具有两个热槽的热电能量存储系统和用于存储热电能量的方法

摘要

描述了一种用于在热电能量存储系统中存储和取回能量的系统和方法。热电能量存储系统包括循环通过第一换热器(18)和第二换热器(14，30)的工作流体和循环通过第一换热器(18)的热存储介质。第二换热器(14，30)在充电循环期间与第一热槽(20)连接并且在放电循环期间与第二热槽(34)连接。以这种方式，往返效率通过在充电期间最小化第一热槽(20)与热存储罐(24)之间的温度差，并且通过在放电期间最大化第二热槽(34)与热存储罐(24)之间的温度差而改进。

说明书

技术领域

本发明大体涉及电能的存储。它特别涉及用于在热能存储中以热能的形式存储电能的系统和方法。

背景技术

诸如核电站的基本负荷发电机和诸如风力涡轮和太阳能电池板的利用随机、间歇能量源的发电机在低功率需求的时间期间产生过量电能。大规模电能存储系统是将该过量能量转移到高峰需求的时间并且平衡总体电力产生和消耗的装置。

在早先专利申请EP1577548中，该申请人已经描述了热电能量存储(TEES)系统的概念。TEES在充电循环中将过量电力转换成热量，存储热量并且在必要时，在放电循环中将热量转换回电力。这种能量存储系统是强健、紧凑、地点无关的并且适合于大量电能的存储。热能可以经由温度的改变以显热的形式存储或经由相态的改变以潜热的形式存储或者两者。用于显热的存储介质可以是固体、液体或气体。用于潜热的存储介质经由相态的改变出现并且可涉及这些相态中的任何或者为它们串行或并行的联合。

电能存储系统的往返(round-trip)效率可定义为，假如放电后能量存储系统的状态返回到在存储的充电之前它的初始条件，可从存储中放电的电能相比于用于对存储充电的电能的百分比。因而，为了获得高的往返效率，两种模式的效率需要最大化，只要它们的互相依赖允许。

重要的是指出所有电能存储技术本质上具有有限的往返效率。因而，对于用于对存储充电的每单位的电能，在放电后，仅一定百分比回收成电能。其余的电能损失了。如果例如在TEES系统中存储的热量通过电阻加热器提供，则它具有大约40％的往返效率。TEES系统的往返效率由充电效率和放电效率组成。

TEES系统的往返效率由于来源于热力学第二定律的各种原因受限。第一个原因涉及系统的性能系数。当系统在充电模式中时，它的理想效率由性能系数(COP)支配。COP取决于冷侧的温度(T_c)和热侧的温度(T_h)，给出为：

$>\mathrm{COP}=\frac{T_h}{T_h-T_c}$>

因而，可见热泵的COP随输入和输出温度水平之间的增加的差异而下降。第二，热力发动机中热量到机械功的转换受卡诺(Carnot)效率的限制。当系统在放电模式中时，效率(η)给出为

$>\eta =\frac{T_h-T_c}{T_h}.$>

因而，可见当冷侧温度下降时效率增加。第三，从工作流体到热存储的任何热量流动和相反要求温度差以便发生。该事实不可避免地降低温度水平并且因而降低热量做功的能力。

应当明白许多工业过程涉及热能的供应和热能的存储。实例为制冷器件、热泵、空调和加工工业。在太阳能热力发电站中，热能被提供、可能地存储并且转换成电能。然而，所有这些应用不同于TEES系统，因为它们不关心用于存储电力的专门目的的热量。

应当明白TEES系统的充电循环也称为热泵循环，并且TEES系统的放电循环也称为热力发动机循环。在TEES概念中，热需要在充电循环期间从热工作流体传输到热存储介质，并且在放电循环期间从热存储介质回到工作流体。热泵要求做功以从冷源移动热能到温暖的吸热器。由于在热侧，即TEES的热存储介质部分处，沉积的能量的数量比压缩功大的数量等于从冷侧带走的能量，即由处于低压的工作流体吸收的热量，故对于输入热存储的每份功，热泵比电阻性的加热沉积更多的热量。热量输出对功输入的比率称作性能系数，并且它是大于一的值。以这种方式，热泵的使用将增加TEES系统的往返效率。

已知TEES系统的充电循环包括功回收膨胀器、蒸发器、压缩器和换热器，全部通过工作流体回路串行连接。此外，包含流体热存储介质的冷存储罐和热存储罐经由换热器联接在一起。在工作流体经过蒸发器时，工作流体从外界或从热槽(thermal bath)吸收热量并且蒸发。已知TEES系统的放电系统包括泵、冷凝器、涡轮和换热器，全部通过工作流体回路串行连接。此外，包含流体热存储介质的冷存储罐和热存储罐经由换热器联接在一起。在工作流体经过冷凝器时，它与外界或热槽交换热能并且冷凝。相同热槽，诸如河、湖或冰水混合物池在充电和放电循环中使用。

存在对提供具有高往返效率的高效热电能量存储，同时最小化涉及的系统成本的需要。

发明内容

本发明的目标是提供用于以改进的往返效率将电能转换成热能以存储并且转换回电能的热电能量存储系统。该目标通过根据权利要求1所述的热电能量存储系统和根据权利要求5所述的方法实现。优选的实施例从从属权利要求中明显可见。

根据本发明的第一方面，提供热电能量存储系统，其具有用于提供热能到热存储的充电循环和用于通过从热存储取回热能而产生电力的放电循环。该热电能量存储系统包括：工作流体回路，其用于使工作流体循环通过第一换热器和第二换热器；和热存储介质回路，其用于循环热存储介质。该热存储介质回路具有经由第一换热器联接到冷存储罐的至少一个热存储罐。在充电循环期间，第二换热器与第一热槽连接，并且在第一热槽与热存储罐之间的温度差被最小化。在放电循环期间，第二换热器与第二热槽连接，并且在第二热槽与热存储罐之间的温度差被最大化。

换句话说，热槽的温度选择成使得第一热槽处于比第二热槽相对较高的温度。

热存储介质是液体，并且优选地是水。本发明的工作流体优选地是二氧化碳。

在优选实施例中，冷却器件在充电循环期间或在充电循环之后与冷存储罐连接。有利地，冷却器件运行以降低在冷存储罐中的热存储介质的温度，因此调整冷存储罐的温度到放电循环的所要求的温度。

在又一优选实施例中，加热器件在放电循环期间或在放电循环之后与冷存储罐连接。有利地，加热器件运行以提升在冷存储罐中的热存储介质的温度，因此调整冷存储罐的温度到充电循环的所要求的温度。

在本发明的优选实施例中，充电循环或放电循环的至少一个区段跨临界(transcritically)运转。

在本发明的第二方面，提供方法用于在热电能量存储系统中存储和取回能量。该方法包括：通过对热存储介质进行加热为系统充电，其中热存储介质在联接到冷存储罐的至少一个热存储罐之间循环；并且通过利用来自热存储介质的热量加热在工作流体回路中的工作流体和利用热动力机膨胀工作流体对系统放电。该方法还包括在充电期间连接第一热槽到工作流体回路以使第一热槽与热存储罐之间的温度差能够最小化，并且随后在放电期间连接第二热槽到工作流体回路以使第二热槽与热存储罐之间的温度差能够最大化。再次，热槽的温度选择成使得第一热槽处于比第二热槽相对较高的温度。

有利地，在充电期间，在第一热槽与热存储罐之间的温度差的最小化导致较低的电力输入要求。此外，在放电期间，第二热槽与热存储罐之间的温度差的最大化导致更高的能量回收。

在优选实施例中，本发明的第二方面的方法还包括在充电循环期间或在充电循环之后连接冷却器件到冷存储罐。

在又一优选实施例中，该方法还包括在放电循环期间或者在放电循环之后连接加热器件到冷存储罐。

在本发明的优选实施例中，充电循环或者放电循环中的至少一个区段跨临界执行。

因此，对本领域技术人员显然，本发明提供具有相对高的往返效率的高效热电能量存储，同时最小化涉及的系统成本。

附图说明

本发明的主题将参考在附图中示出的优选示范实施例在下文中更详细地解释，其中：

图1示出根据本发明的热电能量存储系统的充电循环的简化示意图；

图2示出根据本发明的热电能量存储系统的放电循环的简化示意图；

图3示出来自利用相对低温热槽的本发明的TEES系统的循环的传热的熵-温度图；

图4示出来自利用相对高温热槽的本发明的TEES系统的循环的传热的熵-温度图；

图5示出本发明的热电能量存储系统的又一实施例的简化示意图；

图6示出来自图5的TEES系统的循环的传热的熵-温度示意图；

为了一致起见，相同附图标记用于标记贯穿图中示出的类似元件。

具体实施方式

图1和图2分别示意性地描述了根据本发明的实施例的TEES系统的充电循环系统和放电循环系统。

图1所示充电循环系统10包括功回收膨胀器12、蒸发器14、压缩器16和换热器18，其中蒸发器14与第一热槽20连接。工作流体循环通过如图1中带有箭头的实线指示的构件。进一步，包含流体热存储介质的冷存储罐22和热存储罐24经由换热器18联接在一起。热存储液体在冷存储罐22和热存储罐24之间流动，如由带有箭头的虚线所指示。进一步，第一热槽介质在第一热槽20和蒸发器14之间循环，如由带有箭头的点划线所指示。

在操作中，充电循环系统10执行热动力循环并且工作流体围绕TEES系统以以下方式流动。在蒸发器14中的工作流体从第一热槽介质中吸收热量，并且蒸发。典型地，第一热槽20的温度高于外界温度，例如从25℃到400℃。蒸发的工作流体循环到压缩器16并且过剩电能用于压缩并且加热工作流体。工作流体馈送通过换热器18，在换热器18中工作流体放弃热量到热存储介质。

压缩工作流体离开换热器18并且进入膨胀器12。在此工作流体膨胀到相应于蒸发器进口压力的较低压力。工作流体从膨胀器12流回进蒸发器14。

流体热存储介质从冷存储罐22泵出经过换热器18到热存储罐24。从工作流体放弃进入热存储介质的热能以显热的形式存储。

图2中所示放电循环系统26包括泵28、冷凝器30、涡轮32和换热器18，其中冷凝器30与第二热槽34接触。工作流体循环通过如图2中由带有箭头的点线指示的这些构件。进一步，包含流体热存储介质的冷存储罐22和热存储罐24经由换热器18联接在一起。在图2中由虚线表示的热存储介质从热存储罐24泵出经过换热器到冷存储罐22。第二热槽介质在第二热槽34与冷凝器30之间循环，如由带有箭头的点划线所指示。

在操作中，放电循环系统26也执行热动力循环并且工作流体以以下方式围绕TEES系统流动。热能从热存储介质传输到工作流体，从而导致工作流体的加热。工作流体然后离开换热器18并且进入涡轮32，工作流体在涡轮32中膨胀，由此导致联接到发电机(未示出)的涡轮32产生电能。接下来，工作流体进入冷凝器30，工作流体在冷凝器30中通过与第二热槽介质交换热能而冷凝。典型但不必须地，第二热槽34的温度处于外界温度并且由此低于第一热槽的温度，例如从0℃到15℃。冷凝的工作流体经由出口离开冷凝器30并且经由泵28再次泵入换热器18。

虽然图1的充电循环系统和图2的放电循环系统已经单独地示出，然而换热器18、冷存储罐22、热存储罐24和热存储介质对两者是共有的。充电循环和放电循环可连续地执行，而不是同时地执行。

在本实施例中，换热器是逆流换热器，并且循环的工作流体优选地是二氧化碳。进一步，热存储介质是液体，并且优选地是水。本实施例的压缩器是电动压缩器。

如先前指示地，如果冷侧与热侧之间的温度差下降，那么TEES系统的性能系数(COP)增加。因而，在充电期间，使热侧的温度水平下降或提升冷侧的温度水平是有利的。在如图1所示的本发明的实施例中，第一热槽20作用以提升循环的冷侧的温度。在本发明的可选实施例中，额外冷却器件可作用以在充电期间或者在充电之后降低冷存储罐22的温度。这种系统在图5中示出用于放电循环。本领域技术人员将清楚地理解，可展望用于充电循环的等价回路，其中额外冷却器件联接到冷存储罐22。

如先前描述地，如果冷侧与热侧之间的温度差增加，那么TEES系统的效率在放电期间增加。因而，增加热侧的温度水平或者降低冷侧的温度水平是有利的。在图2所示的本发明的实施例中，第二热槽34作用以降低循环的冷侧的温度。在如图5所示的本发明的可选实施例中，额外加热器件36作用以在放电循环期间或在放电循环之后提升冷存储罐22的温度。额外加热器件36联接到冷存储罐22。应当明白在本发明的各实施例中，热存储罐24的温度在充电循环和放电循环期间匹配(match)。

因而，很清楚地，提供两个单独热槽20、34，一个用于在充电循环10期间使用，并且第二个用于在放电循环26期间使用的概念是非常有利的。尤其地，在充电循环中要求较低的电力输入，并且在放电循环中更多能量被回收，由此增加总体往返效率和成本效力。

重要地，冷存储罐22和热存储罐24的温度在充电循环和放电循环期间都应当在类似范围内。对本领域技术人员显然，在具有处于外界温度与蒸发器和冷凝器接触的单一热槽的TEES系统中，充电和放电循环的冷存储罐22和热存储罐24的温度将自然地分别匹配。然而，在本发明的TEES系统中，由于第一热槽20和第二热槽34的不同温度水平，故充电和放电循环可要求适应(adaption)。该适应的可能性现在关于如下方面呈现：

i)本发明的实施例，其中

-冷存储罐在充电和放电期间具有相同的温度，

-热存储罐在充电和放电期间具有相同的温度，

-工作流体压力在与热存储介质换热期间与在充电和放电期间相同。

ii)本发明的实施例，其中

-冷存储罐在充电和放电期间具有不同的温度，

-热存储罐在充电和放电期间具有相同的温度，

-工作流体压力在与热存储介质换热期间与在充电和放电期间不同。

i)在TEES系统中，其中冷存储罐22在充电和放电期间具有相同温度并且热存储罐24在充电和放电期间具有相同的温度，用于系统的适合的热动力循环由第一热槽20的温度确定。如果第一热槽的温度相对低，即：大约30℃到50℃，则适合的热动力循环在图3中示出。

在图3的熵-温度图中，充电循环示出为虚线并且沿逆时针方向，然而放电循环示出为实线并且沿顺时针方向。在该示范实施例中，两个循环都跨临界运转并且工作流体假定为二氧化碳。充电循环由工作流体在点V到点VI之间的预热、蒸发和过热构成，充电循环后温度T_TB1被工作流体大致达到，除要求用于驱动传热的最小接近温度(即：在换热的两种流体之间的最小温度差)以外。利用处于T_TB1的第一热槽的换热部分地发生在图3的点V和点VI之间的亚临界范围内。在冷侧的换热由在点VI-III之间的压缩所跟随，在该压缩期间，功由电驱动的压缩器传递到工作流体。在点III-IV之间，热量在逆流换热器中从工作流体传输到流体存储介质。循环由在点IV-V之间的工作流体的膨胀关闭。膨胀需要在相应于流体在换热V-VI期间蒸发的压力的等压线处终止。

放电循环沿以序列I-IV-III-II的实线。区段I-IV相应于工作流体到高压的泵入，其中压缩功高于充电期间的膨胀。在区段IV-III处表示的超临界区域的换热在工作流体的常压和冷存储罐与热存储罐之间的温度之间发生。在充电期间在点III和点II之间的膨胀导致生产比在压缩级(点VI与点III之间)先前所用的功更多的功。工作流体的冷凝，在点II与点I之间，经由与处于温度T_TB2的第二热槽介质的换热而发生。

图3中的热动力循环以如下方式设计，即使得工作流体获得的最大温度和压力对充电循环和放电循环都相同。

再次，考虑TEES系统，其中冷存储罐22在充电和放电期间具有相同的温度，并且热存储罐24在充电和放电期间具有相同的温度。如果第一热槽的温度T_TB1相对高，即：大约75℃到100℃，那么适合的热动力循环在图4中示出。

类似地，在熵-温度图中，充电循环示出为虚线并且放电循环示出为实线。在该示范实施例中，充电循环彻底超临界运转并且放电循环跨临界运转。与处于T_TB1的第一热槽的换热在图4的点V与点VI之间的超临界范围内发生。本领域技术人员将明白工作流体的压力比率在图4的充电循环中比在图3中小。这是有利地，因为相对较低的功输入为压缩器16所要求，并且因而所要求的电输入能量也成比例地较低。

该放电循环与图3中所示的放电循环可比。

再次，图4中的热动力循环以如下方式设计，即使得工作流体所获得的最大温度和压力对充电循环和放电循环都相同。

ii)在TEES系统中，其中工作流体在充电和放电期间处于不同的压力操作，并且冷存储罐22在充电和放电期间可具有不同的温度，则热存储罐24的最大温度在充电和放电循环期间要求相同。例如，图5和图6涉及TEES系统的实施例，其中工作流体压力在充电循环期间比在放电循环期间高，并且冷存储罐的温度，T_冷存储在充电循环和放电循环期间不同。如先前提及地，虽然图5示出放电循环，但是本领域技术人员将意识到展望类似于图1的等价充电循环。如图5和图6所示，在充电期间的存储介质的最小温度高于需要用于放电的冷存储的温度。为了在充电循环和放电循环之间改变时调整T_冷存储，利用冷存储罐到加热或冷却器件的额外联接。尤其地，在冷存储罐中的热存储介质可如要求地泵出通过冷却器或通过加热器。可选地，加热可经由冷存储罐22到处于温度T_TB1的第一或第二热槽的联接而实现，也在单独环中。

图6示出用于图5的TEES系统的熵-温度图。充电循环示出为虚线并且沿逆时针方向，然而放电循环示出为实线并且沿顺时针方向。在该示范实施例中，两个循环跨临界运转。

在点V-VI之间的充电循环中，发生处于温度T_TB1的工作流体的蒸发。在点VI-VII之间的压缩传递机械功到工作流体。在点VII-VIII之间，热量从工作流体传输到流体存储介质。从点VIII到V的膨胀回收部分压缩功，从而关闭循环。

作为充电与放电之间的额外步骤，留在冷存储罐22中的流体存储介质的温度降低以达到在放电期间的冷存储温度。为了实现这的最简单方法包括将它联接到第二热槽34。

在放电循环中，区段I-IV相应于工作流体的压缩。在区段IV-III处表示的超临界区域中的换热，在工作流体的恒压处和冷存储罐与热存储罐的温度之间发生。在点II与点I之间的工作流体的冷凝，经由与处于温度T_TB2的第二热槽介质的换热而发生。

在充电之前，冷存储罐22中的热存储介质的温度需要上升到充电所需的温度，这可例如通过来自额外低级别废热源或可能地与次级热泵电结合而实现。

在本发明的可选实施例中，额外热存储罐可安装成连接到初始热存储罐。额外的热存储罐与初始热存储罐并行地充电并且在放电循环之后用于增加冷存储罐的温度到所要求的水平。如果第一热槽未永久地可用，那么该选项尤其有利。

在又一可选实施例中，其中相对热的源，即：第一热槽可用，并且具有超过热存储罐的温度(例如，大约150℃到400℃)的温度，那么该热源可用于在充电模式中直接加热热存储罐。在该情形中，充电循环被仅具有单一换热器的系统取代，该单一换热器传输源热量到TEES热存储罐。结果，不需要电功输入，并且充电循环因此独立于电力可得性和成本。

在又一实施例中，第一热槽可处于外界温度并且第二热槽可为水体，诸如湖，该水体具有比外界低的温度。因而，确保系统的冷侧在放电循环期间更冷的要求得到满足。

在本发明的TEES系统中，展望又一实施例，其中冷存储罐在充电和放电期间具有不同的温度，热存储罐在充电和放电期间具有相同的温度，并且工作流体压力在与热存储介质换热期间与在充电和放电期间相同。结果，由于冷存储罐的不同温度，充电和放电循环要求适应。

另一实施例可使用一个单一热槽，该热槽的温度在两个热槽温度水平之间变化，该热槽诸如太阳能池。这种池可在白天加热到温度T_TB1，以供应相应于第一热槽的热量用于充电。当消耗并且冷却到温度T_TB2，它可提供处于较低温度的第二热槽用于放电。在该情形下，一个单一热槽可通过暂时的变化充当上文描述的两个不同温度水平的槽。

可能一些类型的热槽可在一天的过程中经受温度变化。在这种情形中，可能第二热槽可不提供足够高的温度用于TEES放电循环。在该情形中，额外罐可在充电循环期间填充有热的热存储介质，该热的热存储介质将稍后在放电循环期间用于将冷存储罐带到所要求的温度水平。

对本领域技术人员显然，能够在TEES系统的冷侧采用两种不同类型的换热器用于充电循环和用于放电循环。如果第一和第二热槽在材料和/或温度方面不同，那么这在技术上是有利的。此外，当第一和第二热槽在材料和/或温度方面显著不同时，那么不同工作流体可用于充电循环和放电循环。该两个循环将然后彻底分离，除联接到热存储罐和冷存储罐以外。可被使用的工作流体的实例为带有在放电循环的低温度水平与高温度水平之间的临界温度的任何制冷剂。

还展望如果热槽本身的温度可变化，如在太阳能池的情形中，相同的换热器可在TEES系统的冷侧采用，用于充电循环和放电循环。

有利地，用于充电模式的额外热槽可通过出现在TEES存储的位置处的另一热源提供。这种额外热槽的各种形式是可能的，取决于TEES安装的位置。对适合的中等温度热源的实例是来自发电厂蒸汽涡轮循环的废热、在被系统使用之前由太阳加热的太阳能池或地热地面热量。来自工业过程的废热也是可行的候选，从而提供大的可用温度范围(从60℃到400℃)。所有这些热源典型地具有比环境更高的温度。它们的温度水平经常不够高以适合用于废热回收或例如室内加热的其它应用，但足以对本发明的TEES循环的使用有利。

有利地，相对低级别热量可用于增强TEES系统的往返效率。例如，在本发明中，相对低级别热量可在低成本电力时期上升到存储的热量，并且该存储的热量可随后在高电力需求时间内用于增加充电期间的第一热槽的温度或放电期间的冷存储罐的温度。此外，当废热可用，但不在低成本电力时期时，热量可保持在例如额外暖水池中，直到低成本电力时期，在低成本电力时期废热可上升到高级别热并且存储。

对本领域技术人员显然，对当循环的所有级在亚临界区域执行时的情形，本发明的热动力循环提供增加的往返效率。在本发明的方案中，当热动力循环的一个或多个区段跨临界执行时，获得更大的优点。

虽然热存储介质通常是水(如果必要，在增压容器中)，但是其它材料，诸如油或熔融盐也可使用。

本领域技术人员将意识到，由于充电循环中蒸发器的使用和放电循环中冷凝器的使用将在不同时期执行，因此TEES系统中的冷凝器和蒸发器可用能担任两种任务的多用途换热器件取代。类似地，涡轮和压缩器任务可由能够实现两种作业的本文中称为热动力机的相同机器执行。