CN117980685A - 具有环境空气交换的热能存储系统的操作方法 - Google Patents

具有环境空气交换的热能存储系统的操作方法 Download PDF

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Abstract

热能存储TES系统100包括一个热力学气流回路，其中包含空气作为工作流体，用于通过热能存储(TES)系统传输热能。空气在整个气流回路中保持气相状态，并向环境开放。压缩机(2)从环境中接收空气(7)，并在电机(1A)的驱动下对其进行预增压，以用作温度升高的工作流体，然后在充电过程中将热能传输到第一种TES介质(5')，最后再将工作流体(7')释放到环境中。在放电循环中，空气从环境中接收并作为工作流体反向流经第一TES介质(5')，被第一TES介质加热后驱动膨胀机(3)，通常是涡轮机，进而驱动发电机(1B)以回收电能。

Description

具有环境空气交换的热能存储系统的操作方法
技术领域
本发明涉及一种热能储存系统及其操作方法。特别是，本发明涉及本权利要求序言中所述的一种方法。
背景技术
风能和太阳能发电的可持续电力生产存在一个问题，即生产时不一定需要电力，需求时也不一定有电力。因此，人们提出了各种储能设施，将电能转化为热能并储存起来，直到有需求时再将其转化为电能。
美国专利第8,826,664号公开了一种系统，该系统包括一个第一热能储存(TES)容器和一个温度较低的第二热能储存TES容器，这两个容器通过一个压缩机或膨胀机装置相互连接，以便在系统充电时提高第一热能储存TES容器的温度，或在放电时降低温度。当电力过剩时，由电力发动机驱动压缩机，通过压缩提高气体的温度，然后用于加热第一个TES容器中的砾石床形式的TES介质。当有用电需求时，压缩的热气体通过膨胀机从第一个TES容器中释放出来，膨胀机驱动发电机重新回收电能。在充放电过程中，由于TES容器内的温度逐渐变化，热区和冷区之间的热前沿从一端向另一端穿过TES容器。
在这种热前线移动过程中，特别是在重复充放电过程时，储存容器两端的温度梯度会趋于平缓，这就是所谓的温跃层退化。温跃层退化是温度过渡区也称为温跃层空间或温跃层区域变宽的一种效应。我们不希望出现温跃层退化，因为它会降低系统的整体效率。
美国专利号8,826,664的系统在实际应用中还存在另一个公认的问题，即砾石的比热容会随着温度的升高而减小，因此冷储存容器需要比热储存容器更多的砾石才能正确平衡。考虑到储能系统的成本对容器大小很敏感，这似乎不是最佳条件。此外，砾石量大，低温下的热容量低，会增加温跃层的长度，如上所述，这是不可取的，因为它会降低效率。
因此，与理想化的理论模型不同，技术生态系统服务的系统设计是不同优缺点之间的折中，包括建立和维护系统的成本以及长期效率，以提供长期的盈利能力。在实用性和盈利性方面，技术领域普遍需要改进。
为了最大限度地减少温跃层退化，人们提出了各种方法来陡化梯度和减小温跃层区的宽度。
WO2018/073049提到了各种温跃层控制概念，其中一种是将温跃层推出储存容器，或者换句话说，提取温跃层。这一术语用于持续加热容器中的TES介质，直到TES容器末端的温度升至高于容器内的最低温度，甚至可能升至容器内不再存在温度梯度的最高温度。
替代系统在TES系统中使用相变材料(PCM)，从而控制TES容器一端或两端的温度。US2017/226900号文件讨论了多层PCM的各种示例及其对温跃层的影响。
WO2015/011438A1和WO2017/055447A1中也讨论了温跃层。
更进一步的尝试是使用双相工作流体，例如US8,931,277中披露的液体/冰，其中使用水和乙二醇作为工作流体。
双相工作流体的另一个例子是在GB2534914A中公开的，其中空气与环境进行交换。具体而言，空气被压缩机压缩至较高温度，热量传递至TES介质。冷却后的空气通过节流阀膨胀形成液态空气，然后储存起来。在放电模式下，液态空气通过TES介质泵送，重新加热和汽化后释放到环境中。为了调节工作流体的温度，配备了一个热交换器，与环境中的空气进行热交换。为了提高效率，在压缩机上游的空气中使用了电预热器，以提高环境空气的温度。尽管液态空气有其优点，但在实际应用中，液态空气的存在使系统变得复杂和昂贵。
正如以上对现有技术的讨论所揭示的那样，TES系统中的温跃层退化问题以及各种对策都是众所周知的。然而，考虑到建立、维护和运行TES系统的成本，在优化效率方面尚未达成共识。各种方法，尤其是在最大限度地减少温跃层退化方面，方向截然相反，互不兼容。
US2018/142577A1、US2019/277196A1、US2014/0352295和US2015/0059342中披露了使用空气作为工作流体并与环境交换的情况。
US2014/0352295和US2015/0059342公开了一种热能存储系统，该系统带有压缩机和膨胀机以及三个蓄热器，用作两个蓄热器和一个蓄冷器。在为系统充电时，来自环境中的空气在两个蓄热器中的第一个中被预热，然后被压缩以提高温度，为第二个蓄热器充电。解压缩后，空气会冷却蓄冷器，使其保持在零度以下。在放电阶段，环境中的空气用于将冷库中的零下温度提高到更高的零下温度，压缩后由第二个蓄热器进一步加热，然后膨胀，再用于重新加热第二个蓄热器。US2014/0352295和US2015/0059342中的系统有许多缺点。首先，使用三个蓄热器使系统变得复杂。此外，由于蓄冷器的一部分始终保持在零度以下，空气通过蓄冷器从环境中进入，空气中的湿度会导致蓄冷器内部结冰。结冰会降低蓄冷器的效能，甚至可能导致蓄冷器停止流动，这是一个很大的缺点。总的来说，US2014/0352295和US2015/0059342中的系统有一些特征并不明确，因此会引起对其功能的怀疑。例如，US2014/0352295和US2015/0059342的图3公开了一个放电期，在工作流体在第二蓄热器内升温至500℃之前，作为工作流体的空气进入第二蓄热器时的温度为100℃。这就限制了蓄热器内的最低温度为100℃，而第二蓄热器内的大部分温度高于100℃的最低温度。如US2014/0352295和US2015/0059342的图2所示，充电时，进入第二蓄热器的工作流体的温度为547℃，然后在图2中显示，在第二蓄热器出口处已冷却至20°C。然而，正如刚才所解释的，第二蓄热器的温度高于100℃，这是不可能的。最好能提供一个正常运行的系统。
因此，在优化热能储存系统方面仍有改进的必要。
发明内容
因此，本发明的目标是对该技术进行改进。特别是，本发明的目标是提供一种简化但高效的热能储存(TES)系统及其操作方法。本发明的另一个目的是在平衡系统建立成本和系统运行成本的基础上进行改进。通过下文和权利要求书中描述的系统和方法，可以实现这一目标和进一步的优点。
本文提供的系统尽管结构相对简单，但效率很高。通过平衡各种盈利因素，本文提出的系统结构简单，建立成本相对较低，但仍能提供适当的长期盈利能力。
TES系统包括一个热力学气流回路，其中含有空气作为工作流体，用于通过TES系统传输热能。在整个气流回路中，空气不是液相，而是保持气相状态。特别是，气流回路向环境开放。从环境中接收空气，并通过电机驱动的压缩机将其加压，用作温度升高的工作流体，然后在充电过程中将热能传输到第一层TES膜，最后再将工作流体释放到环境中。在放电循环中，空气从环境中被接收，并作为工作流体反向流经第一TES介质，在驱动膨胀机通常是涡轮机之前被第一TES介质加热，进而驱动电动发电机回收电能。
因此，循环入口处的温度与周围环境温度相同，通常在0至25℃之间，理想情况下为15℃，这是建模中常用的标准值。
在充电和放电过程中，通过使用气态空气作为工作流体在第一和第二TES介质之间传输热能。第二TES介质的低温端接收来自周围环境的空气作为工作流体，然后从第二TES介质的高温端以较高温度释放出来。因此，在循环入口处的第二层热沉介质的低温端，工作流体的温度与周围环境相同。
为了更好地理解本发明，需要指出的是，最大限度地降低TES系统的建立和技术维护成本，应采用简单的系统、相对较小的容器以及尽量减少管道和阀门的使用。效率最优化意味着要保持梯度陡峭和温跃层区域狭窄，以提高转换效率。TES系统的盈利能力包括平衡两个方面，一方面是最大限度地降低建造和维护成本，另一方面是充放电包括电能和热能之间的转换之间可达到的效率。
与某些现有技术相比，所述装置意味着简化了TES系统的低温低压部分，因为这是以气态空气的形式与环境交换工作流体，而不是通过管道和潜在的热交换器进行连接。虽然所述系统的原理与工作流体通过热交换达到与周围环境相同温度的原理有一定的相似之处，但它具有成本优势和操作简便的特点，因为它避免了热交换器和必要的连接管道和阀门，同时还具有足够的效率，从而有利可图。
在下文中，TES系统将被描述为由包含TES介质的TES容器组成。TES容器有一个第一端和一个第二端，在这两端之间装有TES介质，空气在从一端到另一端的过程中穿过TES介质。
从更详细的实用角度来看，该系统由以下部分组成。
第一TES容器中装有用于存储热能的第一TES介质。第一TES介质沿第一气流路径与气流回路热连接，用于与工作流体交换热能。第一气流通路是气流回路的一部分。
能量转换器用于在气流回路中转换工作流体的电能和热能。能量转换器由电机、发电机和压缩机/膨胀机系统组成。
在某些实施例中，电动机和发电机是作为具有双模式功能的单一设备来实现的。当电能加入能量转换器时，转换器会将电能转换为热能，以增加工作流体中热量的形式存在。
压缩机/膨胀机系统至少包括一台压缩机和一台膨胀机。压缩机在功能上与电动机相连，在充电期间由电动机驱动。反过来，膨胀机在功能上与发电机相连，用于在放电期间驱动发电机。如下文所述，压缩机/膨胀机系统还可以包括更多的压缩机和膨胀机。在此，为了简便起见，使用了压缩机和膨胀机这一术语，也分别包括多级压缩机和多级膨胀机。
通常情况下，功能连接包括机械联轴器，例如连接电机和压缩机以及发电机和前置放大器的旋转轴，但原则上也可以使用液压或气动联轴器。
在充电期间，压缩机从环境中接收大气压下的空气作为工作流体，并将其从第一压力(即大气压或由于某种吸力作用而接近大气压)加压至第二压力(即更高压力)，这也会提高空气的温度，从而提供空气作为加压工作流体。加压工作流体流经第一气体流动路径，将热能从工作流体转移到第一TES介质。工作流体流经第一TES容器后，在第一TES容器下游再次减压，并释放到环境中。
例如，在充电阶段将工作流体减压至环境中是通过膨胀机或进一步的膨胀机进行的，膨胀机通过联轴器与压缩机机械连接，以增加压缩机的驱动力。
在放电期间，工作流体反向流经第一气流路径，将热能从第一TES介质传递到工作流体，以加热工作流体。为此，从环境中接收大气压下的空气，并在反向穿过第一TES介质之前由压缩机或另一个压缩机进行压缩。然后，加热后的工作流体通过膨胀机减压至第一大气压，以驱动发电机。膨胀后，空气被释放到环境中。
例如，在放电阶段，压缩机或其他压缩机通过机械耦合由膨胀机驱动。
作为一种补偿，本发明在下文中解释，压缩器/膨胀机系统包括一台压缩机、另一台压缩机、一台膨胀机和另一台膨胀机。下文在解释该系统时将使用这些部件，其中压缩机和膨胀机用于充电阶段，而进一步膨胀机和进一步压缩机用于放电阶段。不过，如前所述，这并不一定意味着有四台独立的机器。举例来说，至少有两台设备具有多功能，例如双向压缩机-膨胀机功能。或者，一台压缩机同时用于充电和放电，一台膨胀机同时用于充电和放电，在充电和放电期间切换时，压缩机/膨胀机系统与TES容器之间的流量连接也会改变。
例如，该方法至少包括以下一项：
-将压缩机和膨胀机作为单个双向功能装置，并在充电时从压缩机功能切换到放电时的膨胀机功能；在这种情况下，无需改变与TES容器的管道连接；
-将膨胀机和另一个压缩机作为单个双向功能装置，在充电时从膨胀机功能切换到放电时的压缩机功能；在这种情况下，无需改变与TES容器的管道连接；
-将压缩机和其他压缩机作为单个压缩机装置，并在充电时将单个压缩机装置的上游连接改变为与第二流路的上游连接，在放电时将单个压缩机装置的上游连接改变为与环境的上游连接；在这种情况下，第一流路的两端之间的下游连接也相应改变；
-将膨胀机和进一步膨胀机作为单个膨胀机装置，并在充电时将单个膨胀机装置的下游连接改变为与环境的下游连接，在放电时将单个膨胀机装置的下游连接改变为与第二流路的下游连接；在这种情况下，上游连接在第一流路的相对两端之间相应改变。
在实际应用中，第一TES容器具有顶部和底部，第一TES介质被置于其间，其中顶部在充电期间与压缩机的下游侧流动连接，在放电期间与进一步膨胀机的上游侧流动连接。
如前所述，TES系统包括一个第二TES容器，其中装有用于存储热能的第二TES介质。第二TES介质沿第二气流路径与气流回路热连接，用于与工作流体交换热能。第二气流路径是气流回路的一部分，在充电时与压缩机上游的气流连接，在放电时与进一步膨胀机下游的气流连接。
在充电期间，通过压缩机的吸气，从环境中通过第二气体流路接收空气，热能从第二TES介质转移到接收的空气中，用于在压缩机压缩之前预热空气。值得注意的是，在驱动进一步膨胀机后，通过将热能从工作流体转移到第二TES介质，第二TES介质在放电期间被加热。在放电期间，第二TES介质经过这样的穿越后，工作流体被释放到环境中。
在实际应用中，第二TES容器具有顶部和底部，第二TES介质被置于其间，其中顶部在放电期间与进一步膨胀机的下游侧流动连接，在充电期间与压缩机的上游侧流动连接。
在充电期间，将工作流体在减压达到的温度下从膨胀机下游侧释放到环境中是一种优势。
与上述US2014/0352295和US2015/0059342系统相比，特别指出的是，空气直接从膨胀机中释放，在释放到环境中之前无需流经冷蓄能器。这简化了系统。
有利的是，在放电期间，来自环境的空气在环境温度下被另一个压缩机接收。
与上述US2014/0352295和US2015/0059342系统相比，特别指出的是，在充电阶段，空气直接进入第二TES容器，无需预冷，这样做的好处是可以防止第二TES容器结冰。尽管系统较为简单，但效率很高。
例如，在充电过程中，空气的温度被压缩机提升到400℃至700℃的范围内，也可选择在400℃-600℃或500℃-600℃的范围内。这样，至少在第一TES容器的入口处，通常是顶部，温度就会升高。
例如，在放电过程中，工作流体的温度被膨胀机降低到200℃至450℃的范围内，例如200℃至400℃或200℃至380℃的范围内。这将成为第二TES介质的温度，至少在第二TES容器的入口处，通常是顶部。
从上文可以看出，与现有技术中的许多系统不同，第一和第二TES容器的冷端通常是底部没有通过管道相互连接。相反，第一TES容器和第二TES容器的冷端通常是底部与环境相连，以便与环境交换空气。从这个意义上说，气流回路是对环境开放的。
有利的是，压缩机中的压缩和膨胀机中的膨胀，以及相应的进一步压缩机和进一步膨胀机，都是绝热的，气体和热存储介质之间的热传递是等压的。这是最理想的情况，但在实际应用中，这种理想模式会出现偏差。在实际应用中，理论上的绝热应理解为准绝热或接近绝热，只要实际应用允许这种压缩和膨胀。等绝热一词也是如此。通常情况下，从理论绝热和等压情况到实际应用中更现实的准绝热和准等压情况，与理想理论模型的偏差在10％以下。
在充电期间，作为工作流体的空气以最高温度Tmax的水平进入第一TES容器的顶部，以储存热能。工作流体中的热能通过工作流体从上端到第一TES介质的流动从工作流体转移到第一TES介质。
例如，第一层热沉介质是气体可渗透的，例如砾石，加热的气体从上端穿过介质到达下端，然后从底部离开热沉容器。
TES介质最好是显热TES介质，例如砾石，但也可以是具有相变特性的潜热介质。
第一TES介质中的热能传递提供了从Tmax到Tmin的温度梯度，其中Tmin<Tmax。这里，Tmax是添加在第一TES容器顶部和第一TES介质上端的工作流体的温度，Tmin是放电后和开始充电前TES介质下端的最低温度。温度梯度包含在TES介质的温跃层区域内。在充电过程中，带有温度梯度的温跃层区域向下端移动。根据充电时间的长短，下端的温度Tend可能会上升到高于Tmin的水平。这种情况相当于将温跃层挤出TES容器，在某些情况下用于控制梯度的陡度，通常也称为温跃层控制。
除上述优点外，本文所述系统还具有更多优点。在建立以砾石为TES介质的TES系统时，砾石通常是在潮湿的条件下输送的。在大型系统中，干燥相对大量的砾石需要大量的能源和时间。由于空气在所述系统中不断交换，空气可迅速将水蒸气排出系统，因此可实现快速、高效的干燥，并相应地快速启动系统的正常运行。
示例
下文总结了一些相互关联的示例，这些方面可以与上述特征结合起来。
示例1.一种热能储存TES系统的操作方法：
其中TES系统(100)包括：
-一个热力学气流回路，其中包含空气作为工作流体，用于通过TES系统传输热能，其中空气在整个气流回路中不是液相而是保持气相；
-第一TES容器(5)，内含用于存储热能的第一TES介质(5')，其中第一TES介质(5')沿着第一气流路径与气流回路热连接，用于与工作流体交换热能，其中第一气流路径是气流回路的一部分；
-能量转换器，用于在气流回路中转换工作流体的电能和热能；能量转换器包括电机(1A)、发电机(1B)和压缩机/膨胀机系统(2、3、2'、3')，压缩机/膨胀机系统包括压缩机(2)和膨胀机(3)，其中压缩机(2)与电机(1A)功能连接，用于在充电期间由电机(1A)驱动，而膨胀机(3)与发电机(1B)功能连接，用于在放电期间驱动发电机(1B)；
其中，该方法包括在充电期间：
-通过压缩机(2)以第一压力接收工作流体，并通过电机(1A)驱动压缩机(2)，通过压缩机(2)将工作流体从第一压力压缩到第二、更高压力，并通过压缩提高工作流体的温度，
-使压缩后的工作流体在第二压力下流经第一气体流路，并将热能从工作流体传递到第一TES介质(5')；
-在第一TES容器(5)下游将工作流体从第二压力减压至第一压力：
其中，该方法包括在放电期间，
-使工作流体反向流经第一气体流路，并将热能从第一TES介质(5')传递到工作流体，以加热工作流体；
-在第一TES容器(5)的下游，通过膨胀机(3)将工作流体减压至第一压力，并通过膨胀机(3)驱动发电机(1B)；
其中，气流回路是与环境相连的开式回路，用于与环境交换空气，第一压力为大气压力，该方法包括：
-在充电期间，通过压缩机(2)从环境中接收大气压下的空气(7)，并通过压缩机(2)将空气作为加压工作流体提供，并在减压后将工作流体(7')释放到第一TES容器(5)下游的环境中；
-在放电期间，从环境中接收大气压下的空气，并通过压缩机(2)或另一个压缩机(2')对空气进行压缩，将压缩后的工作流体反向流经第一TES介质(5')，并在通过膨胀机(3)膨胀后将工作流体释放到环境中。
示例2.根据方面1所述的方法，其中TES系统包括一个第二TES容器(4)，该容器含有用于存储热能的第二TES介质(4')，其中第二TES介质(4')沿着用于与工作流体交换热能的第二气体流动路径与气体流动回路热连接，其中第二气体流动路径是气体流动回路的一部分，其中第一和第二气体流动路径位于压缩器/膨胀机系统的相对两侧；
其中该方法包括：
-在充电期间，通过第二气体流动路径从环境中接收空气，并将热能从第二TES介质(4')转移到接收的空气中，以便在压缩机(2)压缩之前预热空气；
-在放电期间，只有在反向流经第二TES容器(4)并将热能从工作流体转移到第二TES介质(4')之后，才将工作流体从膨胀机(3)释放到环境中。
示例3.根据任一示例2所述的方法，其中第二TES容器(4)具有顶部和底部，第二TES介质(4')位于其间，该方法包括在充电期间将第二TES容器(4)的顶部与压缩机(2)的上游侧流动连接，在放电期间将第二TES容器(4)的顶部与膨胀机(3)的下游侧流动连接。
示例4.根据前述任一示例所述的方法，其中第一TES容器(5)具有顶部和底部，第一TES介质(5')位于其间，该方法包括在充电期间将第一TES容器(5)的顶部与压缩机(2)的下游侧流动连接，在放电期间将第一TES容器(5)的顶部与膨胀机(3)的上游侧流动连接。
示例5.根据前述任一示例所述的方法，其中该方法包括在充电段通过膨胀机(3)或进一步的膨胀机(3')将工作流体减压至环境中，膨胀机(3')与压缩机(2)在功能上耦合，例如通过联轴器(8)机械耦合，以增加压缩机(2)的驱动力。
示例6.根据前述任一示例所述的方法，其中该方法包括：
-在充电过程中，通过压缩机(2)将空气温度升高到400℃至700℃的范围内，可选范围为500℃至600℃，
-在放电过程中，通过膨胀机(3)将工作流体的温度降至200℃至400℃的范围内。
示例7.一种热能储存TES系统，其中TES系统(100)包括：
-一个热力学气流回路，其中包含空气作为工作流体，用于通过TES系统传输热能，其中空气在整个气流回路中不是液相而是保持气相；
-第一TES容器(5)，内含用于存储热能的第一TES介质(5')，其中第一TES介质(5')沿着第一气流路径与气流回路热连接，用于与工作流体交换热能，其中第一气流路径是气流回路的一部分；
-能量转换器，用于在气流回路中转换工作流体的电能和热能；能量转换器包括电机(1A)、发电机(1B)和压缩机/膨胀机系统(2、3、2'、3')，压缩机/膨胀机系统包括压缩机(2)和膨胀机(3)，其中压缩机(2)与电机(1A)功能连接，用于在充电期间由电机(1A)驱动，而膨胀机(3)与发电机(1B)功能连接，用于在放电期间驱动发电机(1B)；
其中，充电期间的系统配置用于：
-通过压缩机(2)以第一压力接收工作流体，并通过电机(1A)驱动压缩机(2)，以及通过压缩机(2)将工作流体从第一压力压缩至第二、更高压力，并通过压缩提高工作流体的温度，
-使压缩后的工作流体在第二压力下流经第一气体流路，并将热能从工作流体传递到第一TES介质(5')；
-在第一TES容器(5)下游将工作流体从第二压力减压至第一压力：
其中，在放电期间，系统配置用于：
-通过第一气体流路提供工作流体的反向流动，并将热能从第一TES介质(5')传递到工作流体以加热工作流体；
-在第一TES容器(5)的下游，通过膨胀机(3)将工作流体减压至第一压力，并通过膨胀机(3)驱动发电机(1B)；
其中，气流回路是与环境相连的开式回路，用于与环境交换空气，第一压力为大气压力，其中，系统配置用于：
-在充电期间，通过压缩机(2)从环境中以大气压力接收空气(7)，并通过压缩机(2)将空气作为加压工作流体提供，并在减压后将工作流体(7')释放到第一TES容器(5)下游的环境中；
-在放电期间，从环境中接收大气压下的空气，并通过压缩机(2)或另一个压缩机(2')对空气进行压缩，将压缩后的工作流体反向流经第一TES介质(5')，并在通过膨胀机(3)膨胀后将工作流体释放到环境中。
示例8.根据示例7所述的系统，其中TES系统包括一秒级TES容器(4)，该容器包含用于存储热能的第二TES介质(4')，其中第二TES介质(4')沿着用于与工作流体交换热能的第二气体流动路径与气体流动回路热连接，其中第一和第二气体流动路径位于压缩机/膨胀机系统的相对两侧；
其中，系统配置用于：
-在充电期间，通过第二气体流动路径从环境中接收空气，并将热能从第二TES介质(4')转移到接收的空气中，以便在压缩机(2)压缩之前预热空气；
-在放电期间，只有在反向流经第二TES容器(4)并将热能从工作流体转移到第二TES介质(4')之后，才将工作流体从膨胀机(3)释放到环境中。
示例9.根据示例8所述的系统，其中第二TES容器(4)具有顶部和底部，第二TES介质(4')位于其间，其中第二TES容器(4)的顶部在充电期间与压缩机(2)的上游侧流动连接，在放电期间与膨胀机(3)的下游侧流动连接；其中第一TES容器(5)具有顶部和底部，第一TES介质(5')位于顶部和底部之间，其中第一TES容器(5)的顶部在充电期间与压缩机(2)的下游侧流动连接，在放电期间与膨胀机(3)的上游侧流动连接。
示例10.根据示例7-9中任一示例所述的系统，其中TES介质是砾石。
附图说明
本发明将参照附图进行详细说明，其中：
图1是储能系统在A)充电周期和B)放电周期的原理简图；
图2为充电期间的体积-压力图示例；
图3举例说明了放电期间的体积-压力图。
具体实施方式
系统100包括一个电机/发电机系统，该系统带有一个电机1A和一个发电机1B，通过轴连接到一个压缩机/膨胀机系统，该系统带有一个压缩机2和一个膨胀机3，通过一个共同的旋转轴8连接，例如一个共同功能的压缩机/膨胀机装置。电动机1A和发电机1B可以作为一个单独的设备，定期以发电机或电动机的双重模式工作。
但请注意，电动机/发电机1A/1B和压缩机/膨胀机系统2/3之间也可以使用其他功能连接，例如液压或气动连接。
系统100还包括一个第一热能存储(TES)容器5，其中装有第一透气TES介质5'，以及一个第二TES容器4，其中装有第二透气TES介质4'。例如，介质为砾石。
工作流体在整个回路中为气态，不会达到液态。
参照图1A，在充电过程中，电机1A驱动压缩机2，通过压缩机2压缩气态工作流体，其中气态工作流体从第二TES容器4的顶部抽取。来自第二TES容器4的气态工作流体的温度在压缩机2的压缩作用下绝热升高，来自压缩机2出口的热气态工作流体被加入到第一TES容器5的内腔顶部，用于加热第一TES容器5内部的第一TES介质5'，例如砾石。
当压缩的气态工作流体在第一TES容器5中从上到下流经第一TES介质5'时，它首先在顶部加热所含的第一TES介质5'，然后再向下加热。在充电过程中，第一TES介质5'中已达到压缩气体工作流体温度的热温体积5A的尺寸随时间逐渐增大，因此加热后的热温体积5A在第一TES容器5中向下膨胀，而第一TES介质5'的低温体积5B则相应减小。
例如，压缩气态工作流体的温度范围为400℃至700℃，可选500℃至600℃，这将成为充电开始时第一TES容器5顶部的温度。例如，压缩机下游的压力范围为3-8帕。
当气态工作流体穿过第一TES容器5时，通过与第一TES容器5内的第一TES介质5'的热传导进行冷却，并以较低的温度离开第一TES容器5的底部，例如在充电开始时的温度范围为50-150℃。气体在膨胀机3中膨胀到大气压，膨胀后的气体进一步冷却，然后释放到环境中，后者由箭头7'表示。
在将空气释放到环境中之前，可以选择添加一个热回收系统，以进一步提取热能，但这并不是必须的。
在充电过程中，来自环境的空气例如15℃的空气进入第二TES容器4的底部，并在从底部到顶部的途中穿过第二TES容器4中的第二TES介质4'，使其在压缩机2的压缩作用下进一步变热之前被预热(例如预热至200℃至380°C，例如300℃-380℃。在此过程中，第二TES介质4'的低温容积4B会增大，而第二TES容器4中的高温容积4A则会在充电过程中相应减小。
由于空气作为工作流体与环境交换，开放式气流回路中的最低压力约为1个大气压。实际上，由于第二个TES容器4中的压力下降，与大气压会有轻微偏差。不过，由于这些压降相对较低，与压缩机3增加的压力相比可以忽略不计，因此在此将其视为可忽略不计。为简单起见，假定第二个TES容器4出口处的压力为大气压力，但由于压缩机2的吸气作用，可能会测得比大气压力略低的压力。
通过压缩机2将温度提高到400-600℃之间是非常有用的。温度越高，对容器和管道材料的要求就越高，设备也就越昂贵。
在第一个TES容器5中的高温容积5A和低温容积5B之间，具有从高温到低温温度梯度的温度过渡区域5C称为温跃层区。同样，在第二TES容器4中，第二TES介质4'的高温体积4A和低温体积4B之间的温度过渡区域4C也被称为温跃层区。这些过渡区域或温跃层区4C、5C希望是狭窄的，具有陡峭的梯度。
在现有技术中，作为提高效率的一种措施，通常会在第一个TES容器5和压缩器/膨胀器2'/3之间的位置6设置一个热交换器。在现有技术中，这种热交换器通常用于在实际使用该系统时避免温跃层变平和补偿效率损失。然而，由于该系统向空气开放，在很大程度上相当于一个固定温度的无限大缓冲容器，因此可以避免在6号位置使用这种热交换器。这里提到的这一事实，是相对于现有技术中类似系统的另一个简化实例。
充电过程是在电力系统有剩余电力的情况下进行的，例如来自太阳能发电厂或风力涡轮机，或来自使用化石燃料的常规发电厂。电力驱动电机1A进行充电。
第一TES容器5中以及压缩机2和膨胀机3上方管道系统中的压力高于第二TES容器4中的大气压力。因此，压缩机/膨胀机上方的热力循环区域为高压区，压缩机/膨胀机下方的热力循环区域为低压区，尤其是在大气压下。TES容器顶部之间的部分温度高于TES容器底部之间的部分，因此TES容器顶部之间的部分称为热动力循环的高温区，TES容器底部之间的部分称为热动力循环的低温区。
一旦充电过程结束，能量就会被储存起来，直到出现用电需求，然后开始放电。
在放电过程中，如图1B所示，来自环境中的空气在另一个压缩机2'中被压缩，并被添加到第一TES容器5的底部，在第一TES介质5'从底部流向第一TES容器5顶部的过程中，被第一TES介质5'进一步加热。来自第一个TES容器5的热空气从顶部离开容器5，并在另一个膨胀器3'中向第二个TES容器4中的低压处膨胀。进一步膨胀器3'驱动发电机1B发电，例如将电力输送回电网供一般消费。热空气在膨胀机3'中膨胀，导致空气温度降低。冷却后的空气被输送到第二热交换器容器4的顶部，在到达底部的过程中，通过热传导进一步冷却第二热交换器介质4'。冷空气从底部离开第二TES容器4，进入箭头7'所示的环境中。
压缩机2和另一个压缩机2'可以是相同的设备，甚至是同一个设备，也可以是双向工作的设备。同样，膨胀机3和进一步的膨胀机3'也是如此。回路中的流量连接必须根据所需的流量进行交换。同样，也可以将压缩机2和膨胀机3'组合在一个设备中，例如双向工作。膨胀机3和压缩机2'也是如此。功能组合如上所述。
图2中的PV图展示了一个充电循环的示例，该循环按逆时针方向读取。从最左下角开始，空气在环境温度一般情况下为15℃下进入第二个TES容器4的底部。用箭头7表示。空气自下而上流经第二TES介质4'，并被第二种较冷的TES介质4'加热至340℃，这是第二TES容器4中第二TES介质4'上端的温度。在第二TES容器4上端的这个温度下，空气进入压缩机2，从环境压力1帕(1帕＝100千帕)被压缩到2.7帕，温度升高到540℃。在此温度下，空气作为工作气体进入第一个TES容器5的顶部，并将热能传递给第一个TES介质5'，从而将空气冷却至150℃。通过膨胀机3将空气膨胀回1帕，将空气温度降至56℃。膨胀的空气驱动膨胀机3，协助电机1A驱动压缩机2进行充电。然后，空气从膨胀机3的下游侧释放到环境中，如箭头7'所示。
图3举例说明了顺时针方向的放电循环。环境温度为15℃的空气被另一个压缩机2'吸入并压缩至3.2帕，高于充电时的2.7帕压力，这是因为在该示例实施例中优化了效率。由于压缩，空气温度达到150℃，即第一TES容器5中第一TES介质5'底部入口处的温度。通过从底部到顶部穿过第一TES介质5'，空气被加热到540℃，即第一TES介质5'顶部的温度。在此温度下，第一热ES介质5'最热部分的空气进入进一步膨胀机3'，用于驱动发电机1B。进一步膨胀机3'还驱动进一步压缩机2'。因此，进一步膨胀机3'回收的能量将被分配给进一步压缩机2'和发电机1B。进一步膨胀机3'的膨胀将温度从540℃降低到340℃，并将压力降低到1帕或略高于1帕的环境压力，这取决于进一步膨胀机3'下游的一些流动阻力。该温度下的气体进入第二TES容器4中的第二TES介质4'，将热量传递给第二TES介质4'。热能传递后，空气被释放到环境中。
与循环低温段包括第二个TES容器的压力升高的系统相比，这种系统的效率较低。不过，该系统的复杂性较低，可以以较低的成本建立。在成本和效率之间取得平衡的情况下，开放式环境连接系统被认为是一种有用的替代方案，因为在这种情况下，建立和维护成本以及系统的紧凑尺寸比最大效率更重要。
特别是与上述US2014/0352295和US2015/0059342系统相比，上述系统仅有两个TES容器，而不是三个。此外，在充电阶段直接进入第二个TES容器的空气无需预冷，这样做的好处是可以防止第二个TES容器结冰。尽管系统较为简单，但效率很高。

Claims (12)

1.一种热能储存TES系统的操作方法，其中TES系统(100)包括：
-一个热力学气流回路，其中包含空气作为工作流体，用于通过TES系统传输热能，其中空气在整个气流回路中不是液相而是保持气相；其中气流回路是一个开式回路，与环境相连，用于空气与环境交换；
-第一TES容器(5)，内装用于存储热能的第一TES介质(5')，其中第一TES介质(5')沿着第一气流路径与气流回路热连接，用于与工作流体交换热能，其中第一气流路径是气流回路的一部分；
-第二TES容器(4)，内装用于存储热能的第二TES介质(4')，其中第二TES介质(4')沿着用于与工作流体交换热能的第二气流路径与气流回路热连接，其中第二气流路径是气流回路的一部分；以及
-能量转换器，用于在气流回路中转换工作流体的电能和热能；能量转换器包括电机(1A)、发电机(1B)和压缩机/膨胀机系统(2、3、2'、3')，压缩机/膨胀机系统包括压缩机(2)、进一步的压缩机(2')、膨胀机(3)和进一步的膨胀机(3')；其中压缩机(2)、进一步压缩机(2')、膨胀机(3)和进一步膨胀机(3')中的至少两个可选地作为具有多功能(例如双向压缩机-膨胀机功能)的单一设备提供；其中压缩机(2)与电机(1A)功能连接，用于在充电期间由电机(1A)驱动，膨胀机(3)与发电机(1B)功能连接，用于在放电期间驱动发电机(1B)；其中第一和第二气体流路位于压缩机/膨胀机系统(2、3、2'、3')的相对两侧；
其中，该方法包括在充电期间：
-从环境中接收作为工作流体的空气(7)，并通过流经第二气体流动路径将热能从第二TES介质(4')转移到接收的空气中，以便在压缩机(2)压缩之前预热作为工作流体的空气；
-随后，通过压缩机(2)接收空气(7)，并通过电机(1A)驱动压缩机(2)，通过压缩机(2)将工作流体从大气压力压缩到第二较高压力，并通过压缩提高工作流体的温度，以提供作为加压工作流体的空气；
-将第二压力下的压缩工作流体从压缩机(2)通过第一气体流路，并将热能从工作流体转移到第一TES介质(5')；
-在第一TES容器(5)下游，通过膨胀机(3)将工作流体从第二压力减压至大气压力，并在减压后将工作流体(7')释放到环境中；
其中，该方法包括在放电期间：
-在放电期间，通过进一步的压缩机(2')从环境中接收处于大气压力下的空气(7)，并通过进一步的压缩机(2')对空气进行压缩，并将由此压缩的工作流体反向流经第一TES介质(5')；
-使工作流体反向流经第一气体流路，并将热能从第一TES介质(5')传输到工作流体，以加热工作流体；
-在第一TES容器(5)下游，通过进一步膨胀机(3')将工作流体减压至第一压力，即大气压力，并通过进一步膨胀机(3')的膨胀驱动发电机(1B)；
-只有在反向流经第二TES容器(4)并将热能从工作流体转移到第二TES介质(4')之后，才将工作流体从进一步膨胀机(3')释放到环境中；
其特征在于，该方法包括：
-在充电期间，在减压达到的温度下，将工作流体从膨胀机(3)的下游侧释放到环境中；
-在放电期间，进一步的压缩机(2')在环境温度下从环境中接收空气。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在充电期间将工作流体从膨胀机下游侧释放到环境中是在工作流体不进入另一个TES容器的情况下完成的。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在放电期间，进一步的压缩机(2')从环境中接收空气时，空气在接收前不会流经进一步的TES容器进行预冷。
4.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法包括仅为系统提供两个TES容器(4、5)，即第一TES容器(5)和第二TES容器(4)。
5.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，第二TES容器(4)具有顶部和底部，第二TES介质(4')位于其间，该方法包括在充电期间将第二TES容器(4)的顶部与压缩机(2)的上游侧流动连接，在放电期间将第二TES容器(4)的顶部与进一步膨胀机(3')的下游侧流动连接。
6.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，第一TES容器(5)具有顶部和底部，第一TES介质(5')位于其间，该方法包括在放电期间将第一TES容器(5)的顶部与进一步压缩机(2')的下游侧流动连接，在放电期间将第一TES容器(5)的顶部与进一步膨胀机(3')的上游侧流动连接。
7.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法包括在充电阶段通过排气阀(3)向环境中排出工作流体，排气阀(3)与压缩机(2)在功能上耦合，例如通过联轴器(8)机械耦合，以增加压缩机(2)的驱动力。
8.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法包括在充电期间，通过压缩机(2)将空气的温度提高到400℃至700℃的范围内，可选地在500℃至600℃的范围内。
9.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法包括在放电期间，通过进一步的膨胀机(3')将工作流体的温度降低到200℃至400℃范围内的温度。
10.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，该方法包括将TES介质作为砾石提供。
11.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，至少两个压缩机(2)、进一步的压缩机(2')、膨胀机(3)和进一步的膨胀机(3')作为具有多功能(例如双向压缩机-膨胀机功能)的设备提供，并且该方法包括在充电和放电期间切换时改变压缩机/膨胀机系统(2、3、2'、3')和TES容器(4、5)之间的流量连接。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法包括以下至少一项：
-将压缩机(2)和膨胀机(3')作为单个双向功能装置，并在充电期间从压缩机功能切换到放电期间的放电功能；
-将膨胀机(3)和压缩机(2')作为单个双向功能装置，并将充电时的膨胀机功能改为放电时的压缩机功能；
-将压缩机(2)和另一个压缩机(2')作为单个压缩机装置，并在充电时将单个压缩机装置的上游连接改变为与第二流路的上游连接，在放电时将上游连接改变为与环境的上游连接；
-将膨胀机(3)和进一步的膨胀机(3')作为单个膨胀机装置，并改变单个膨胀机装置的下游连接，即充电时与环境的下游连接和放电时与第二流道的下游连接。
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