CN114929998A - 热电站和用于在热电站中产生电力的方法 - Google Patents

热电站和用于在热电站中产生电力的方法 Download PDF

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Abstract

热电站和用于在热电站中产生电力的方法。本发明涉及一种热电站(1)，其包括：(a)至少一个热能存储装置(10)，所述至少一个热能存储装置(10)具有壳体(11)、在所述存储室(12)内部具有储热材料(13)的存储室(12)以及流体地连接到所述存储室(12)的流体入口端口(14)和流体地连接到所述存储室(12)的流体出口端口(16)；以及(b)布雷顿循环热力发动机(20)，所述布雷顿循环热力发动机(20)包括燃气涡轮机(21)、冷却器(23)和压缩机(24)，所述燃气涡轮机(21)、冷却器(23)和压缩机(24)借助于包含第二工作流体(B)的闭合循环(26)彼此连接，其中(c)所述布雷顿循环热力发动机(20)进一步包括被布置成用于根据布雷顿循环操作所述布雷顿循环热力发动机(20)的控制单元，(d)所述燃气涡轮机(21)借助于第一热交换器(25)和第一工作流体(A)热耦合到所述至少一个热能存储装置(10)，所述第一工作流体(A)不同于所述第二工作流体(B)，并且(e)所述燃气涡轮机(21)连接到发电机(30)以借助于来自所述热能存储装置(10)的热能产生电力。本发明进一步涉及一种用于在热电站(1)中产生电力的方法。

Description

热电站和用于在热电站中产生电力的方法
技术领域
本发明涉及一种热电站和一种用于在热电站中产生电力的方法。
背景技术
从现有技术已知其中郎肯循环蒸汽发动机与热能存储装置耦合的热电站。然而，这样的热电站的能量转换效率（roundtrip efficiency）受限，并且期望具有更大能量转换效率。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有更大能量转换效率的热电站。
此目的通过权利要求的主题来实现。特别地，所述目的通过一种根据权利要求1的热电站和一种根据权利要求14的用于产生电力的方法来实现。本发明的进一步细节从其他权利要求以及说明书和附图展开。从而，结合本发明的热电站描述的特征和细节适用于本发明的用于产生电力的方法，使得关于本发明的个别方面的公开内容，其是或可以相互参考。
根据本发明的第一方面，所述目的通过一种热电站来实现，所述热电站包括：(a)至少一个热能存储装置，所述至少一个热能存储装置具有壳体、在所述存储室内部具有储热材料的存储室以及流体地连接到所述存储室的流体入口端口和流体地连接到所述存储室的流体出口端口；以及(b) 布雷顿循环热力发动机，所述布雷顿循环热力发动机包括借助于包含第二工作流体的闭合循环彼此连接的燃气涡轮机、热交换器、冷却器和压缩机，其中(c) 所述布雷顿循环热力发动机进一步包括被布置成用于根据布雷顿循环操作所述布雷顿循环热力发动机的控制单元， (d) 所述燃气涡轮机热借助于第一热交换器和第一工作流体耦合到所述至少一个热能存储装置，所述第一工作流体不同于所述第二工作流体，并且(d) 所述燃气涡轮机连接到发电机以借助于来自所述热能存储装置的热能产生电力。
发明人已经发现，热能存储装置可以例如在比当前在郎肯蒸汽循环中使用的温度高的温度下存储和释放热。基于此，发明人已经发现，存储在热能存储装置中的热可以特别好地用于布雷顿循环热力发动机中。这是因为布雷顿循环可以在比郎肯蒸汽循环高得多的温度下操作，郎肯蒸汽循环限于大约T = 630至650℃的操作温度。事实上，布雷顿循环可以在高达T = 1000℃至1500℃的温度下操作。从而，在根据本发明的第一方面的热电站中实现更大能量转换效率。
借助于本发明，热能存储装置设置有经改进的放热循环以提高整体效率，因为已经发现，放热效率是整体效率的限制因素。
根据本发明，发电机借助于来自热能存储装置的热能产生电力。这意味着，来自热能存储装置的热能用于产生电力。然而，可以提供增加电力生产率的措施。例如，可以提供额外加热器（例如电加热器）来甚至比仅借助于热能存储装置可能的程度更进一步加热第一工作流体和/或第二工作流体。在这种情况下，借助于来自热能存储装置的热能并借助于进一步措施（诸如供应到额外加热器的额外能量）产生电力。
在本发明中，热能存储装置用于存储热、或者换句话说热能。在下文中，更详细介绍热能存储装置的优选设计。
优选地，热能存储装置可以是水平存储装置，其中主要流体流动方向沿水平方向。其包括用于接收第一工作流体（其可以例如是水、热或冷蒸汽、空气、氮气或氩气）的至少一个流体入口端口和用于喷射第一工作流体的至少一个流体出口端口。所述热能存储装置进一步包括优选地带有绝热件的壳体，其包括存储室，其中在所述壳体内部具有储热材料。
所述存储室可以基本上是空间、空腔、坑洞，或者如先前所述储热材料位于其中的壳体。在存储室内，发生工作流体与储热材料之间的热交换。为了提供高效热交换，热交换室优选地与周围环境绝热。绝热减少热能的损失。
为实现工作流体在存储装置内的经改善的分布，替代单个入口端口或单个出口端口，多个入口端口和/或多个出口端口可以布置在热能存储装置中。
热能存储装置的壳体可以基本上呈立方体或圆柱形形状。所述存储装置可以形成水平或竖直热交换室。术语“水平热交换室”暗示工作流体或传热流体通过室内部的水平主要（平均）流。水平主要流的流动方向实质上平行于地球的平均表面。水平方向实质上是对于影响传热流体的重力的方向而言的垂直方向。热交换流的水平取向的方向可以通过横向入口开口和/或横向出口开口来实现。水平热交换室可以在其侧部室边界中包括这些开口。
在一个第一操作模式、充热模式并且特别是充热循环中，热充热模式第一工作流体将经由流体入口端口提供。在通过热能存储装置并沿着储热材料通过并且从而加热这些储热材料之后，较冷充热模式第一工作流体经由流体出口端口排出。
在第二操作模式、放热模式并且特别是放热循环中，第一工作流体流的方向可以颠倒，使得冷的放热模式第一工作流体被供应到作为流体出口端口引入、现在充当流体入口端口的开口。在存储端的另一端（即，其热端）处，热的放热模式第一工作流体经由先前作为流体入口端口引入、因此现在充当流体出口端口的端口排出。
因此，在充热模式中，可以通过将热的充热模式第一工作流体（诸如热空气）供给到流体入口端口来为热能存储装置充注热能。热的充热模式第一工作流体将流过热能存储装置，并且从而加热储热材料。从而冷却的充热模式第一工作流体经由流体出口端口离开存储装置。在充热完成之后，储热装置可以停留在数小时或者甚至数天的停滞周期，直到需要所存储的热能，并通过将冷的放热模式第一工作流体（诸如空气）供给到流体入口端口或如之前所解释的那样以反向模式供给到先前作为流体出口端口提及的端口来泄放所存储的热能。在流过热能存储装置之后，经加热的放热模式第一工作流体经由先前作为流体入口端口提及的第二端口喷射。
优选地，绝热件可以包括至少一个、优选地至少两个绝热层。所述绝热层可以包括选自由以下组成的群组的至少一种绝热材料：陶瓷、混凝土、砖、蛭石、珍珠岩、硅酸钙、微孔绝热材料、火泥、烧结矿、石头、泡沫粘土、矿棉、矿物泡沫、矿物纤维、泡沫玻璃、箔（特别是塑料箔）以及具有填充的地面或沙子的土壤层。
从而，有利的是，绝热材料包括在300 kg/m3至1.500 kg/m3之间的密度、甚至更低密度也是可能的。绝热件的功能是防止到外部的热损失，并且防止工作流体在除入口/出口区段以外的位置处离开存储装置。
热能存储装置尤其适于高温下的操作。因此，在优选实施例中，操作模式的操作温度选自300℃和1500℃之间的范围、优选地选自500℃和1300℃之间的范围、更优选地选自600℃和1000℃之间、650℃至1000℃并且最优选地700℃和1000℃之间的范围。操作温度是热能存储装置中在热能存储装置的充热之后实现的最大温度。温度范围的偏差是可能的。在此上下文中，非常有利的是900℃的温度范围的上限，并且最优选地800℃的温度范围的上限。
优选地，热能存储装置是显热存储装置、潜热存储装置或热化学热存储装置。在显热存储装置中，诸如混凝土、沙子、石头、矿渣、钢元素或液体（例如熔盐）等储热材料可以用于存储热能。在潜热存储装置中，可以使用诸如金属、金属合金或硅等储热材料，其中相变用于存储热能。在热化学热存储装置中，能量经由吸热反应存储在热化学能存储材料中，而能量可以经由放热反应释放。
通常，储热材料可以包括沙子和/或石头。储热室可以包括多种不同储热材料。石头可以是天然石头或人造石头。其混合物也是可能的。人造石头可以由填充有储热材料的容器组成。优选地，石头包括砾石（卵石）、碎石和/或砂砾（裂石）。人造材料优选地包括熟料、陶瓷、钢或钢渣球团。石头可以特别是例如选自作为松散材料提供的砖、火山岩、花岗岩、玄武岩或陶瓷的群组。这也可以称为卵石床。
优选地，储热材料由岩浆岩（通常也称为火成岩）组成。岩浆岩可以例如是火山岩和/或深成岩。岩浆岩是由岩石熔体（岩浆）的冷却条件下凝固形成的岩石。岩浆岩是三大主要岩石群之一，还有沉积岩（沉积物）和变质岩。岩浆岩可以优选地不包含SiO2的任何晶状石英部分（模态0 %），因为这已经存在于大气压力和大约575℃下将改变其晶体结构。在热能存储装置中的相应较高温度下，这防止形成岩石的石英颗粒中的应力，并且因此防止出现非常细小的裂缝或碎片。
进一步优选地，储热材料在存储室内形成热交换通道的通道系统。热能存储装置可以形成于一种网状网络或嵌入到存储室中的热交换通道的通道系统内部，使得工作流体或传热流体通过热交换通道的热交换流引起储热元件与第一工作流体之间的热交换。热交换通道可以由储热材料（例如石头之间）的空隙（间隙）形成。另外或替代地，储热材料可以是多孔的。储热材料的开孔形成热交换通道。也可以通过提供延伸穿过储热材料的额外热交换通道（例如管道系统）来进行间接热交换。
此外，优选地，流体入口端口连接到热能存储装置的扩散器区段，和/或流体出口端口连接到热能存储装置的喷嘴区段。扩散器区段使第一工作流体均匀地分布到热存储装置中并降低第一工作流体的流动速度。喷嘴区段增加离开壳体中的热能存储装置的第一工作流体的流动速度和压力并将其转送到流体出口端口以便从热能存储装置喷射。
其中，优选地，扩散器区段和/或喷嘴区段可以由壳体形成。特别地，扩散器区段和/或喷嘴区段可以与壳体一体地形成。这允许第一工作流体在热能存储装置内部的最佳分布并且因此允许热电站的更大能量转换效率。
同样优选地，热能存储装置包括至少两个流体入口端口和/或至少两个流体出口端口。当然，全部流体入口端口可以流体地连接到存储室，并且全部流体出口端口可以流体地连接到存储室。热能存储装置还可以包括至少三个流体入口端口和/或至少三个流体出口端口。流体入口端口的数目可以等于或不同于流体出口端口的数目。热能存储装置处流体入口端口和/或流体出口端口的增加允许第一工作流体从其通过的流的更好分布，并且最终允许热电厂的能量转换效率的进一步增加。流体入口端口中的每一流体入口端口可以连接到热能存储装置的相同扩散器区段或热能存储装置的单独扩散器区段。同样，流体出口端口中的每一流体出口端口可以连接到热能存储装置的相同喷嘴区段或热能存储装置的单独喷嘴区段。（一个或多个）扩散器区段和/或（一个或多个）喷嘴区段可以由热能存储装置的壳体形成。
此外，可以规定，热能存储装置设置有至少一个电加热器。所述至少一个电加热器可以定位在热能存储装置之前和/或之后用于加热第一工作流体。所述至少一个电加热器可以进一步增加热电站的能量转换效率。
在本发明中，热电站的燃气涡轮机和发电机用于使用存储在热能存储装置中的热产生电力。在下文中，更详细介绍热电站的优选设计。
优选地，第一工作流体是空气，并且第二工作流体是CO2。已经发现CO2特别适于可存储在热能存储装置中的热的高温。空气具有足够导热性并且可以以低成本提供，使得具有高能量转换效率的具有成本效益的热电站可以结合作为第二工作流体的CO2操作。
进一步优选地，第二工作流体、特别是CO2在布雷顿循环中是跨临界或超临界的。当工作流体高于其临界点时，其是超临界的或者换句话说具有超临界状态。对于CO2，这意味着其高于其T = 30.980℃的临界温度并高于其p = 73.74巴的临界压力。在超临界工作流体中，并不存在不同液相和气相。借助超临界工作流体操作的布雷顿循环可以称为超临界布雷顿循环。当工作流体在其热力学循环中经历亚临界和超临界状态时，其是跨临界的。当工作流体保持在其临界温度以下、但是仍保持在液态并高于其沸点时，其处于亚临界状态。借助跨临界工作流体操作的布雷顿循环可以称为跨临界布雷顿循环。已经发现，这种第二工作流体特别适于可存储在热能存储装置中的热的高温。
进一步，优选地，控制单元被布置成控制布雷顿循环热力发动机，使得燃气涡轮机处的第二工作流体设置有至少T = 700℃、特别是至少T = 800℃并且此外特别是至少T =900℃的温度。在借助于布雷顿循环热力发动机成为可能的这些高温下，能量转换效率特别高。在此情况下，当使用CO2、特别是跨临界或超临界CO2作为第二工作流体时，特别优选地并且已经发现提供特别高能量转换效率。
特别优选地，布雷顿循环热力发动机进一步包括第二热交换器，所述第二热交换器在闭合循环中布置在涡轮机与冷却器之间以借助于通过燃气涡轮机之后的第二工作流体中的余热加热通过冷却器之后的第二工作流体。从而，第二工作流体的余热可以在通过冷却器之前借助于第二热交换器被高效冷却，并且经冷却的第二工作流体可以在进入第一热交换器和燃气涡轮机之前被预热，其中能量转换效率进一步增加。
进一步优选地，布雷顿循环热力发动机包括至少两个第二热交换器和所述至少一个压缩机中的至少两个压缩机，其中所述至少两个第二热交换器和所述至少两个压缩机被布置成使得通过冷却器之后的第二工作流体借助于所述至少两个压缩机中的一者交替地被压缩并借助于所述至少两个第二热交换器中的一者被加热。从而，甚至进一步增加能量转换效率。
此外，优选地，热电站进一步包括具有蒸汽涡轮机的郎肯循环热力发动机或者另一个布雷顿循环热力发动机，所述郎肯循环热力发动机或者另一个布雷顿循环热力发动机与布雷顿循环热力发动机热耦合，使得它们形成联合循环。通过使布雷顿循环热力发动机与郎肯循环热力发动机或另一个布雷顿循环热力发动机连接，可以进一步提高能量转换效率。
同样，优选地，所述至少一个热能存储装置连接到可再生能源。所述可再生能源可以是风力涡轮机、太阳能发电厂等等。从而，可再生能量可以作为热能存储在热能存储装置中，并稍后借助于布雷顿循环热力发动机作为电力高效获得。
根据本发明的第二方面，开头提及的目的通过一种用于在根据本发明的第一方面的热电站中产生电力的方法来实现，其中所述方法包括如下步骤： (a)以充热模式加热第一工作流体，使得获得经加热的充热模式第一工作流体；(b) 将经加热的充热模式第一工作流体输运到热能存储装置的流体入口端口，由此来自经加热的充热模式第一工作流体的热能传递到存储室的储热材料，使得热能存储在储热材料中；(c) 将放热模式的放热模式第一工作流体输运到热能存储装置的流体入口端口，由此来自存储室的储热材料的所存储的热能传递到放热模式第一工作流体，使得获得经加热的放热模式第一工作流体，其离开热能存储装置的流体出口端口，并且来自经加热的放热模式第一工作流体的热借助于第一热交换器传递到第二工作流体；以及(d) 借助于用第二工作流体驱动燃气涡轮机而在发电机中产生电力。
从而，至少根据本发明的第一方面的热电站的优点也通过根据本发明的第二方面的方法来实现。
优选地，第二工作流体根据布雷顿循环流过闭合循环。布雷顿循环包括压缩第二工作流体的第一步骤。这借助于至少一个压缩机实施并且是绝热过程。布雷顿循环进一步包括加热第二工作流体的第二步骤。这借助于第一热交换器实施并且是等压过程。此外，布雷顿循环包括膨胀第二工作流体的第三步骤。这借助于燃气涡轮机实施并且是绝热过程。最后，布雷顿循环包括排热的第四步骤。这借助于闭合循环中的冷却器实施并且是等压过程。
这四个步骤形成布雷顿循环，其中在第四步骤之后重复第一步骤，并且所有步骤都按其列举的次序重复。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节从以下描述展开，其中通过参考附图的图1至图2，详细描述本发明的实施例。从而，来自权利要求书的特征以及在说明书中提及的特征单独地或以任意组合的形式对本发明来说可能是非常重要的。在附图中，示意性地示出：
图1 示出了穿过可以在根据本发明的热电站中使用的热能存储装置的剖视图，并且
图2 示出了根据本发明的实施例的热电站的回路图。
具体实施方式
图1至图2中的相同对象用相同的附图标记表示。如果在所述图中的一者中存在多于一个相同种类的对象，则所述对象按升序编号，其中所述对象的升序编号与其附图标记由点隔开。图中的特征和部件的具体尺寸是示例性的，并且仅为了便于参考而可能被放大。
图1示出穿过可以在根据本发明的热电站1（参见图2）中使用的热能存储装置10的剖视图。
热能存储装置10包括壳体11，填充有储热材料13的存储室12位于壳体11中。第一工作流体A（参见图2）可以沿由箭头指示的方向进入壳体11的流体入口端口14。流体入口端口14连接到扩散器区段15。流体入口端口14和扩散器区段15由壳体11形成。进一步，第一工作流体A可以沿由另一个箭头指示的方向通过流体出口端口16离开壳体11。流体出口端口16连接到喷嘴区段17。流体出口端口16和喷嘴区段17由壳体11形成。
图2示出根据本发明的实施例的热电站1的回路图。
热电站1包括热能存储装置10和布雷顿循环热力发动机20，其借助于第一热交换器25彼此热耦合。
第一工作流体A流过从热能存储装置10吸收热的管道并且通过第一热交换器25，从而将热从热能存储装置10输运到第一热交换器25。为此目的，来自第一热交换器25的管道流体地连接到热能存储装置10的流体入口端口14，并且来自第一热交换器25的另一个管道流体地连接到热能存储装置10的流体出口端口16。在此特定实施例中，第一工作流体A可以例如是空气。
第二工作流体B在具有数个管道26.1、26.2、26.3、26.4、26.5、26.6、26.7、26.8、26.9、26.10的布雷顿循环热力发动机20的闭合循环26内流动并且通过第一热交换器25。从而，来自第一工作流体A的热与处于压缩状态的第二工作流体B交换，由此第二工作流体B变得被加热。在此特定实施例中，第二工作流体B是超临界CO2。对第二工作流体B的加热是布雷顿循环热力发动机20的闭合布雷顿循环内的第二步骤。
第二工作流体B借助于闭合循环26的管道26.1输运到布雷顿循环热力发动机20的燃气涡轮机21。在燃气涡轮机21中，处于压缩状态的第二工作流体B膨胀。这是闭合布雷顿循环内的第三步骤。燃气涡轮机21连接到发电机30，其中燃气涡轮机21通过使经压缩和经加热的第二工作流体B膨胀来驱动发电机30，发电机30又产生电力。
处于膨胀状态的第二工作流体B仍具有余热。因此，第二工作流体B借助于闭合循环26的管道26.2、26.3通过两个第二热交换器22.1、22.2。
在串联布置的两个第二热交换器22.1、22.2之后，第二工作流体B相对冷，并且在冷却器23中被进一步冷却，所述第二工作流体借助于管道26.4被传送到达冷却器23。这是布雷顿循环的第四步骤。
在布雷顿循环的第一步骤中，冷的第二工作流体B借助于布雷顿循环热力发动机20的串联布置的两个压缩机24.1、24.2被压缩。为此目的，管道26.5将冷却器23与压缩机24.1连接，并且管道26.7将第二热交换器22.2与压缩机24.2连接。从而，第二工作流体B在冷却器23之前和之后传送到不同的压缩机24.1、24.2，在所述压缩机中，第二工作流体被压缩。从而，第二工作流体B的相同压缩可以在两个压缩机24.1、24.2中的每一者中实现。
然而，在通过第一热交换器25之前，来源于来自压缩机24.1的管道26.6的第二工作流体B借助于第二热交换器22.2并借助于第二热交换器22.1被加热，并且来源于来自压缩机24.2的管道26.8的第二工作流体B借助于第二热交换器22.1被加热。从而，提供两阶段预热的类型。在布置在第二热交换器22.1、22.2之间的管道26.9中，来自不同压缩机24.1、24.2的第二工作流体B混合在一起。然后，经预热和经压缩的第二工作流体B通过管道26.10并到达第一热交换器25，在那里，第二工作流体B再次经历闭合布雷顿循环的第二步骤。

Claims (15)

1.一种热电站(1)，其包括：
(a)至少一个热能存储装置(10)，所述至少一个热能存储装置(10)具有壳体(11)、在存储室(12)内部具有储热材料(13)的存储室(12)以及流体地连接到所述存储室(12)的流体入口端口(14)和流体地连接到所述存储室(12)的流体出口端口(16)，以及
(b)布雷顿循环热力发动机(20)，所述布雷顿循环热力发动机(20)包括借助于包含第二工作流体(B)的闭合循环(26)彼此连接的燃气涡轮机(21)、冷却器(23)和压缩机(24)，
其中
(c)所述布雷顿循环热力发动机(20)进一步包括被布置成用于根据布雷顿循环操作所述布雷顿循环热力发动机(20)的控制单元，
(d)所述燃气涡轮机(21)借助于第一热交换器(25)和第一工作流体(A)热耦合到所述至少一个热能存储装置(10)，所述第一工作流体(A)不同于所述第二工作流体(B)，并且
(e)所述燃气涡轮机(21)连接到发电机(30)以借助于来自所述热能存储装置(10)的热能产生电力。
2.根据权利要求1所述的热电站(1)，
其特征在于，
所述流体入口端口(14)连接到所述热能存储装置(10)的扩散器区段(15)，和/或所述流体出口端口(16)连接到所述热能存储装置(10)的喷嘴区段(17)。
3.根据权利要求2所述的热电站(1)，
其特征在于，
所述扩散器区段(15)和/或所述喷嘴区段(17)由所述壳体(11)形成。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的热电站(1)，
其特征在于，
所述储热材料(13)由岩浆岩组成。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的热电站(1)，
其特征在于，
所述热能存储装置(10)包括至少两个流体入口端口(14)和/或至少两个流体出口端口(16)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的热电站(1)，
其特征在于，
所述热能存储装置(10)设置有至少一个电加热器。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的热电站(1)，
其特征在于，
所述第一工作流体(A)是空气，并且所述第二工作流体(B)是CO2。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的热电站(1)，
其特征在于，
所述第二工作流体(B)在所述布雷顿循环中是跨临界或超临界的。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的热电站(1)，
其特征在于，
所述控制单元被布置成控制所述布雷顿循环热力发动机(20)，使得所述燃气涡轮机(21)处的所述第二工作流体(B)设置有至少T = 700 °C的温度，其中所述第二工作流体(B)是CO2、特别是跨临界或超临界CO2。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的热电站(1)，
其特征在于，
所述布雷顿循环热力发动机(20)进一步包括第二热交换器(22)，所述第二热交换器(22)在所述闭合循环(26)中布置在所述涡轮机(21)与所述冷却器(23)之间以借助于通过所述燃气涡轮机(21)之后的所述第二工作流体(B)中的余热加热通过所述冷却器(23)之后的所述第二工作流体(B)。
11.根据权利要求10所述的热电站(1)，
其特征在于，
所述布雷顿循环热力发动机(20)包括至少两个第二热交换器(22)和所述至少一个压缩机(24)中的至少两个压缩机(24)，其中所述至少两个第二热交换器和所述至少两个压缩机被布置成使得通过所述冷却器(23)之后的所述第二工作流体(B)借助于所述至少两个压缩机(24)中的一者交替地被压缩并借助于所述至少两个第二热交换器(22)中的一者被加热。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的热电站(1)，
其特征在于，
所述热电站(1)进一步包括具有蒸汽涡轮机的郎肯循环热力发动机或者另一个布雷顿循环热力发动机(20)，所述郎肯循环热力发动机或者另一个布雷顿循环热力发动机与所述布雷顿循环热力发动机(20)热耦合，使得它们形成联合循环。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的热电站(1)，
其特征在于，
所述至少一个热能存储装置(10)连接到可再生能源。
14.一种用于在根据前述权利要求中的任一项所述的热电站(1)中产生电力的方法，其中所述方法包括如下步骤：
(a)以充热模式加热所述第一工作流体(A)，使得获得经加热的充热模式第一工作流体(A)，
(b) 将所述经加热的充热模式第一工作流体(A)输运到所述热能存储装置(10)的所述流体入口端口(14)，由此来自所述经加热的充热模式第一工作流体(A)的热能传递到所述存储室(12)的所述储热材料(13)，使得热能存储在所述储热材料(13)中，
(c) 将放热模式的放热模式第一工作流体(A)输运到所述热能存储装置(10)的所述流体入口端口(14)，由此来自所述存储室(12)的所述储热材料(13)的所存储的热能传递到所述放热模式第一工作流体(A)，使得获得经加热的放热模式第一工作流体(A)，其离开所述热能存储装置(10)的所述流体出口端口(16)，并且来自所述经加热的放热模式第一工作流体(A)的热借助于所述第一热交换器(25)传递到所述第二工作流体(B)，以及
(d) 借助于用所述第二工作流体(B)驱动所述燃气涡轮机(21)而在所述发电机(30)中产生电力。
15.根据权利要求14所述的用于在所述热电站(1)中产生电力的方法，
其特征在于，
所述第二工作流体(B)根据所述布雷顿循环流过闭合循环(26)。
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US4727930A (en) * 1981-08-17 1988-03-01 The Board Of Regents Of The University Of Washington Heat transfer and storage system
US5634339A (en) * 1995-06-30 1997-06-03 Ralph H. Lewis Non-polluting, open brayton cycle automotive power unit
ES2710711T3 (es) * 2014-01-31 2019-04-26 Siemens Gamesa Renewable Energy As Almacenamiento de energía térmica con convección natural interna reducida
US9500185B2 (en) * 2014-08-15 2016-11-22 King Fahd University Of Petroleum And Minerals System and method using solar thermal energy for power, cogeneration and/or poly-generation using supercritical brayton cycles

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