0028]圖3示出熱電能儲(chǔ)存系統(tǒng)的放電循環(huán)的簡化示意圖；
[0029]圖4示出來自本發(fā)明的TEES系統(tǒng)中的循環(huán)的熱傳遞的熱能-溫度圖；
[0030]圖5a是在本發(fā)明的TEES系統(tǒng)中的循環(huán)的焓-壓力圖；
[0031]圖5b是在本發(fā)明的TEES系統(tǒng)中的循環(huán)的熵-溫度圖；
[0032]為了一致，相同的標(biāo)號(hào)用于指示在整個(gè)附圖中圖示的相似元件。
【具體實(shí)施方式】
[0033]圖2和3分別示意地描繪根據(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)。
[0034]在圖2中示出的充電循環(huán)系統(tǒng)22包括功恢復(fù)膨脹器24、蒸發(fā)器26、壓縮機(jī)28和熱交換器30。工作流體如由圖2中具有箭頭的實(shí)線指示地循環(huán)通過這些部件。另外，包含流體熱儲(chǔ)存介質(zhì)的冷流體儲(chǔ)存罐32和熱流體儲(chǔ)存罐34通過熱交換器聯(lián)接在一起。
[0035]在操作中，充電循環(huán)系統(tǒng)22執(zhí)行跨臨界循環(huán)并且工作流體采用下列方式圍繞TEES系統(tǒng)流動(dòng)。在蒸發(fā)器26中的工作流體從環(huán)境或從冷庫中吸熱并且蒸發(fā)。蒸發(fā)的工作流體循環(huán)到壓縮機(jī)28中并且利用多余的電能以將工作流體壓縮和加熱到超臨界狀態(tài)。(在這樣的超臨界狀態(tài)中，流體高于臨界溫度和臨界壓力。)該步驟構(gòu)成跨臨界循環(huán)的關(guān)鍵特征。工作流體被饋送通過熱交換器30，在熱交換器30中，工作流體將熱能排到熱儲(chǔ)存介質(zhì)中。
[0036]注意到在熱交換器中，工作流體壓力將高于臨界壓力，然而工作流體溫度可低于臨界溫度。因此，盡管工作流體在超臨界狀態(tài)進(jìn)入熱交換器，它在亞臨界狀態(tài)離開熱交換器
30 ο
[0037]壓縮的工作流體離開熱交換器30并且進(jìn)入膨脹器24。這里工作流體膨脹至蒸發(fā)器的較低的壓力。工作流體從膨脹器24流回蒸發(fā)器26。
[0038]由在圖2中的虛線代表的熱儲(chǔ)存介質(zhì)從冷流體儲(chǔ)存罐32被抽吸以通過熱交換器30到達(dá)熱流體儲(chǔ)存罐34。從工作流體排出到熱儲(chǔ)存介質(zhì)的熱能以顯熱形式儲(chǔ)存。
[0039]跨臨界循環(huán)被限定為熱力循環(huán)，其中工作流體經(jīng)歷亞臨界和超臨界狀態(tài)二者。在超臨界壓力以上的氣相和蒸汽相之間沒有區(qū)別并且因此在跨臨界循環(huán)中沒有蒸發(fā)或沸騰(在正常意義上)。
[0040]在圖3中示出的放電循環(huán)系統(tǒng)36包括泵38、冷凝器40、渦輪機(jī)42和熱交換器30。工作流體循環(huán)通過如由在圖3中具有箭頭的點(diǎn)線指示的這些部件。另外，包含流體熱儲(chǔ)存介質(zhì)的冷流體儲(chǔ)存罐32和熱流體儲(chǔ)存罐34通過熱交換器30聯(lián)接在一起。由在圖3中的虛線代表的熱儲(chǔ)存介質(zhì)從熱流體儲(chǔ)存罐34被抽吸以通過熱交換器30到達(dá)冷流體儲(chǔ)存罐32。
[0041]在操作中，放電循環(huán)系統(tǒng)36也執(zhí)行跨臨界循環(huán)并且工作流體采用下列方式圍繞TEES系統(tǒng)流動(dòng)。熱能從熱儲(chǔ)存介質(zhì)傳遞到工作流體，使工作流體經(jīng)歷跨臨界加熱。工作流體然后以超臨界狀態(tài)離開熱交換器30并且進(jìn)入渦輪機(jī)42，在渦輪機(jī)42中，工作流體膨脹由此使渦輪機(jī)產(chǎn)生電能。接著，工作流體進(jìn)入冷凝器40，在冷凝器40中，工作流體通過與環(huán)境或冷庫交換熱能而被冷凝。冷凝的工作流體經(jīng)由出口離開冷凝器40并且再次通過泵38被抽吸到它的臨界壓力以上并進(jìn)入熱交換器40。
[0042]盡管圖2的充電循環(huán)系統(tǒng)22和圖3的放電循環(huán)系統(tǒng)36單獨(dú)圖示，熱交換器30、冷流體儲(chǔ)存罐32、熱流體儲(chǔ)存罐34和熱儲(chǔ)存介質(zhì)對(duì)于二者是共有的。充電和放電循環(huán)可連續(xù)而不是同時(shí)地進(jìn)行。這兩個(gè)完整的循環(huán)在焓-壓力圖中清楚地示出，例如圖5a等。
[0043]在本實(shí)施例中，熱交換器30是逆流熱交換器，并且循環(huán)的工作流體優(yōu)選地是二氧化碳。另外，熱儲(chǔ)存介質(zhì)是流體，并且優(yōu)選地是水。本實(shí)施例的壓縮機(jī)28是電動(dòng)壓縮機(jī)。
[0044]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，逆流熱交換器30可具有5K的最小近似溫度(approachtemperature), Δ Tmin (即，交換熱的兩個(gè)流體之間的最小溫差是5K)。近似溫度應(yīng)該盡可能低。
[0045]圖4示出根據(jù)本發(fā)明在TEES系統(tǒng)中循環(huán)期間在熱交換器中的熱傳遞的熱能-溫度圖。實(shí)線指示在TEES充電循環(huán)中工作流體的溫度輪廓。點(diǎn)線指示在TEES放電循環(huán)中工作流體的溫度輪廓。虛線指示在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)中的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，進(jìn)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。
[0046]由于在熱儲(chǔ)存介質(zhì)中的顯熱儲(chǔ)存，溫度輪廓在時(shí)間上是不變的。從而，盡管在熱交換器中的熱儲(chǔ)存介質(zhì)的體積保持恒定，儲(chǔ)存在熱流體和冷流體儲(chǔ)存罐中的熱和冷的熱儲(chǔ)存介質(zhì)的體積改變。并且，在熱交換器中的溫度分布保持恒定。
[0047]在圖4中，可以觀察到在TEES系統(tǒng)的充電循環(huán)期間，平滑的跨臨界冷卻發(fā)生并且當(dāng)工作流體冷卻下來時(shí)不經(jīng)歷冷凝階段。相似地，在TEES系統(tǒng)的放電循環(huán)期間，平滑的跨臨界加熱發(fā)生并且當(dāng)工作流體加熱時(shí)不經(jīng)歷沸騰階段。這導(dǎo)致熱儲(chǔ)存介質(zhì)和工作流體之間相對(duì)減小的最大溫差A(yù)Tmax(無論充電或放電)，由此增加充放來回效率并且更近地接近可逆操作。
[0048]在圖5a的焓-壓力圖中示出的實(shí)線四邊形代表本發(fā)明的TEES系統(tǒng)的充電和放電循環(huán)二者。具體地，充電循環(huán)遵循逆時(shí)針方向，并且放電循環(huán)遵循順時(shí)針方向?，F(xiàn)在描述跨臨界充電循環(huán)。對(duì)于該示范性實(shí)施例，工作流體假定是二氧化碳。
[0049]循環(huán)在點(diǎn)I開始，其對(duì)應(yīng)于在從蒸發(fā)器接收熱之前的工作流體狀態(tài)。在該點(diǎn)，工作流體具有相對(duì)低的壓力并且溫度可在(TC和20°C之間。蒸發(fā)在點(diǎn)II在恒定的壓力和溫度下發(fā)生，并且然后工作流體蒸汽在壓縮機(jī)中被等熵地壓縮到狀態(tài)III。在狀態(tài)III，工作流體是超臨界的并且可在大約90°c至150°C之間的溫度，并且工作流體壓力可高達(dá)大約20MPa。然而，這取決于利用的工作流體和熱儲(chǔ)存介質(zhì)的組合，以及達(dá)到的溫度。當(dāng)工作流體通過熱交換器時(shí)，來自工作流體的熱能在等壓過程中被傳遞到熱儲(chǔ)存介質(zhì)，由此冷卻工作流體。這在圖5a中表示為從點(diǎn)III至點(diǎn)IV的部分。當(dāng)工作流體然后通過膨脹器并且從點(diǎn)IV膨脹至點(diǎn)I時(shí)，恢復(fù)能量。該恢復(fù)的能量可或通過機(jī)械或電力線路用于共同為壓縮機(jī)提供動(dòng)力。以此方式，工作流體達(dá)到它的原始低壓狀態(tài)。
[0050]跨臨界放電循環(huán)遵循在圖5a中示出的相同路徑，但在順時(shí)針方向，因?yàn)槊總€(gè)過程都是反向的。應(yīng)該注意到在點(diǎn)I和點(diǎn)IV之間的壓縮階段優(yōu)選地是等熵壓縮。
[0051]在備選的實(shí)施例中，從點(diǎn)IV至點(diǎn)I的充電循環(huán)的階段(該階段中工作流體膨脹)可利用絕熱膨脹閥。在該實(shí)施例中，能量由于這樣的絕熱等焓膨脹過程的不可逆性而損失。
[0052]在圖5b的熵-溫度圖中示出的實(shí)線四邊形代表本發(fā)明的TEES系統(tǒng)的充電和放電循環(huán)二者。具體地，跨臨界充電循環(huán)遵循逆時(shí)針方向，并且跨臨界放電循環(huán)遵循順時(shí)針方向。對(duì)于該示范性實(shí)施例工作流體假定是二氧化碳。在該圖中，可以清楚地看到隨著在點(diǎn)I和點(diǎn)II之間的熵增加的恒定溫度并且還可以清楚地看到隨著在點(diǎn)II和點(diǎn)III之間的溫度增加的恒定摘。在圖5b中示出的示范性實(shí)施例中，在充電循環(huán)中，工作流體的商在點(diǎn)III (在120。。)和點(diǎn)IV(在42°C )之間的平滑跨臨界冷卻期間從1.70KJ/kg_K降到1.20KJ/kg-K。從點(diǎn)IV至點(diǎn)I的轉(zhuǎn)變隨著溫度下降而發(fā)生并且工作流體的熵保持恒定。
[0053]技術(shù)人員將知道如在圖2和3中圖示的TEES系統(tǒng)可采用若干不同的方式實(shí)現(xiàn)。備選實(shí)施例包括:
[0054]籲不同的工作流體可用于充電和放電循環(huán)以便最大化充放來回效率。可使用的工作流體的示例是具有在循環(huán)的低和高溫水平之間的臨界溫度的任何制冷劑。
[0055]籲不同的熱交換器可用于充電和放電循環(huán)以便優(yōu)化過程，并且可取決于操作的優(yōu)選設(shè)置。
[0056]籲代替環(huán)境，專用冷庫可以用作充電循環(huán)的熱源和放電循環(huán)的吸熱源。該冷庫可以通過在儲(chǔ)存器充電期間產(chǎn)生冰水混合物并且使用該儲(chǔ)存的冰水混合物以在放電循環(huán)期間冷凝工作流體來實(shí)現(xiàn)。在當(dāng)冷庫的溫度可以對(duì)于充電過程提高(例如使用太陽池或由本地可用的廢熱的額外加熱)或?qū)Ψ烹娺^程降低時(shí)的情況下，這可以用于增加充放來回效率。
[0057]籲由于循環(huán)接近工作流體的臨界點(diǎn)，在膨脹閥中的膨脹功恢復(fù)在靠近臨界點(diǎn)情況下可以是相當(dāng)大一部分的壓縮功。因此，膨脹功恢復(fù)可納入TEES系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。
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