CN110337576A - 用于控制能量流的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于控制能量流以通过中间能量存储单元(3)连接电力分配网络(1)与热分配网络(2)的工作的方法和对应系统。根据本发明，所述电力分配网络(1)的功率平衡和电流和电压特性通过将通过所述电力分配网络的调整而提供的损失以热形式提供给能量存储单元(3)而被调整，以及根据所述热分配网络的热需求，热从能量存储单元被提取给所述热分配网络(2)。

Description

用于控制能量流的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于控制能量流的方法和系统以通过中间能量存储单元的方式连接电力分配网络和热分配网络的工作。
背景技术
在电力分配网络中，电力的产生和消耗必须时刻保持恒定，由此电力分配网络的频率和电压能够保持平衡。通过自动和操作员激活储备的方式来平衡产生和消耗。所述储备可以是频率控制储备、频率恢复储备或更换储备。可再生能量产生增长增加了关于电力分配网络的工作可靠性的问题，因为可再生能量的产生可以随时间波动较大。较小的可再生能量产生单元也可能导致中断次数提高到非常显著的程度，这容易导致电力质量的损害。
此外，现有技术中已知在各种工业应用和操作情形(例如电压骤降、储备功率)中存储电能以提升网络的工作和功能可靠性。例如，热能可以被存储为潜伏热(即，所吸收的热)。基于潜伏热的存储单元使用在相变过程中释放或吸收的能量。
热分配网络被用于社区中的供热建筑以及用于各种其他供热需求。所述热分配网络可以例如是区域供热网络。热通过在区域供热网络中的热水循环的方式传递。通常通过发电厂或分立供热中心中的组合的热和功率产生来提供区域供热。管道传输损耗和由于在最大负荷下的供热功率不足会导致区域供热中一些问题，由此一般必须通过更昂贵的结构和较大程度污染环境的燃料来产生所需的额外的供热功率。
本发明的目的是解决或至少减小上述缺陷。具体地，本发明的目的是连接电力分配网络或热分配网络的工作并优化产生的益处。本发明的还一个目的是公开一种方法和对应系统，其结合电力分配网络和热分配网络实现对可再生形式的电能产生(例如，风能和太阳能)的全面利用而不管其高且难以预测的甚至瞬时的功率波动。
发明内容
本发明涉及用于控制能量流以通过中间能量存储单元连接电力分配网络和热分配网络的工作的方法。根据本发明，所述电力分配网络的功率平衡和电流和电压特性可通过将所述电力分配网络的调整而得到的损失和剩余能量通过以热的形式向能量存储单元提供而被调整，以及根据所述热分配网络的热需求，热从能量存储单元被提取到所述热分配网络。
在一个实施方式中，在能量存储单元中使用的能量吸收和存储材料是在能量存储单元的最高和最低工作温度之间具有相变温度的物质。因此，能量存储单元的存储容量能够与其尺寸的比例相对高，因为已知的是相变过程吸收和释放的能量比仅仅温度上升或下降几度要多得多。在一个实施方式中，在能量存储单元中使用的相变是从固态到液态以及从液态到固态。这种方式，能量存储单元能够更简单，因为其工作可以在标准大气压执行。在一个实施方式中，在能量存储单元中使用的相变在水与冰之间进行。在一个实施方式中，在能量存储单元中使用的相变是从液态到气态。
在一个实施方式中，有利的是，所述能量存储单元是盐存储单元，其中温度范围在90-450℃。因此，针对要被使用的盐的最重要的选择标准是其价格和其相变温度低。
在一个实施方式中，有利的是，所述能量存储单元是水存储单元，其中温度范围是-5–150℃。在一个实施方式中，在水存储单元中也应用相变过程。在一个实施方式中，在水存储单元中使用的相变是从固态到液态以及从液态到固态，例如在冰和水之间。在一个实施方式中，在水存储单元中使用的相变是从液态到气态，例如从水到水蒸气。在一个实施方式中，所述水存储单元是分层的水存储单元，其底部是冷液，顶部是热液。
在一个实施方式中，根据本发明的方法旨在主要在相对短的充能周期和放能周期中使用。由此，所述能量存储单元的一次充能的存储时间是1–120h。在这种情况下，根据本发明的方法可以用于例如白天存储太阳能以及晚上使用太阳能，在有风的时间存储能量以及在无风的时间使用能量，在其他日常产能高峰存储以及在消耗高峰使用，以及在热分配网络故障存储能量以及在维护状态用作临时热源。
在一个实施方式中，根据本发明的方法用在较长充能周期和放能周期。在这种情况中，所述能量存储单元的一次充能的存储时间可以以小时或天计。
在根据本发明的方法中，通过电力分配网络的调整而提供的损失或得到的过剩的能量被直接提供给能量存储单元内的电阻器。还可能的是，通过调整提供的损失和得到的能量被提供给液舱，从中生成的热通过液体回路和合适的热交换器被传递给能量存储单元。
此外，本发明涉及用于控制能量流以通过中间能量存储单元连接电力分配网络和热分配网络的工作的系统。根据本发明，所述能量存储单元是水存储单元或应用相变过程存储能量的大容量存储单元，所述控制系统包括用于维持电力分配网络的最优工况的调整装置，用于将电力分配网络的调整所释放的能量提供给能量存储单元的供能装置，以及在能量存储单元与热分配网络之间的热交换器回路，其具有基于热分配网络的热需求而以受控的方式将热能提供给热分配网络的控制装置(controls)。
优选地，所述大容量存储单元是盐存储单元，其在盐受热并熔化时吸收热量，以及在其冷却并凝固时释放热量。尤其优选地，要被使用的盐是硝酸钠NaNO3或硝酸钾KNO3或它们合适的混合物。虽然其他盐也可以被使用，但是上述的是很合适的，因为它们的熔化温度相对低，对于NaNO3大约307℃，对于KNO3大约334℃，由此避免能量存储单元中的高温。这些盐的合适的混合物还可以具有甚至更低的熔化温度。这也降低所述存储单元的热损失。此外，所述的盐的购买价格相对低，且它们是无毒的且仅对环境有轻微的损害。由于大多数能量在相变温度被吸收到盐中，根本不需要使用比在能量存储单元中使用的盐的相变温度高得多的温度。因此，所述大容量存储单元的工作温度范围优选的是90-450℃，即，最低温度处于所述热分配网络温度范围中且最高温度稍微高于所使用的盐的相变温度。
优选地，在所述水存储单元中被存储的能量吸收材料是水或含水组合物，其包含至少50％体积的水，优选超过70％体积的水，更优选超过90％体积的水。在一个实施方式中，在水存储单元中被存储的吸收材料是水，优选地是基本上纯净的水。
尺寸(即，所使用的能量存储单元的热容量)可以根据目标应用的需求来选择。存在多种应用，某些应用可以有峰值能量需求是仅小时的量级，而另一方面系统也可以用于满足数天的另外能量需求。同样地，所述系统可以被配置成从太阳能电池或风电站或从网络调整的损失中吸收甚至更简短的能量流。因此，根据本发明的能量存储使用的存储时间或使用时间在不同的实施方式中可以差异很大，例如，在1-120h之间，以及可以甚至更小。
在本发明的一个实施方式中，所述供能装置包括液舱，其被设置有与所述电力分配网络交流(in communication)的电阻器，从过剩电力产生的热被传递到该电阻器。此外，存在液体回路，其被设置有泵，用于将热从所述液舱传递到所述能量存储单元。
在本发明的一个实施方式中，所述能量存储单元被设置有热交换器，液体通过该热交换器从液舱循环并将热传递到所述能量存储单元。
在一个实施方式中，所述热交换器回路包括所述能量存储单元中的第一热交换器以及所述热分配网络中的第二热交换器。这提供了封闭液体回路，其不与能量存储单元的材料(例如，基于水的材料或相变物质)直接交流，也不与热分配网络中循环的液体(其通常是温度大约在120℃的加压水)直接交流。
在本发明的一个实施方式中，所述能量存储单元包括仅一个热交换器，其连接到用于将能量提供给能量存储单元的所述供能装置，以及连接到用于以受控方式将热能提供给热分配网络的所述热交换器回路。因此，使用合适的阀控制和使用合适的泵，可以在所述液舱、所述能量存储单元和所述热分配网络之间传递热。
在本发明中使用的所述热分配网络可以是供应城市、城市区域或特定住宅区的区域供热网络。但是，本发明的概念也适用于更小单元，例如大型地产或城市街区，例如超市和购物中心。
在本发明的实施方式中，所述能量存储单元是分布式的，即，至少两个分立的能量存储单元被用于彼此间隔一定距离与同一个热分配网络进行热传递交流。因此，可以局部处理峰值热负荷，甚至在热分配网络达到极限时。这可减少峰值负荷期间的热损失并确保热被分配到不同类型的故障情形的供热网络的不同部分。
在本发明的一个实施方式中，所述能量存储单元被设置有在能量存储单元的材料间的至少一个电阻器，其用于将通过电力分配网络调整而释放的电能直接提供给所述能量存储单元。在一个实施方式中，与所述能量存储单元结合，具有热交换器回路，其包括至少一个热交换器，液体通过该热交换器循环以将热传递到所述热分配网络。在一个实施方式中，所述热交换器回路包括在能量存储单元中的第一热交换器和在热分配网络中的第二热交换器，以及在第一热交换器与第二热交换器之间的液体回路。这提供了封闭液体回路，其不与所述能量存储单元的材料(例如，基于水的材料或相变物质)直接交流，也不与所述热分配网络中循环的液体(其通常是温度在大约120℃的加压水)直接交流。在一个实施方式中，所述热交换器回路包括热分配网络中的一个热交换器，以及能量存储单元的材料(例如，水)从能量存储单元循环到所述热交换器以将热传递到所述热分配网络。优选地，对所述电阻器的供电通过功率电子设备而被实施。
在本发明的一个实施方式中，所述能量存储单元被设置有在盐中的电阻器，其用于将通过电力分配网络的调整而释放的电能直接提供给所述能量存储单元。虽然这可以是仅用于熔化盐的方法，优选地，所述电阻器仅用作例如在液体循环故障情形下或在维护所述液体回路期间的备选方法。优选地，对所述电阻器供电通过功率电子设备而被实施。
还可能的是，通过从热分配网络将能量存储单元充能到某热量水平来将所述能量存储单元用作热负荷。因此，例如在冷能量存储单元(例如水或盐存储单元)启动期间，如果在热分配网络中有过剩容量，则通过从该热分配网络提取该热量，从相对于正常方向而被上流引导的能量流能够用于在使用从电网得到的能量将水或盐加热并熔化之前首先将该水或盐加热到大约120℃。
在一个实施方式中，在所述能量存储单元中，例如盐或水存储单元中，可能的是通过从用作液体的水进行液体循环的方式形成蒸汽，且得到的蒸汽可以用于期望的应用。在一个实施方式中，所述能量存储单元被设置有水回路，其使用所述能量存储单元的热量来从水形成蒸汽，该蒸汽可以用于期望的应用。
在本发明的一个实施方式中，所述能量存储单元是可移动的、拆卸的单元。其可以是可更换容器、卡车或拖车。因此，其是可更换并可连接到能量消耗地点附近的热分配网络。因此，在不同类型的中断和维护情形中，当热分配网络的部分与该网络的其他部分断开连接时，可以保证整个网络的无中断工作，这目前通过产生烟和噪声的柴油发电机来完成。在一个实施方式中，根据本发明的控制系统被提供在可更换容器中，例如海运集装箱等，以形成能量流控制单元。因此，所述控制单元可以位于热消耗地点附近或与其连接，例如与大型地产或城市街区连接。
本发明基于这样的概念：通过中间能量存储单元连接电力分配网络和热分配网络的工作，由此改善对所述电力分配网络的控制，以及通过调整所述电力分配网络而释放的能量可被存储，并在需要时被用在所述热分配网络中。
根据本发明的系统和对应方法与现有技术相比提供相当大的优点。由于本发明，可以改善对所述电力分配网络的控制。本发明允许将所述存储单元使用的电功率用于电网或所述电力分配网络中的频率控制。而且，通过本发明可以在所述电力分配网络故障情形中提供综合惯性。此外，可以补偿无功功率，以及可在本地改善电力特性。在所述热分配网络中，可以降低损耗，因为可以在消耗地点附近产生热量。所述区域供热网络可以被设置有储备源，其是可调整的、无需维护且由于其小尺寸是可移动的。所述存储材料对环境无害。所述存储单元可以自由地位于所述热分配网络中或所述热消耗地点附近。例如，所述存储单元可以围绕所述区域供热网络分布，由此增加区域供热的工作可靠性，且所述存储单元可提供用于针对区域供热系统产生热的工厂的冗余性。当热被释放到所述热分配网络或所述热消耗地点时，所述存储单元可被自由调整。所述存储单元可以被配置成在电网的调整中用作一群组。因此，一些小存储单元可以构建成大的单元以用于市场。所述系统的稳定性和无污染的特征属性还提供了进一步的益处。不管充能或放能次数或使用如何，能量存储容量不变而是保持相同。
附图说明
图1代表根据本发明的用于控制能量的一系统。
图2代表根据本发明的用于控制能量的另一系统。
具体实施方式
现在将参照代表根据本发明的一些系统的示意性图的附图1和2来详细描述根据本发明的方法和系统。
如图1所示，在根据本发明的用于控制能量的一个系统中，在电力分配网络1和热分配网络2之间提供用作能量存储单元3的大容量存储单元，其在该实施方式中是盐存储单元。该盐优选地是硝酸钠NaNO3或硝酸钾KNO3或它们的混合物。因此，能够增加所述热存储单元的能量容量，因为可以应用所述盐在固态和液态之间的相变，这已知是会吸收或释放很大能量的。
在根据本发明的系统中，通过合适的调整装置4(其包括变压器18和整流器19)来执行对所述电力分配网络1的调整和控制，由此所有过剩的电力被恢复。在所述网络中执行的这些操作包括至少功率调整(即，使用过剩功率)、电压调整、频率调整、以及无功功率调整或补偿。在所述系统中提供的用于将得到的功率提供给能量存储单元3的供能装置5包括液舱8，其包括电阻器7，通过调整得到的电功率被提供给该电阻器7。还可能的是，直接在所述能量存储单元3中放置另一电阻器，由此在某些情形中，所得到的能量被直接提供给所述能量存储单元3。
从所述液舱8开始，提供液体回路10，通过该回路，热能可选地从液舱8被传递到能量存储单元3和/或热分配网络2。出于该热传递的目的，所述液体回路10包括在能量存储单元3中的第一热交换器11，以及与所述热分配网络2交流的第二热交换器12。此外，所述液体回路10设置有泵9，其用于在热交换器之间泵送来自液舱8的液体。所述泵在变压器18和整流器19之间获取其工作能量。
从所述泵9开始，导管20经由阀14延伸到所述能量存储单元3的第一热交换器11，由此导管21通到阀16，经过阀16通过导管22液体能够从所述能量存储单元3返回到所述液舱8。由此，热从所述液舱8可以被传递到所述能量存储单元3。如果能量将通过泵9直接被传递到所述热分配网络2，则将关闭阀14，由此导管10通向阀13，由此导管23延伸到第二热交换器12并进一步到导管24，其经由阀17打开进入导管22并回到液舱8。由此，从液舱8的热液体(例如，水)将热能直接传递到所述热分配网络2。
当来自所述能量存储单元3的热被传递到所述热分配网络2时，所述液体回路如下。液体从泵9开始循环，其经由阀14至导管20并通过热交换器11到导管21。从这里，阀16关闭且阀15打开，所述回路经由导管23进入到与热分配网络交流的热交换器12。从这里，所述液体经由导管24、阀17和导管22返回到所述液舱8。
如图2所示，在根据本发明的用于控制能量的一个系统中，在电力分配网络1与热分配网络2之间提供用作能量存储单元3的水存储单元。该水存储单元的材料是水。
在根据本发明的该系统中，通过合适的调整装置4(其包括变压器18和整流器19)来执行电力分配网络1的调整和控制，由此所有过剩的电力被恢复。在该网络中执行的这些操作包括至少功率调整(即，使用过剩功率)、电压调整、频率调整以及无功功率调整或补偿。在该系统中，所述能量存储单元3被设置有电阻器7，通过所述调整得到的电功率被提供给该电阻器7。所述电阻器7用作供能装置5，其用于将通过所述调整释放的能量提供给所述能量存储单元。
在能量存储单元3与热分配网络2之间设置有热交换器回路28，其具有用于将热能提供给所述热分配网络的控制装置。从所述能量存储单元3开始，提供有液体回路25，通过该回路25，来自能量存储单元3的热能可以被传递到热分配网络2。出于该热传递的目的，所述液体回路25包括与热分配网络2交流的热交换器26。可替换地，所述热交换器回路28可以包括能量存储单元3中的第一热交换器和与所述热分配网络2交流的第二热交换器，以及在它们之间的封闭液体回路。此外，图2的液体回路25被设置有泵27，其用于将液体从能量存储单元3泵送到在热分配网络中提供的热交换器26。所述泵在变压器18和整流器19之间获取其工作能量。由此，来自能量存储单元3的水或可替换地在液体回路25中提供的液体将热能直接传递到所述热分配网络2。
以上参照附图通过示例的方式描述本发明，但是在权利要求限定的范围内，本发明的各种实施方式均是可行的。

Claims (28)

1.一种用于控制能量流以通过中间能量存储单元(3)连接电力分配网络(1)与热分配网络(2)的工作的方法，其特征在于，所述电力分配网络(1)的功率平衡和电流和电压特性通过将通过所述电力分配网络的调整而提供的损失以热的形式提供给所述能量存储单元(3)而被调整，以及所述热根据所述热分配网络的热需求而被从所述能量存储单元被提取到所述热分配网络(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述能量存储单元(3)中使用的能量存储材料是具有在所述能量存储单元的最高工作温度和最低工作温度之间的相变温度的物质。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述能量存储单元中使用的所述相变是从固态到液态以及从液态到固态。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述能量存储单元是温度范围在90-450℃的盐存储单元。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述能量存储单元是水存储单元。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述能量存储单元的一次充能的存储时间是1-120小时。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，通过所述电力分配网络的调整而被提供的所述损失被直接提供给所述能量存储单元(3)内的电阻器。
8.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，通过所述电力分配网络的调整而被提供的所述损失被提供给液舱(8)，从所述液舱(8)生成的热通过液体回路被传递到所述能量存储单元(3)。
9.一种用于控制能量流以通过中间能量存储单元(3)连接电力分配网络(1)与热分配网络(2)的工作的系统，其特征在于，
-所述能量存储单元(3)是应用相变过程以存储能量的水存储单元或大容量存储单元，
-该控制系统包括调整装置(4)，用于维持所述电力分配网络的最佳工况，
-供能装置(5)，用于将通过所述调整释放的能量提供给所述能量存储单元，以及
-在所述能量存储单元与所述热分配网络之间的热交换器回路(6,28)，其具有用于以受控方式将热能提供给所述热分配网络(2)的控制装置。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述能量存储单元(3)是盐存储单元。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述盐是硝酸钠NaNO3或硝酸钾KNO3或它们的混合物。
12.根据权利要求9至11中任意一项所述的系统，其特征在于，所述大容量存储单元的工作温度范围是90-450℃。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述能量存储单元(3)是水存储单元。
14.根据权利要求9至13中任意一项所述的系统，其特征在于，所述能量存储单元(3)的存储时间是1至120小时。
15.根据权利要求9至14中任意一项所述的系统，其特征在于，所述供能装置(5)包括被设置有与所述电力分配网络(1)交流的电阻器(7)的液舱(8)，以及被设置有在所述液舱与所述能量存储单元之间的泵(9)的液体回路(10)。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述能量存储单元(3)被设置有第一热交换器(11)，来自所述液舱(8)的液体通过该第一热交换器(11)循环并传递所述热至所述能量存储单元。
17.根据权利要求9至15中任意一项所述的系统，其特征在于，所述热交换器回路(6)包括在所述能量存储单元(3)中的第一热交换器(11)和在所述热分配网络(2)中的第二热交换器(12)。
18.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述能量存储单元(3)包括仅一个热交换器(11)，其连接到用于将能量提供至所述能量存储单元的所述供能装置(5)以及连接到用于以受控方式将热能提供至所述热分配网络(2)的所述热交换器回路(6)。
19.根据权利要15至18中任意一项所述的系统，其特征在于，所述泵(9)被配置成通过所述液舱(8)、所述能量存储单元(3)以及所述热分配网络(2)间的阀(13,14,15,16,17)以受控方式循环液体。
20.根据权利要求9至19中任意一项所述的系统，其特征在于，所述热分配网络(2)是区域供热网络。
21.根据权利要求9至20中任意一项所述的系统，其特征在于，所述系统包括至少两个能量存储单元(3)，其彼此相隔一距离而与所述热分配网络(2)热传递交流。
22.根据权利要求9至14中任意一项所述的系统，其特征在于，所述能量存储单元(3)包括作为所述供能装置(5)的电阻器(7)，其用于将通过所述电力分配网络的调整释放的电能直接提供至所述能量存储单元。
23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，所述热交换器回路(28)包括在所述能量存储单元(3)中的第一热交换器和在所述热分配网络(2)中的用于以受控方式将热能从所述能量存储单元(3)提供至所述热分配网络(2)的第二热交换器(26)。
24.根据权利要求22或23所述的系统，其特征在于，所述热交换器回路(28)包括仅一个热交换器(26)，所述热能通过该热交换器(26)以受控方式从所述能量存储单元(3)被提供至所述热分配网络(2)。
25.根据权利要求9至24中任意一项所述的系统，其特征在于，所述电阻器(7)的供电通过功率电子设备而被实施，所述功率电子设备例如是半导体闸流管、变频器或IGBT。
26.根据权利要求9至25中任意一项所述的系统，其特征在于，通过从所述热分配网络(2)将所述能量存储单元(3)充能至一热量水平，所述能量存储单元(3)被用作热负荷。
27.根据权利要求9至26中任意一项所述的系统，其特征在于，所述能量存储单元被设置有水回路，其用于通过所述能量存储单元的热从水形成蒸汽。
28.根据权利要求9至27中任意一项所述的系统，其特征在于，所述能量存储单元是可移动、拆卸单元，其是可更换的且可连接至能量消耗地点附近的所述热分配网络，例如在故障情形中连接到所述热分配网络中由于故障断开连接的部分。
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