專利名稱：具有兩個(gè)熱槽的熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和用于存儲(chǔ)熱電能量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及電能的存儲(chǔ)。它特別涉及用于在熱能存儲(chǔ)中以熱能的形式存儲(chǔ)電能的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
諸如核電站的基本負(fù)荷發(fā)電機(jī)和諸如風(fēng)力渦輪和太陽能電池板的利用隨機(jī)、間歇能量源的發(fā)電機(jī)在低功率需求的時(shí)間期間產(chǎn)生過量電能。大規(guī)模電能存儲(chǔ)系統(tǒng)是將該過量能量轉(zhuǎn)移到高峰需求的時(shí)間并且平衡總體電力產(chǎn)生和消耗的裝置。在早先專利申請(qǐng)EP1577548中，該申請(qǐng)人已經(jīng)描述了熱電能量存儲(chǔ)(TEEQ系統(tǒng)的概念。TEES在充電循環(huán)中將過量電力轉(zhuǎn)換成熱量，存儲(chǔ)熱量并且在必要時(shí)，在放電循環(huán)中將熱量轉(zhuǎn)換回電力。這種能量存儲(chǔ)系統(tǒng)是強(qiáng)健、緊湊、地點(diǎn)無關(guān)的并且適合于大量電能的存儲(chǔ)。熱能可以經(jīng)由溫度的改變以顯熱的形式存儲(chǔ)或經(jīng)由相態(tài)的改變以潛熱的形式存儲(chǔ)或者兩者。用于顯熱的存儲(chǔ)介質(zhì)可以是固體、液體或氣體。用于潛熱的存儲(chǔ)介質(zhì)經(jīng)由相態(tài)的改變出現(xiàn)并且可涉及這些相態(tài)中的任何或者為它們串行或并行的聯(lián)合。電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的往返(round-trip)效率可定義為，假如放電后能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的狀態(tài)返回到在存儲(chǔ)的充電之前它的初始條件，可從存儲(chǔ)中放電的電能相比于用于對(duì)存儲(chǔ)充電的電能的百分比。因而，為了獲得高的往返效率，兩種模式的效率需要最大化，只要它們的互相依賴允許。重要的是指出所有電能存儲(chǔ)技術(shù)本質(zhì)上具有有限的往返效率。因而，對(duì)于用于對(duì)存儲(chǔ)充電的每單位的電能，在放電后，僅一定百分比回收成電能。其余的電能損失了。如果例如在TEES系統(tǒng)中存儲(chǔ)的熱量通過電阻加熱器提供，則它具有大約40%的往返效率。TEES 系統(tǒng)的往返效率由充電效率和放電效率組成。TEES系統(tǒng)的往返效率由于來源于熱力學(xué)第二定律的各種原因受限。第一個(gè)原因涉及系統(tǒng)的性能系數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)在充電模式中時(shí)，它的理想效率由性能系數(shù)(COP)支配。COP 取決于冷側(cè)的溫度(T。)和熱側(cè)的溫度(Th)，給出為COP = -^-
h -Jc因而，可見熱泵的COP隨輸入和輸出溫度水平之間的增加的差異而下降。第二，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中熱量到機(jī)械功的轉(zhuǎn)換受卡諾(Carnot)效率的限制。當(dāng)系統(tǒng)在放電模式中時(shí)，效率(η)給出為
T —τη =°
1Ii因而，可見當(dāng)冷側(cè)溫度下降時(shí)效率增加。第三，從工作流體到熱存儲(chǔ)的任何熱量流動(dòng)和相反要求溫度差以便發(fā)生。該事實(shí)不可避免地降低溫度水平并且因而降低熱量做功的能力。
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應(yīng)當(dāng)明白許多工業(yè)過程涉及熱能的供應(yīng)和熱能的存儲(chǔ)。實(shí)例為制冷器件、熱泵、空調(diào)和加工工業(yè)。在太陽能熱力發(fā)電站中，熱能被提供、可能地存儲(chǔ)并且轉(zhuǎn)換成電能。然而， 所有這些應(yīng)用不同于TEES系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈儾魂P(guān)心用于存儲(chǔ)電力的專門目的的熱量。應(yīng)當(dāng)明白TEES系統(tǒng)的充電循環(huán)也稱為熱泵循環(huán)，并且TEES系統(tǒng)的放電循環(huán)也稱為熱力發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)。在TEES概念中，熱需要在充電循環(huán)期間從熱工作流體傳輸?shù)綗岽鎯?chǔ)介質(zhì)，并且在放電循環(huán)期間從熱存儲(chǔ)介質(zhì)回到工作流體。熱泵要求做功以從冷源移動(dòng)熱能到溫暖的吸熱器。由于在熱側(cè)，即TEES的熱存儲(chǔ)介質(zhì)部分處，沉積的能量的數(shù)量比壓縮功大的數(shù)量等于從冷側(cè)帶走的能量，即由處于低壓的工作流體吸收的熱量，故對(duì)于輸入熱存儲(chǔ)的每份功，熱泵比電阻性的加熱沉積更多的熱量。熱量輸出對(duì)功輸入的比率稱作性能系數(shù)， 并且它是大于一的值。以這種方式，熱泵的使用將增加TEES系統(tǒng)的往返效率。已知TEES系統(tǒng)的充電循環(huán)包括功回收膨脹器、蒸發(fā)器、壓縮器和換熱器，全部通過工作流體回路串行連接。此外，包含流體熱存儲(chǔ)介質(zhì)的冷存儲(chǔ)罐和熱存儲(chǔ)罐經(jīng)由換熱器聯(lián)接在一起。在工作流體經(jīng)過蒸發(fā)器時(shí)，工作流體從外界或從熱槽(thermal bath)吸收熱量并且蒸發(fā)。已知TEES系統(tǒng)的放電系統(tǒng)包括泵、冷凝器、渦輪和換熱器，全部通過工作流體回路串行連接。此外，包含流體熱存儲(chǔ)介質(zhì)的冷存儲(chǔ)罐和熱存儲(chǔ)罐經(jīng)由換熱器聯(lián)接在一起。 在工作流體經(jīng)過冷凝器時(shí)，它與外界或熱槽交換熱能并且冷凝。相同熱槽，諸如河、湖或冰水混合物池在充電和放電循環(huán)中使用。存在對(duì)提供具有高往返效率的高效熱電能量存儲(chǔ)，同時(shí)最小化涉及的系統(tǒng)成本的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供用于以改進(jìn)的往返效率將電能轉(zhuǎn)換成熱能以存儲(chǔ)并且轉(zhuǎn)換回電能的熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。該目標(biāo)通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的實(shí)施例從從屬權(quán)利要求中明顯可見。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其具有用于提供熱能到熱存儲(chǔ)的充電循環(huán)和用于通過從熱存儲(chǔ)取回?zé)崮芏a(chǎn)生電力的放電循環(huán)。該熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括工作流體回路，其用于使工作流體循環(huán)通過第一換熱器和第二換熱器；和熱存儲(chǔ)介質(zhì)回路，其用于循環(huán)熱存儲(chǔ)介質(zhì)。該熱存儲(chǔ)介質(zhì)回路具有經(jīng)由第一換熱器聯(lián)接到冷存儲(chǔ)罐的至少一個(gè)熱存儲(chǔ)罐。在充電循環(huán)期間，第二換熱器與第一熱槽連接，并且在第一熱槽與熱存儲(chǔ)罐之間的溫度差被最小化。在放電循環(huán)期間，第二換熱器與第二熱槽連接，并且在第二熱槽與熱存儲(chǔ)罐之間的溫度差被最大化。換句話說，熱槽的溫度選擇成使得第一熱槽處于比第二熱槽相對(duì)較高的溫度。熱存儲(chǔ)介質(zhì)是液體，并且優(yōu)選地是水。本發(fā)明的工作流體優(yōu)選地是二氧化碳。在優(yōu)選實(shí)施例中，冷卻器件在充電循環(huán)期間或在充電循環(huán)之后與冷存儲(chǔ)罐連接。 有利地，冷卻器件運(yùn)行以降低在冷存儲(chǔ)罐中的熱存儲(chǔ)介質(zhì)的溫度，因此調(diào)整冷存儲(chǔ)罐的溫度到放電循環(huán)的所要求的溫度。在又一優(yōu)選實(shí)施例中，加熱器件在放電循環(huán)期間或在放電循環(huán)之后與冷存儲(chǔ)罐連接。有利地，加熱器件運(yùn)行以提升在冷存儲(chǔ)罐中的熱存儲(chǔ)介質(zhì)的溫度，因此調(diào)整冷存儲(chǔ)罐的溫度到充電循環(huán)的所要求的溫度。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，充電循環(huán)或放電循環(huán)的至少一個(gè)區(qū)段跨臨界 (transcritically)運(yùn)轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的第二方面，提供方法用于在熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中存儲(chǔ)和取回能量。該方法包括通過對(duì)熱存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行加熱為系統(tǒng)充電，其中熱存儲(chǔ)介質(zhì)在聯(lián)接到冷存儲(chǔ)罐的至少一個(gè)熱存儲(chǔ)罐之間循環(huán)；并且通過利用來自熱存儲(chǔ)介質(zhì)的熱量加熱在工作流體回路中的工作流體和利用熱動(dòng)力機(jī)膨脹工作流體對(duì)系統(tǒng)放電。該方法還包括在充電期間連接第一熱槽到工作流體回路以使第一熱槽與熱存儲(chǔ)罐之間的溫度差能夠最小化，并且隨后在放電期間連接第二熱槽到工作流體回路以使第二熱槽與熱存儲(chǔ)罐之間的溫度差能夠最大化。再次，熱槽的溫度選擇成使得第一熱槽處于比第二熱槽相對(duì)較高的溫度。有利地，在充電期間，在第一熱槽與熱存儲(chǔ)罐之間的溫度差的最小化導(dǎo)致較低的電力輸入要求。此外，在放電期間，第二熱槽與熱存儲(chǔ)罐之間的溫度差的最大化導(dǎo)致更高的能量回收。在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的第二方面的方法還包括在充電循環(huán)期間或在充電循環(huán)之后連接冷卻器件到冷存儲(chǔ)罐。在又一優(yōu)選實(shí)施例中，該方法還包括在放電循環(huán)期間或者在放電循環(huán)之后連接加熱器件到冷存儲(chǔ)罐。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，充電循環(huán)或者放電循環(huán)中的至少一個(gè)區(qū)段跨臨界執(zhí)行。因此，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然，本發(fā)明提供具有相對(duì)高的往返效率的高效熱電能量存儲(chǔ)，同時(shí)最小化涉及的系統(tǒng)成本。


本發(fā)明的主題將參考在附圖中示出的優(yōu)選示范實(shí)施例在下文中更詳細(xì)地解釋，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的充電循環(huán)的簡(jiǎn)化示意圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的放電循環(huán)的簡(jiǎn)化示意圖；圖3示出來自利用相對(duì)低溫?zé)岵鄣谋景l(fā)明的TEES系統(tǒng)的循環(huán)的傳熱的熵-溫度圖；圖4示出來自利用相對(duì)高溫?zé)岵鄣谋景l(fā)明的TEES系統(tǒng)的循環(huán)的傳熱的熵-溫度圖；圖5示出本發(fā)明的熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的又一實(shí)施例的簡(jiǎn)化示意圖；圖6示出來自圖5的TEES系統(tǒng)的循環(huán)的傳熱的熵-溫度示意圖；為了一致起見，相同附圖標(biāo)記用于標(biāo)記貫穿圖中示出的類似元件。
具體實(shí)施例方式圖1和圖2分別示意性地描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的TEES系統(tǒng)的充電循環(huán)系統(tǒng)和放電循環(huán)系統(tǒng)。圖1所示充電循環(huán)系統(tǒng)10包括功回收膨脹器12、蒸發(fā)器14、壓縮器16和換熱器 18，其中蒸發(fā)器14與第一熱槽20連接。工作流體循環(huán)通過如圖1中帶有箭頭的實(shí)線指示的構(gòu)件。進(jìn)一步，包含流體熱存儲(chǔ)介質(zhì)的冷存儲(chǔ)罐22和熱存儲(chǔ)罐M經(jīng)由換熱器18聯(lián)接在一起。熱存儲(chǔ)液體在冷存儲(chǔ)罐22和熱存儲(chǔ)罐M之間流動(dòng)，如由帶有箭頭的虛線所指示。進(jìn)一步，第一熱槽介質(zhì)在第一熱槽20和蒸發(fā)器14之間循環(huán)，如由帶有箭頭的點(diǎn)劃線所指示。在操作中，充電循環(huán)系統(tǒng)10執(zhí)行熱動(dòng)力循環(huán)并且工作流體圍繞TEES系統(tǒng)以以下方式流動(dòng)。在蒸發(fā)器14中的工作流體從第一熱槽介質(zhì)中吸收熱量，并且蒸發(fā)。典型地，第一熱槽20的溫度高于外界溫度，例如從25°C到400°C。蒸發(fā)的工作流體循環(huán)到壓縮器16 并且過剩電能用于壓縮并且加熱工作流體。工作流體饋送通過換熱器18，在換熱器18中工作流體放棄熱量到熱存儲(chǔ)介質(zhì)。壓縮工作流體離開換熱器18并且進(jìn)入膨脹器12。在此工作流體膨脹到相應(yīng)于蒸發(fā)器進(jìn)口壓力的較低壓力。工作流體從膨脹器12流回進(jìn)蒸發(fā)器14。流體熱存儲(chǔ)介質(zhì)從冷存儲(chǔ)罐22泵出經(jīng)過換熱器18到熱存儲(chǔ)罐24。從工作流體放棄進(jìn)入熱存儲(chǔ)介質(zhì)的熱能以顯熱的形式存儲(chǔ)。圖2中所示放電循環(huán)系統(tǒng)沈包括泵觀、冷凝器30、渦輪32和換熱器18，其中冷凝器30與第二熱槽34接觸。工作流體循環(huán)通過如圖2中由帶有箭頭的點(diǎn)線指示的這些構(gòu)件。 進(jìn)一步，包含流體熱存儲(chǔ)介質(zhì)的冷存儲(chǔ)罐22和熱存儲(chǔ)罐M經(jīng)由換熱器18聯(lián)接在一起。在圖2中由虛線表示的熱存儲(chǔ)介質(zhì)從熱存儲(chǔ)罐M泵出經(jīng)過換熱器到冷存儲(chǔ)罐22。第二熱槽介質(zhì)在第二熱槽34與冷凝器30之間循環(huán)，如由帶有箭頭的點(diǎn)劃線所指示。在操作中，放電循環(huán)系統(tǒng)沈也執(zhí)行熱動(dòng)力循環(huán)并且工作流體以以下方式圍繞 TEES系統(tǒng)流動(dòng)。熱能從熱存儲(chǔ)介質(zhì)傳輸?shù)焦ぷ髁黧w，從而導(dǎo)致工作流體的加熱。工作流體然后離開換熱器18并且進(jìn)入渦輪32，工作流體在渦輪32中膨脹，由此導(dǎo)致聯(lián)接到發(fā)電機(jī) (未示出)的渦輪32產(chǎn)生電能。接下來，工作流體進(jìn)入冷凝器30，工作流體在冷凝器30中通過與第二熱槽介質(zhì)交換熱能而冷凝。典型但不必須地，第二熱槽34的溫度處于外界溫度并且由此低于第一熱槽的溫度，例如從0°C到15°C。冷凝的工作流體經(jīng)由出口離開冷凝器 30并且經(jīng)由泵28再次泵入換熱器18。雖然圖1的充電循環(huán)系統(tǒng)和圖2的放電循環(huán)系統(tǒng)已經(jīng)單獨(dú)地示出，然而換熱器18、 冷存儲(chǔ)罐22、熱存儲(chǔ)罐M和熱存儲(chǔ)介質(zhì)對(duì)兩者是共有的。充電循環(huán)和放電循環(huán)可連續(xù)地執(zhí)行，而不是同時(shí)地執(zhí)行。在本實(shí)施例中，換熱器是逆流換熱器，并且循環(huán)的工作流體優(yōu)選地是二氧化碳。進(jìn)一步，熱存儲(chǔ)介質(zhì)是液體，并且優(yōu)選地是水。本實(shí)施例的壓縮器是電動(dòng)壓縮器。如先前指示地，如果冷側(cè)與熱側(cè)之間的溫度差下降，那么TEES系統(tǒng)的性能系數(shù) (COP)增加。因而，在充電期間，使熱側(cè)的溫度水平下降或提升冷側(cè)的溫度水平是有利的。 在如圖1所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，第一熱槽20作用以提升循環(huán)的冷側(cè)的溫度。在本發(fā)明的可選實(shí)施例中，額外冷卻器件可作用以在充電期間或者在充電之后降低冷存儲(chǔ)罐22的溫度。這種系統(tǒng)在圖5中示出用于放電循環(huán)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚地理解，可展望用于充電循環(huán)的等價(jià)回路，其中額外冷卻器件聯(lián)接到冷存儲(chǔ)罐22。如先前描述地，如果冷側(cè)與熱側(cè)之間的溫度差增加，那么TEES系統(tǒng)的效率在放電期間增加。因而，增加熱側(cè)的溫度水平或者降低冷側(cè)的溫度水平是有利的。在圖2所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，第二熱槽34作用以降低循環(huán)的冷側(cè)的溫度。在如圖5所示的本發(fā)明的可選實(shí)施例中，額外加熱器件36作用以在放電循環(huán)期間或在放電循環(huán)之后提升冷存儲(chǔ)罐22的溫度。額外加熱器件36聯(lián)接到冷存儲(chǔ)罐22。應(yīng)當(dāng)明白在本發(fā)明的各實(shí)施例中，熱存儲(chǔ)罐M的溫度在充電循環(huán)和放電循環(huán)期間匹配(match)。因而，很清楚地，提供兩個(gè)單獨(dú)熱槽20、34，一個(gè)用于在充電循環(huán)10期間使用，并且第二個(gè)用于在放電循環(huán)26期間使用的概念是非常有利的。尤其地，在充電循環(huán)中要求較低的電力輸入，并且在放電循環(huán)中更多能量被回收，由此增加總體往返效率和成本效力。重要地，冷存儲(chǔ)罐22和熱存儲(chǔ)罐M的溫度在充電循環(huán)和放電循環(huán)期間都應(yīng)當(dāng)在類似范圍內(nèi)。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然，在具有處于外界溫度與蒸發(fā)器和冷凝器接觸的單一熱槽的TEES系統(tǒng)中，充電和放電循環(huán)的冷存儲(chǔ)罐22和熱存儲(chǔ)罐M的溫度將自然地分別匹配。然而，在本發(fā)明的TEES系統(tǒng)中，由于第一熱槽20和第二熱槽34的不同溫度水平，故充電和放電循環(huán)可要求適應(yīng)(adaption)。該適應(yīng)的可能性現(xiàn)在關(guān)于如下方面呈現(xiàn)i)本發(fā)明的實(shí)施例，其中-冷存儲(chǔ)罐在充電和放電期間具有相同的溫度，
-熱存儲(chǔ)罐在充電和放電期間具有相同的溫度，-工作流體壓力在與熱存儲(chǔ)介質(zhì)換熱期間與在充電和放電期間相同。ii)本發(fā)明的實(shí)施例，其中-冷存儲(chǔ)罐在充電和放電期間具有不同的溫度，-熱存儲(chǔ)罐在充電和放電期間具有相同的溫度，-工作流體壓力在與熱存儲(chǔ)介質(zhì)換熱期間與在充電和放電期間不同。i)在TEES系統(tǒng)中，其中冷存儲(chǔ)罐22在充電和放電期間具有相同溫度并且熱存儲(chǔ)罐M在充電和放電期間具有相同的溫度，用于系統(tǒng)的適合的熱動(dòng)力循環(huán)由第一熱槽20的溫度確定。如果第一熱槽的溫度相對(duì)低，即大約30°C到50°C，則適合的熱動(dòng)力循環(huán)在圖3 中示出。在圖3的熵-溫度圖中，充電循環(huán)示出為虛線并且沿逆時(shí)針方向，然而放電循環(huán)示出為實(shí)線并且沿順時(shí)針方向。在該示范實(shí)施例中，兩個(gè)循環(huán)都跨臨界運(yùn)轉(zhuǎn)并且工作流體假定為二氧化碳。充電循環(huán)由工作流體在點(diǎn)V到點(diǎn)VI之間的預(yù)熱、蒸發(fā)和過熱構(gòu)成，充電循環(huán)后溫度Ttbi被工作流體大致達(dá)到，除要求用于驅(qū)動(dòng)傳熱的最小接近溫度(即在換熱的兩種流體之間的最小溫度差)以外。利用處于Ttbi的第一熱槽的換熱部分地發(fā)生在圖3的點(diǎn) V和點(diǎn)VI之間的亞臨界范圍內(nèi)。在冷側(cè)的換熱由在點(diǎn)VI-III之間的壓縮所跟隨，在該壓縮期間，功由電驅(qū)動(dòng)的壓縮器傳遞到工作流體。在點(diǎn)III-IV之間，熱量在逆流換熱器中從工作流體傳輸?shù)搅黧w存儲(chǔ)介質(zhì)。循環(huán)由在點(diǎn)IV-V之間的工作流體的膨脹關(guān)閉。膨脹需要在相應(yīng)于流體在換熱V-VI期間蒸發(fā)的壓力的等壓線處終止。放電循環(huán)沿以序列I-IV-III-II的實(shí)線。區(qū)段I-IV相應(yīng)于工作流體到高壓的泵入，其中壓縮功高于充電期間的膨脹。在區(qū)段IV-III處表示的超臨界區(qū)域的換熱在工作流體的常壓和冷存儲(chǔ)罐與熱存儲(chǔ)罐之間的溫度之間發(fā)生。在充電期間在點(diǎn)III和點(diǎn)II之間的膨脹導(dǎo)致生產(chǎn)比在壓縮級(jí)(點(diǎn)VI與點(diǎn)III之間)先前所用的功更多的功。工作流體的冷凝，在點(diǎn)II與點(diǎn)I之間，經(jīng)由與處于溫度Ttb2的第二熱槽介質(zhì)的換熱而發(fā)生。圖3中的熱動(dòng)力循環(huán)以如下方式設(shè)計(jì)，即使得工作流體獲得的最大溫度和壓力對(duì)充電循環(huán)和放電循環(huán)都相同。再次，考慮TEES系統(tǒng)，其中冷存儲(chǔ)罐22在充電和放電期間具有相同的溫度，并且
7熱存儲(chǔ)罐M在充電和放電期間具有相同的溫度。如果第一熱槽的溫度Ttbi相對(duì)高，即大約75°C到100°C，那么適合的熱動(dòng)力循環(huán)在圖4中示出。類似地，在熵-溫度圖中，充電循環(huán)示出為虛線并且放電循環(huán)示出為實(shí)線。在該示范實(shí)施例中，充電循環(huán)徹底超臨界運(yùn)轉(zhuǎn)并且放電循環(huán)跨臨界運(yùn)轉(zhuǎn)。與處于Ttbi的第一熱槽的換熱在圖4的點(diǎn)V與點(diǎn)VI之間的超臨界范圍內(nèi)發(fā)生。本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白工作流體的壓力比率在圖4的充電循環(huán)中比在圖3中小。這是有利地，因?yàn)橄鄬?duì)較低的功輸入為壓縮器16所要求，并且因而所要求的電輸入能量也成比例地較低。該放電循環(huán)與圖3中所示的放電循環(huán)可比。再次，圖4中的熱動(dòng)力循環(huán)以如下方式設(shè)計(jì)，即使得工作流體所獲得的最大溫度和壓力對(duì)充電循環(huán)和放電循環(huán)都相同。ii)在TEES系統(tǒng)中，其中工作流體在充電和放電期間處于不同的壓力操作，并且冷存儲(chǔ)罐22在充電和放電期間可具有不同的溫度，則熱存儲(chǔ)罐M的最大溫度在充電和放電循環(huán)期間要求相同。例如，圖5和圖6涉及TEES系統(tǒng)的實(shí)施例，其中工作流體壓力在充電循環(huán)期間比在放電循環(huán)期間高，并且冷存儲(chǔ)罐的溫度，Tn^tl在充電循環(huán)和放電循環(huán)期間不同。如先前提及地，雖然圖5示出放電循環(huán)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到展望類似于圖 1的等價(jià)充電循環(huán)。如圖5和圖6所示，在充電期間的存儲(chǔ)介質(zhì)的最小溫度高于需要用于放電的冷存儲(chǔ)的溫度。為了在充電循環(huán)和放電循環(huán)之間改變時(shí)調(diào)整Tn^tl，利用冷存儲(chǔ)罐到加熱或冷卻器件的額外聯(lián)接。尤其地，在冷存儲(chǔ)罐中的熱存儲(chǔ)介質(zhì)可如要求地泵出通過冷卻器或通過加熱器。可選地，加熱可經(jīng)由冷存儲(chǔ)罐22到處于溫度Ttbi的第一或第二熱槽的聯(lián)接而實(shí)現(xiàn)，也在單獨(dú)環(huán)中。圖6示出用于圖5的TEES系統(tǒng)的熵-溫度圖。充電循環(huán)示出為虛線并且沿逆時(shí)針方向，然而放電循環(huán)示出為實(shí)線并且沿順時(shí)針方向。在該示范實(shí)施例中，兩個(gè)循環(huán)跨臨界運(yùn)轉(zhuǎn)。在點(diǎn)V-VI之間的充電循環(huán)中，發(fā)生處于溫度Ttbi的工作流體的蒸發(fā)。在點(diǎn)VI-VII 之間的壓縮傳遞機(jī)械功到工作流體。在點(diǎn)VII-VIII之間，熱量從工作流體傳輸?shù)搅黧w存儲(chǔ)介質(zhì)。從點(diǎn)VIII到V的膨脹回收部分壓縮功，從而關(guān)閉循環(huán)。作為充電與放電之間的額外步驟，留在冷存儲(chǔ)罐22中的流體存儲(chǔ)介質(zhì)的溫度降低以達(dá)到在放電期間的冷存儲(chǔ)溫度。為了實(shí)現(xiàn)這的最簡(jiǎn)單方法包括將它聯(lián)接到第二熱槽 34。在放電循環(huán)中，區(qū)段I-IV相應(yīng)于工作流體的壓縮。在區(qū)段IV-III處表示的超臨界區(qū)域中的換熱，在工作流體的恒壓處和冷存儲(chǔ)罐與熱存儲(chǔ)罐的溫度之間發(fā)生。在點(diǎn)II與點(diǎn)I之間的工作流體的冷凝，經(jīng)由與處于溫度Ttb2的第二熱槽介質(zhì)的換熱而發(fā)生。在充電之前，冷存儲(chǔ)罐22中的熱存儲(chǔ)介質(zhì)的溫度需要上升到充電所需的溫度，這可例如通過來自額外低級(jí)別廢熱源或可能地與次級(jí)熱泵電結(jié)合而實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的可選實(shí)施例中，額外熱存儲(chǔ)罐可安裝成連接到初始熱存儲(chǔ)罐。額外的熱存儲(chǔ)罐與初始熱存儲(chǔ)罐并行地充電并且在放電循環(huán)之后用于增加冷存儲(chǔ)罐的溫度到所要求的水平。如果第一熱槽未永久地可用，那么該選項(xiàng)尤其有利。在又一可選實(shí)施例中，其中相對(duì)熱的源，S卩第一熱槽可用，并且具有超過熱存儲(chǔ)罐的溫度(例如，大約150°C到400°C )的溫度，那么該熱源可用于在充電模式中直接加熱熱存儲(chǔ)罐。在該情形中，充電循環(huán)被僅具有單一換熱器的系統(tǒng)取代，該單一換熱器傳輸源熱量到TEES熱存儲(chǔ)罐。結(jié)果，不需要電功輸入，并且充電循環(huán)因此獨(dú)立于電力可得性和成本。在又一實(shí)施例中，第一熱槽可處于外界溫度并且第二熱槽可為水體，諸如湖，該水體具有比外界低的溫度。因而，確保系統(tǒng)的冷側(cè)在放電循環(huán)期間更冷的要求得到滿足。在本發(fā)明的TEES系統(tǒng)中，展望又一實(shí)施例，其中冷存儲(chǔ)罐在充電和放電期間具有不同的溫度，熱存儲(chǔ)罐在充電和放電期間具有相同的溫度，并且工作流體壓力在與熱存儲(chǔ)介質(zhì)換熱期間與在充電和放電期間相同。結(jié)果，由于冷存儲(chǔ)罐的不同溫度，充電和放電循環(huán)要求適應(yīng)。另一實(shí)施例可使用一個(gè)單一熱槽，該熱槽的溫度在兩個(gè)熱槽溫度水平之間變化， 該熱槽諸如太陽能池。這種池可在白天加熱到溫度TTB1，以供應(yīng)相應(yīng)于第一熱槽的熱量用于充電。當(dāng)消耗并且冷卻到溫度Ttb2，它可提供處于較低溫度的第二熱槽用于放電。在該情形下，一個(gè)單一熱槽可通過暫時(shí)的變化充當(dāng)上文描述的兩個(gè)不同溫度水平的槽?？赡芤恍╊愋偷臒岵劭稍谝惶斓倪^程中經(jīng)受溫度變化。在這種情形中，可能第二熱槽可不提供足夠高的溫度用于TEES放電循環(huán)。在該情形中，額外罐可在充電循環(huán)期間填充有熱的熱存儲(chǔ)介質(zhì)，該熱的熱存儲(chǔ)介質(zhì)將稍后在放電循環(huán)期間用于將冷存儲(chǔ)罐帶到所要求的溫度水平。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然，能夠在TEES系統(tǒng)的冷側(cè)采用兩種不同類型的換熱器用于充電循環(huán)和用于放電循環(huán)。如果第一和第二熱槽在材料和/或溫度方面不同，那么這在技術(shù)上是有利的。此外，當(dāng)?shù)谝缓偷诙岵墼诓牧虾?或溫度方面顯著不同時(shí)，那么不同工作流體可用于充電循環(huán)和放電循環(huán)。該兩個(gè)循環(huán)將然后徹底分離，除聯(lián)接到熱存儲(chǔ)罐和冷存儲(chǔ)罐以外?？杀皇褂玫墓ぷ髁黧w的實(shí)例為帶有在放電循環(huán)的低溫度水平與高溫度水平之間的臨界溫度的任何制冷劑。還展望如果熱槽本身的溫度可變化，如在太陽能池的情形中，相同的換熱器可在 TEES系統(tǒng)的冷側(cè)采用，用于充電循環(huán)和放電循環(huán)。有利地，用于充電模式的額外熱槽可通過出現(xiàn)在TEES存儲(chǔ)的位置處的另一熱源提供。這種額外熱槽的各種形式是可能的，取決于TEES安裝的位置。對(duì)適合的中等溫度熱源的實(shí)例是來自發(fā)電廠蒸汽渦輪循環(huán)的廢熱、在被系統(tǒng)使用之前由太陽加熱的太陽能池或地?zé)岬孛鏌崃?。來自工業(yè)過程的廢熱也是可行的候選，從而提供大的可用溫度范圍(從 60°C到400°C)。所有這些熱源典型地具有比環(huán)境更高的溫度。它們的溫度水平經(jīng)常不夠高以適合用于廢熱回收或例如室內(nèi)加熱的其它應(yīng)用，但足以對(duì)本發(fā)明的TEES循環(huán)的使用有利。有利地，相對(duì)低級(jí)別熱量可用于增強(qiáng)TEES系統(tǒng)的往返效率。例如，在本發(fā)明中，相對(duì)低級(jí)別熱量可在低成本電力時(shí)期上升到存儲(chǔ)的熱量，并且該存儲(chǔ)的熱量可隨后在高電力需求時(shí)間內(nèi)用于增加充電期間的第一熱槽的溫度或放電期間的冷存儲(chǔ)罐的溫度。此外，當(dāng)廢熱可用，但不在低成本電力時(shí)期時(shí)，熱量可保持在例如額外暖水池中，直到低成本電力時(shí)期，在低成本電力時(shí)期廢熱可上升到高級(jí)別熱并且存儲(chǔ)。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然，對(duì)當(dāng)循環(huán)的所有級(jí)在亞臨界區(qū)域執(zhí)行時(shí)的情形，本發(fā)明的熱動(dòng)力循環(huán)提供增加的往返效率。在本發(fā)明的方案中，當(dāng)熱動(dòng)力循環(huán)的一個(gè)或多個(gè)區(qū)段跨臨界執(zhí)行時(shí)，獲得更大的優(yōu)點(diǎn)。
雖然熱存儲(chǔ)介質(zhì)通常是水(如果必要，在增壓容器中)，但是其它材料，諸如油或熔融鹽也可使用。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到，由于充電循環(huán)中蒸發(fā)器的使用和放電循環(huán)中冷凝器的使用將在不同時(shí)期執(zhí)行，因此TEES系統(tǒng)中的冷凝器和蒸發(fā)器可用能擔(dān)任兩種任務(wù)的多用途換熱器件取代。類似地，渦輪和壓縮器任務(wù)可由能夠?qū)崿F(xiàn)兩種作業(yè)的本文中稱為熱動(dòng)力機(jī)的相同機(jī)器執(zhí)行。
權(quán)利要求
1.一種熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其具有用于提供熱能到熱存儲(chǔ)的充電循環(huán)(10)和用于通過從所述熱存儲(chǔ)取回所述熱能而發(fā)電的放電循環(huán)(26)，所述熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括工作流體回路，其用于使工作流體循環(huán)通過第一換熱器(18)和第二換熱器(14，30)，用于循環(huán)熱存儲(chǔ)介質(zhì)的熱存儲(chǔ)介質(zhì)回路，所述熱存儲(chǔ)介質(zhì)回路具有經(jīng)由所述第一換熱器(18)聯(lián)接到冷存儲(chǔ)罐0 的至少一個(gè)熱存儲(chǔ)罐04)，其中，在充電循環(huán)(10)期間，所述第二換熱器(14)與第一熱槽OO)連接，并且在所述第一熱槽OO)與熱存儲(chǔ)罐04)之間的溫度差被最小化，并且其中，在放電循環(huán)06)期間，所述第二換熱器(30)與第二熱槽(34)連接，并且在所述第二熱槽(34)與所述熱存儲(chǔ)罐04)之間的溫度差被最大化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，冷卻器件在充電循環(huán)期間與所述冷存儲(chǔ)罐(22)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，加熱器件(36)在放電循環(huán)期間與所述冷存儲(chǔ)罐0 連接。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，充電循環(huán)或放電循環(huán)中的至少一個(gè)區(qū)段跨臨界運(yùn)轉(zhuǎn)。
5.一種用于在熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中存儲(chǔ)和取回能量的方法，包括通過對(duì)熱存儲(chǔ)介質(zhì)進(jìn)行加熱為所述系統(tǒng)充電，其中，所述熱存儲(chǔ)介質(zhì)在聯(lián)接到冷存儲(chǔ)罐0 的至少一個(gè)熱存儲(chǔ)罐04)之間循環(huán)，通過利用來自所述熱存儲(chǔ)介質(zhì)的熱量加熱工作流體回路中的工作流體和利用熱動(dòng)力機(jī)(32)膨脹所述工作流體，對(duì)所述系統(tǒng)放電，在充電期間連接第一熱槽OO)到所述工作流體回路，以使所述第一熱槽OO)與熱存儲(chǔ)罐04)之間的溫度差能夠最小化，并且在放電期間連接第二熱槽(34)到所述工作流體回路，以使所述第二熱槽(34)與所述熱存儲(chǔ)罐04)之間的溫度差能夠最大化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括在充電循環(huán)期間，連接冷卻器件到所述冷存儲(chǔ)罐02)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，還包括在放電循環(huán)期間，連接加熱器件(36)到所述冷存儲(chǔ)罐02)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5到7中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，充電循環(huán)或放電循環(huán)中的至少一個(gè)區(qū)段跨臨界執(zhí)行。
全文摘要
描述了一種用于在熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中存儲(chǔ)和取回能量的系統(tǒng)和方法。熱電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)包括循環(huán)通過第一換熱器(18)和第二換熱器(14，30)的工作流體和循環(huán)通過第一換熱器(18)的熱存儲(chǔ)介質(zhì)。第二換熱器(14，30)在充電循環(huán)期間與第一熱槽(20)連接并且在放電循環(huán)期間與第二熱槽(34)連接。以這種方式，往返效率通過在充電期間最小化第一熱槽(20)與熱存儲(chǔ)罐(24)之間的溫度差，并且通過在放電期間最大化第二熱槽(34)與熱存儲(chǔ)罐(24)之間的溫度差而改進(jìn)。
文檔編號(hào)F02C1/10GK102459846SQ201080027401
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者J·赫姆爾勒, L·考夫曼, M·默坎戈茨 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司