具有中間存儲池的熱電能量存儲系統(tǒng)以及用于存儲熱電能量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一般來說，本發(fā)明涉及電能的存儲。具體來說，它涉及用于采取熱能存儲裝置中的熱能形式來存儲電能的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如核電站之類的基底負載發(fā)電機以及諸如風(fēng)力渦輪機和太陽能電池板之類的具有隨機間斷能源的發(fā)電機在低電力需求時間期間生成多余電力。大規(guī)模電能存儲系統(tǒng)是將這種多余能量轉(zhuǎn)向峰值需求時間的方式，并且平衡總電力生成和消耗。
[0003]在先前專利申請EP1577548中，申請人已經(jīng)描述熱電能量存儲(TEES)系統(tǒng)的思路。TEES在充電循環(huán)中將多余電力轉(zhuǎn)換成熱量，存儲該熱量，并且在需要時，在放電循環(huán)中將熱量重新轉(zhuǎn)換成電力。這種能量存儲系統(tǒng)是健壯、緊湊、地點無關(guān)的，并且適合于大量地存儲電能。能夠采取經(jīng)由溫度的變化的顯熱形式或者采取經(jīng)由相位變化的潛熱形式或者它們兩者的組合來存儲熱能。顯熱的存儲介質(zhì)能夠是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的。用于潛熱的存儲介質(zhì)經(jīng)由相位變化而發(fā)生，并且能夠涉及這些相位的任一個或者涉及它們的串聯(lián)的組合或并聯(lián)的組合。
[0004]電能存儲系統(tǒng)的往返效率能夠定義為能夠從存儲裝置放電的電能與用于對該存儲裝置充電的電能相比的百分比，條件是能量存儲系統(tǒng)的狀態(tài)在放電之后返回到對存儲裝置充電之前的其初始狀態(tài)。往返效率在使熱力學(xué)可逆性因子為最大時得到增加。但是，重要的是要指出，所有電能存儲技術(shù)固有地具有受限的往返效率。因此，對于用于對存儲裝置充電的電能的每一個單元，在放電時，只有某個百分比被恢復(fù)為電能。電能的其余部分丟失。例如，如果存儲在TEES系統(tǒng)中的熱量通過電阻加熱器來提供，則它具有大約40%的往返效率。由于來源于熱力學(xué)第二定律的各種原因而限制了熱電能量存儲的效率。首先，熱機中將熱量轉(zhuǎn)換成機械功受限于卡諾效率。其次，任何熱泵的性能系數(shù)隨輸入溫度水平與輸出溫度水平之間差的增加而下降。第三，從工作流體到熱存儲裝置或者從熱存儲裝置到工作流體的任何熱流為了發(fā)生都需要溫度差。這個事實不可避免地使溫度水平降級，并且因而使熱量作功的能力降級。
[0005]還要注意，TEES系統(tǒng)的充電循環(huán)又稱作熱泵循環(huán)，而TEES系統(tǒng)的放電循環(huán)又稱作熱機循環(huán)。在TEES概念中，熱量需要在熱泵循環(huán)期間從熱工作流體傳遞到熱存儲介質(zhì)，并且在熱機循環(huán)期間又從熱存儲介質(zhì)傳遞回工作流體。熱泵需要功來使熱能從冷源移動到較熱的散熱器。由于在熱端所貯存的能量的量大于與取自冷端的能量相等的量所要求的功，所以與電阻熱生成相比，熱泵將“增大”熱量。熱輸出與消耗功的比率稱作性能系數(shù)，并且它是大于一的值。這樣，熱泵的使用將增加TEES系統(tǒng)的往返效率。
[0006]在先前專利申請EP08162614中，申請人已經(jīng)描述利用跨臨界熱力循環(huán)來改進TEES系統(tǒng)的思路。圖1示出跨臨界TEES系統(tǒng)的充電循環(huán)和放電循環(huán)期間與熱存儲介質(zhì)相接觸的熱交換器中的溫度曲線。橫坐標表示系統(tǒng)中所提供的熱量，縱坐標表示溫度，以及圖表上的線條是等壓線。實線指示跨臨界TEES充電循環(huán)中的工作流體的溫度曲線。虛線指示跨臨界TEES放電循環(huán)中的工作流體的溫度曲線。直對角短劃線指示跨臨界TEES循環(huán)中的熱存儲介質(zhì)的溫度曲線。熱量只能從較高溫度流動到較低溫度。因此，充電循環(huán)中的冷卻期間的工作流體的特性曲線必須高于熱存儲介質(zhì)的特性曲線，其又必須高于放電循環(huán)中的加熱期間的工作流體的特性曲線。溫度曲線因熱存儲介質(zhì)中的顯熱存儲而在時間上是固定的。因此，雖然熱交換器中的熱存儲介質(zhì)的容積保持恒定，但是熱流體和冷流體存儲池中存儲的熱和冷的熱存儲介質(zhì)的容積發(fā)生變化。另外，熱交換器中的溫度分布保持恒定。
[0007]跨臨界循環(huán)被定義為熱力循環(huán)，其中工作流體經(jīng)過次臨界狀態(tài)和超臨界狀態(tài)二者。在超過臨界點情況下的氣相與汽相之間不存在區(qū)別，并且因此在跨臨界循環(huán)中不存在蒸發(fā)或沸騰(按照常規(guī)含義)。
[0008]已經(jīng)證實，對于大溫度差的熱量的傳遞是熱力學(xué)不可逆性因子。圖1中，不僅示出放電時的熱存儲介質(zhì)與工作流體之間的最大溫度差A(yù)Tmax,而且示出充電時的熱存儲介質(zhì)與工作流體之間的最小溫度差Δ?π?η。為了使最大溫度差△ Tmax為最小，能夠構(gòu)成較大的熱交換器，或者相變材料能夠用于熱存儲。問題在于，這些解決方案引起高資本費用，并且因而一般是不實用的。
[0009]此外，即使使用較大的熱交換器，工作流體的熱力性質(zhì)起作用而限制溫度差的最小化。這通過圖1中的工作流體溫度曲線(等壓線)中的曲率示出。該曲率引起“內(nèi)窄點”，并且增加平均溫度差，而與熱交換器的大小無關(guān)?！罢c分析”是用于在處理系統(tǒng)中通過確定在熱力學(xué)上可行的熱交換網(wǎng)絡(luò)來使能量消耗為最小的已知方法。
[0010]本領(lǐng)域的技術(shù)人員會清楚地知道，熱傳遞損失的降低在采用基于熱泵循環(huán)的充電的熱能存儲的所考慮應(yīng)用中極為重要。在這種應(yīng)用中，充電和放電期間的熱交換溫度損失的任何增加直接轉(zhuǎn)變成有用功的損失以及系統(tǒng)的往返效率的降低。
[0011]因此，需要提供一種具有高往返效率和最小接近溫度的有效熱電能量存儲裝置，同時使所需要的熱存儲介質(zhì)的量為最小，并且還使資本費用為最小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的一個目的是提供一種熱電能量存儲系統(tǒng)，用于以改進的往返效率將電能轉(zhuǎn)換為熱能以便被存儲以及被重新轉(zhuǎn)換成電能。這個目的通過如權(quán)利要求1所述的熱電能量存儲系統(tǒng)以及如權(quán)利要求11所述的方法來實現(xiàn)。通過從屬權(quán)利要求，優(yōu)選實施例是顯而易見的。
[0013]按照本發(fā)明的第一方面，提供一種熱電能量存儲系統(tǒng)，其中具有用于將熱能提供給熱存儲裝置(thermal storage)的充電循環(huán)以及用于通過從熱存儲裝置取回?zé)崮軄砩呻娏Φ姆烹娧h(huán)。熱電能量存儲系統(tǒng)包括:工作流體環(huán)路，用于使工作流體通過熱交換器進行循環(huán)；以及熱存儲介質(zhì)環(huán)路，用于循環(huán)熱存儲介質(zhì)，熱存儲介質(zhì)環(huán)路具有經(jīng)由熱交換器連接在一起的至少一個熱存儲池、一個中間溫度存儲池和一個冷存儲池。熱交換器中的熱存儲介質(zhì)的流率是可通過熱存儲介質(zhì)到中間存儲池的輸入流率的改變以及熱存儲介質(zhì)從中間存儲池的輸出流率的改變而被修改的。修改或適配熱交換器中的熱存儲介質(zhì)的流率允許鑒于改進的往返效率來控制熱交換過程。
[0014]熱存儲池的溫度高于中間溫度存儲池的溫度，中間溫度存儲池的溫度又高于冷存儲池的溫度。在充電和放電期間，每個存儲池的溫度保持恒定。
[0015]在一個優(yōu)選實施例中，熱存儲介質(zhì)的流率經(jīng)過修改，以便在熱交換器中的熱存儲介質(zhì)與工作流體之間的任何接觸點并且在充電循環(huán)和放電循環(huán)二者期間使工作流體與熱存儲介質(zhì)之間的溫度差為最小。換言之，熱交換器中的熱存儲介質(zhì)的流率適配成使得在充電循環(huán)和放電循環(huán)二者期間，熱存儲介質(zhì)的等壓線緊密跟隨工作流體的等壓線的曲率。為此，熱存儲介質(zhì)與工作流體之間的最大溫度差維持為低于冷存儲池與熱存儲池之間的溫度差的20%并且優(yōu)選地低于冷存儲池與熱存儲池之間的溫度差的15%。
[0016]在一個優(yōu)選實施例中，熱交換器具有適合分開或結(jié)合來自中間存儲池的熱存儲介質(zhì)流的內(nèi)部分流器。
[0017]在另外的優(yōu)選實施例中，熱交換器分成第一部分和第二部分。熱存儲介質(zhì)不僅流經(jīng)第一部分而且流經(jīng)第二部分，并且分流器位于熱交換器的第一部分與第二部分之間。分流器適合分開或結(jié)合來自中間存儲池的熱存儲介質(zhì)流。
[0018]在一個備選實施例中，熱交換器分成第一部分和第二部分，并且熱存儲介質(zhì)經(jīng)由中間存儲池不僅流經(jīng)第一部分而且流經(jīng)第二部分。
[0019]在另外的實施例中，至少一個另外的中間存儲池連接在熱存儲介質(zhì)環(huán)路中，并且對于每個另外的中間存儲池，熱交換器具有另外的內(nèi)部分流器。
[0020]充電循環(huán)或放電循環(huán)中的至少一個跨臨界地運行。因此，在熱電能量存儲系統(tǒng)的充電循環(huán)期間，工作流體在熱交換器中可經(jīng)歷跨臨界冷卻。當熱電能量存儲系統(tǒng)處于充電循環(huán)時，系統(tǒng)包括膨脹器、蒸發(fā)器和壓縮器。此外，在熱電能量存儲系統(tǒng)的放電循環(huán)期間，工作流體在熱交換器中可經(jīng)歷跨臨界加熱。當熱電能量存儲系統(tǒng)處于放電循環(huán)時，系統(tǒng)包括泵、冷凝器和渦輪機。
[0021]按照本發(fā)明的第二方面，提供一種用于在熱電能量存儲系統(tǒng)中存儲和取回能量的方法。該方法包括通過對熱存儲介質(zhì)加熱來對系統(tǒng)充電。熱存儲介質(zhì)在經(jīng)由熱交換器連接在一起的