CN107429578A

CN107429578A - 热能存储设备

Info

Publication number: CN107429578A
Application number: CN201580078037.9A
Authority: CN
Inventors: T.A.巴迈尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2017-12-01
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: EP3245466A1; DK3245466T3; WO2016150461A1; ES2763902T3; US20180106165A1; EP3245466B1; CN107429578B; US10371013B2

Abstract

一种热能存储设备（10）包括充能回路（100），其中第一工作流体被循环，所述充能回路（100）包括：‑ 第一流体输运机器（110），用于生成充能回路（100）中的第一工作流体的流，‑ 电供能的加热装置（120），用于将热传递至第一工作流体，‑ 蓄热器（130），用于存储第一工作流体的热能，所述蓄热器（130）包括用于接收处于第一温度（T1）的第一工作流体的热端部（131）和用于允许第一工作流体在低于第一温度（T1）的第二温度（T2）下离开蓄热器（130）的冷端部（132）；蓄热器（130）包括在热端部（131）和冷端部（132）之间串联连接的多个热存储单元（135a、135b、135c），其可以通过阀（137a、137b）分离。

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电网带来挑战，这是由于电网被设计用于中心功率生产。由可再生能源生成的电力对于电网络的功率供给来说具有无限制的优先级。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或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过量的能量必须被便宜地售往国外。另外，诸如陆上和海上风电的可再生能量的生产的位置与高功率消耗的区域并不一致。

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。

此问题的可能的解决方案通过热能存储设备提供，所述热能存储设备是充能循环和放能循环的组合，所述充能循环和放能循环二者均连接至热存储单元。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、以及热存储单元，所述加热装置可以是电阻或感应加热器或由电功率供应的热泵，所述电功率由可再生能源生成或者来自电网。放能循环以闭式循环包括，与充能循环相同的热存储单元、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生成蒸汽，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。

热存储单元通常被填充有固体或块体（bulk）材料，诸如石头、砖块、陶瓷和其它固体材料，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。替代地相变材料可以被用于热存储单元中。

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。因此，热存储单元具有各自的热端部和冷端部。

在充能循环中，热存储单元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移动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热存储单元。温度前沿是热存储单元中强温度梯度的区域，其分离热存储单元中的热和冷区域。当冷端部处的温度开始上升到选择的温度阈值以上时，热存储单元的充能停止。

在放能循环中，工作流体的质量流将沿着相比于充能循环相反的方向被引导通过热存储单元。在放能循环中，工作流体在冷端部处进入热存储单元，在热存储单元内侧达到指定的温度，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热存储单元。当热端部处的温度开始降低时，放能过程被停止。

在以上描述的热能存储设备中，当热存储单元被水平安装时，自然对流起重要作用。这是由于在热存储单元的热和冷端部处具有不同温度的工作流体的不同密度导致的。此影响导致在存储部的长度上的非均匀的温度分布。

在存储部的冷端部处的空气具有比热端部处的空气更高的密度。当存储设备在充能和放能操作之间处于空闲模式时，这通过自然对流导致热存储单元内侧的空气循环，其使得温度前沿倾斜：来自热存储单元的热端部的上部部分的热空气朝向冷端部的上部部分移动，而来自热存储单元的冷端部的下部部分的冷空气朝向热端部的下部部分移动。存储部维持在空闲模式中越长时间，由于自然对流引起的空气循环越高。这导致存储部中减小的混合温度，其导致有效能损失并且强烈地减少水蒸气循环中可用的能量，并且随后强烈地减少存储设备的往返总体效率（round trip overall efficiency）。

可能的解决方案是使用竖直的热存储单元，其中自然对流不起重大作用。竖直热存储部中的温度前沿事实上垂直于重力的方向。因此，温度前沿竖直地移动通过存储部并且在充能、空闲或放能期间，温度前沿维持不受自然对流影响。然而，竖直热存储单元的组装和安装决定了很多不便，例如，其由于其基础要求导致高成本，入口和出口连接更加复杂，并且可用于安装的高度也会是有限的。

因此，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

此需求可以由根据独立权利要求的主题被满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。

根据本发明的第一方面，提供包括充能回路的热能存储设备，其中第一工作流体在所述充能回路中循环，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第一工作流体的流，

- 电供能的加热装置，用于将热传递至第一工作流体，

- 蓄热器，用于存储第一工作流体的热能，所述蓄热器包括用于接收处于第一温度的第一工作流体的热端部，以及用于允许第一工作流体在低于第一温度的第二温度下离开蓄热器的冷端部，

其中蓄热器包括在热端部和冷端部之间串联连接的多个热存储单元。

第一流体输运机器从靠近热端部的第一热存储单元到靠近冷端部的最后的热存储单元引导输运流体通过每个热存储单元。第一流体输运机器、加热装置和蓄热器可以以闭式循环布置，使得第一工作流体在离开最后的热存储单元之后，通过加热装置并且再次进入第一热存储单元。有利地，这设置为，在最后的热存储单元上游的热存储单元可以被完全充能至期望的第一温度。当其被完全充能时，这导致热存储单元内侧均匀的温度分布，其阻止了自然对流现象。在上游的热存储单元的充能由从热端部流动至冷端部的第一工作流体完成后，仅最后的热存储单元包含第一至第二温度之间的温度梯度，因此自然对流影响被限制在此最后的热存储单元。

根据本发明的可能的实施例，蓄热器进一步包括插入在所述多个热存储单元的两个热存储单元之间的至少一个阀。

由于插入在热存储单元之间的所述阀，在空闲操作期间，即在充能和放能阶段之间，热存储单元可彼此断开以阻止由于自然对流引起的其间的质量流。特别地，质量流在包含温度梯度的那个热存储单元中生成。因此，根据本发明的有利实施例，阀被设置用于将最后的热存储单元与紧接（immediately）上游的热存储单元隔离。

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放能回路，其包括：

- 蓄热器，其也包括在充能回路中，

- 第二流体输运机器，用于生成放能回路中的第二工作流体的流，所述流从蓄热器的冷端部到热端部定向，

- 热循环，用于将来自第二工作流体的热能转换为机械功率。

特别地，热循环可以是水蒸气循环，其包括热机和蒸汽发生器，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的蒸汽。

根据本发明的蓄热器的使用提供了当使用存储在蓄热器中的热能用于在热机中生成电能功率时减小损失的有效方式，其例如可以包括在蒸汽涡轮发电机中。特别地，这允许更有效地管理从可再生能源生成的电功率。

根据本发明的另一可能的实施例，充能和放能回路的第一和第二工作流体分别是相同的。有利地，这允许在充能和放能期间待使用的蓄热器内侧的共同流动路径。

根据本发明的另一可能的实施例，蓄热器以这样的方式定向，使得第一工作流体沿着水平方向从热端部循环至冷端部。蓄热器的水平安装导致形成上述温度梯度。通过这样的安装，根据本发明的蓄热器的使用提供了减少由于自然对流导致的损失的有效方式。

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：

- 加热第一工作流体，

- 生成充能回路中的第一工作流体的流，用于从热端部到冷端部串联地对热存储单元充能，

- 在至少一个热存储单元已经被完全充能后停止第一工作流体的流动和加热。在此情况下一个热存储单元包含温度梯度。包含所述梯度的热存储单元可以是最后的热存储单元，即最靠近冷端部的一个热存储单元。替代地，中间充能状态是可能的，例如当风条件不允许存储部的完全充能时。在该情况下，不是最后的热存储单元包含温度梯度，而是例如中间的一个热存储单元包含温度梯度。

用于停止充能过程的准则要么是温度梯度已经移动到最后的存储单元中，要么是外侧条件（例如风或电价）对于充能存储部不再有益。

根据本发明的可能的实施例，所述方法进一步包括通过设置在热存储单元之间的阀将充能的热存储单元与其它热存储单元隔离的步骤。

根据本发明的可能的实施例，所述方法进一步包括通过设置在热存储单元之间的阀将热存储单元与其它热存储单元隔离的步骤。这允许，例如，在附图的实施例中，具有恒定的温度分布曲线（temperature profile）的最开始的两个热存储单元被允许彼此连通，但是与最后的热存储单元隔离。

根据本发明的另一可能的实施例，所述方法包括以下步骤：

- 在放能回路中生成从冷端部到热端部的第二工作流体的流，用于将热从热存储单元传递至第二工作流体，

- 在最靠近热端部的第一热存储单元的入口处的温度已经开始下降，即已经达到低于第一温度的温度之后，停止第二工作流体的流动和加热。

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（plant apparatus）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示例性实施例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一些部件，

图3至5示出了处于三个各自不同操作条件的图2的三个不同的版本，

图6示出了图1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，其包括充能回路100和放能回路200，其中，第一工作流体和第二工作流体分别地循环。

第一和第二工作流体可以特别地是相同的，例如二者均由热空气构成。根据其它可能的实施例，第一和第二工作流体可以是不同的气体或液体或蒸汽介质。

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中的第一工作流体的流，

- 电供能的加热装置120，用于将热传递至第一工作流体，

- 蓄热器130，用于存储第一工作流体的热能，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，以及用于允许第一工作流体在低于第一高温度T1的第二低温度T2下离开蓄热器130的冷端部132。

在附图中，第一流体输运机器110在蓄热器130的冷端部132的紧接下游。根据本发明的另一可能的实施例（未示出），第一流体输运机器110在蓄热器130的热端部131的紧接上游。

当第一工作流体是空气时，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或者来自电网，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。根据本发明的可能实施例，通常的值是Tl = 600 °C和T2 = 120 °C。在其它可能的实施例中，T2的值可以接近环境温度或者是300°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通常保持高于环境温度，以便减小加热装置120中用于将第一工作流体温度抬升至高温度T1所需的热负荷。

根据本发明的可能的实施例，蓄热器130以这样的方式定向，使得第一工作流体沿着水平方向从热端部131循环至冷端部132。在这样类型的设施中，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131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倾斜，特别是在空闲阶段期间。

放能回路200以闭式循环包括：

- 蓄热器130，

- 包括在热循环220中的换热器227，用于将来自第二工作流体的热能转换为机械功率，

- 第二流体输运机器210，用于生成放能回路200中的第二工作流体的流，其从蓄热器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的循环，并且其中换热器227是蒸汽发生器，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，用于将来自第二工作流体的热传递至热循环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，倘若通常其能够将来自放能回路200的热能转换为用于给发电机226供能的机械功率的话。

参考图2到5，蓄热器130包括在热端部131和冷端部132之间串联连接的多个热存储单元（在附图的非限制性实施例中为三个热存储单元135a、135b、135c）。参考图6，每个热存储单元135a、135b、135c分别包括从入口138a、138b、138c延伸至出口139a、139b、139c的壳体150a、150b、150c。每个壳体150a、150b、150c包含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。每个热存储单元135a、135b、135c配置用于与待用于充能回路100和用于放能回路的相同的工作流体一起工作。当充能回路100被操作时，工作流体（例如空气）从入口138a、138b、138c流动至出口139a、139b、139c，将热传递至存储元件160。当放能回路200被操作时，相同的工作流体从出口139a、139b、139c流动至入口138a、138b、138c，从存储元件160接收热。

根据本发明的其它可能的实施例，可以使用其它类型的热存储单元，特别是配置用于与两种工作流体（一种用于充能回路100，另一种用于放能回路200）一起使用。这可以通过以下实现，例如每个热存储单元135a、135b、135c设置有用于第一工作流体的第一入口和第一出口以及设置有用于第二工作流体的第二入口和第二出口。

蓄热器130进一步包括插入在各自成对的连续的热存储单元135a、135b、135c之间的一个或更多个阀（在附图的非限制性实施例中为两个阀137a、137b）。在附图的实施例中，第一阀137a放置在将第一（即最靠近热端部131的）热存储单元135a的出口139a、139b、139c与中间热存储单元135b的入口138a、138b、138c连接的管道上，而第二阀137b放置在将中间热存储单元135b的出口139a、139b、139c与最后的（即最靠近冷端部132的）热存储单元135c的入口138a、138b、138c连接的管道上。

根据本发明，在蓄热器130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：

- 通过充能循环100的加热装置120来加热第一工作流体，

- 使用第一流体输运机器110用于生成充能回路100中的第一工作流体的流，用于从热端部131到冷端部132串联地充能蓄热器130的热存储单元135a、135b、135c。在充能期间，温度前沿从第一热存储单元135a移动至最后的热存储单元135c（图3中示出了温度前沿在中间热存储单元135b中的中间操作状态），

- 在最后的热存储单元135c已被充能之后，即当温度前沿到达最后的热存储单元135c的出口139c（图4）并且冷端部132处的温度T2升高时，停止第一工作流体的流动和加热，

- 通过所述阀137a、137b将热存储单元135a、135b、135c彼此隔离。

在蓄热器130的充能已经完成后，在第一和中间热存储单元135a、135b中，从各自的入口138a、138b到各自的出口139a、139b，温度分布曲线是恒定的。这将阻止第一和中间热存储单元135a、135b中的自然对流的发生。此条件可以通过关闭热存储单元135a、135b、135c之间的阀137a、137b，特别是中间和最后的热存储单元135b、135c之间的第二阀137b来容易地维持。以这样的方式，可发生在最后的热存储单元135c中的自然对流将不会影响其它热存储单元135a、135b。

根据本发明的其它实施例，使用不同数量的热存储单元，例如两个或者多于三个的热存储单元，可以获得相同的结果。仅使用一个热存储单元不能获得相同的结果，因此在此情况下不可能将蓄热器130的具有恒定的温度分布曲线的部分与蓄热器130的包含温度前沿的部分隔离。

根据可能的替代实施例，在充能已被完成后仅第二阀137b被关闭，用于隔离仅最后的热存储单元135c，即包括温度前沿的热存储单元。参考附图的实施例，这使得具有恒定的温度分布曲线的第一和中间热存储单元135a、135b彼此连通，但是与最后的热存储单元135c隔离。

根据可能的替代实施例，中间充能状态是可能的，例如当风条件不允许存储部的完全充能时。在该情况下，不是最后的热存储单元135c包含温度梯度，而是例如中间热存储单元135b包含温度梯度。

根据本发明，在蓄热器130的放能期间，用于操作热能存储设备10的方法包括以下步骤：

- 打开阀137a、137b，

- 在放能回路200中生成从冷端部132到热端部131的第二工作流体的流，用于将热从热存储单元135a、135b、135c的存储元件160传递至第二工作流体，

- 在第一热存储单元135a的入口138a已经达到低于第一温度T1的温度后，停止第二流体输运机器210和第二工作流体的流动（图5）。

在换热器227中，从存储元件160接收的热然后从第二工作流体被传递至热循环220。

Claims

1.一种热能存储设备（10），包括充能回路（100），其中第一工作流体被循环，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）中的所述第一工作流体的流，

- 加热装置（120），用于将热传递至所述第一工作流体，

- 蓄热器（130），用于存储所述第一工作流体的热能，所述蓄热器（130）包括用于接收处于第一温度（T1）的所述第一工作流体的热端部（131）和用于允许所述第一工作流体在低于所述第一温度（T1）的第二温度（T2）下离开所述蓄热器（130）的冷端部（132），其中，所述蓄热器（130）包括在所述热端部（131）和所述冷端部（132）之间串联连接的多个热存储单元（135a、135b、135c）。

2.如权利要求1所述的热能存储设备（10），其中，所述蓄热器（130）进一步包括插入在所述多个热存储单元（135a、135b、135c）中的两个热存储单元（135a、135b、135c）之间的至少一个阀（137a、137b）。

3.如权利要求1或2所述的热能存储设备（10），进一步包括放能回路（200），所述放能回路（200）包括：

- 所述蓄热器（130），

- 第二流体输运机器（210），用于生成所述放能回路（200）中的第二工作流体的流，所述流从所述蓄热器（130）的所述冷端部（132）到所述热端部（131）定向，

- 包括在热循环（220）中的换热器（227），用于将热能从所述第二工作流体传递至所述热循环（220）的工作流体。

4.如权利要求1或2所述的热能存储设备（10），其中，所述热存储单元（135a、135b、135c）中的至少一个包括壳体（150a、150b、150c），用于多个具有高热容量的热存储元件（160）。

5.如权利要求4所述的热能存储设备（10），其中，所述热循环（220）是包括热机（225）的水-蒸气循环，并且所述换热器（227）是蒸汽发生器，用于将来自所述第二工作流体的热能传递至大量的水，以便生成待供应到所述热机（225）的蒸汽。

6.如权利要求4或5所述的热能存储设备（10），其中，所述第一和所述第二工作流体是相同的流体。

7.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。

8.如前述权利要求中任一项所述的热能存储设备（10），其中，所述蓄热器（130）以这样的方式定向，使得第一工作流体沿着水平方向从所述热端部（131）循环至所述冷端部（132）。

9.一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：

- 在所述加热装置（120）中加热所述第一工作流体，

- 通过所述第一流体输运机器（110）生成所述充能回路（100）中的所述第一工作流体的流，用于从所述热端部（131）到所述冷端部（132）串联地对所述热存储单元（135a、135b、135c）充能，

- 在至少一个热存储单元（135c）已经充能后停止所述第一工作流体的流动和加热。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括通过至少一个阀（137a、137b）将已充能的热存储单元（135c）与其它热存储单元（135a、135b）隔离的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其中，通过设置在所述热存储单元（135a、135b、135c）之间的至少一个阀（137a、137b），全部热存储单元（135a、135b、135c）彼此隔离。

12.如前述权利要求10或11中任一项所述的用于操作所述热能存储设备（10）的方法，所述方法包括以下步骤：

- 打开所述阀（137a、137b），

- 在所述放能回路（200）中生成从所述冷端部（132）到所述热端部（131）的所述第二工作流体的流，用于将热从所述热存储单元（135a、135b、135c）传递至所述第二工作流体，

- 在最靠近所述热端部（131）的热存储单元（135a）的入口（138a）已经达到低于所述第一温度（T1）的温度之后，停止所述第二工作流体的流动和加热。