帶有回收器的高溫能量存儲(chǔ)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于將電能轉(zhuǎn)化為熱能的蓄能回路(1)，該蓄能回路帶有通過(guò)軸(3)與電動(dòng)馬達(dá)(4)連接的壓縮級(jí)(2)，換熱器(5)和通過(guò)軸(7)與發(fā)電機(jī)(8)連接的膨脹級(jí)(6)，其中壓縮級(jí)(2)通過(guò)熱氣管道(9)與膨脹級(jí)(6)連接，且換熱器(5)在初級(jí)側(cè)接入熱氣管道(9)內(nèi)，且其中膨脹級(jí)(6)通過(guò)反饋管道(11)與壓縮級(jí)(2)連接，使得形成用于工作氣體(13)的封閉回路(12)，其中，此外提供了回收器(18)，該回收器在初級(jí)側(cè)接入換熱器(5)和膨脹級(jí)(6)之間的熱氣管道(9)內(nèi)且在次級(jí)側(cè)接入反饋管道(11)內(nèi)，使得熱氣管道(9)內(nèi)的工作氣體(13)的熱量可傳遞到反饋管道(11)內(nèi)的工作氣體(13)。
【專利說(shuō)明】帶有回收器的高溫能量存儲(chǔ)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種有效的高溫能量存儲(chǔ)器，其中，可通過(guò)回收空氣蓄能回路內(nèi)的壓縮機(jī)廢熱存儲(chǔ)熱能。
【背景技術(shù)】
[0002]存儲(chǔ)能量的必要性尤其由于來(lái)自可再生能源領(lǐng)域的發(fā)電廠設(shè)備的持續(xù)增長(zhǎng)的份額而產(chǎn)生。在此，能量存儲(chǔ)的目的是使得帶有可再生能源的發(fā)電廠可使用在輸電網(wǎng)絡(luò)中，使得可再生地產(chǎn)生的能量也可在不同時(shí)間被利用，以節(jié)約化石能源且因此降低CO2排放。
[0003]由于能量存儲(chǔ)器要跨越的時(shí)間段-即能量存儲(chǔ)到能量存儲(chǔ)器內(nèi)或從能量存儲(chǔ)器取出的時(shí)間段-和要存儲(chǔ)的功率，對(duì)于熱能存儲(chǔ)器的尺寸相應(yīng)地具有高要求。因此，僅由于結(jié)構(gòu)尺寸而使得熱能存儲(chǔ)器可能在購(gòu)置時(shí)很昂貴。如果能量存儲(chǔ)器構(gòu)造昂貴或?qū)嶋H的熱存儲(chǔ)介質(zhì)在購(gòu)置上或運(yùn)行中昂貴，則熱能存儲(chǔ)器的購(gòu)置和運(yùn)行成本可能很快地質(zhì)疑能量存儲(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性。
[0004]因此，考慮到能量存儲(chǔ)器的制造成本，廉價(jià)的存儲(chǔ)材料是優(yōu)選的。換熱器也應(yīng)盡可能廉價(jià)地尺寸設(shè)計(jì)。但由于廉價(jià)的存儲(chǔ)材料經(jīng)常具有低的導(dǎo)熱能力，所以換熱器面經(jīng)常設(shè)置為很大。管熱氣管的大的數(shù)量和長(zhǎng)度在此使換熱器的成本明顯升高，這通過(guò)廉價(jià)的存儲(chǔ)材料本身不再能夠補(bǔ)償。
[0005]目前為止，基于廉價(jià)材料的換熱器主要構(gòu)造為熱載體和例如沙石的存儲(chǔ)材料的直接交換的形式，以代替大的換熱器。作為熱載體介質(zhì)，可使用例如空氣的工作氣體。工作氣體在此可選擇地以封閉的或開(kāi)放的蓄能回路或附加回路中導(dǎo)引。
[0006]目前為止，在技術(shù)中原理上已知的渦旋層技術(shù)未大規(guī)模應(yīng)用，而這對(duì)于可再生的過(guò)剩能量的季節(jié)性存儲(chǔ)是必需的。此外，直接換熱導(dǎo)致與固體材料的相對(duì)復(fù)雜的交互，這對(duì)于大存儲(chǔ)器是不經(jīng)濟(jì)的。
[0007]目前，高容量能量存儲(chǔ)器主要以泵存儲(chǔ)器發(fā)電廠和壓力空氣存儲(chǔ)器發(fā)電廠的形式存在。由于此存儲(chǔ)器在一些區(qū)域有限的擴(kuò)建潛能，在許多區(qū)域中開(kāi)發(fā)了許多另外的存儲(chǔ)器技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是給出一種用于基于廉價(jià)的存儲(chǔ)材料存儲(chǔ)熱能的廉價(jià)的能量存儲(chǔ)器設(shè)備，所述能量存儲(chǔ)器設(shè)備具有改進(jìn)的效率。在此，尤其避免了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)問(wèn)題此外是給出一種以更高的效率在廉價(jià)的存儲(chǔ)材料內(nèi)存儲(chǔ)熱能的方法。
[0009]本發(fā)明的涉及設(shè)備的技術(shù)問(wèn)題通過(guò)權(quán)利要求1的特征解決。用于將電能轉(zhuǎn)換為熱能的蓄能回路包括:通過(guò)軸與電動(dòng)馬達(dá)連接的壓縮級(jí)，換熱器，和通過(guò)軸與發(fā)電機(jī)連接的膨脹級(jí)。壓縮級(jí)通過(guò)熱氣管道與膨脹級(jí)連接。換熱器在初級(jí)側(cè)接入熱氣管道內(nèi)，且膨脹級(jí)通過(guò)反饋管道與壓縮級(jí)連接。以此形成了用于工作氣體的封閉回路。此外，根據(jù)本發(fā)明提供了回收器，所述回收器在初級(jí)側(cè)接入換熱器和膨脹級(jí)之間的熱氣管道內(nèi)且在次級(jí)側(cè)接入反饋管道內(nèi)，使得熱氣管道內(nèi)的工作氣體的熱量可傳遞到反饋管道內(nèi)的工作氣體。
[0010]本發(fā)明現(xiàn)在利用了如下事實(shí)，即雖然僅存儲(chǔ)了可供使用的熱能的部分，但能量存儲(chǔ)的總收支有利于效率升高而移動(dòng)。這具有如下解釋，即一方面可省去用于加熱、中間加熱或膨脹空氣脫水的設(shè)備，這否則對(duì)于效率具有不利影響。由于膨脹到例如環(huán)境壓力和環(huán)境溫度，即使在使用濕的進(jìn)氣用于壓縮機(jī)時(shí)，也有利地避免了水凝結(jié)的問(wèn)題。因此，在根據(jù)本發(fā)明的方法中可不出現(xiàn)由于凍結(jié)的凝結(jié)物導(dǎo)致的損壞。也可省去冷凝器。
[0011]此外，膨脹渦輪機(jī)降低了壓縮的能量花費(fèi)，這通過(guò)將膨脹渦輪機(jī)布置在與壓縮機(jī)相同的軸上且明顯地支持壓縮機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0012]因?yàn)楣ぷ鳉怏w的冷卻在低溫度時(shí)要求很大的換熱器面，所以可通過(guò)放棄利用更低的溫度而使熱存儲(chǔ)器更廉價(jià)，因?yàn)闊岽鎯?chǔ)器可尺寸設(shè)計(jì)得較小。
[0013]此外，回收器由于在蓄能回路內(nèi)的壓縮機(jī)廢熱(有效壓縮到高溫度水平)而實(shí)現(xiàn)了明顯>100%的熱泵效率。
[0014]壓縮機(jī)廢熱的回收通過(guò)在熱存儲(chǔ)器內(nèi)僅使用例如>350 V的高溫?zé)崃縼?lái)實(shí)現(xiàn)。在較低的溫度水平上的熱量用于壓縮機(jī)入口上的預(yù)熱，因此降低了準(zhǔn)絕熱壓縮的電能需求，且實(shí)現(xiàn)了高的熱泵效率。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的步驟在于蓄能回路和熱存儲(chǔ)器的實(shí)現(xiàn)。由于使用例如帶有T>350°C的高溫存儲(chǔ)器，所以來(lái)自空氣壓縮的低溫廢熱可用于預(yù)熱壓縮機(jī)空氣(回收)。以此方式，產(chǎn)生了帶有高熱泵效率的蓄能回路。
[0016]通過(guò)在工作氣體離開(kāi)膨脹級(jí)時(shí)不再對(duì)其強(qiáng)過(guò)冷，而是僅具有略低于0°C的溫度，可使用通常的壓縮機(jī)作為膨脹級(jí)。否則，在很低的出口溫度時(shí)要求特殊構(gòu)造的壓縮機(jī)。
[0017]在回路中可使用惰性氣體。溫度T3和壓力P3在此優(yōu)選地通過(guò)換熱過(guò)程的尺寸設(shè)計(jì)且在此尤其通過(guò)換熱器面的尺寸來(lái)調(diào)節(jié)。因?yàn)楣ぷ鳉怏w只需將其熱能的一部分通過(guò)換熱器輸出到換熱器，所以換熱器面的大小可明顯降低。以此，可明顯地節(jié)約用于購(gòu)置換熱器的費(fèi)用。
[0018]在回收時(shí)的換熱或者可直接在空氣-空氣換熱器內(nèi)進(jìn)行或者通過(guò)中間回路以有效的熱載體介質(zhì)(例如，熱油)進(jìn)行。在描述熱傳遞時(shí)，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，初級(jí)側(cè)限定為散熱側(cè)且次級(jí)側(cè)限定為吸熱側(cè)。
[0019]在熱存儲(chǔ)器中，由于更高的效率潛能，熱空氣(在蓄能時(shí))和水(在釋能時(shí))(直接對(duì)熱存儲(chǔ)器施加而無(wú)分開(kāi)的空氣回路，見(jiàn)圖示)與存儲(chǔ)材料直接的溫度交換是優(yōu)選的。
[0020]蓄能回路可例如是加熱器的組成部分，其中加熱器在次級(jí)側(cè)接入換熱器內(nèi)，使得熱通過(guò)換熱器通過(guò)加熱器可傳遞到待加熱的介質(zhì)。
[0021]有利地，在反饋管道內(nèi)接入環(huán)境空氣換熱器，通過(guò)所述環(huán)境空氣換熱器可將在反饋管道內(nèi)導(dǎo)引的工作氣體加熱到外部溫度。由于蓄能回路內(nèi)的壓縮機(jī)廢熱的回收(到高溫度水平的有效的壓縮)和膨脹空氣的加熱(引入環(huán)境熱)，實(shí)現(xiàn)了明顯>100%的熱泵效率，且因此明顯優(yōu)于使用電加熱器的構(gòu)思。
[0022]在有利的構(gòu)造中，蓄能回路是能量存儲(chǔ)器設(shè)備的組成部分，所述能量存儲(chǔ)器設(shè)備此外具有熱存儲(chǔ)器和釋能回路，其中換熱器的次級(jí)側(cè)通過(guò)氣體管道與熱存儲(chǔ)器的初級(jí)側(cè)連接，使得來(lái)自回路的工作氣體的熱通過(guò)換熱器(5)間接地可傳遞到熱存儲(chǔ)器內(nèi)。作為其替代，蓄能回路可以是能量存儲(chǔ)器設(shè)備的組成部分，所述能量存儲(chǔ)器設(shè)備此外具有熱存儲(chǔ)器和釋能回路，其中換熱器是熱存儲(chǔ)器，使得來(lái)自回路的工作氣體流過(guò)熱存儲(chǔ)器，且以此可將來(lái)自工作氣體的熱直接傳遞到熱存儲(chǔ)器上。
[0023]釋能回路包括蒸汽生成器，蒸汽渦輪機(jī)，發(fā)電機(jī)和冷凝器，其中蒸汽渦輪機(jī)通過(guò)軸與發(fā)電機(jī)連接，且蒸汽生成器、蒸汽渦輪機(jī)和冷凝器接入水-蒸汽回路中，其中蒸汽生成器的初級(jí)側(cè)通過(guò)蒸汽管道與熱存儲(chǔ)器的次級(jí)側(cè)連接。作為其替代，釋能回路可包括蒸汽生成器，蒸汽渦輪機(jī)，發(fā)電機(jī)和冷凝器，其中蒸汽渦輪機(jī)通過(guò)軸與發(fā)電機(jī)連接，且汽生成器、蒸汽渦輪機(jī)和冷凝器接入水-蒸汽回路中。在此，蒸汽生成是熱存儲(chǔ)器，使得通過(guò)在蒸汽存儲(chǔ)器內(nèi)引入水可直接產(chǎn)生蒸汽。
[0024]在有利的擴(kuò)展中，在熱氣管道內(nèi)在換熱器前接入輔助電加熱器。通過(guò)此選擇性措施，可通過(guò)以熱存儲(chǔ)器前的附加電加熱器的形式升高最大存儲(chǔ)器溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)效率的進(jìn)一步升高。
[0025]有利地，壓縮級(jí)通過(guò)軸與膨脹級(jí)相互連接。
[0026]在有利的擴(kuò)展中，壓縮級(jí)由多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)組成，其中每個(gè)壓縮機(jī)級(jí)分別后接有換熱器。因此，至少一個(gè)第一壓縮機(jī)級(jí)后接有第一換熱器，且第二壓縮機(jī)級(jí)后接有第二換熱器。此外，膨脹級(jí)可由多個(gè)膨脹級(jí)組成，其中每個(gè)膨脹級(jí)后接有環(huán)境空氣換熱器，使得至少一個(gè)第一膨脹級(jí)后接有第一環(huán)境空氣換熱器，且第二膨脹級(jí)后接有第二環(huán)境空氣換熱器。壓縮級(jí)和膨脹級(jí)的精確數(shù)量(在設(shè)備內(nèi)例如以兩個(gè)壓縮級(jí)和兩個(gè)膨脹級(jí)示出)可自由選擇且必須根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性觀點(diǎn)優(yōu)化。
[0027]優(yōu)選地，在膨脹級(jí)內(nèi)釋放的膨脹能量傳遞到壓縮機(jī)過(guò)程。因此，不以熱的形式傳遞到熱存儲(chǔ)器的能量仍對(duì)于工作氣體的壓縮具有明顯的貢獻(xiàn)。
[0028]熱能可以是發(fā)電廠以可再生能源季節(jié)性出現(xiàn)的過(guò)剩能量。作為用于換熱器過(guò)程的熱存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)材料，特別合適的是多孔性材料，沙，礫石，石材，混凝土，水或鹽溶液。
[0029]本發(fā)明解決了對(duì)于過(guò)剩電流的以熱的形式的有效的能量存儲(chǔ)的問(wèn)題。高效率基于明顯>100%的高熱泵效率且因此明顯優(yōu)于使用電加熱器的構(gòu)思。
【權(quán)利要求】
1.一種用于將電能轉(zhuǎn)化為熱能的蓄能回路(I)，該蓄能回路帶有通過(guò)軸(3)與電動(dòng)馬達(dá)⑷連接的壓縮級(jí)(2)，換熱器(5)和通過(guò)軸(7)與發(fā)電機(jī)⑶連接的膨脹級(jí)(6)，其中所述壓縮級(jí)(2)通過(guò)熱氣管道(9)與所述膨脹級(jí)(6)連接，且所述換熱器(5)在初級(jí)側(cè)接入所述熱氣管道(9)內(nèi)，且其中所述膨脹級(jí)(6)通過(guò)反饋管道(11)與所述壓縮級(jí)(2)連接，使得形成用于工作氣體(13)的封閉回路(12)， 其特征在于，還設(shè)有回收器(18)，所述回收器在初級(jí)側(cè)接入換熱器(5)和膨脹級(jí)(6)之間的熱氣管道(9)內(nèi)且在次級(jí)側(cè)接入所述反饋管道(11)內(nèi)，使得所述熱氣管道(9)內(nèi)的工作氣體(13)的熱量可傳遞到所述反饋管道(11)內(nèi)的工作氣體(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能回路(I)，其特征在于，所述蓄能回路(I)是加熱器的組成部分，其中，所述加熱器在次級(jí)側(cè)接入所述換熱器(5)內(nèi)，使得熱量通過(guò)所述換熱器(5)能由加熱器傳遞到待加熱的介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能回路(I)，其特征在于，膨脹級(jí)(6)環(huán)境空氣換熱器(20)接入到所述反饋管道(11)內(nèi)，通過(guò)所述環(huán)境空氣換熱器能將所述反饋管道(11)內(nèi)導(dǎo)引的工作氣體(13)加熱到外部溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能回路(I)，其特征在于，所述蓄能回路(I)是能量存儲(chǔ)器設(shè)備(14)的組成部分，所述能量存儲(chǔ)器設(shè)備(14)還具有熱存儲(chǔ)器(15)和釋能回路(16)，其中所述換熱器(5)的次級(jí)側(cè)通過(guò)氣體管道(24)與所述熱存儲(chǔ)器(15)的初級(jí)側(cè)連接，使得來(lái)自回路(12)的工作氣體(13)的熱通過(guò)換熱器(5)間接地傳遞到所述熱存儲(chǔ)器(15)內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能回路(I)，其特征在于，所述蓄能回路(I)是能量存儲(chǔ)器設(shè)備(14)的組成部分，所述能量存儲(chǔ)器設(shè)備(14)還具有熱存儲(chǔ)器(15)和釋能回路(16)，其中所述換熱器(5)是熱存儲(chǔ)器(15)，使得來(lái)自回路(12)的工作氣體(13)流過(guò)所述熱存儲(chǔ)器(15)，并且，來(lái)自所述工作氣體(13)的熱量能直接傳遞給熱存儲(chǔ)器(15)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的蓄能回路，其特征在于，所述釋能回路(16)包括蒸汽生成器(30)，蒸汽渦輪機(jī)(31)，發(fā)電機(jī)(32)和冷凝器(33)，其中蒸汽渦輪機(jī)(31)通過(guò)軸(34)與所述發(fā)電機(jī)(32)連接，且所述蒸汽生成器(30)，所述蒸汽渦輪機(jī)(31)和所述冷凝器(33)連接為水-蒸汽回路(35)，其中所述蒸汽生成器(30)的初級(jí)側(cè)通過(guò)蒸汽管道(25)與所述熱存儲(chǔ)器(15)的次級(jí)側(cè)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的蓄能回路，其特征在于，所述釋能回路(16)包括蒸汽生成器(30)，蒸汽渦輪機(jī)(31)，發(fā)電機(jī)(32)和冷凝器(33)，其中所述蒸汽渦輪機(jī)(31)通過(guò)軸(34)與所述發(fā)電機(jī)(32)連接，且所述蒸汽生成器(30)，所述蒸汽渦輪機(jī)(31)和所述冷凝器(33)連接成水-蒸汽回路(35)，其中所述蒸汽生成器(30)是熱存儲(chǔ)器(15)，使得能通過(guò)將水引入所述熱存儲(chǔ)器(15)內(nèi)直接產(chǎn)生蒸汽。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中一項(xiàng)所述的蓄能回路，其特征在于，在所述熱氣管道(9)內(nèi)在所述熱存儲(chǔ)器(15)之前接入輔助電加熱器(21)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中一項(xiàng)所述的蓄能回路，其特征在于，所述壓縮級(jí)(2)通過(guò)軸(22)與所述膨脹級(jí)(6)相互連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中一項(xiàng)所述的蓄能回路，其特征在于，所述壓縮級(jí)(2)由多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)組成，且每個(gè)壓縮機(jī)級(jí)分別后接有換熱器(5)，使得至少一個(gè)第一壓縮機(jī)級(jí)(2a)后接有第一換熱器(5a)且第二壓縮機(jī)級(jí)(2b)后接有第二換熱器(5b)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中一項(xiàng)所述的蓄能回路，其特征在于，膨脹級(jí)(6)包括多個(gè)膨脹級(jí)，且每個(gè)膨脹級(jí)分別后接有環(huán)境空氣換熱器(20)，使得至少一個(gè)第一膨脹級(jí)^a)后接有第一環(huán)境空氣換熱器(6a)且第二膨脹級(jí)(6b)后接有第二環(huán)境空氣換熱器(20b)。
12.根據(jù)權(quán)利要求2至11中一項(xiàng)所述的蓄能回路，其特征在于，所述蓄能回路使用在以可再生能源運(yùn)行的發(fā)電廠中，以存儲(chǔ)季節(jié)性過(guò)剩電能。
13.根據(jù)權(quán)利要求2至12中一項(xiàng)所述的蓄能回路，其特征在于，所述熱存儲(chǔ)器(5)包含多孔性存儲(chǔ)介質(zhì)，所 述多孔性存儲(chǔ)介質(zhì)包括沙、礫石、石材，混凝土、水或鹽溶液。
14.一種用于產(chǎn)生熱能的方法，其中在蓄能過(guò)程O中: a)在壓縮過(guò)程O中將工作氣體O從溫度Tl和壓力Pl壓縮到帶有溫度T2的壓力P2， b)在換熱過(guò)程O中，將熱量從工作氣體O傳遞到熱存儲(chǔ)器O上，以此將工作氣體O的溫度和壓力降低到溫度T3和壓力P3，和 c)在膨脹過(guò)程O中，將所述工作氣體O卸壓到帶有溫度T4的壓力P4，且又在所述反饋管道內(nèi)將卸壓的工作氣體O反饋給所述壓縮過(guò)程0， 其中，在換熱過(guò)程O和膨脹過(guò)程O之間從工作氣體中取出熱，且將熱傳遞到反饋管道內(nèi)的工作氣體。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述溫度T3和壓力P3通過(guò)換熱器過(guò)程(21)的尺寸設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的方法，其中所述壓縮過(guò)程以使用可再生能源的發(fā)電廠的季節(jié)性出現(xiàn)的過(guò)剩電能驅(qū)動(dòng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至15中一項(xiàng)所述的方法，其中，使用多孔性材料，沙、礫石、石材、混凝土、水或鹽溶液作為換熱器過(guò)程(21)的熱存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)材料。
【文檔編號(hào)】F01K23/02GK103930653SQ201280056196
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月15日
【發(fā)明者】C.格萊伯, C.布魯恩休伯, G.齊默曼 申請(qǐng)人:西門子公司