路100中的工作流体的流相反的方向流动。

根据本发明的可能的实施例，热循环220是包括热机225和蒸汽发生器227的循环，用于将来自第二工作流体的热能传递至大量的水，以便生成待供应到热机225的蒸汽。热机225可以是具有输出轴的蒸汽涡轮机，所述输出轴连接至发电机226以产生待供应到主供给电网中的电力。根据另一可能的实施例，取代蒸汽发生器227，热循环220可包括锅炉或者蒸发器或者其它类型的换热器，用于将热传递至第二工作流体至热循环220。

热循环220进一步包括连接至蒸汽涡轮机225的出口的冷凝器228和在冷凝器228和蒸汽发生器227之间的泵229。其它类型的热循环可以被使用而替代所描述的热循环220，倘若通常其能够将第二热循环220的热能转换为用于给发电机226供能的机械功率的话。

热能存储设备10进一步包括辅蓄热器140，包括：

- 在加热装置120下游、连接至充能回路100的第一上游端部141，

- 在换热器227上游、连接至放能回路200的第二下游端部142。

特别地，参考附图1至3，第一上游端部141通过上游导管151连接至充能导管121，并且第二下游端部142通过下游导管152连接至放能导管235。

辅蓄热器140具有比主蓄热器130更低的热容量，其决定了，所述辅蓄热器140将在其全部长度处，从第一端部141至第二端部142，以均匀的温度水平T1被完全充能。特别地，辅蓄热器140具有如下热容量，所述热容量是主蓄热器130的热容量的10%到40%。

在辅蓄热器140被完全充能后，工作流体的流仅被引导通过主蓄热器130。当温度前沿到达主蓄热器130的冷端部132时，充能正常地停止。在空闲阶段期间，自然对流因此仅在主蓄热器130中发生。

热能存储设备10进一步包括在上游导管151中的上游阀143，用于将辅蓄热器140与充能回路100隔离。热能存储设备10可进一步可选地（图3）包括在下游导管152中的第二流体输运机器147，用于调节从辅蓄热器140到换热器227的流动。当工作流体是空气时，第二流体输运机器147可以由风扇或鼓风机构成。

根据本发明的另一可能的实施例（未示出），第二流体输运机器可以被安装在上游导管151中。

充能导管121包括在上游导管151上游的充能阀153。充能导管121包括在上游导管151和主蓄热器130之间的第二充能阀154。

放能导管235包括在主蓄热器130和下游导管152之间的第一放能阀255，以及在下游导管152和蒸汽发生器227之间的第二放能阀256。

放能阀255、256可以被操作用于分别将辅蓄热器140在充能操作期间与主蓄热器130连接或隔离，或者在放能操作期间与蒸汽发生器227连接或隔离，如在下文中参考操作热能存储设备10的方法所更好地说明的。

参考图4，主蓄热器130和辅蓄热器140具有共同的结构，其仅在尺寸上彼此不同，这决定了不同的热容量。其二者均包括从入口138延伸至出口139的壳体150。

在主蓄热器130中，入口138和出口139分别对应于热端部131和冷端部132。在辅蓄热器140中，入口138和出口139分别对应于上游端部141和下游端部142。

壳体150包括多个具有高热容量的热存储元件160，例如像石头、砖块、陶瓷和其它固体材料的固体或块体材料，其具有被加热并且长时间段地保持其温度的能力，以便存储已被传递至其的热能。当充能回路100操作时，工作流体（例如空气）从入口138流动至出口139，将热传递至存储元件160。当放能回路200操作时，相同的工作流体从存储元件160接收热。在放能期间，主蓄热器130中的工作流体从出口139流动至入口138，在辅蓄热器140中，工作流体仍然从入口138流动至出口139。

根据本发明的其它可能的实施例，可以使用其它类型的热能存储装置，特别是主蓄热器130和辅蓄热器140可以彼此不同。

根据本发明，在主蓄热器130和辅蓄热器140的充能期间，用于操作热能存储设备10的方法包括以下步骤：

- 加热工作流体，

- 生成在充能回路100中的工作流体的流，用于对主蓄热器130和辅蓄热器140进行充能，

- 在辅蓄热器140中从辅蓄热器140的第一端部141到第二端部142产生恒定的温度分布曲线（temperature profile）后，停止工作流体的流动和加热。

参考图3和4，用于充能主蓄热器130和辅蓄热器140的一个可能性是通过连接主蓄热器130的热端部131和在加热装置120下游的辅蓄热器140的第一端部141，并且通过将辅蓄热器140的第二端部142连接到主蓄热器130的热端部131来将其并联连接。

这可以通过打开上游阀143、充能导管121中的充能阀153、154二者和第一放能阀255，而保持关闭第二放能阀256来执行。在此情况下，来自加热装置120的热工作流体，通过充能导管121和上游导管151，进入主蓄热器130和辅蓄热器140二者。在此并联连接中，充能导管121的包括在上游导管151和主蓄热器130之间的部分中的压力损失需要被调节，例如通过调节阀154的打开程度。这保证了通过辅蓄热器140的流。否则所述流将会仅进入主蓄热器130，因为通过直接路径到主蓄热器130的压力损失与经由辅蓄热器140的路径相比是较低的。

工作流体还从辅蓄热器140的第二端部142通过第一放能阀255进入主蓄热器130。

第二个可能性是，通过将主蓄热器130的热端部131从加热装置120断开，通过连接加热装置120下游的辅蓄热器140的第一端部141，并且通过将辅蓄热器140的第二端部142连接至主蓄热器130的热端部131，来将主蓄热器130和辅蓄热器140串联连接。

这可以通过打开上游阀143、充能导管121中的第一充能阀153和第一放能阀255，而保持关闭第二充能阀154和第二放能阀256二者来执行。在此情况下，来自加热装置120的热工作流体，通过充能导管121和上游导管151，进入辅蓄热器140。工作流体从辅蓄热器140的第二端部142通过第一放能阀255随后进入主蓄热器130。

在两种情况下，在辅蓄热器140的充能已经完成之后，其内侧的温度分布曲线从各自的入口138到各自的出口139是恒定的。这将阻止自然对流的发生。此条件可以通过关闭上游阀143和第一放能阀255来容易地维持。

当在主蓄热器130的放能期间来自主蓄热器130的热空气的温度高于预定温度（其确保换热器227的规律功能）时，辅蓄热器140可以被方便地保持与主蓄热器130隔离。

当来自主蓄热器130的热空气的温度低于这样的温度预定值（其特别地取决于换热器227的类型和尺寸）时，辅蓄热器140被置为与换热器227连通，用于恒定的放能性能。

根据本发明，这可以由在主蓄热器130和辅蓄热器140的放能期间用于操作热能存储设备10的方法来实现，所述方法包括以下步骤：

- 生成放能回路200中的工作流体的流，用于将热从主蓄热器130传递至工作流体，

- 当主蓄热器130的热端部131处的温度T1低于预定值时，将辅蓄热器140的第一端部141连接至充能回路100，并将辅蓄热器140的第二端部142连接至放能回路200。

在放能期间，主蓄热器130的热端部131处的温度T1经历降低。当温度T1和存储部中的最低温度之间的差比T1的最高值（或T1的设计值）和存储部中的最低温度之间的差少10%-30%时，于是辅蓄热器140的第一端部141被连接至充能回路100，并且辅蓄热器140的第二端部142被连接至放能回路200。

特别地，参考图3和4，这可以通过关闭第一充能阀153和第一放能阀255而将第二充能阀154和第二放能阀256保持打开来获得。

来自换热器227的工作流体的流流动通过流体输运机器210、主蓄热器130、充能导管121的包括第二充能阀154的部分、上游导管151、辅蓄热器140、下游导管152、放能导管235的包括第二放能阀256的部分，并且其最终被引导进换热器227中。

Claims

1.一种热能存储设备（10），包括充能回路（100）和放能回路（200），所述充能回路（100）包括：

- 第一流体输运机器（110），用于生成所述充能回路（100）中的工作流体的流，

- 加热装置（120），用于将热传递至所述工作流体，

- 主蓄热器（130），用于存储所述工作流体的热能；

所述放能回路（200）包括：

- 所述主蓄热器（130），

- 包括在热循环（220）中的换热器（227），用于将存储在所述主蓄热器（130）中的热能转换为机械功率，

其中，热能存储设备（10）进一步包括辅蓄热器（140），包括：

- 在所述加热装置（120）下游、连接至所述充能回路（100）的第一端部（141），

- 在所述换热器（227）上游、连接至所述放能回路（200）的第二端部（142）。

2.如权利要求1所述的热能存储设备（10），其中，所述辅蓄热器（140）具有比所述主蓄热器（130）更低的热容量。

3.如权利要求1或2所述的热能存储设备（10），进一步包括在所述辅蓄热器（140）和所述充能回路（100）之间的至少一个阀（143、153）。

4.如权利要求1或2所述的热能存储设备（10），进一步包括，分别在所述辅蓄热器（140）和所述主蓄热器（130）之间以及在所述辅蓄热器（140）和所述换热器（227）之间的至少第一和第二放能阀（255、256）。

5.如权利要求1或2所述的热能存储设备（10），进一步包括在所述辅蓄热器（140）上游或下游的第二流体输运机器（147）。

6.如权利要求1所述的热能存储设备（10），其中，所述加热装置（120）通过可再生能源供能。

7.如权利要求1或2所述的热能存储设备（10），其中，所述辅蓄热器（140）具有所述主蓄热器（130）的热容量的10%到40%。

8.一种用于操作如前述权利要求中任一项所述的热能存储设备（10）的方法，所述方法包括以下步骤：

- 加热所述工作流体，

- 生成在所述充能回路（100）中的所述工作流体的流，用于对所述主蓄热器（130）和所述辅蓄热器（140）进行充能。

9.如权利要求8所述的方法，其中，通过连接所述主蓄热器（130）的热端部（131）和在所述加热装置（120）下游的所述辅蓄热器（140）的第一端部（141），并且通过将所述辅蓄热器（140）的第二端部（142）连接到所述主蓄热器（130）的热端部（131），所述主蓄热器（130）和所述辅蓄热器（140）被并联充能。

10.如权利要求8所述的方法，其中，通过将所述主蓄热器（130）的热端部（131）从所述加热装置(120)断开，通过连接所述加热装置（120）下游的所述辅蓄热器（140）的所述第一端部（141），并且通过将所述辅蓄热器（140）的所述第二端部（142）连接到所述主蓄热器（130）的热端部（131），所述主蓄热器（130）和所述辅蓄热器（140）被串联充能。

11.如权利要求8到10中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：在所述辅蓄热器（140）中从所述辅蓄热器（140）的第一端部（141）到第二端部（142）产生恒定的温度分布曲线后，停止所述工作流体的流动和加热。

12.一种用于操作如权利要求1到7中任一项所述的热能存储设备（10）的方法，所述方法包括以下步骤：

- 生成所述放能回路（200）中的所述工作流体的流，用于将热从所述主蓄热器（130）传递至所述工作流体，

- 当所述主蓄热器（130）的热端部（131）处的温度（T1）低于预定值时，将所述辅蓄热器（140）的所述第一端部（141）连接至所述充能回路（100），并将所述辅蓄热器（140）的所述第二端部（142）连接至所述放能回路（200）。