ES2827311T3 - Sistema híbrido de almacenamiento de energía de bajo coste - Google Patents

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Hamarz Aryafar
Ariana Thacker
Mohammad Janbozorgi
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Abstract

Un sistema híbrido de almacenamiento de energía (100; 200; 210; 220) que comprende: un controlador (102) configurado para estar conectado operativamente a una o más fuentes de energía externas (90); un compresor (104) de aire en comunicación por señales con el controlador (102) y conectado operativamente a al menos una de la una o más fuentes de energía externas (90); un tanque de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) (106) conectado de manera fluida para recibir aire comprimido del compresor (104) de aire, en el que el tanque CAES (106) está configurado además para liberar un flujo de aire a través de una primera válvula de control (CV1) que está en comunicación por señales con el controlador (102); un sistema de recuperación de energía, que comprende (i) un primer intercambiador de calor (121) conectado de manera fluida para recibir un flujo de aire relativamente caliente del compresor (104) de aire, (ii) un segundo intercambiador de calor (126) conectado de manera fluida para recibir un flujo de aire relativamente frío del tanque CAES (106), (iii) un depósito (122) de fluido frío, (iv) un depósito (123) de fluido caliente, (v) una primera bomba (124) en comunicación por señales con el controlador (102), y (vi) una segunda bomba (125) en comunicación por señales con el controlador (102); en el que la primera bomba (124) está configurada para bombear fluido de transmisión de calor desde el depósito (122) de fluido frío, a través del primer intercambiador de calor (121), y hasta el depósito (123) de fluido caliente, y en el que, además, la segunda bomba (125) está configurada para bombear fluido de transmisión de calor desde el depósito (123) de fluido caliente, a través del segundo intercambiador de calor (126), y hasta el depósito (122) de fluido frío; en el que el controlador (102) está configurado para controlar las bombas primera y segunda (124, 125) de manera que el flujo de aire frío del tanque CAES (106) se calienta en el segundo intercambiador de calor (126) mediante el fluido de transmisión de calor; caracterizado por que el sistema híbrido de almacenamiento de energía (100; 200; 210; 220) comprende además: un empalme (130) de flujo configurado para añadir un flujo auxiliar de aire caliente al flujo de aire calentado en el segundo intercambiador de calor (126) para producir un flujo de aire combinado; un recuperador (140) conectado de manera fluida para recibir el flujo de aire combinado, y conectado de manera fluida para recibir un flujo de aire de escape de una turbina de potencia (160) de manera que el flujo de aire de escape precalienta en el recuperador (140) el flujo de aire combinado; un sistema de almacenamiento de energía térmica a alta temperatura (HTES) (110; 211) en comunicación por señales con el controlador (102) y que comprende (i) un material de alta temperatura y alta capacidad calorífica (HTHHC) (114; 214), (ii) un canal de flujo (117; 213) a través del material HTHHC (114; 214) configurado para recibir al menos una parte del flujo de aire combinado del recuperador (140), y (iii) medios (112; 212) para calentar el material HTHHC (114; 214) con al menos una de dicha una o más fuentes de energía externas (90), en el que el flujo de aire combinado recibido desde el recuperador (140) se calienta en el sistema HTES (110; 211); un turbocompresor (150) configurado para recibir el flujo combinado calentado a fin de producir el flujo auxiliar de aire caliente; en el que la turbina de potencia (160) está configurada para recibir el flujo combinado calentado del turbocompresor (150) y para utilizar el flujo recibido a fin de producir energía de salida, y para expulsar el flujo de aire de escape al recuperador (140). p

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema híbrido de almacenamiento de energía de bajo coste
Antecedentes
El almacenamiento de energía es una tecnología importante para el futuro de la infraestructura energética y es uno de los principales desafíos de la industria energética hoy en día. El almacenamiento de energía económico, a gran escala y eficiente es una tecnología que permite la explotación de fuentes de energía renovables intermitentes, tales como la energía solar, la energía eólica, etc. Las mejoras en los sistemas de almacenamiento de energía permitirán que las fuentes de energía renovables comprendan una fracción más significativa de la red de energía nacional. El almacenamiento de energía se puede utilizar para suavizar las fluctuaciones en la generación de energía renovable, reduciendo o eliminando la intermitencia y reemplazando la energía impredecible por energía gestionable y distribuible. Por ejemplo, los sistemas de almacenamiento de energía pueden convertir la energía eléctrica en otro modo de energía almacenable, tal como energía mecánica, potencial, química, biológica, eléctrica o térmica, y luego convertir la energía almacenada nuevamente en energía eléctrica cuando se despliega la energía. Los dispositivos de almacenamiento de energía se clasifican generalmente por sus características de comportamiento y las aplicaciones en las que sirven.
Se conocen varias tecnologías para el almacenamiento de energía. Los dispositivos de almacenamiento de energía pueden usarse para cerrar la brecha temporal entre la producción de energía y los requisitos de energía del usuario. Las soluciones para el almacenamiento eficiente de energía han adquirido un interés creciente debido al énfasis en el desarrollo de recursos energéticos alternativos, tales como la energía solar eléctrica, la energía solar térmica, la energía eólica y similar. Tales recursos energéticos alternativos a menudo solo están disponibles de forma intermitente. Las tecnologías a modo de ejemplo para el almacenamiento de energía incluyen volantes de inercia de alta potencia, almacenamiento de energía magnética superconductora, supercondensadores de alta potencia, varias tecnologías avanzadas de baterías que incluyen baterías de flujo, almacenamiento hidroeléctrico por bombeo, almacenamiento de energía térmica y almacenamiento de energía de aire comprimido. Según estudios recientes, el almacenamiento de energía de aire comprimido es particularmente prometedor como tecnología económica para la gestión de energía a granel.
Se sabe que el almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES), tal como, por ejemplo, el descrito en el documento DE 2636417 A1 o el documento US 2010/251712 A1, es una forma eficaz de almacenar energía, pero actualmente no es eficiente ni rentable. El estado existente de la técnica del CAES se centra en métodos adiabáticos avanzados (AA-CAES) y los métodos isotérmicos (I-CAES). Sin embargo, hasta la fecha no se ha encontrado que tales sistemas proporcionen una alternativa competitiva para el almacenamiento de energía. Sin embargo, los sistemas CAES convencionales se basan en almacenar energía a alta presión. Los sistemas de almacenamiento de energía en los que el almacenamiento principal de energía está en el aire comprimido tienen desventajas, incluidos los altos costes asociados con la compresión a altas presiones, las pérdidas de energía asociadas con el calentamiento por compresión y el enfriamiento en la expansión.
Una nueva opción híbrida para el almacenamiento de energía se describe y se denomina en este documento Sistema híbrido de almacenamiento de energía de bajo coste (LCHESS). El LCHESS reduce el coste del almacenamiento de energía, al tiempo que aumenta el rendimiento de estos sistemas. El sistema LCHESS combina el almacenamiento de energía térmica a alta temperatura (HTES) con el almacenamiento de energía de aire comprimido a baja presión. Un turbocompresor de compresor-turbina (reductor/expansor) aumenta el flujo de aire del depósito de aire comprimido y el flujo combinado se calienta a altas temperaturas en el sistema HTES. El sistema híbrido divulgado optimiza el almacenamiento de energía entre el almacenamiento de energía térmica y el almacenamiento de aire comprimido.
Compendio
Este compendio se proporciona para presentar una selección de conceptos en una forma simplificada, que se describen adicionalmente a continuación en la Descripción detallada. Este compendio no tiene la intención de identificar las características clave de la materia sustantiva reivindicada, ni está destinado a que se use como ayuda para determinar el alcance de la materia sustantiva reivindicada. La invención está definida por el sistema híbrido de almacenamiento de energía de la reivindicación 1 adjunta y el método para almacenar energía desde una fuente externa y para desplegar la energía almacenada de la reivindicación 13 adjunta.
Un sistema híbrido de almacenamiento de energía de bajo coste para recibir, almacenar y desplegar energía desde una o más fuentes de energía externas combina un sistema de almacenamiento de energía de aire comprimido a baja presión (CAES), un sistema de almacenamiento de energía a alta temperatura (HTES) y un sistema para aumentar un flujo de salida del sistema CAES aguas arriba del sistema HTES. El sistema híbrido de almacenamiento de energía incluye un controlador conectado operativamente a dicha una o más fuentes de energía externas, y en comunicación por señales con un compresor de aire que suministra aire comprimido a un tanque CAES. Un sistema de recuperación de energía capta calor del aire comprimido e incluye (i) un primer intercambiador de calor conectado de manera fluida para recibir un flujo de aire relativamente caliente del compresor de aire, (ii) un segundo intercambiador de calor conectado de manera fluida para recibir un flujo de aire relativamente frío del tanque CAES, (iii) un depósito de fluido frío, (iv) un depósito de fluido caliente, (v) una primera bomba en comunicación por señales con el controlador, y (vi) una segunda bomba en comunicación por señales con el controlador. La primera bomba bombea fluido de transmisión de calor desde el depósito de fluido frío, a través del primer intercambiador de calor, y hasta el segundo depósito de fluido. La segunda bomba bombea fluido de transmisión de calor desde el depósito de fluido caliente, a través del segundo intercambiador de calor, y hasta el depósito de fluido frío. El controlador controla las bombas primera y segunda de modo que el flujo de aire frío del tanque CAES se calienta en el segundo intercambiador de calor mediante el fluido de transmisión de calor. Se añade un flujo auxiliar de aire caliente al flujo de aire calentado en el segundo intercambiador de calor para producir un flujo de aire combinado. Un recuperador recibe el flujo de aire combinado y recibe un flujo de aire de escape de una turbina de potencia para precalentar en el recuperador el flujo de aire combinado. El sistema HTES está en comunicación por señales con el controlador e incluye (i) un material de alta temperatura y alta capacidad calorífica (HTHHC), (ii) un canal de flujo a través del materia1HTHHC configurado para recibir al menos una parte del flujo de aire combinado desde el recuperador, y (iii) un medio para calentar el material HTHHC con al menos una de dicha una o más fuentes de energía externas, en el que el flujo de aire combinado recibido desde el recuperador se calienta en el sistema HTES. Un turbocompresor recibe el flujo combinado calentado para producir el flujo auxiliar de aire caliente, y la turbina de potencia recibe el flujo combinado calentado del turbocompresor y utiliza el flujo recibido para producir energía de salida. El flujo de aire de escape de la turbina de potencia fluye hacia el recuperador.
En algunas realizaciones, el material HTHHC es hormigón, por ejemplo un hormigón refractario.
En algunas realizaciones, los medios para calentar el material HTHHC son una pluralidad de calentadores eléctricos incrustados o insertados en el material HTHHC. Los calentadores eléctricos pueden ser calentadores de cartucho o cintas o alambres de resistencia. Por ejemplo, los calentadores eléctricos pueden ser una cinta o alambre de aleación de hierro-cromo-aluminio.
En una realización, el material HTHHC está formado como un bloque y comprende además una pluralidad de canales metálicos incrustados en el material HTHHC y dimensionados para recibir los calentadores eléctricos. En una realización, los canales metálicos incluyen además aletas.
En una realización, el tanque CAES funciona a una presión no mayor que 5.171,068 kPa (750 psi).
En una realización, el sistema incluye además una tercera bomba configurada para bombear fluido de transmisión de calor desde el depósito frío, a través del recuperador, y hasta el depósito de fluido caliente.
En una realización, una turbina auxiliar está prevista para generar energía, y la segunda bomba está configurada para bombear selectivamente fluido de transmisión de calor desde el depósito de fluido caliente, a través del recuperador y a través de la turbina auxiliar, para generar la energía adicional.
En una realización, un segundo bucle de recuperación de calor está previsto para preenfriar el aire que entra en el compresor. Por ejemplo, el segundo bucle de recuperación de calor puede configurarse además para preenfriar el aire que entra en el componente compresor del turbocompresor.
Un método para almacenar energía desde una fuente de energía externa y para desplegar la energía almacenada incluye comprimir aire usando energía desde la fuente de energía externa, recuperar energía térmica del aire comprimido, almacenar la energía térmica recuperada en un depósito de fluido caliente, almacenar el aire comprimido en un tanque CAES y calentar un material de alta temperatura y alta capacidad calorífica usando energía desde la fuente de energía externa. El método incluye además liberar una corriente de aire del tanque CAES a través de una válvula de control, precalentar la corriente de aire liberada usando el fluido de transmisión de calor del depósito de fluido caliente, aumentar la corriente de aire usando un flujo de aire suplementario desde un turbocompresor, precalentar en un recuperador el aire aumentado, con una corriente de escape de una turbina de potencia, calentar el aire aumentado a través de uno o más canales en el material HTHHC, expandir el aire en la turbina del turbocompresor para generar el flujo de aire suplementario y expandir adicionalmente el aire expandido y aumentado, desde la turbina del turbocompresor hasta la turbina de potencia, para generar la energía de salida.
Descripción de los dibujos
Los aspectos anteriores y muchas de las ventajas esperadas de esta invención se apreciarán más fácilmente a medida que se entiendan mejor por referencia a la siguiente descripción detallada, cuando se toma junto con los dibujos que se acompañan, en los que:
la figura 1 es un diagrama de una primera realización de un sistema híbrido de almacenamiento de energía de bajo coste (LCHESS) de acuerdo con la presente invención;
la figura 2A muestra una sección transversal de una realización del sistema de almacenamiento de energía térmica a alta temperatura para el LCHESS mostrado en la figura 1;
la figura 2B muestra una segunda realización de un sistema de almacenamiento de energía térmica a alta temperatura para el LCHESS mostrado en la figura 1;
la figura 2C muestra una vista en sección transversal del sistema de almacenamiento de energía térmica a alta temperatura mostrado en la figura 2B;
la figura 3 es un diagrama de una segunda realización de un LCHESS de acuerdo con la presente invención, en el que se recupera calor adicional de la corriente de escape de la turbina de potencia;
la figura 4 es un diagrama de otra realización de un LCHESS de acuerdo con la presente invención, que comprende además una salida de energía secundaria; y
la figura 5 es un diagrama de una segunda realización de un LCHESS de acuerdo con la presente invención, que comprende además un componente de refrigeración del aire de entrada al compresor.
Descripción detallada
Los sistemas de almacenamiento de energía híbridos de bajo coste (LCHESS) a modo de ejemplo de acuerdo con la presente invención se describirán ahora con referencia a las figuras, en las que números similares indican elementos similares. Un primer sistema LCHESS 100 de acuerdo con la presente invención se ilustra en la figura 1. El sistema LCHESS 100 está configurado para almacenar energía temporalmente y para poner a disposición o desplegar la energía almacenada para un uso posterior. Como se describió anteriormente, el almacenamiento de energía eficiente y de bajo coste es un desafío importante en la industria energética, particularmente para los sistemas de energía que incorporan fuentes de energía intermitentes. En una aplicación a modo de ejemplo, el sistema LCHESS 100 puede almacenar el exceso de energía cuando la capacidad de generación excede la demanda y distribuir la energía almacenada cuando la demanda excede la capacidad de generación. En aplicaciones de almacenamiento de energía de la red, el sistema LCHESS 100 es adecuado para aplicaciones de nivelación de carga. El sistema LCHESS 100 también puede usarse para permitir que los proveedores de energía que trabajan con varios sistemas generadores diferentes optimicen la producción de energía. El sistema LCHESS 100 también permite a los proveedores, que tienen múltiples y variados sistemas de generación de energía, optimizar el funcionamiento de sistemas de generación de energía de menor coste, almacenar el exceso de generación de energía de los sistemas de producción de energía de menor coste durante períodos de baja demanda y desplegar la energía almacenada durante los períodos de máxima demanda, reduciendo así la dependencia de sistemas de generación de energía más costosos.
El sistema LCHESS 100 también encuentra utilidad en aplicaciones de generación de energía autónomas y fuera de la red. Por ejemplo, el sistema LCHESS 100 puede proporcionar almacenamiento de energía para sistemas de generación de energía remotos que dependen de fuentes de energía intermitentes, tales como la energía solar, la energía eólica, la energía de mareas o similares, para proporcionar energía cuando la fuente intermitente no está disponible.
Por ejemplo, en el sistema LCHESS 100 mostrado en la figura 1, una o más fuentes de energía 90 proporcionan energía al sistema 100 a través de un controlador 102 (las señales de control se indican con líneas de puntos, los flujos de aire se indican con líneas continuas y los flujos de fluido de transmisión de calor, que no son de aire, se indican mediante líneas discontinuas). El controlador 102 puede ser cualquier dispositivo o sistema de control adecuado, como es bien conocido en la técnica, incluidos los sistemas programables, los sistemas de uso general, los controladores de diseño personalizado y similares. El controlador 102 puede comunicarse con los diversos sensores y componentes con conexiones alámbricas, de forma inalámbrica o con una combinación de comunicaciones alámbricas e inalámbricas. El controlador 102 incluirá preferiblemente sensores para monitorizar el estado del sistema, incluyendo, por ejemplo, sensores de presión, sensores de temperatura, sensores de posición, sensores de corriente/voltaje y similares, como son bien conocidos en la técnica.
La fuente de energía 90 puede ser cualquier fuente de energía adecuada, incluyendo, por ejemplo, cualquier fuente de energía renovable. En algunas realizaciones, el sistema LCHESS 100 puede estar integrado en una red de energía, y obtener energía directamente de la red. El sistema LCHESS 100 proporciona dos modos principales de almacenamiento de energía: almacenamiento de energía de aire comprimido en un depósito (CAES) 106 y almacenamiento de energía térmica a alta temperatura (HTES) en un sistema HTES 110.
Cuando el exceso de energía de la fuente 90 está disponible, el controlador 102 puede dirigir el exceso de energía W in para hacer funcionar un compresor 104 a fin de comprimir aire y almacenar el aire comprimido en el depósito CAES 106. Debido a que el sistema LCHESS 100 no depende únicamente del aire almacenado para el despliegue de energía, el sistema 100 puede diseñarse para almacenar aire comprimido en el depósito CAES 106 a presiones relativamente bajas, en comparación con los sistemas de la técnica anterior. Se contempla que el compresor 104 y el depósito CAES 106 puedan proporcionar un almacenamiento de aire en el depósito CAES 106 a presiones menores que 6.894,757 kPa (1.000 psi), por ejemplo, o a presiones menores que 5.171,068 kPa (750 psi) en otro ejemplo. Los expertos en la técnica apreciarán que el CAES de presión más baja reduce en gran medida los costes asociados con el depósito CAES 106 y el compresor 104. Además, la presión más baja mitiga las ineficiencias y pérdidas relacionadas con las altas temperaturas típicamente asociadas con altas presiones de compresión y las bajas temperaturas típicamente asociadas con la expansión de gases desde altas presiones.
Por consideraciones de la ley de los gases, el aire comprimido eleva la temperatura del aire. Además, el compresor 104 genera calor durante el proceso de compresión. El sistema LCHESS 100 mostrado en la figura 1 incluye un sistema de almacenamiento de energía térmica a baja temperatura (LTES) en un bucle 120 de recuperación de calor. El bucle 120 de recuperación de calor extrae energía térmica del aire comprimido. Al extraer energía térmica del aire comprimido, el aire almacenado en el depósito CAES 106 es relativamente más frío (es decir, enfriado por la extracción de energía térmica), permitiendo que se almacene más masa de aire en el depósito CAES 106 a una presión dada.
El bucle 120 de recuperación de calor LTES incluye un sistema de recuperación de calor del compresor, denominado en este documento un intercambiador de calor 121 del compresor para extraer calor en el compresor 104 (ya sea directamente del aire comprimido o del aceite lubricante del compresor), un depósito 122 de fluido frío, un depósito 123 de fluido caliente y una primera bomba 124 (aire o gas). Durante el funcionamiento del compresor 104 de aire, el controlador 102 activa la primera bomba 124 en el bucle 120 de recuperación de calor LTES. La primera bomba 124 hace circular un fluido de transmisión de calor desde el depósito 122 de fluido frío, a través del intercambiador de calor 121 del compresor, y hasta el depósito 123 de fluido caliente. El fluido de transmisión de calor extrae energía térmica del aire comprimido. El fluido de transmisión de calor relativamente caliente se almacena en el depósito 123 de fluido caliente, y el aire comprimido relativamente frío se almacena en el depósito CAES 106. La energía almacenada en el fluido de transmisión de calor se recupera útilmente durante el despliegue de energía, como se describe a continuación.
Además (o alternativamente si el depósito CAES 106 está suficientemente presurizado), cuando hay un exceso de energía disponible, el controlador 102 puede almacenar el exceso de energía Q in en el sistema de almacenamiento de energía térmica a alta temperatura (HTES) 110. El sistema HTES 110 incorpora un material de almacenamiento de energía térmica 114 que es estable a altas temperaturas y tiene una alta capacidad calorífica para almacenar energía térmica en forma de calor sensible, por ejemplo mediante calentamiento Joule. Un material de alta temperatura y alta capacidad calorífica (HTHHC) se define en este documento expresamente como un material en fase sólida que tiene una capacidad calorífica específica mayor que 800 J/kg°C a 25°C y que conserva su resistencia a temperaturas de al menos 1.000°C.
Los materiales HTHHC 114 a modo de ejemplo incluyen refractarios, cementos u hormigones de alta temperatura, piedra, ladrillo, arena y ciertos materiales compuestos cerámicos. Por ejemplo, el materia1HTHHC 114 puede formarse como un bloque sólido o puede ser un volumen en contenedor de partículas o gránulos más pequeños empaquetados de forma suelta. Si se seleccionan partículas o gránulos más pequeños, el materia1HTHHC 114 puede funcionar como un lecho fluidizado.
El sistema HTES 110 en una realización actual incluye unidades de calentamiento de cartucho 112 eléctricas incrustadas o insertadas en el material HTHHC 114.
En una realización mostrada en sección transversal en la figura 2A, el sistema HTES 110 incluye un bloque de material HTHHC 114 con canales 113 configurados para recibir unidades de calentamiento 112, por ejemplo calentadores de cartucho. En algunas realizaciones, los canales 113 se forman directamente en el bloque de materia1HTHHC 114. En otras realizaciones, los canales se forman a partir de tubos en el materia1HTHHC 114. Por ejemplo, los tubos de acero inoxidable se pueden incrustar en el bloque de material HTHHC 114. Los canales 113 pueden comprender además aletas o extensiones 115 exteriores que tienen una alta conductividad térmica, para facilitar la transmisión de calor al material HTHHC 114.
Uno o más canales 117 de aire (se muestra uno), con entradas y salidas de aire correspondientes, se extienden a través del bloque de material HTHHC 114, de modo que el aire que fluye a través de los canales 117 se calienta cuando está caliente el material HTHHC 114. Aunque se ilustra un canal 117 de aire serpenteante, se contempla que se pueden usar alternativamente una pluralidad de canales de aire pasantes, y puede ser preferible en algunas aplicaciones, por ejemplo para proporcionar un flujo de aire suficiente con pérdidas de presión reducidas.
La figura 2B ilustra otra realización de un sistema HTES 211 modular que tiene una pluralidad de bloques de material HTHHC 214 (se muestran tres), ensamblados en serie. La figura 2C muestra el sistema HTES 211 en sección transversal. Cada uno de los bloques de material HTHHC 214 tiene una pluralidad de canales de aire 213 a través del mismo, con un colector de entrada 231 en un extremo y un colector de salida 232 en el extremo opuesto, en el que el aire fluye a través de la pluralidad de bloques 214 en el sistema HTES 211, esencialmente en canales paralelos 213. En esta realización, una pluralidad de longitudes de cintas de resistencia o alambres 212, por ejemplo cinta o alambre de aleación de hierro-cromo-aluminio, tal como el vendido bajo la marca comercial KANTHAL®, están incrustados o insertados en el material HTHHC 214. En una realización, las cintas o alambres 212 tienen un índice de temperatura de aproximadamente 1.398,89°C (2.550°F). Las cintas o alambres 212 están conectados a una fuente de energía eléctrica Q in (conexión no mostrada) para calentar el material HTHHC 214.
En algunas realizaciones, el sistema HTES 110 puede comprender una pluralidad de unidades modulares de transmisión de calor que están conectadas en paralelo o en serie, de manera que el sistema se pueda expandir fácilmente. Se contempla en algunas realizaciones que una pluralidad de sistemas HTES 110 pueden estar dispuestos para ser conectados selectiva y controlablemente para satisfacer demandas particulares. También se contempla, por ejemplo, que el sistema 100 pueda expandirse modularmente para añadir sistemas HTES 110 adicionales para cumplir con los requisitos de crecimiento.
El exceso de energía QIN se dirige a las unidades de calentamiento 112 para almacenar el exceso de energía como energía térmica en el sistema HTES 110. Opcionalmente, los calentadores de cartuchos 112 incluirían termopares internos (no mostrados). Alternativamente, se pueden usar otras unidades de calentamiento o potencias diferentes, y más o menos unidades de calentamiento 112. Las unidades de calentamiento 112 pueden controlarse por separado, de manera que se puede optimizar el funcionamiento de las unidades de calentamiento 112. Pueden utilizarse termopares para monitorizar la temperatura del material HTHHC 114 y las señales resultantes enviarse al controlador 102, y ser utilizadas por el mismo, para controlar el funcionamiento de las unidades de calentamiento 112 para alcanzar la temperatura deseada. En algunas realizaciones, las unidades de calentamiento 112 pueden estar incrustadas directamente en el material HTHHC 114.
En otras realizaciones, por ejemplo en sistemas receptores centrales solares, el exceso de energía a almacenar en el sistema HTES 110 puede estar en forma de energía térmica en un fluido de transmisión de calor. En estas realizaciones, el fluido de transmisión de calor se puede hacer fluir a través de los canales 113 en el materia1HTHHC 114 para almacenar la energía térmica en el material de bloque 114.
Para desplegar la energía almacenada a partir del sistema 100, el controlador 102 activa una válvula de control CV1 en el depósito CAES 106 para iniciar un flujo desde dicho depósito CAES 106. Por consideraciones de la ley de los gases, la temperatura del aire descenderá significativamente durante la expansión. Como se describió anteriormente, cuando se presuriza el depósito CAES 106, la energía térmica del aire se extrae y se almacena en un depósito 123 de fluido caliente utilizando el bucle 120 de recuperación de calor de compresión LTES. Durante el despliegue de energía, el controlador 102 activa una segunda bomba 125 en el bucle 120 de recuperación de calor. La segunda bomba 125 hace circular fluido de transmisión de calor relativamente caliente desde el depósito 123 de fluido caliente a través de un segundo intercambiador de calor 126 para precalentar el aire de expansión del depósito CAES 106. El fluido de transmisión de calor regresa luego del tanque CAES 106 al depósito 122 de fluido frío.
Como se muestra en la figura 1, el aire de expansión se precalienta en el intercambiador de calor 126 del bucle 120 de recuperación de calor. El flujo de aire precalentado desde el segundo intercambiador de calor 126 se aumenta entonces con un flujo de aire auxiliar caliente y presurizado en un empalme 130 de flujo. El flujo de aire aumentado o combinado se precalienta además en un recuperador 140 a partir del flujo de escape desde una turbina de potencia 160. Las fuentes del flujo de aire auxiliar y del flujo de escape de la turbina de potencia se muestran en la figura 1 y se describen a continuación.
El flujo de aire combinado pasa luego a un divisor o un segundo empalme 132 de flujo. Al menos una parte del flujo de aire combinado avanza a través de una primera línea 132A de flujo de salida desde el empalme 132 de flujo, a través de una segunda válvula de control CV2, y hacia dentro del sistema HTES 110, en el que el flujo de aire se calienta más. La parte restante del flujo de aire combinado (si lo hay) fluye a través de una segunda línea 132B de flujo de salida desde el segundo empalme 132 y a través de una tercera válvula de control CV3, evitando el sistema HTES 110. El flujo de salida del sistema HTES 110 y el flujo de derivación se recombinan en un empalme 134 de flujo.
El flujo de salida recombinado desde el empalme 134 de flujo se dirige a un componente de turbina 151 de un turbocompresor 150. La turbina 151 impulsa un compresor 152 que comprime el aire atmosférico para producir el flujo auxiliar calentado por compresión descrito anteriormente, lo que hace aumentar el flujo de aire desde el segundo intercambiador de calor 126. El flujo auxiliar se dirige desde el compresor 152 hacia dentro del primer empalme 130 de flujo.
Se apreciará que el controlador 102 ajusta las válvulas de control CV2 y CV3 para producir una división de flujo deseada entre el flujo de aire a través del sistema HTES 110 y el flujo de aire que evita el sistema HTES 110, para controlar la temperatura de entrada de aire al turbocompresor 150. Se prevén sensores de temperatura, sensores de presión, sensores de flujo y similares (no mostrados) en comunicación por señales con el controlador 102. El controlador 102 usa los datos de los sensores para controlar las válvulas, los elementos de calentamiento y otros componentes.
Por ejemplo, cuando se inicia por primera vez el despliegue de energía del sistema 100, el sistema HTES 110 puede estar a una temperatura máxima de diseño, que puede ser mucho más alta que la temperatura del flujo de aire deseada para el turbocompresor 150. Para producir la temperatura del flujo de aire deseada, una parte de la corriente de aire evita el sistema HTES 110, y vuelve a unirse al flujo de salida del sistema HTES 110. A medida que el flujo de aire sigue extrayendo calor del sistema HTES 110, disminuirá la temperatura del sistema HTES 110, y el flujo se dividirá entre el sistema HTES 110 y la derivación pueden ajustarse para lograr la temperatura deseada en el turbocompresor 150. El controlador 102 está configurado para monitorizar las temperaturas del flujo de aire y para controlar las válvulas de control CV2 y CV3 a fin de producir la temperatura de flujo deseada.
El escape de la turbina 151 del turbocompresor se dirige a la turbina de potencia 160 para generar la energía Eout desplegada deseada. El escape de la turbina de potencia 160 se dirige al recuperador 140, como se describió anteriormente, precalentando el flujo combinado aguas arriba del sistema HTES 110. El escape de la turbina en esta realización se libera luego a la atmósfera. Opcionalmente, el escape, si es suficientemente energético, puede utilizarse adicionalmente, por ejemplo usando recuperadores adicionales.
Aunque en la figura 1 se muestra un turbocompresor 150, alternativamente, el compresor principal 104 puede conectarse y hacerse funcionar para proporcionar el flujo aumentado a través del empalme 130 de flujo. En otra realización, un compresor independiente, por ejemplo un compresor alimentado eléctricamente (no mostrado) conectado operativamente a la turbina de potencia 160, puede proporcionar el flujo aumentado a través del empalme 130 de flujo. En algunas realizaciones, por ejemplo en aplicaciones de potencia intermitentes y autónomas, el controlador y las bombas pueden ser alimentados directamente de la energía de la turbina de potencia cuando el sistema genera energía de salida.
Una segunda realización de un sistema LCHESS 200 de acuerdo con la presente invención se muestra esquemáticamente en la figura 3. Esta realización es similar al sistema LCHESS mostrado en la figura 1. Por razones de brevedad y claridad, no se repetirán los aspectos del sistema LCHESS 200 ya descritos anteriormente.
En esta realización, el bucle 120 de recuperación de calor se expande con un circuito independiente para recuperar la energía térmica de la corriente de escape de la turbina de potencia 160 hacia dentro del depósito 123 de fluido caliente. Cuando la turbina de potencia 160 está funcionando, por ejemplo, una tercera bomba 127 está configurada de forma controlable para bombear fluido de transmisión de calor desde el depósito 122 de fluido frío, a través del recuperador 140, y hasta el depósito 123 de fluido caliente.
Una tercera realización de un sistema LCHESS 210 de acuerdo con la presente invención se muestra esquemáticamente en la figura 4. Esta realización es similar al sistema LCHESS 100 mostrado en la figura 1. El bucle 120a de recuperación de calor por compresión LTES se modifica para recuperar energía de salida Eout2 adicional del escape de la turbina de potencia 160. Cuando el escape de la turbina de potencia 160 contiene suficiente energía térmica para producir un cambio de fase en el fluido de transmisión de calor, la segunda bomba 125 bombea fluido de transmisión de calor desde el depósito 123 de fluido caliente a través del recuperador 140, donde el fluido de transmisión de calor se calienta más. El fluido vaporizado puede luego expandirse a través de una turbina auxiliar 162 para producir energía de salida Eout2 adicional. A continuación, el fluido de transmisión de calor avanza a través del intercambiador de calor 126 para precalentar el aire de expansión desde el sistema CAES 106, como se ha descrito anteriormente, y regresa al depósito 122 de fluido frío. Alternativamente, por ejemplo, si el escape de la turbina de potencia no retiene suficiente energía residual, la válvula de control CV5 se controla para evitar el recuperador 140 y funciona de manera similar al sistema LCHESS 100 mostrado en la figura 1.
Otra realización de un sistema LCHESS 220 de acuerdo con la presente invención se muestra esquemáticamente en la figura 5, en la que el sistema de control 102 se omite para mayor claridad. Esta realización es similar a la realización mostrada en la figura 1, e incluye además un bucle de enfriamiento 120A de entrada de aire al compresor.
El bucle de enfriamiento 120A de entrada de aire incluye un intercambiador de calor 126A aguas arriba que proporciona un precalentamiento inicial del aire frío descargado del tanque CAES 106 durante la generación de energía. Cuando se libera aire a través de la válvula de control CV1, la bomba 125A bombea un fluido de transmisión de calor desde un depósito 123A de fluido caliente, a través del intercambiador de calor 126A aguas arriba, y hasta un depósito 122A de fluido frío. El depósito 122A de fluido frío, enfriado debido a la expansión del aire desde el tanque CAES 106, puede estar a temperatura ambiente o más frío. Cuando el compresor 104 está funcionando para suministrar aire comprimido al tanque CAES 106, una bomba 124A bombea fluido de transmisión de calor desde el depósito 122A de fluido frío, a través de un intercambiador de calor 128A de entrada al compresor, y al depósito 123A de fluido caliente. El aire proporcionado al compresor 104 se enfría así antes de la compresión, lo que reduce el trabajo requerido por el compresor 104, mejorando el rendimiento del sistema 220. El bucle de enfriamiento 120A de entrada de aire también proporciona un precalentamiento inicial del aire de expansión desde el tanque CAES 106.
Opcionalmente, un segundo bucle de enfriamiento 120B de entrada de aire al compresor, con una bomba 127B y un intercambiador de calor 126B de entrada, puede estar previsto de modo similar para preenfriar el aire que entra en el compresor 152 del turbocompresor 150.
Aunque se han ilustrado y descrito realizaciones ilustrativas, se apreciará que se pueden hacer varios cambios en las mismas sin salirse del alcance de la invención.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema híbrido de almacenamiento de energía (100; 200; 210; 220) que comprende:
un controlador (102) configurado para estar conectado operativamente a una o más fuentes de energía externas (90); un compresor (104) de aire en comunicación por señales con el controlador (102) y conectado operativamente a al menos una de la una o más fuentes de energía externas (90);
un tanque de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) (106) conectado de manera fluida para recibir aire comprimido del compresor (104) de aire, en el que el tanque CAES (106) está configurado además para liberar un flujo de aire a través de una primera válvula de control (CV1) que está en comunicación por señales con el controlador (102);
un sistema de recuperación de energía, que comprende (i) un primer intercambiador de calor (121) conectado de manera fluida para recibir un flujo de aire relativamente caliente del compresor (104) de aire, (ii) un segundo intercambiador de calor (126) conectado de manera fluida para recibir un flujo de aire relativamente frío del tanque CAES (106), (iii) un depósito (122) de fluido frío, (iv) un depósito (123) de fluido caliente, (v) una primera bomba (124) en comunicación por señales con el controlador (102), y (vi) una segunda bomba (125) en comunicación por señales con el controlador (102);
en el que la primera bomba (124) está configurada para bombear fluido de transmisión de calor desde el depósito (122) de fluido frío, a través del primer intercambiador de calor (121), y hasta el depósito (123) de fluido caliente, y en el que, además, la segunda bomba (125) está configurada para bombear fluido de transmisión de calor desde el depósito (123) de fluido caliente, a través del segundo intercambiador de calor (126), y hasta el depósito (122) de fluido frío;
en el que el controlador (102) está configurado para controlar las bombas primera y segunda (124, 125) de manera que el flujo de aire frío del tanque CAES (106) se calienta en el segundo intercambiador de calor (126) mediante el fluido de transmisión de calor;
caracterizado por que el sistema híbrido de almacenamiento de energía (100; 200; 210; 220) comprende además: un empalme (130) de flujo configurado para añadir un flujo auxiliar de aire caliente al flujo de aire calentado en el segundo intercambiador de calor (126) para producir un flujo de aire combinado;
un recuperador (140) conectado de manera fluida para recibir el flujo de aire combinado, y conectado de manera fluida para recibir un flujo de aire de escape de una turbina de potencia (160) de manera que el flujo de aire de escape precalienta en el recuperador (140) el flujo de aire combinado;
un sistema de almacenamiento de energía térmica a alta temperatura (HTES) (110; 211) en comunicación por señales con el controlador (102) y que comprende (i) un material de alta temperatura y alta capacidad calorífica (HTHHC) (114; 214), (ii) un canal de flujo (117; 213) a través del material HTHHC (114; 214) configurado para recibir al menos una parte del flujo de aire combinado del recuperador (140), y (iii) medios (112; 212) para calentar el materia1HTHHC (114; 214) con al menos una de dicha una o más fuentes de energía externas (90), en el que el flujo de aire combinado recibido desde el recuperador (140) se calienta en el sistema HTES (110; 211);
un turbocompresor (150) configurado para recibir el flujo combinado calentado a fin de producir el flujo auxiliar de aire caliente;
en el que la turbina de potencia (160) está configurada para recibir el flujo combinado calentado del turbocompresor (150) y para utilizar el flujo recibido a fin de producir energía de salida, y para expulsar el flujo de aire de escape al recuperador (140).
2. El sistema híbrido de almacenamiento de energía (100; 200; 210; 220) de la reivindicación 1, en el que el material HTHHC (114; 214) comprende hormigón.
3. El sistema híbrido de almacenamiento de energía (100; 200; 210; 220) de la reivindicación 1, en el que el material HTHHC (114; 214) comprende un hormigón refractario.
4. El sistema híbrido de almacenamiento de energía (100; 200; 210; 220) de la reivindicación 1, en el que los medios (112; 212) para calentar el material HTHHC (114; 214) comprenden una pluralidad de calentadores eléctricos (112; 212) incrustados en el material HTHHC (114; 214).
5. El sistema híbrido de almacenamiento de energía (100; 200; 210; 220) de la reivindicación 4, en el que los calentadores eléctricos (112; 212) comprenden calentadores de cartucho (112) o cintas o alambres de resistencia (212).
6. El sistema híbrido de almacenamiento de energía (100; 200; 210; 220) de la reivindicación 5, en el que los calentadores eléctricos (212) comprenden una cinta o alambre (212) de aleación de hierro-cromo-aluminio.
7. El sistema híbrido de almacenamiento de energía (100; 200; 210; 220) de la reivindicación 5, en el que el material HTHHC (114) está formado como un bloque, y comprende además una pluralidad de canales metálicos (113) dispuestos en el material HTHHC (114) dimensionados para recibir los calentadores eléctricos (112).
8. El sistema híbrido de almacenamiento de energía (100; 200; 210; 220) de la reivindicación 7, en el que los canales metálicos (114) comprenden además aletas (115) que se extienden hacia dentro del materia1HTHHC (114; 214).
9. El sistema híbrido de almacenamiento de energía (200) de la reivindicación 1, que comprende además una tercera bomba (127) configurada para bombear selectivamente fluido de transmisión de calor desde el depósito (122) de fluido frío, a través del recuperador (140), y hasta el depósito (123) de fluido caliente.
10. El sistema híbrido de almacenamiento de energía (210) de la reivindicación 1, que comprende además una turbina auxiliar (162) para generar energía, y en el que la segunda bomba (125) está configurada además para bombear selectivamente fluido de transmisión de calor desde el depósito (123) de fluido caliente, a través del recuperador (140), a través de la turbina auxiliar (162), y hasta el depósito (122) de fluido frío.
11. El sistema híbrido de almacenamiento de energía (220) de la reivindicación 1, que comprende además un segundo bucle de recuperación de calor (120A) configurado para preenfriar el aire que entra en el compresor (104).
12. El sistema híbrido de almacenamiento de energía (220) de la reivindicación 10, en el que el segundo bucle de recuperación de calor (12B) está configurado además para preenfriar el aire que entra en un componente compresor (152) del turbocompresor (150).
13. Un método para almacenar energía desde una fuente de energía externa (90) y para desplegar la energía almacenada, comprendiendo el método:
almacenar energía:
(i) comprimiendo aire con energía (Win) desde la fuente de energía externa (90);
(ii) recuperando energía térmica del aire comprimido de manera que se enfríe el aire comprimido, y almacenando la energía térmica recuperada en un fluido de transmisión de calor en un depósito (123) de fluido caliente;
(iii) almacenando el aire enfriado y comprimido en un tanque de almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) (106); y
(iv) calentando un material de alta temperatura y alta capacidad calorífica (HTHHC) (114; 214) con energía desde la fuente de energía externa (90); y
desplegar energía:
(v) liberando una corriente de aire del tanque CAES (106) a través de una válvula de control (CV1);
(vi) precalentando el aire liberado en un intercambiador de calor (126) usando el fluido de transmisión de calor del depósito (123) de fluido caliente;
(vii) aumentando el aire precalentado con un flujo de aire suplementario desde un turbocompresor (150); (viii) precalentando en un recuperador (140) el aire aumentado, con una corriente de escape de una turbina de potencia (160);
(ix) calentando adicionalmente el aire aumentado haciendo fluir el aire aumentado a través de uno o más canales (117; 213) en el material HTHHC (114; 214);
(x) expandiendo el aire aumentado, calentado adicionalmente, a través de una turbina del turbocompresor (150) para generar el flujo de aire suplementario; y
(xi) expandiendo adicionalmente el aire aumentado, expandido, desde la turbina (151) del turbocompresor (150) hasta la turbina de potencia (160) para generar energía de salida.
14. El método de la reivindicación 13, en el que el material HTHHC (114; 214) comprende un hormigón refractario.
15. El método de la reivindicación 13, en el que la etapa de calentar el materia1HTHHC (114; 214) con energía desde la fuente de energía externa (90) comprende energizar calentadores de cartucho (112; 212) o alambres de resistencia incrustados en el material HTHHC (114; 214).
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