CN116529461A - 用于能量存储的设备和过程以及用于控制用于能量存储的过程中的热载体的方法 - Google Patents

用于能量存储的设备和过程以及用于控制用于能量存储的过程中的热载体的方法 Download PDF

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CN116529461A CN202180074623.1A CN202180074623A CN116529461A CN 116529461 A CN116529461 A CN 116529461A CN 202180074623 A CN202180074623 A CN 202180074623A CN 116529461 A CN116529461 A CN 116529461A
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克劳迪奥·斯帕达奇尼
达里奥·里齐
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Abstract

一种用于能量存储的过程，该过程包括执行循环热力学转换(CTT)，其中，在充注阶段，工作流体(WF)的冷凝借助于由热载体(TV)进行的热吸收来执行，以便存储处于液相或超临界相的工作流体(WF)；其中，在排放阶段，工作流体(WF)的蒸发从液相或超临界相开始并通过传递来自热载体(TV)的热来执行；其中，设置的是，主动调节与冷凝和/或蒸发相关的工作流体(WF)的至少一个参数，以便控制热载体(TV)的至少一个温度并且在没有循环热力学转换(CTT)外部的系统的帮助的情况下将所述至少一个温度与环境温度(T环境)分离。

Description

用于能量存储的设备和过程以及用于控制用于能量存储的过 程中的热载体的方法
技术领域
本发明的目的是用于能量存储的设备和过程。更准确地说，本发明的目的是下述系统：该系统能够例如在存在过剩的可用性和/或稀缺的消耗性时从电网和/或从系统中吸收/使用机械能/电能、能够随着时间推移保持所存储的能量并且能够将所存储的能量转换成机械能/电能并且在请求所述机械能/电能时将所存储的能量重新引入网络和/或引入系统。特别地，本发明涉及用于控制用于能量存储的设备中和/或过程中的热载体的方法。
背景技术
一个这种类型的系统例如在代表同一申请人的公开文件WO 2020/039416中示出，其图出了用于能量存储的过程和设备。WO 2020/039416的设备包括：壳体，该壳体用于存储不同于大气空气的处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体；容器，该容器用于存储具有接近临界温度的温度、处于液相或超临界相的这样的工作流体，其中临界温度接近环境温度。该设备配置成在壳体与容器之间首先以充注配置沿一个方向并且然后以排放配置沿相反的方向执行闭合式循环热力学转换。在充注配置中，设备积聚热和压力，而在排放配置中产生能量。
定义
在本说明书和所附权利要求书中，将参照以下定义。
·热力学循环(TC)：从点X至点Y的热力学转换，其中，X与Y重合；与下面提到的CTT(热力学循环转换)不同，TC在循环内没有质量积聚(对于能量目的而言意义重大)，而CTT通常在工作流体的两个存储器之间工作，一个存储器是初始的并且另一存储器是最终的；
·热力学循环转换(CTT)：从点X至点Y以及从点Y至点X的热力学转换，不一定通过相同的中间点；
·闭合式TC和/或CTT：与大气没有质量交换(对于能量目的而言意义重大)；
·开放式TC和/或CTT：与大气有质量交换(对于能量目的而言意义重大)。
发明内容
对于WO 2020/039416中描述的类型的系统，申请人已经观察到，由于操作循环热力学转换(CTT)的设备的机器的性能和循环的“热”性能，在环境中总是存在待处理的热。例如，假设循环效率(RTE)为80％，则有20％的能量必须释放到环境中。
能够与环境交换热的需求来自于决定循环热力学转换(CTT)的存储阶段的温度水平(并且因此压力水平)的能力，即在该温度并因此在压力下积聚处于液态的工作流体的质量。例如，对于系统的尺寸，相对低的压力是优选的，因为它们允许限制容器、管道等的厚度，并且简化了机器，并且这转化为显著降低设备实现成本。
申请人已经观察到，要耗散的热的一部分可以被容易地处理掉，因为它是在平均温度下产生的，例如机械和电损耗，这些损耗被传递到润滑油或冷却空气中，并且由于它们的温度通常高于环境温度，这些损耗容易在环境中被处理掉。
申请人还观察到，要处理的上述热的一部分反而接近环境温度，并且更难以处理掉。事实上，在CTT系统中，如果热具有高于环境温度/源温度的温度，则热可以在过程的特定点处离开，而如果热不具有高于环境温度/源温度的温度，则热可以进入。
为了允许在入口或出口处与环境交换热，而与环境温度无关，即为了将CTT系统的操作与环境温度分离，已知通过相对于循环热力学转换(CTT)在外部的装置比如热泵或冷冻机来产生处于高于或低于环境温度的温度下的人工源。例如在WO 2020/039416中示出了这种已知的解决方案类型，该解决方案类型在图9中示出为被次级流体或热载体(用于冷凝和用于蒸发)横穿的次级回路操作性地连接至辅助制冷器。
然而，申请人已经观察到，相对于CTT在外部的装置比如附加的热泵的使用使得设备更复杂并因此更昂贵且可靠性更低。
申请人还观察到，外部装置的使用使系统的整体性能降低。
因此，申请人设定了在没有循环热力学转换(CTT)本身外部的系统/装置的帮助的情况下，通过将用于冷凝和蒸发的热载体的温度与环境温度分离而能够自由选择/设定在循环热力学转换(CTT)中使用的工作流体的冷凝和/或蒸发压力的目的。
特别地，申请人已经发现，可以通过主动调节工作流体的参数来控制热载体的温度并且可以将热载体的所述温度与环境温度分离。
特别地，上述目的和其他目的基本上通过所附权利要求中要求保护的和/或在以下方面中描述的类型的用于能量存储的设备和过程来实现。
在独立方面，本发明涉及一种用于能量存储的过程，该过程包括：
在壳体与容器之间首先以充注配置/阶段沿一个方向并且然后以排放配置/阶段沿相反的方向来执行闭合式循环热力学转换，该壳体用于存储不同于大气空气的、处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体，该容器用于存储处于液相或超临界相的所述工作流体；其中，该过程在充注阶段积聚热和呈压力的形式的势能，并且在排放阶段产生能量；
其中，在充注阶段，工作流体的冷凝借助于在作为冷却器/冷凝器工作的冷凝器/蒸发器中执行的由热载体进行的热吸收(以及传递来自工作流体的热)来执行，以便存储处于液相或超临界相的所述工作流体；
其中，在排放阶段，所述工作流体的蒸发从液相或超临界相开始并通过在作为加热器/蒸发器工作的所述冷凝器/蒸发器中执行的传递来自热载体的热(以及由工作流体进行的热吸收)来执行；
其中，设置的是主动调节与冷凝和/或蒸发相关的至少一个工作流体参数，以便控制热载体的至少一个温度并将热载体的所述至少一个温度与环境温度分离；
其中，工作流体的所述至少一个主动调节的参数选自包括以下各者的组：
-冷凝器入口温度，即在充注阶段进入冷凝器/蒸发器的入口处；和/或
-冷凝开始温度；和/或
-冷凝结束温度；和/或
-冷凝器出口温度，即在充注阶段离开冷凝器/蒸发器的出口处的温度；和/或
-蒸发器入口温度，即在排放阶段进入冷凝器/蒸发器的入口处的温度；和/或
-蒸发开始温度；和/或
-蒸发结束温度；和/或
-蒸发器出口温度，即在排放阶段离开冷凝器/蒸发器的出口处的温度。
在独立方面，本发明涉及一种用于能量存储的设备，该设备包括：
工作流体，该工作流体不同于大气空气；
至少一个壳体，该壳体构造成用于存储处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体；
至少一个容器，该容器构造成用于存储处于液相或超临界相的所述工作流体；
管道，管道操作性地置于壳体与容器之间并直接和/或间接地连接壳体与容器；其中，管道界定：
至少一个充注路径，该充注路径从壳体延伸至容器，
至少一个排放路径，该排放路径从容器延伸至壳体；
至少一个膨胀器，可选地为膨胀涡轮机，该膨胀器沿着管道布置并构造成使工作流体膨胀；
至少一个压缩机，可选地为涡轮增压器，该压缩机沿着管道布置并构造成压缩工作流体；
至少一个冷凝器/蒸发器，该冷凝器/蒸发器沿着管道布置、操作性地联接至容器并且包括配置成将热传递至工作流体或者从工作流体中吸收热的热载体；
其中，该设备配置成用于在所述壳体与所述容器之间利用工作流体首先以充注配置沿一个方向并且然后以排放配置沿相反的方向来执行闭合式循环热力学转换；
其中，在充注配置中，该设备配置成借助于在作为冷却器/冷凝器工作的冷凝器/蒸发器中执行的由热载体进行的热吸收(以及传递来自工作流体的热)来冷凝工作流体，并且存储处于液相或超临界相的所述工作流体；
其中，在排放配置中，设备配置成通过在作为加热器/蒸发器工作的冷凝器/蒸发器中执行的传递来自热载体的热(以及由工作流体的热吸收)从液相或超临界相开始来蒸发工作流体；
其中，设备还包括调节装置和操作性联接至调节装置的控制单元；控制单元配置和/或编程成用于通过所述调节装置主动调节与冷凝和/或蒸发相关的工作流体的至少一个参数，以便控制热载体的至少一个温度并且将热载体的所述至少一个温度与环境温度分离；
其中，工作流体的所述至少一个主动调节的参数选自包括以下各者的组：
-冷凝器入口温度，即在充注配置中进入冷凝器/蒸发器的入口处的温度；和/或
-冷凝开始温度；和/或
-冷凝结束温度；和/或
-冷凝器出口温度，即在充注配置中离开冷凝器/蒸发器的出口处的温度；和/或
-蒸发器入口温度，即在排放配置中进入冷凝器/蒸发器的入口处的温度；和/或
-蒸发开始温度；和/或
-蒸发结束温度；和/或
-蒸发器出口温度，即在排放配置中离开冷凝器/蒸发器的出口处的温度。
在一个方面，本文中描述和/或要求保护的过程通过本文中描述和/或要求保护的设备来致动，或者本文中描述和/或要求保护的设备配置成用于执行本文中描述和/或要求保护的过程。
在一个方面，本发明涉及一种用于控制用于能量存储的过程和/或设备中的热载体的方法，其中该过程和/或设备在先前的方面中被描述。
该方法包括：
主动调节与冷凝和/或蒸发相关的工作流体的至少一个参数，以便控制热载体的至少一个温度并将热载体的所述至少一个温度与环境温度分离；
其中，工作流体的所述至少一个主动调节的参数选自包括以下各者的组：
-冷凝器入口温度，即在充注配置中进入冷凝器/蒸发器的入口处的温度；和/或
-冷凝开始温度；和/或
-冷凝结束温度；和/或
-冷凝器出口温度，即在充注配置中离开冷凝器/蒸发器的出口处的温度；和/或
-蒸发器入口温度，即在排放配置中进入冷凝器/蒸发器的入口处的温度；和/或
-蒸发开始温度；和/或
-蒸发结束温度；和/或
-蒸发器出口温度，即在排放配置中离开冷凝器/蒸发器的出口处的温度。
关于“冷凝开始温度”，其指的是工作流体在工作流体从气相到液相的相变开始时的温度。
关于“冷凝结束温度”，其指的是工作流体在工作流体从气相到液相的相变终止时的温度。
这种开始冷凝温度和结束冷凝温度在充注配置/阶段通过冷凝器/蒸发器内的工作流体达到。
关于“蒸发开始温度”，其指的是工作流体在工作流体从液相到气相的相变开始时的温度。
关于“蒸发结束温度”，其指的是工作流体在工作流体从液相到气相的相变终止时的温度。
这种开始蒸发温度和结束蒸发温度在排放配置/阶段通过冷凝器/蒸发器内的工作流体达到。
申请人已经证实的是，对工作流体的参数中的至少一个参数的主动调节允许独立于环境温度并且在没有循环热力学转换(CTT)外部的适于产生处于高于或低于环境温度的温度下的人工源的装置的帮助下执行循环热力学转换(CTT)。
申请人已经证实的是，对工作流体的一个或更多个参数的主动调节允许将过程/设备CTT与环境温度分离，同时保持设备相对简单，从而在实现成本及其可靠性方面具有益处。
在下文中对本发明的其他方面进行说明。
在一个方面，具有热载体的冷凝器/蒸发器和容器是相对于环境是“几乎绝热”的系统的一部分，实际上除了最小的热交换、例如可以通过绝缘件和绝缘材料最小化的热损失之外，该部分可以限定为绝热的。几乎绝热的系统包括所述冷凝器/蒸发器、通过呈用于存储冷凝和蒸发的潜热和显热所必须的热的形式的热载体的能量存储器(或冷凝装置)，以及将冷凝的加压工作流体积聚在其中的容器。
在一个方面，储槽容纳热载体；其中该储槽是相对于环境“几乎绝热”的系统的一部分。
在一个方面，冷凝器/蒸发器包括能够作为冷凝器并作为蒸发器两者操作的单个交换器或者串联或并联的单个多个交换器。
在一个方面，冷凝器/蒸发器包括冷凝交换器(或者串联或并联的单个多个冷凝交换器)和不同的蒸发交换器(或者串联或并联的单个多个蒸发交换器)。
在一个方面，设置的是用于调节工作流体的多个参数。
在一个方面，工作流体是二氧化碳。
在一个方面，工作流体选自包括以下各者的组：CO2、SF6、N2O或其混合物，或者甚至是其与作为例如主要用于改变所得到的混合物的临界温度参数的添加剂的其它组分的混合物，以便优化系统的性能。
在一个方面，热载体是水和/或主要水基混合物。
在一个方面，充注阶段包括工作流体的减温、随后是工作流体的冷凝、随后是工作流体的过冷。
在一个方面，冷凝器入口温度是减温开始时的温度；冷凝开始温度是减温结束时和实际冷凝开始时的温度；冷凝结束温度是实际冷凝结束时和过冷开始时的温度；冷凝器出口温度是过冷结束时的温度。
在一个方面，工作流体的所述至少一个主动调节的参数是蒸发压力；所述蒸发压力的调节影响蒸发器入口温度和/或蒸发开始温度和/或蒸发结束温度。
在一个方面，排放阶段包括工作流体的可能加热和/或节流、随后是工作流体的蒸发、随后是工作流体的过热。
在一个方面，蒸发器入口温度是加热和/或节流开始时的温度；蒸发开始温度是加热和/或节流结束时和实际蒸发开始时的温度；蒸发结束温度是实际蒸发结束时和过热开始时的温度；蒸发器出口温度是过热结束时的温度。
在一个方面，蒸发器入口温度和蒸发开始温度一致。
在一个方面，热载体具有：第一热吸收开始温度；第二热吸收结束温度；第三热传递开始温度；第四热传递结束温度。
在一个方面，当工作流体在冷凝器入口温度下时，热载体具有第一热吸收开始温度。
在一个方面，当工作流体在冷凝器出口温度下时，热载体具有第二热吸收结束温度。
在一个方面，当工作流体在蒸发器入口温度下时，热载体具有第三热传递开始温度。
在一个方面，当工作流体在蒸发器出口温度下时，热载体具有第四热传递结束温度。
在一个方面，如果热载体对于两个阶段(充注和排放)是相同的，并且热载体保存在不显著散热的系统内，则第二热吸收结束温度和第三热传递开始温度一致。
在一个方面，热载体的要被控制的所述至少一个温度包括热载体的第一温度和/或第四温度。
在一个方面，设置的是对热载体的第一温度和/或第四温度进行控制，使得第四温度高于第一温度，以便在冷凝期间相对于蒸发具有过量的热，以这样的方式使得热载体可以在工作流体被存储的同时将热传递至环境。如果设备位于非常冷的环境中，则进行这种控制。以这种方式，热载体可以在静态积聚时期期间将热传递至环境，以便从第四温度回到第一温度。
在一个方面，设置的是对热载体的第一温度和/或第四温度进行控制，使得第一温度高于第四温度，以便在蒸发期间相对于冷凝具有过量的热，以这样的方式使得热载体可以在工作流体被存储的同时从环境中吸收热。如果设备位于非常热的环境中，则进行这种控制。以这种方式，热载体可以在静态积聚时期期间从环境中吸收热，以便从第四温度回到第一温度。
在一个方面，对热载体的第一温度进行控制以便在冷凝期间相对于蒸发具有所述过量的热包括：在冷凝期间，增加冷凝器入口温度或者增加冷凝器入口温度与冷凝开始温度之间的差值；和/或降低冷凝器出口温度或者增加冷凝结束温度与冷凝器出口温度之间的差值。
在一个方面，对热载体的第一温度进行控制以便在冷凝期间相对于蒸发具有所述过量的热包括：在蒸发期间，增加蒸发压力并因此增加蒸发器入口温度和/或蒸发开始温度和/或蒸发结束温度；和/或减小蒸发结束温度与蒸发器出口温度之间的差值。
在一个方面，对热载体的第一温度进行控制以便在蒸发期间相对于冷凝具有所述过量的热包括：在冷凝期间，降低冷凝器入口温度或者降低冷凝器入口温度与冷凝开始温度之间的差值；和/或增加冷凝器出口温度或者减少冷凝结束温度与冷凝器出口温度之间的差值。
在一个方面，对热载体的第一温度进行控制以便在蒸发期间相对于冷凝具有所述过量的热包括：在蒸发期间，降低蒸发压力并因此降低蒸发器入口温度和/或蒸发开始温度和/或蒸发结束温度；和/或增加蒸发结束温度与蒸发器出口温度之间的差值。
在一个方面，调节装置包括：流量控制阀，该流量控制阀操作性地布置在容器与冷凝器/蒸发器之间，并配置成调节工作流体的蒸发压力并因此调节蒸发器入口温度和/或蒸发开始温度和/或蒸发结束温度。
在一个方面，调节装置包括：控制阀，该控制阀安置在入口膨胀器处，并配置成调节工作流体的蒸发压力并因此调节蒸发器入口温度和/或蒸发开始温度和/或蒸发结束温度。
在一个方面，调节装置包括：至少一个热交换器，所述至少一个热交换器配置成用于与环境交换热，并且直接或间接地联接至工作流体的管道，沿着充注路径安置在冷凝器/蒸发器的上游和压缩机的下游；其中配置成用于与环境交换热的所述至少一个热交换器配置成调节冷凝器入口温度。
在一个方面，在充注配置/阶段中位于压缩机下游和冷凝器/蒸发器上游的工作流体的温度高于环境温度。
在一个方面，在充注配置/阶段中，压缩机的输送温度低于450℃，可选地低于375℃。
在一个方面，蓄热器(热能存储器或TES)操作性地联接至管道，并且布置在膨胀器与冷凝器/蒸发器之间。
在一个方面，蓄热器是“加压填充床”(PPB)。
在一个方面，蓄热器是具有液体、可选地为水的类型。
在一个方面，蓄热器包括多个蓄热器和/或被分成多个部分。
在一个方面，所述多个部分或部分中的至少一个部分的蓄热器中的至少一个蓄热器是“加压填充床”(PPB)，并且所述多个部分或部分中的至少一个部分的蓄热器中的至少一个蓄热器是液体类型。
在一个方面，所述多个部分或部分中的至少一个部分的蓄热器中的至少一个蓄热器操作性地位于两个压缩机或两个压缩级之间和/或两个膨胀器或两个膨胀级之间。
在一个方面，调节装置操作性地联接至蓄热器，或者调节装置在蓄热器与冷凝器/蒸发器之间操作性地起作用。
在一个方面，蓄热器包括热流体和辅助交换器，其中辅助交换器操作性地联接至管道，并且沿着充注路径安置在冷凝器/蒸发器的上游。
在一个方面，配置成用于与环境交换热的热交换器操作性地联接至蓄热器。因此，蓄热器能够将热传递至环境或接收来自环境的热。
在一个方面，蓄热器包括：第一容器、第二容器，第一容器和第二容器连接在一起并连接至辅助交换器并且容纳热流体；第一热交换器，该第一热交换器配置成用于与环境交换热并位于第一容器与辅助交换器之间；第二热交换器，该第二热交换器配置成用于与环境交换热并位于第二容器与辅助交换器之间。
在一个方面，蓄热器包括：用于热流体的容器，该容器与辅助交换器并与热载体的储槽流体连通；第一热交换器，该第一热交换器配置成用于与环境交换热并位于容器与辅助交换器之间；第二热交换器，该第二热交换器配置成用于与环境交换热并位于辅助交换器与储槽之间。
在一个方面，热流体是相同的热载体。
在一个方面，所述多个部分或部分中的至少一个部分的蓄热器中的至少一个蓄热器与储槽流体连接，以便使用热载体的一部分。
在一个方面，调节装置包括：热载体和/或工作流体的流动速率和/或水平调节器，其中当冷凝器/蒸发器作为冷凝器工作时，流动速率和/或水平调节器在冷凝器/蒸发器中操作性地起作用，其中流动速率和/或水平调节器配置成调节热载体和/或工作流体的所述流动速率和/或所述水平并因此调节冷凝器出口温度。
在一个方面，冷凝器/蒸发器包括过冷交换器，该过冷交换器专用于将工作流体从冷凝结束温度冷却到冷凝器出口温度(过冷)；其中冷凝器出口温度通过调节过冷交换器中的热载体的流动速率来调节。
在一个方面，冷凝器/蒸发器是具有管束和外壳(外壳&管)的类型。
在一个方面，热载体容纳在管束的管中，并且工作流体容纳在外壳中；其中冷凝器出口温度通过调节外壳中的工作流体的水平(和/或通过选择多少管并因此交换器的多少表面用于过冷)来调节。
在一个方面，工作流体容纳在管束的管中，并且热载体容纳在外壳中；其中冷凝器出口温度通过调节管中的热载体的流动速率(即，通过增加热交换并因此增加用以从工作流体中移除热的能力)来调节。
在一个方面，调节装置包括：热载体和/或工作流体的流动速率和/或水平调节器，当冷凝器/蒸发器作为蒸发器工作时，热载体和/或工作流体的流动速率和/或水平调节器在冷凝器/蒸发器中操作性地起作用，其中流动速率和/或水平调节器配置成调节热载体和/或工作流体的所述流动速率和/或所述水平并因此调节蒸发器出口温度。
在一个方面，冷凝器/蒸发器包括过热交换器，该过热交换器专用于将工作流体从蒸发结束温度过热到蒸发器出口温度(过热)；其中蒸发器出口温度通过调节过热交换器中的热载体的流动速率来调节。
在一个方面，热载体容纳在管束的管中，并且工作流体容纳在外壳中；其中蒸发器出口温度通过调节外壳中的工作流体的水平(和/或通过选择多少管并因此多少交换器表面用于过热)来调节。
在一个方面，工作流体容纳在管束的管中，并且热载体容纳在外壳中；其中蒸发器出口温度通过调节管中的热载体的流动速率(即，通过增加热交换并因此增加用以将热传递至工作流体的能力)来调节。
在一个方面，压缩机机械地连接至马达或电动发电机或由压缩机利用的机械能的另一发电机。
在一个方面，压缩机包括具有或不具有中间冷却的串联或并联的多个压缩机。
在一个方面，膨胀器机械地连接至发电机或电动发电机或能够利用由膨胀器产生的机械能的另一机器。
在一个方面，膨胀器包括具有或不具有中间加热操作的串联或并联的多个膨胀器。
通过对根据本发明的用于能量存储的设备和过程的优选但非排他性的实施方式的详细描述，其他特征和优点将变得更加清楚。
附图说明
这种描述将在下文中参照附图进行阐述，附图仅作为非限制性示例提供，在附图中：
图1示意性地图示了根据本发明的用于能量存储的设备；
图2A和图2B是图1的元件在相应操作配置中的示意图；
图3是相对于在图1的设备中操作的热力学转换的T-S图；
图3A是图3的T-S图的一部分的放大图；
图4是图3的放大图；
图5图示了根据操作模式的图4的放大图；
图6图示了根据不同的操作模式的图4的放大图；
图7A图示了根据实施方式变型的图1的设备的一部分；
图7B图示了图7A的部分的不同变型；
图8图示了根据另一实施方式变型的图7A的一部分；
图9至图12图示了图1的设备的相应的实施方式。
具体实施方式
参照附图，附图标记1总体上指示根据本发明的用于能量存储的设备。例如，设备1使用不同于大气空气的工作流体WF、例如二氧化碳(CO2)进行操作。例如，设备1使用具有以下化学-物理性能的工作流体WF进行操作：包括在0℃与200℃之间的临界温度，在25℃时包括在0.5kg/m3与10kg/m3之间的密度。例如，工作流体选自包括以下各者的组：二氧化碳、CO2和其他物质的混合物、纯的或者混合物形式的SF6、N2O。
设备1配置成首先以充注配置/阶段沿一个方向并且然后以排放配置/阶段沿相反的方向执行闭合式循环热力学转换(CTT)，其中，在充注配置中设备1积聚热和压力并且在排放配置中设备产生电能和/或机械能。
参照图1，设备1包括由涡轮机2限定的膨胀器和旋转型压缩机3(涡轮增压器)，该涡轮机2配置成用于使工作流体WF膨胀，该压缩机3配置成压缩工作流体WF。
压缩机3和涡轮机2通过相应的未图示的传动装置、例如通过摩擦类型的连接装置连接至相同的电动发电机4，所述连接装置允许根据命令将涡轮机2和/或压缩机3与电动发电机4连接及断开连接。
设备1包括壳体5，该壳体5配置成用于存储处于气相且与大气处于压力平衡的工作流体WF。壳体5例如通过由柔性材料制成的、例如由PVC涂覆的聚酯织物制成的压力球囊限定。压力球囊优选地布置在表面而不是地下洞穴中，并且在外部与大气空气接触。压力球囊在其内部界定配置成用于容纳处于大气压或基本大气压、即与大气处于压力平衡的工作流体WF的可变容积。壳体5还可以实现为气量计或用于处于低过压或零过压的气体的任何其他存储系统。
设备1包括容器6，该容器6配置成用于积聚处于液相或超临界相的工作流体WF。例如，容器6由金属制成为具有筒形或球形形状的外壁。
设备1包括蓄热器7(热能存储器或TES)，该蓄热器7配置成在工作流体WF进入涡轮机2之前将热传递至工作流体WF，或者从离开压缩机3的工作流体WF中吸收热。例如，蓄热器7是具有固定床或可移动床的回热器，或者蓄热器包括具有至少一个存储室的水、油或盐回路。工作流体与具有固定床或可移动床的的热的回热器的热质量件(例如水泥或陶瓷或金属)或者与水、油或盐回路进行热交换。
冷凝器/蒸发器8操作性地联接至容器6，并且包括热载体VT(通常是流体、例如水)，该热载体配置成将热传递至工作流体WF或者从工作流体WF中吸收热。
在图示的示意性实施方式中，冷凝器/蒸发器8被安置在蓄热器7与容器6之间。冷凝器/蒸发器8连接至容纳热载体VT的储槽9。
例如由多个管限定的用于工作流体WF的管道操作性地置于壳体5与容器6之间，并且将壳体5、容器6、压缩机3、涡轮机2、蓄热器7、冷凝器/蒸发器8直接和/或间接地连接在一起。
冷凝器/蒸发器8包括一个或更多个热交换器或者由一个或更多个热交换器形成，所述一个或更多个热交换器允许在运送到相应管道中的工作流体WF与流入连接至储槽9的相应导管的热载体VT之间进行热交换。如图2A和图2B中示意性图示的，工作流体穿过冷凝器/蒸发器8内的相应导管10，并且热载体TV穿过冷凝器/蒸发器8内的相应导管11。
冷凝器/蒸发器可以是唯一的交换器，或者包括能够作为冷凝器和蒸发器进行操作的串联或并联的单个多个交换器。替代性地，冷凝器/蒸发器8包括冷凝交换器(或者串联或并联的单个多个冷凝交换器)和不同的蒸发交换器(或者串联或并联的单个多个蒸发交换器)。
例如，冷凝器/蒸发器8是具有管束和外壳(外壳&管)的类型，其本身是已知的且在本文中未示出。热载体VT可以容纳在管束的管中，而工作流体WF可以容纳在外壳中(即在外壳与管之间)或者热载体VT可以容纳在外壳中，而工作流体WF可以容纳在管束的管中。
包括其中容纳有工作流体WF的容器6、冷凝器/蒸发器8、具有热载体TV的储槽9的系统12是与环境几乎绝热的系统，即，系统12是除了热损失之外基本上不与环境交换热的封闭系统。
这些管道界定了从壳体5延伸到容器6的充注路径和从容器6延伸到壳体5的排放路径。
设备1还包括配置成用于主动调节工作流体WF的参数的调节装置。图1中图示的调节装置包括操作性地布置在容器6与冷凝器/蒸发器8之间的流量调节阀13、膨胀器2入口调节阀14、与环境进行热交换的交换器15，该交换器15直接联接至蓄热器7。图1的设备还包括位于压缩机3的输送部上的截流阀16。
设备1还包括未图示的控制单元，该控制单元操作性地连接至设备1本身的不同元件，并且被配置/编程成管理设备1的不同元件的操作。
设备1配置成在充注配置/阶段或排放配置/阶段中进行操作、即根据闭合式循环热力学转换CTT执行包括能量充注阶段和能量产生及排放阶段的方法。在充注配置/阶段中，设备1配置成借助于通过热载体VT进行的热吸收来冷凝工作流体WF(以及传递来自工作流体的热)，并将处于液相或超临界相的所述工作流体WF存储在容器6中。在排放配置/阶段中，设备1配置成通过传递来自热载体VT的热从液相或超临界相开始蒸发工作流体(以及通过工作流体进行热吸收)。
参照图1和图3，在充注配置/阶段，设备1从第一状态开始，在第一状态下，呈气态形式的工作流体WF在大气压或基本大气压下并且在基本等于环境温度T环境(点I)的温度下被容纳在壳体5中。壳体5通过合适的阀被安置成与压缩机3的入口3a连通，同时与涡轮机2的出口2b的连通被阻断。此外，由于阀，蓄热器7被安置成与压缩机3的出口3b流体连通，并且与涡轮机2的入口2a的连通被阻断。电动发电机4联接至单个压缩机3并且与涡轮机2(涡轮机2处于静止)断开联接，并且电动发电机4作为马达工作以用于致动压缩机3，以便对来自壳体5的工作流体进行压缩。
工作流体WF在压缩机3中被压缩并被加热(点II)。压缩机2的输送温度例如为400℃。工作流体WF然后流过蓄热器7，该蓄热器7作为冷却器工作，以从被压缩的工作流体WF中移除热，使被压缩的工作流体WF冷却(图3和图3A中的点III)，并积聚从所述工作流体WF中移除的热能。在点III，即在进入冷凝器/蒸发器8的入口处，工作流体WF处于高于环境温度T环境的冷凝器入口温度Tc1下。
在于该阶段作为冷却器/冷凝器工作的冷凝器/蒸发器8中，工作流体WF将热传递至热载体TV，经受(图3A)减温(从冷凝器入口温度Tc1到冷凝开始温度Tc2)，随后是工作流体的冷凝(从冷凝开始温度Tc2到冷凝结束温度Tc3)，随后过冷(从冷凝结束温度Tc3到冷凝器出口温度Tc4)，直到位于点IV。工作流体WF以过冷液相积聚在容器6中。
热载体TV吸收热并从第一热吸收开始温度T1被加热到第二热吸收结束温度T2。温度差T2-T1取决于热载体TV的比热、热载体TV的质量以及热载体在冷凝阶段期间从工作流体WF接收的热。当工作流体WF处于冷凝器入口温度Tc1时，热载体TV具有第一热吸收开始温度T1。当工作流体WF处于冷凝器出口温度Tc4时，热载体TV具有第二热吸收结束温度T2。
根据图3和图3A的非限制性示例所图示的，冷凝器出口温度Tc4，即工作流体WF积聚在容器6中的温度高于环境温度T环境。当工作流体积聚时，工作流体由于热损失与环境进行热交换并被带到在温度Te1下的点V(图3A)。
在排放配置/阶段，设备1从该状态(图3A的点V)开始。壳体5通过阀被安置成与涡轮机2的出口2b连通，同时与压缩机3的入口3a的连通被阻断。此外，借助于阀，蓄热器7被安置成与涡轮机2的入口2a流体连通，并且与压缩机3的出口3b的连通被阻断。电动发电机4联接至单个涡轮机2，并且与压缩机3(压缩机3处于静止)断开联接，并且电动发电机4作为通过由膨胀的工作流体致动的涡轮机2旋转的发电机工作。
冷凝器/蒸发器8在该阶段作为加热器/蒸发器工作，热载体TV将先前在充注配置中积聚的热的一部分传递至工作流体WF。工作流体WF经受工作流体的可能的加热和/或节流(从蒸发器入口温度Te1到蒸发开始温度Te2)，随后是工作流体的蒸发(从蒸发开始温度Te2到蒸发结束温度Te3)，随后是工作流体的过热(从蒸发结束温度Te3到过热结束温度/蒸发器出口温度Te4)，直到位于点VI。
热载体TV传递热，并由第三热传递开始温度T3冷却至第四热传递结束温度T4。温度差T3-T4取决于热载体TV的比热、热载体TV的质量以及在蒸发阶段期间由工作流体WF从热载体移除的热。
当工作流体WF处于蒸发器入口温度Te1时，热载体TV具有第三热传递开始温度T3。当工作流体WF处于蒸发器出口温度Te4时，热载体TV具有第四热传递结束温度T4。
根据图3、图3A和图4的非限制性示例所图示的，蒸发器入口温度Te1和蒸发开始温度Te2一致，并且热载体TV的第二温度T2和第三温度T3一致，使得系统不会显著散热。此外，为了最大化系统的性能，希望蒸发压力Pe尽可能高。接下来，在蒸发阶段期间，移除的蒸发热Q蒸发小于冷凝阶段期间的冷凝热Q冷凝，并且因此温度T4将高于温度T1。
一旦离开冷凝器/蒸发器8，工作流体WF横穿蓄热器7，该蓄热器7现在作为加热器工作，并且将先前在充注配置中积聚的热进一步传递至工作流体WF并对工作流体进行加热。被加热的工作流体WF进入涡轮机2，膨胀并冷却(图3的点VIII)，并引起涡轮机2旋转。由被加热的工作流体旋转的涡轮机2驱动电动发电机4，该电动发电机4作为发电机工作并且产生电能。离开涡轮机2的工作流体WF在大气压或基本大气压下(图3的点VII)返回到壳体5中。
一旦一个循环终止，为了准备新的循环，设备1必须从第二温度T2开始将热载体带回到第一温度T1。因此，需要从热载体TV中提取热并将提取的热传递至环境。第一温度T1必须接近或高于环境温度T环境，使得热被传递到系统外部。
根据本发明的设备和过程，设置了通过上述调节装置来调节与冷凝和/或与蒸发相关的工作流体WF的一个或更多个参数，以便控制热载体TV的温度，并且在没有循环热力学转换外部的系统的帮助下将热载体TV的所述温度与环境温度T环境分离。特别地，对工作流体WF的一个或更多个参数的主动调节允许独立于环境温度T环境并且在没有循环热力学转换(CTT)外部的适于产生高于或低于环境温度T环境的温度的人工源的装置的帮助下执行循环热力学转换(CTT)。容纳热载体TV的系统根据其是处于高于环境温度T环境的温度下还是处于低于环境温度T环境的温度下而以完全自然的方式将热传递至环境或者从环境接收热。
因此，本发明还涉及一种用于控制用于能量存储的过程中和/或设备中的热载体的方法。
可以被主动调节的工作流体WF参数如下：冷凝器入口温度Tc1和/或冷凝开始温度Tc2和/或冷凝结束温度Tc3和/或冷凝器出口温度Tc4，蒸发器入口温度Te1和/或蒸发开始温度Te2和/或蒸发结束温度Te3和/或蒸发器出口温度Te4和/或蒸发压力Pe。
示例1——图5
如果期望在冷凝阶段期间相对于蒸发阶段具有过量的热(Q冷凝-Q蒸发>0)，可以执行以下调节。
在冷凝阶段期间：
-增加冷凝器处的入口温度Tc1，即增加冷凝器处的入口温度Tc1与冷凝开始温度Tc2之间的差值，以便增加减温子阶段的热；
-降低冷凝器的出口温度Tc4，并且因此增加冷凝结束温度Tc3与冷凝器出口温度Tc4之间的差值，以便增加在过冷子阶段期间要移除的热。
以这种方式，相对于图4中图示的方式，在给定相同的冷凝压力Pe的条件下，由于更大量的热要移除，热载体TV的第二温度T2增加。
在蒸发阶段期间：
-增加蒸发压力Pe(并因此增加蒸发器入口温度Te1和/或蒸发开始温度Te2和/或蒸发结束温度Te3)，以便减少蒸发子阶段中的蒸发热；
-减小蒸发结束温度Te3与蒸发器出口温度Te4之间的差值，以减少过热热。
以这种方式，相对于图4中图示的方式，在给定相同的条件下，由于较少量的热被移除以及由于热载体TV的第三温度T3较高，热载体TV的第四温度T4增加。
示例2——图6
如果期望蒸发阶段期间相对于冷凝阶段具有过量的热(Q冷凝-Q蒸发<0)，可以执行以下调节。
在冷凝阶段期间：
-降低冷凝器入口温度Tc1或降低冷凝器入口温度Tc1与冷凝开始温度Tc2之间的差值，以便降低减温子阶段的热；
-增加冷凝器出口温度Tc4或者减小冷凝结束温度Tc3与冷凝器出口温度Tc4之间的差值，以便减少在过冷子阶段期间要移除的热。
以这种方式，相对于图4中图示的方式，在给定相同的条件下，由于较少量的热被移除，热载体的第二温度T2将会更低。
在蒸发阶段期间：
-降低蒸发压力Pe(并因此降低蒸发器入口温度Te1和/或蒸发开始温度Te2和/或蒸发结束温度Te3)，以便增加蒸发子阶段中的蒸发热，因为潜热随着压力的降低而增加(图3A的钟状形状)；
-增加蒸发结束温度Te3与蒸发器出口温度Te4之间的差值，以便增加过热热。
以这种方式，相对于图4中图示的方式，在给定相同的条件下，由于更大量的热被移除并且由于热载体TV的第三温度T3较低，热载体TV的第四温度T4将会更低。
控制单元操作性地联接至调节装置，并且配置和/或编程成调节工作流体的所述一个或更多个参数。
工作流体WF的蒸发压力Pe(并因此蒸发器入口温度Te1和/或蒸发开始温度Te2和/或蒸发结束温度Te3)可以通过流量调节阀13并且可能还通过膨胀器2入口调节阀14来调节。根据热载体流体TV的流动速率，通过对工作流体WF的流动速率的调节以及对膨胀机2入口调节阀14的调节起作用，可以在各种模式下获得期望的效果。例如，一种模式是其中膨胀器2入口阀14对上游压力，即蒸发器8处的压力进行调节。在这种情况下，如果膨胀器2入口阀14没有完全打开，则用于调节流量的流量调节阀13起作用，以便调节功率，并且膨胀器2入口阀14限定蒸发压力Pe。如果膨胀器2入口阀14完全打开，则蒸发压力Pe取决于由流量调节阀13调节的流量。
冷凝器出口温度Tc4可以在各种模式下调节。
在一个实施方式中，冷凝器/蒸发器8包括过冷交换器，该过冷交换器专门用于将工作流体WF从冷凝结束温度Tc3冷却到冷凝器出口温度Tc4(过冷)。在这种情况下，冷凝器出口温度Tc4可以通过调节热载体TV在过冷交换器中的流动速率来调节。热载体TV的这种流动速率可以在最大流动速率与零流动速率之间调节(完全绕过过冷交换器)。最大流动速率允许使冷凝器出口温度Tc4等于或略高于热载体TV的第一温度T1并且最大程度移除热。零流动速率允许使冷凝器出口温度Tc4等于冷凝结束温度Tc3并且不移除热。
如果冷凝器/蒸发器8是具有管束和外壳(外壳&管)的类型的单个交换器，其中热载体容纳在管束的管中并且工作流体WF容纳在管与外壳之间，则冷凝器出口温度Tc4通过调节外壳中的工作流体WF的水平(和/或通过选择多少管以及因此多少交换器表面用于过冷)来调节。工作流体WF的这种水平可以在最大水平(设计)与管下方的最小水平之间调节。最大水平允许使冷凝器出口温度Tc4等于或略高于热载体TV的第一温度T1并且最大程度移除热，使交换器的管的一部分与冷凝物交换热并因此使冷凝物过冷。管下方的最小水平允许使冷凝器出口温度Tc4等于冷凝结束温度Tc3并且不移除热。实际上，在这种情况下，不使热交换器的任何管与冷凝物交换热，这防止从冷凝物中移除热并且不使冷凝物过冷。
如果冷凝器/蒸发器8是具有管束和外壳(外壳&管)的类型的单个交换器，其中工作流体WF容纳在管束的管中并且热载体TV容纳在管与外壳之间，则冷凝器出口温度Tc4通过调节管中的热载体TV的流动速率(即，通过增加热交换并因此增加从工作流体WF移除热的能力)来调节。在这种情况下，热载体TV在管内冷凝。热载体TV的这种流动速率可以在最大流动速率(设计)与最小流动速率之间调节。最大流动速率允许使冷凝器出口温度Tc4等于或略高于热载体TV的第一温度T1并且最大程度移除热。最小流动速率允许使冷凝器出口温度Tc4等于或略低于冷凝结束温度Tc3并且在冷凝后不移除热。
过热结束时/蒸发器出口的温度Te4可以在多种模式下调节。
在一个实施方式中，冷凝器/蒸发器8包括过热交换器，该过热交换器专用于将工作流体WF从蒸发结束温度Te3过热到蒸发器出口温度Te4(过热)。在这种情况下，蒸发器出口温度Te4可以通过调节过热交换器中的热载体TV的流动速率来调节。热载体TV的这种流动速率可以在最大流动速率与零流动速率之间调节(完全绕过过热交换器)。最大流动速率允许使蒸发器出口温度Te4等于或略低于热载体TV的第三温度T3并且最大程度传递热。零流动速率允许使蒸发器出口温度Te4等于蒸发结束温度Te3并且不传递热。
如果冷凝器/蒸发器8是具有管束和外壳(外壳&管)的类型的单个交换器，其中热载体容纳在管束的管中并且工作流体WF容纳在管与外壳之间，则蒸发器出口温度Te4通过调节外壳中的工作流体WF的水平(和/或通过选择多少管以及因此多少交换器表面用于过热)来调节。工作流体WF的这种水平可以在最小水平(设计)与管上方的最大水平之间调节。最小水平允许使蒸发器出口温度Te4等于或略低于热载体TV的第三温度T3并且最大程度传递热，因为交换器的管的一部分与蒸汽交换热，并因此使蒸汽过热。管上方的最大水平允许使蒸发器出口温度Te4等于蒸发结束温度Te3并且不传递热。事实上，在这种情况下，不使未覆盖的交换器的任何管与蒸汽交换热，这防止蒸汽过热。
如果冷凝器/蒸发器8是具有管束和外壳(外壳&管)的类型的单个交换器，其中工作流体WF容纳在管束的管中并且热载体TV容纳在管与外壳之间，则蒸发器出口温度Te4通过调节管中的热载体TV的流动速率(即，通过增加热交换并因此增加向工作流体WF传递热的能力)来调节。在这种情况下，工作流体WF在管内蒸发并过热。热载体TV的这种流动速率可以在最大流动速率(设计)与最小流动速率之间调节。最大流动速率(设计)允许使蒸发器出口温度Te4等于或略低于热载体TV的第三温度T3并且最大程度传递热。最小流动速率允许蒸发器出口温度Te4等于或略高于蒸发结束温度Te3并且在蒸发后不传递热。
冷凝器入口温度Tc1通过联接至蓄热器7的与环境进行热交换的交换器15进行调节。与环境进行热交换的交换器15设置成用于与外部环境交换在充注配置/阶段在蓄热器7中积聚或传递的工作流体WF的热的一部分。
图1中所示的与环境进行热交换的交换器15包括具有水的回路和回路的设置有风扇的散热器部分。在未详细图示的实施方式变型中，交换器15可以是直接交换的类型，在这种意义上，工作流体WF进入管中并直接从空气中传递/带走热。根据回路定位在蓄热器7中的位置，可以移除来自蓄热器7和来自工作流体WF的热并将其传递至环境，或者从环境吸收热并将其传递至蓄热器7和工作流体WF。以这种方式，可以调节蓄热器7下游的温度，即冷凝器入口温度Tc1。
在图1中所示的设备中，压缩机3的吸入压力是固定的，并且除了负载损失之外几乎等于大气压力。而输送压力取决于冷凝压力加上可能的负载损失。压缩机3的输送温度直接取决于输送压力和压缩机3本身的性能。输送压力越高，温度越高；此外，较大的压力跃变意味着机器性能较低。
如果输送压力在某种程度上与环境温度T环境有关，那么输送压力将在某种程度上由安装系统的气候条件预先确定/限制。通过上述对冷凝器/蒸发器8的控制，可以独立于环境条件来限定压缩机3的输出压力。
这是非常有利的特征，因为压缩机3可以：
-总是在设计点附近工作；实际上，由于温度的每日和季节变化，与环境温度分离的变型不会持续，因此允许在压缩机3的最大性能点工作；
-限制操作压力，从而允许使用具有轴向类型的主要几何形状的机器；
-限制最大操作温度；事实上，在热的气候下，冷凝压力将较高并且输送温度也将升高，从而涉及用于构造机器和用于安置在压缩机的下游的蓄热器的“昂贵的”材料的选择；通过调节冷凝器的压力，可以保持足够低的压力并且因此保持合理的温度，该合理的温度允许用于蓄热器但也用于管道、连接件、阀和所有位于压缩机下游的部件、包括膨胀器的普通材料的选择，通常低于450℃，优选地低于375℃；
-即使在气候极其不利的地方，例如在具有高于工作流体的临界温度的环境温度下，也能实现冷凝；在不控制和自由选择冷凝压力的情况下，不可能获得提供冷凝的系统；
-具有用于限定压缩机的吸收功率的附加变量；实际上，压缩机的功率取决于压力泵和被处理的流动速率；当取决于流动速率时可以作用于机器的可变几何形状，但是在有限的范围内，通过作用于机器的输送压力，可调节场(“功率”)显著增加；
-独立于周围条件保持恒定输送压力的可能性，允许能够选择更“刚性”但更有效的机器类型；
-能够选择输送压力的可能性允许安装在大气压较低的海拔高度，这也是因为这将增加压缩机的压力泵。
图7A图示了根据其中蓄热器7包括热流体和辅助交换器18的实施方式的设备1的一部分，其中辅助交换器18操作性地联接至管道并安置在压缩机2与冷凝器/蒸发器8之间。蓄热器7包括通过合适的管道17连接在一起的第一容器19A(热流体的热存储器)、第二容器19B(热流体的冷存储器)。辅助交换器18安置在第一容器19A与第二容器19B之间。热流体例如水位于第一容器19A中、通过联接至具有工作流体WF的管道的辅助交换器18在第二容器19B中移动。此外，与环境进行热交换的第一交换器15A位于第一容器19A与辅助交换器18之间，与环境进行热交换的第二交换器15B位于第二容器19B与辅助交换器18之间。如此构造的蓄热器7也允许对冷凝器入口温度Tc1进行调节。
图7B图示了根据其中蓄热器7包括热流体和辅助交换器18的实施方式的设备1的一部分，其中辅助交换器18操作性地联接至管道并安置在压缩机2与冷凝器/蒸发器8之间。蓄热器7包括通过合适的管道17连接在一起的第一容器19A(热流体的热存储器)、第二容器19B(热流体的冷存储器)。辅助交换器18安置在第一容器19A与第二容器19B之间。热流体例如水位于第一容器19A中、通过联接至具有工作流体WF的管道的辅助交换器18在第二容器19B中移动。此外，与环境进行热交换的第一交换器15A位于交换器18上游的环境与辅助交换器18之间，与环境进行热交换的第二交换器15B位于辅助交换器18与冷凝器蒸发器之间。交换器15A和15B与WF和环境直接交换热，而没有中间热载体。如此构造的蓄热器7也允许对冷凝器入口温度Tc1进行调节。
图8图示了图7A的蓄热器7的变型，其中热流体是在冷凝器/蒸发器8中使用的相同热载体TV。图8的蓄热器7包括用于热的热载体/流体TV的容器19(热流体的热存储器)，该容器19与热载体TV的储槽9(热流体的冷存储器)流体连通。与环境进行热交换的第一交换器15A位于容器19与辅助交换器18之间，与环境进行热交换的第二交换器15B位于辅助交换器18与储槽9之间。从冷凝器/蒸发器8离开的热载体的一部分热载体(在第二温度T2下)在充注配置/阶段被拾取，并在通过辅助交换器18从工作流体WF吸收热后存储在容器19中。在排放配置/阶段，在已经通过辅助交换器18将热传递至工作流体WF之后，这部分的热载体在入口处返回至冷凝器/蒸发器8。
在上面图7A和图8中所示的解决方案中，可以通过作用于蓄热器7、通过与环境进行热交换的第一交换器15A和第二交换器15B从环境输出热或将热传递至环境来调节冷凝器入口温度Tc1。如果希望提取热，则必须作用于其中蓄热器7的热载体/流体具有高于环境温度的温度的阶段，而相反，可以在其中热载体/流体处于低于环境温度的温度下的阶段将热引入系统。第一交换器15A通过将热从工作流体WF中移除而将热传递至环境(Tc1减小)。第二交换器15B通过将热从环境中移除而将热传递至工作流体WF(Tc1增加)。
在直接交换的情况下(图7B)，如果希望提取热，则有必要作用于其中WF具有高于环境温度的温度的阶段，而相反，可以在其中WF处于低于环境温度的温度下的阶段将热引入系统。
图9图示了设备1的实施方式，该设备1包括串联安置的两个压缩机3’、3”和串联安置的两个膨胀器2’、2”。蓄热器包括第一蓄热器7A，该第一蓄热器7A置于两个压缩机3’、3”与两个膨胀器2’、2”之间，使得压缩机3’、3”是中间冷却的，而膨胀器2’、2”是中间加热的。第二蓄热器7B如图1中被定位。与环境进行热交换的交换器15直接联接至第一蓄热器7A并且不联接至第二蓄热器7B。
图10图示了图9的设备1的实施方式的变型(具有串联安置的两个压缩机3’、3”和串联安置的两个膨胀器2’、2”、第一蓄热器7A和第二蓄热器7B)。
第一蓄热器7A被分成两个部分，并且包括第一容器19A(热流体的热存储器)、第二容器19B(热流体的冷存储器)，第一容器和第二容器通过合适的管道17连接在一起并且连接至第一辅助交换器18A和第二辅助交换器18B。第一热交换器18A联接至串联安置的两个压缩机3’、3”下游(在充注阶段)和串联安置的两个膨胀器2’、2”上游(在排放阶段)的工作流体WF的管道。第二热交换器18B置于两个压缩机3’、3”(在充注阶段)之间和两个膨胀器2’、2”(在排放阶段)之间。受环境影响的热交换器15联接至管道17。
第二蓄热器7B包括用于热载体/流体TV的容器19，该容器19与热载体TV的储槽9流体连通。与环境进行热交换的单个交换器15位于容器19与辅助交换器18之间。辅助交换器18联接至冷凝器/蒸发器8与第一热交换器18A之间的工作流体WF的管道。
图11图示了图9的设备1的实施方式的另一变型(具有串联安置的两个压缩机3’、3”和串联安置的两个膨胀器2’、2”、第一蓄热器7A和第二蓄热器7B)。
第一蓄热器7A是“加压填充床”(PPB)型的，并且与环境进行热交换的交换器15联接至在所述第一蓄热器7A与位于更下游的压缩机3”之间的工作流体WF的管道。
第二蓄热器7B包括通过合适的管道17连接在一起的第一容器19A(热流体的热存储器)、第二容器19B(热流体的冷存储器)。辅助交换器18安置在第一容器19A与第二容器19B之间。在该示例性实施方式中，第二蓄热器7B不设置有与环境进行热交换的交换器15。
图12图示了图11的设备1的实施方式的变型，由于第二蓄热器7B与图10所示的第二蓄热器基本相同的事实，该变型不同于图11。

Claims (16)

1.一种用于控制用于能量存储的过程中的热载体的方法，其中，所述过程包括
在壳体(5)与容器(6)之间首先以充注配置/阶段沿一个方向并且然后以排放配置/阶段沿相反的方向来执行闭合式循环热力学转换(CTT)，所述壳体(5)用于存储不同于大气空气的、处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体(WF)，所述容器(6)用于存储处于液相或超临界相的所述工作流体(WF)；其中，所述过程在所述充注阶段积聚热和呈压力的形式的势能，并且在所述排放阶段产生能量；
其中，在所述充注阶段，所述工作流体(WF)的冷凝借助于在作为冷却器/冷凝器工作的冷凝器/蒸发器(8)中执行的由所述热载体(TV)进行的热吸收来执行，以便存储处于液相或超临界相的所述工作流体(WF)；
其中，在所述排放阶段，所述工作流体(WF)的蒸发从所述液相或超临界相开始并通过在作为加热器/蒸发器工作的所述冷凝器/蒸发器(8)中执行的传递来自所述热载体(TV)的热来执行；
其中，所述方法包括
主动调节与所述冷凝和/或所述蒸发相关的所述工作流体(WF)的至少一个参数，以便控制所述热载体(TV)的至少一个温度并将所述热载体(TV)的所述至少一个温度与环境温度(T环境)分离；
其中，所述工作流体(WF)的所述至少一个主动调节的参数选自包括以下各者的组：
-冷凝器入口温度(Tc1)，即在所述充注阶段进入所述冷凝器/蒸发器(8)的入口处的温度；和/或
-冷凝开始温度(Tc2)；和/或
-冷凝结束温度(Tc3)；和/或
-冷凝器出口温度(Tc4)，即在所述充注阶段离开所述冷凝器/蒸发器(8)的出口处的温度；和/或
-蒸发器入口温度(Te1)，即在所述排放阶段进入所述冷凝器/蒸发器(8)的入口处的温度；和/或
-蒸发开始温度(Te2)；和/或
-蒸发结束温度(Te2)；和/或
-蒸发器出口温度(Te4)，即在所述排放阶段离开所述冷凝器/蒸发器(8)的出口处的温度。
2.一种用于能量存储的过程，包括：
在壳体(5)与容器(9)之间首先以充注配置/阶段沿一个方向并且然后以排放配置/阶段沿相反的方向来执行闭合式循环热力学转换(CTT)，所述壳体(5)用于存储不同于大气空气的、处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体，所述容器(9)用于存储处于液相或超临界相的所述工作流体；其中，所述过程在所述充注阶段积聚热和呈压力的形式的势能，并且在所述排放阶段产生能量；
其中，在所述充注阶段，所述工作流体(WF)的冷凝借助于在作为冷却器/冷凝器工作的冷凝器/蒸发器(8)中执行的由热载体(TV)进行的热吸收来执行，以便存储处于液相或超临界相的所述工作流体(WF)；
其中，在所述排放阶段，所述工作流体(WF)的蒸发从所述液相或超临界相开始并通过在作为冷却器/冷凝器工作的所述冷凝器/蒸发器(8)中执行的传递来自所述热载体(TV)的热来执行；
其中，与冷凝和/或蒸发相关的至少一个工作流体(WF)参数被主动调节，以便控制所述热载体(TV)的至少一个温度并将所述热载体(TV)的所述至少一个温度与环境温度(T环境)分离；
其中，所述工作流体(WF)的所述至少一个主动调节的参数选自包括以下各者的组：
-冷凝器入口温度(Tc1)，即在所述充注阶段进入所述冷凝器/蒸发器(8)的入口处的温度；和/或
-冷凝开始温度(Tc2)；和/或
-冷凝结束温度(Tc3)；和/或
-冷凝器出口温度(Tc4)，即在所述充注阶段离开所述冷凝器/蒸发器(8)的出口处的温度；和/或
-蒸发器入口温度(Te1)，即在所述排放阶段进入所述冷凝器/蒸发器(8)的入口处的温度；和/或
-蒸发开始温度(Te2)；和/或
-蒸发结束温度(Te2)；和/或
-蒸发器出口温度(Te4)，即在所述排放阶段离开所述冷凝器/蒸发器(8)的出口处的温度。
3.根据权利要求2所述的过程，其中，所述工作流体(WF)的所述至少一个主动调节的参数是蒸发压力(Pe)；所述蒸发压力(Pe)的调节影响所述蒸发器入口温度(Te1)和/或所述蒸发开始温度(Te2)和/或所述蒸发结束温度(Te2)。
4.根据权利要求2或3所述的过程，其中，所述热载体(TV)具有：开始热吸收的第一温度(T1)；结束热吸收的第二温度(T2)；开始热传递的第三温度(T3)；结束热传递的第四温度(T4)；并且其中，所述热载体(TV)的要被控制的所述至少一个温度包括所述热载体(TV)的所述第一温度(T1)和/或所述第四温度(T4)。
5.根据权利要求4所述的过程，包括：对所述热载体(TV)的所述第一温度(T1)和/或所述第四温度(T4)进行控制，使得所述第四温度(T4)高于所述第一温度(T1)，以在冷凝期间相比于蒸发具有过量的热，使得所述热载体(TV)能够在所述工作流体(WF)被存储的同时向环境释放热。
6.根据权利要求4所述的过程，包括：对所述热载体(TV)的所述第一温度(T1)和/或所述第四温度(T4)进行控制，使得所述第一温度(T1)高于所述第四温度(T4)，以在蒸发期间相比于冷凝具有过量的热，使得所述热载体(TV)能够在所述工作流体(WF)被存储的同时从环境中吸收热。
7.根据权利要求5所述的过程，其中，对所述热载体(TV)的所述第一温度(T1)进行控制以在冷凝期间相比于蒸发具有所述过量的热包括：
-当冷凝时，增加所述冷凝器入口温度(Tc1)或增加所述冷凝器入口温度(Tc1)与所述冷凝开始温度(Tc2)之间的差值；和/或降低所述冷凝器出口温度(Tc4)或增加所述冷凝结束温度(Tc3)与所述冷凝器出口温度(Tc4)之间的差值；并且/或者
-当蒸发时，增加所述蒸发压力(Pe)，并且然后增加所述蒸发器入口温度(Te1)和/或所述蒸发开始温度(Te2)和/或所述蒸发器结束温度(Te3)；和/或减小所述蒸发结束温度(Te3)与所述蒸发器出口温度(Te4)之间的差值。
8.根据权利要求6所述的过程，其中，对所述热载体(TV)的所述第一温度(T1)进行控制以在蒸发期间相比于冷凝具有所述过量的热包括：
-当冷凝时，降低所述冷凝器入口温度(Tc1)或降低所述冷凝器入口温度(Tc1)与所述冷凝开始温度(Tc2)之间的差值；和/或增加所述冷凝器出口温度(Tc4)或减小所述冷凝结束温度(Tc3)与所述冷凝器出口温度(Tc4)之间的差值；并且/或者
-当蒸发时，降低所述蒸发压力(Pe)，并且然后降低所述蒸发器入口温度(Te1)和/或所述蒸发开始温度(Te2)和/或所述蒸发结束温度(Te3)；和/或增加所述蒸发结束温度(Te3)与所述蒸发器出口温度(Te4)之间的差值。
9.一种用于能量存储的设备，包括：
工作流体(WF)，所述工作流体(WF)不同于大气空气；
至少一个壳体(5)，所述壳体构造成存储处于气相并且与大气处于压力平衡的所述工作流体(WF)；
至少一个容器(6)，所述容器构造成存储处于液相或超临界相的所述工作流体(WF)；
管道，所述管道操作性地置于所述壳体(5)与所述容器(6)之间并直接和/或间接地连接所述壳体(5)和所述容器(6)；其中，所述管道界定：
至少一个充注路径，所述充注路径从所述壳体(5)延伸至所述容器(6)，
至少一个排放路径，所述排放路径从所述容器(6)延伸至所述壳体(5)；
至少一个膨胀器(2)，可选地为膨胀涡轮机，所述膨胀器沿着所述管道布置并构造成使所述工作流体(WF)膨胀；
至少一个压缩机(3)，可选地为涡轮增压器，所述压缩机沿着所述管道安置并构造成压缩所述工作流体(WF)；
至少一个冷凝器/蒸发器(8)，所述冷凝器/蒸发器沿着所述管道安置，操作性地联接至所述容器(6)并且包括热载体(TV)，所述热载体配置成将热传递到所述工作流体(WF)或者从所述工作流体(WF)吸收热；其中，所述设备(1)配置成在所述壳体(5)与所述容器(6)之间利用所述工作流体(WF)首先以充注配置沿一个方向并且然后以排放配置沿相反的方向来执行闭合式循环热力学转换(CTT)；
其中，在所述充注配置中，所述设备(1)配置成通过在作为冷却器/冷凝器工作的所述冷凝器/蒸发器(8)中执行的由所述热载体(TV)进行的热吸收来冷凝所述工作流体(WF)，并且存储处于所述液相或超临界相的所述工作流体(WF)；
其中，在所述排放配置中，所述设备(1)配置成通过在作为冷却器/冷凝器工作的所述冷凝器/蒸发器(8)中执行的传递来自所述热载体(TV)的热从所述液相或超临界相开始来蒸发所述工作流体(WF)；
其中，所述设备(1)还包括调节装置和操作性联接至所述调节装置的控制单元；所述控制单元配置和/或编程成通过所述调节装置主动调节与冷凝和/或蒸发相关的至少一个工作流体(WF)参数，并且将所述热载体(TV)的所述至少一个温度与环境温度(T环境)分离；
其中，所述工作流体(WF)的所述至少一个主动调节的参数选自包括以下各者的组：
-冷凝器入口温度(Tc1)，即在所述充注配置中进入所述冷凝器/蒸发器(8)的入口处的温度；和/或
-冷凝开始温度(Tc2)；和/或
-冷凝结束温度(Tc3)；和/或
-冷凝器出口温度(Tc4)，即在所述充注配置中离开所述冷凝器/蒸发器(8)的出口处的温度；和/或
-蒸发器入口温度(Te1)，即在所述排放配置中进入所述冷凝器/蒸发器(8)的入口处的温度；和/或
-蒸发开始温度(Te2)；和/或
-蒸发结束温度(Te2)；和/或
-蒸发器出口温度(Te4)，即在所述排放配置中离开所述冷凝器/蒸发器(8)的出口处的温度。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述调节装置包括：流量控制阀(13)，所述流量控制阀操作性地布置在所述容器(6)与所述冷凝器/蒸发器(8)之间，并且配置成调节所述工作流体(WF)的蒸发压力(Pe)，并且然后调节所述蒸发器入口温度(Te1)和/或所述蒸发开始温度(Te2)和/或所述蒸发结束温度(Te3)。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其中，所述调节装置包括：控制阀，所述控制阀安置在所述膨胀器(2)的入口处，并且配置成调节所述工作流体(WF)蒸发压力(Pe)，并且然后调节所述蒸发器入口温度(Te1)和/或所述蒸发开始温度(Te2)和/或所述蒸发结束温度(Te3)。
12.根据权利要求9至11中的一项所述的设备，其中，所述调节装置包括：至少一个热交换器(15；15A、15B)，所述热交换器配置成与环境交换热、并且直接或间接地联接至所述工作流体(WF)管道、沿着所述充注路径位于所述冷凝器/蒸发器(8)的上游和所述压缩机(2)的下游；其中，配置成与环境交换热的所述至少一个热交换器(15)配置成调节所述冷凝器入口温度(Tc1)。
13.根据权利要求12所述的设备，包括蓄热器(7)，所述蓄热器(7)操作性地联接至所述管道并且安置在所述膨胀器(2)与所述冷凝器/蒸发器(8)之间；其中，所述调节装置操作性地联接至所述蓄热器(7)或者在所述蓄热器(7)与所述冷凝器/蒸发器(8)之间操作性地起作用。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述蓄热器(7)包括：热流体和辅助交换器(18)，其中，所述辅助交换器(18)操作性地联接至所述管道并且沿着所述充注路径安置在所述冷凝器/蒸发器(8)的上游；其中，配置成与环境交换热的所述至少一个热交换器(15)操作性地联接至所述蓄热器(7)；可选地，其中，所述热流体是相同的热载体。
15.根据权利要求9至14中的一项所述的设备，其中，所述调节装置包括：所述热载体(TV)和/或所述工作流体(WF)的流动速率和/或水平调节器，当作为冷凝器工作时，所述流动速率和/或水平调节器在所述冷凝器/蒸发器(8)中操作性地起作用，其中，所述流动速率和/或水平调节器配置成调节所述热载体(TV)和/或所述工作流体(WF)的所述流动速率或所述水平并因此调节所述冷凝器出口温度(Tc4)。
16.根据权利要求9至15中的一项所述的设备，其中，所述调节装置包括：所述热载体(TV)和/或所述工作流体(WF)的流动速率和/或水平调节器，当作为蒸发器工作时，所述流动速率和/或水平调节器在所述冷凝器/蒸发器(8)中操作性地起作用，其中，所述流动速率和/或水平调节器配置成调节所述热载体(TV)和/或所述工作流体(WF)的所述流动速率或所述水平并因此调节所述蒸发器出口温度(Te4)。
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