用于儲(chǔ)存熱電能的熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及電能的儲(chǔ)存(storage)。它特別地涉及用于在熱能儲(chǔ)存器中儲(chǔ)存采用熱能形式的電能的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]例如核電站等基底負(fù)載發(fā)電機(jī)(base load generator)和例如風(fēng)力禍輪機(jī)和太陽(yáng)能電池板等具有隨機(jī)性、間歇性能源的發(fā)電機(jī)在低電力需求時(shí)段期間生成多余的電力。大型電能儲(chǔ)存系統(tǒng)是將該多余的能量轉(zhuǎn)移到峰值需求時(shí)段并且平衡整體發(fā)電和消耗的設(shè)備。
[0003]在較早的專利申請(qǐng)EP1577548中，申請(qǐng)人描述了一種熱電能儲(chǔ)存(TEES)系統(tǒng)的想法。TEES在充電循環(huán)(charging cycle)中將多余的電轉(zhuǎn)換成熱，儲(chǔ)存該熱，并且在必要的時(shí)候在放電循環(huán)(dischargingcycle)將該熱轉(zhuǎn)換回電力。這樣的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)是耐用的、緊湊的、不依賴場(chǎng)所的并且適合于儲(chǔ)存大量電能。熱能可以通過(guò)溫度變化采用顯熱(sensible heat)形式或通過(guò)相變以潛熱形式或二者組合的形式來(lái)儲(chǔ)存。顯熱的儲(chǔ)存介質(zhì)可以是固體、液體或氣體。潛熱的儲(chǔ)存介質(zhì)通過(guò)相變來(lái)發(fā)生并且可以包含這些相中的任一種或它們的連續(xù)或并行組合。
[0004]電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的充放來(lái)回效率(round-trip efficiency)可以限定為與對(duì)儲(chǔ)存器充電所使用的電能相比的可以從儲(chǔ)存器放電的電能的百分比(假設(shè)放電之后能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的狀態(tài)返回至對(duì)儲(chǔ)存器充電之前的它的初始狀況)。有必要指出，所有的電能儲(chǔ)存技術(shù)本質(zhì)上具有有限的充放來(lái)回效率。從而，對(duì)于用于將儲(chǔ)存器充電的每單位電能，當(dāng)放電時(shí)僅恢復(fù)一定百分比的電能。電能的剩余部分被損失。如果在TEES系統(tǒng)中被儲(chǔ)存的熱例如通過(guò)電阻加熱器來(lái)提供，則它具有大約40%充放來(lái)回效率。由于來(lái)源于熱力學(xué)第二定律的各種原因，熱電能儲(chǔ)存的效率是有限的。首先，在熱機(jī)中熱到機(jī)械功的轉(zhuǎn)換被限制在卡諾效率(Carnot efficiency)。其次，任何熱泵的性能系數(shù)隨輸入和輸出溫度水平之間增加的差異而下降。再者，從工作流體到熱儲(chǔ)存器以及反之的任何熱流量的發(fā)生需要溫差。該事實(shí)不可避免地降低溫度水平并且從而降低熱做功的能力。
[0005]注意到許多工業(yè)過(guò)程涉及提供熱能和熱能儲(chǔ)存。示例是冷凍裝置、熱泵、空氣調(diào)節(jié)裝置和過(guò)程設(shè)備(process industry)。在太陽(yáng)能熱電站中，提供熱，其可能被儲(chǔ)存并且轉(zhuǎn)換成電能。然而，所有這些應(yīng)用與TEES系統(tǒng)不同，因?yàn)樗鼈儾魂P(guān)注將熱作為儲(chǔ)存電的唯一目的。
[0006]還注意到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)也稱為熱機(jī)循環(huán)。在TEES概念中，在熱泵循環(huán)期間需要從熱的工作流體傳送熱量到熱儲(chǔ)存介質(zhì)并且在熱機(jī)循環(huán)期間將熱量從儲(chǔ)存介質(zhì)傳回工作流體。熱泵需要功以使熱能從冷源移動(dòng)到較暖的吸熱源(heat sink)。由于沉積在熱側(cè)的能量的量比等于從冷側(cè)提取的能量的量所需要的功要大，因此與電阻生熱相比，熱泵將使熱“增多”。熱輸出和功輸入的比率叫做性能系數(shù)，并且它是大于一的值。如此，熱泵的使用將增加TEES系統(tǒng)的充放來(lái)回效率。
[0007]為TEES充電和放電選擇的熱力循環(huán)影響儲(chǔ)存器的許多實(shí)際方面。例如，當(dāng)環(huán)境用作放電的吸熱源時(shí)，在TEES充電期間儲(chǔ)存給定量的電能需要的熱能儲(chǔ)存量取決于熱儲(chǔ)存器的溫度水平。熱儲(chǔ)存器溫度相對(duì)于環(huán)境越高，無(wú)法恢復(fù)成電功的儲(chǔ)存熱能的相對(duì)比例將越低。因此，當(dāng)采用具有相對(duì)低的最高溫度的充電循環(huán)時(shí)，與具有相對(duì)較高的最高溫度的充電循環(huán)相比，需要儲(chǔ)存更大量的熱來(lái)儲(chǔ)存相同量的電能。
[0008]圖1圖示已知TEES系統(tǒng)的溫度輪廓。橫坐標(biāo)代表系統(tǒng)中的焓變，縱坐標(biāo)代表溫度，并且在曲線圖上的線是等壓線(isobar)。實(shí)線指示在常規(guī)TEES充電循環(huán)中工作流體的溫度輪廓，并且示出降低過(guò)熱(desuperheating) 10、冷凝12和過(guò)冷14的階梯階段(從右至左)。虛線指示在常規(guī)TEES放電循環(huán)中工作流體的溫度輪廓，并且示出預(yù)熱16、沸騰18和過(guò)熱20的階梯階段(從左至右)。直對(duì)角虛線指示在常規(guī)TEES循環(huán)中熱儲(chǔ)存介質(zhì)的溫度輪廓。熱僅可以從較高溫度流向較低溫度。因此，在充電循環(huán)中冷卻期間工作流體的特性輪廓必須在熱儲(chǔ)存介質(zhì)的特性輪廓之上，而在放電循環(huán)中的加熱期間熱儲(chǔ)存介質(zhì)的特性輪廓必須在工作流體的特性輪廓之上。
[0009]熱力學(xué)不可逆因素是在大的溫差上的熱傳遞，這一點(diǎn)是成立的。在圖1中，可以觀察到在充電輪廓的冷凝部分12期間和在放電輪廓的沸騰部分18期間，工作流體溫度保持恒定。這導(dǎo)致熱儲(chǔ)存介質(zhì)和工作流體之間(無(wú)論充電或放電)相對(duì)大的最大溫差，指示為ATmax,由此降低充放來(lái)回效率。為了使該最大溫差最小化，相對(duì)大的熱交換器可以構(gòu)建或相變材料可以用于熱儲(chǔ)存。問(wèn)題在于，這些技術(shù)方案導(dǎo)致高資本成本并且因此一般是不實(shí)用的。
[0010]從而，存在提供高效的熱電能儲(chǔ)存器的需要，其具有高的充放來(lái)回效率，同時(shí)使熱交換器的面積和需要的熱交換介質(zhì)的量最小化，并且也使資本成本最低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是提供一種用于將電能轉(zhuǎn)換成熱能以供儲(chǔ)存并且轉(zhuǎn)換回電能的具有提高的充放來(lái)回效率的熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)。該目的通過(guò)一種熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)和根據(jù)本申請(qǐng)的在熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)中儲(chǔ)存熱電能的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選實(shí)施例從本申請(qǐng)是明顯的。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)，其包括包含熱儲(chǔ)存介質(zhì)的熱交換器，用于使工作流體循環(huán)通過(guò)熱交換器用于與熱儲(chǔ)存介質(zhì)進(jìn)行熱傳遞的工作流體回路，并且其中該工作流體在熱傳遞期間經(jīng)歷跨臨界過(guò)程(transcritical process)。
[0013]在優(yōu)選實(shí)施例中，熱儲(chǔ)存介質(zhì)是液體。在另外的優(yōu)選實(shí)施例中，熱儲(chǔ)存介質(zhì)是水。
[0014]工作流體在熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的充電循環(huán)期間在熱交換器中經(jīng)歷跨臨界冷卻。當(dāng)熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)處于充電(或“熱泵”)循環(huán)時(shí)，該系統(tǒng)包括膨脹器、蒸發(fā)器和壓縮機(jī)。
[0015]工作流體在熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的放電循環(huán)期間在熱交換器中經(jīng)歷跨臨界加熱。當(dāng)熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)處于放電(或“熱機(jī)”)循環(huán)時(shí)，該系統(tǒng)包括泵、冷凝器和渦輪機(jī)。
[0016]在優(yōu)選實(shí)施例中，工作流體在熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的充電循環(huán)期間在進(jìn)入熱交換器時(shí)處于超臨界狀態(tài)。另外，工作流體在熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的放電循環(huán)期間在離開熱交換器時(shí)處于超臨界狀態(tài)。
[0017]在另外的優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的第一方面的系統(tǒng)進(jìn)一步包括放置在工作流體回路中的膨脹器用于在充電循環(huán)期間從工作流體中恢復(fù)能量，其中恢復(fù)的能量供應(yīng)給在工作流體回路中的壓縮機(jī)以用于將工作流體壓縮到超臨界狀態(tài)。
[0018]有利地，基于跨臨界循環(huán)的TEES系統(tǒng)可以在沒(méi)有冷庫(kù)(S卩，通過(guò)與環(huán)境、而不是與冷的熱儲(chǔ)存器進(jìn)行交換熱量)并且沒(méi)有相變材料的情況下工作，同時(shí)為高充放來(lái)回效率提供合理的回功比(back-work rat1) ο
[0019]在本發(fā)明的第二方面，提供一種用于在熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)中儲(chǔ)存熱電能的方法，該方法包括使工作流體循環(huán)通過(guò)熱交換器以用于與熱儲(chǔ)存介質(zhì)進(jìn)行熱傳遞，和在跨臨界過(guò)程中與熱儲(chǔ)存介質(zhì)傳遞熱量。
[0020]優(yōu)選地，傳遞熱的步驟包括在熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的充電循環(huán)期間工作流體的跨臨界冷卻。
[0021]另外，傳遞熱的步驟包括在熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的放電循環(huán)期間工作流體的跨臨界加熱。
[0022]優(yōu)選地，本發(fā)明的第二方面的方法進(jìn)一步包括修改熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)參數(shù)以保證在充電和放電期間最小化工作流體和熱儲(chǔ)存介質(zhì)之間的最大溫差的步驟。
[0023]為了保證工作流體和熱儲(chǔ)存介質(zhì)之間的最大溫差在充電和放電循環(huán)期間最小化，可修改下列系統(tǒng)參數(shù):操作溫度和壓力水平、使用的工作流體的類型、使用的熱儲(chǔ)存介質(zhì)的類型、熱交換器面積。
[0024]基于熱泵-熱機(jī)的TEES系統(tǒng)和操作方法的重要目的是為了實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)的盡可能接近可逆的操作。由于循環(huán)通過(guò)熱儲(chǔ)存機(jī)制并且因此通過(guò)溫焓圖聯(lián)接，通過(guò)熱儲(chǔ)存介質(zhì)輪廓來(lái)近似工作流體輪廓是實(shí)現(xiàn)可逆操作的重要要求。
【附圖說(shuō)明】
[0025]本發(fā)明的主旨將參照優(yōu)選的示范性實(shí)施例(其在附圖中圖示)在下列正文中更詳細(xì)地說(shuō)明，其中:
[0026]圖1示出來(lái)自常規(guī)TEES系統(tǒng)中的循環(huán)的熱傳遞的熱能-溫度圖；
[0027]圖2示出熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的充電循環(huán)的簡(jiǎn)化示意圖；
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