专利名称：用于储存热能并发电的设备及方法
技术领域：
本发明涉及能量储存以及发电领域。它来自于如权利要求1的前序部分所描述的用于将热能提供到热力学机器以便产生电力的系统以及用于响应电力需求产生电力的方法。
背景技术：
用于发电的重要可再生能源向来都是间隙性的。风吹动或者不吹动，太阳发光或者不发光。如果来自这些间歇性能源的电力产生必须是连续的，则需要在富余供给期间储存能量并随着电需求超过供给从中取出能量的能量储存单元。此外，如果不足供给期间持续非常长时，可能需要相当大尺寸的能量储存单元以便支撑该期间内的动力，结果，经常利用来自可以轻易大量储存的矿物燃料的传统动力产生补充这种动力产生系统。
作为第一实例，用于与几个远程家庭互连的高达100kW的岛状电网(island grid)的动力产生系统包括小型风力涡轮、大量的电池以及备用柴油发电机。作为第二实例，太阳-热动力设备将太阳辐射转化成热，热由热流体传递到热力学机器(例如，蒸气涡轮)，以便进行发电。为了延长这些动力设备的运转时间，热流体还可以将热传递到热储存单元。该热随后从热储存单元取出。此外，通过矿物燃料的燃烧增大蒸气产生以便进一步延长这种动力设备的运转时间并使它们完全独立于天气情况。
然而，由于能量储存的有益使用不局限于从风或阳光发电的情况。在大型互连电力网中，当基底负载(baseload power)动力设备(例如，核动力设备)满负荷持续供给而电需求很低时，电在夜间是富余并且廉价的。在白天的几个小时内，电需求以及价格达到高峰，并最大负荷动力设备运转。虽然是在不同的时间标度上，这种情形有些类似与富余以及缺乏风力的情况。
水力储存动力设备在富余期间储电并在高峰时间内供电。水力储存是最发达的大型电能储存技术，但是它局限于少数适当的地理位置以及大设备尺寸。
与正常工程直觉相反，作为可间断获得的能源和/或周期性高峰能量需求的补充的所谓电热能量储存是非常值得考虑的。电热能量储存通常包括以下步骤将电转化成热，储存热，并将该热转化回电。尽管电热能量储存好像缺乏技术含量，但是从经济角度，它是值得关注的，因为与其他电能储存技术相比它具有特殊的成本结构。热相对容易储存并且因而电热能量储存具有很低的每kWh成本(“能量容量成本”)。它还具有中等的每kW成本(“转化成本”或“动力成本”)。由于电到热的转化及其反过程是不涉及任何(电)化学转化的纯物理类转化，因而可以预期到基于其上的储存装置的长循环寿命。不象水力储存，它是不受位置约束的并且相对紧凑，即具有高能量密度。此外，电热能量储存通常遵循有利的比例定律以便放大到更大的功率以及容量等级。
尽管存在上述优点，但电热能量储存仍不是大多数应用的选项，因为这些优点被不良的往复效率(从电回到电)所抵消了。然而，如果需要大容量并且如果初级动力源相对能量储存装置成本不高的话，电热能量储存确实是电能储存的选项。后者特别是针对自然可再生能源及其基本免费的“燃料”太阳以及风力或者针对在低需求期间的成本不高的基底负载电的情况。例如，超过特定碳氢化合物燃料价格水平(例如，反映远程地理位置以及高柴油运输成本或二氧化碳排放税)，电热能量储存是对风力产生的正确补充。
在专利US3,080,706中，显示了热储存运转的Stirling循环发动机，其中发动机由储存在相关容器内的热单独运转。热由具有可断开连接件的加热线圈供应到容器内的热储存物质。热储存物质(例如，氢化锂、氢氧化锂以及氟化锂)具有非常高的熔解热以及在发动机运转温度范围内的熔点。
专利US5,384,489公开了包括风能量储存以及用于远离公用电网的远程位置的回收装置的风推进发电系统。在富余风力期间，来自风力发电机的电运转浸入到热流体内的电阻加热器。热流体由配置在加热器和储存容器之间的泵循环。在低风速或高需求期间，来自储存装置内的加热热流体的热由产生用于蒸气推进发电机的蒸气的能量提取器或热交换器转化回电。在以增加总系统投资成本为代价，可以增加备用矿物燃料内燃柴油发动机作为预防。
发明内容
因而，本发明的目的是在没有增加太多系统投资成本的情况下平衡电需求和供给之间的时间相关矛盾。该目的是由根据权利要求1和9的用于将热能提供到热力学机器的系统以及用于产生电力的方法实现的。通过附属的专利权利要求，进一步优选的实施例显而易见。
根据本发明，电力源向将电转化成要储存在热储存装置内的热的第一热产生装置供电。该热通过第一热传递装置从该装置不定时取出并提供到用于发电的热力学机器，例如处于膨胀模式的热机，即涡轮或往复式发动机，例如，Stirling发动机。因而，如果取出的热能不足以满足电需求，由来自第二热产生装置的热进行补充。第二热产生装置向与所述第一热传递装置非常相同的热力学发动机提供热能，因而不需要提供单独一组备用动力产生器材，并且避免了必需部件的加倍。
优选的是，该电力源是间歇性能源，并且特别是间歇性可再生能源(例如风力或太阳辐射)，或者是在低需求时间内来自电力网的富余且相对低成本的电。因而，来自间歇性能源的更持久电供给或者来自基底负载动力设备的更可调度电供给是可能的。
在第一优选实施例中，第二热产生装置包括在连接到热力学机器的第二工作流体线路内循环的第二工作流体以及可控热源，例如可以接通以及断开以便加热第二工作流体的简单燃料燃烧器或地热源。因而，热力学机器可以由储存在热储存单元内的热(来源于间歇性电力源)或者来自燃料燃烧(矿石或生物量)或者由二者的组合进行运转。
在更优选的实施例中，热力学机器仅连接到包括一种工作流体的一个流体线路，即来自第一热传递装置的工作流体而第二工作流体不是相异的，而是相同的。这避免了提供几种开关来将两种相异工作流体的任意一种导引到热力学发动机的，并允许甚至在热储存单元处于低温时保持热力学机器的恒定的上工作流体温度。
在第二优选实施例中，热通过连接到供电路的电阻器直接积蓄在热储存装置内。作为备选方案，可以通过利用来自该供给的电运转热泵将热提供到热储存装置。与通过涉及热辐射或对流的热储存装置表面的热传递相比，在装置的内部积蓄热是有利的，因为通过表面的热传递导致较低的温度梯度。
在本发明的又一优选变型中，热储存介质在热储存装置的整个运转温度范围内保持固态，即在供给和提取热的全部过程中。这有助于热储存装置的设计，因为没有必须考虑在基于熔化潜热的储存系统进行加热的过程中到液相的相变所导致的体积变化。此外，可以忽视倾向于具有化学侵蚀性并且使容器材料的腐蚀保护成为必须的熔化的盐或金属的化学反应性以及液相中的层化过程。
优选是的，热储存介质包括耐火材料例如，砖形式或作为熔铸耐火材料的氧化镁或氧化铝。这些成分已经是在高温熔炉应用、钢或玻璃工业中长期工业使用的，并且可以承受高达1500℃的温度并在相对较小的体积内储存大量的热。
在又一优选实施例中，提供可控热阻以便控制传递到第一工作流体的热量。这允许将热储存装置的储存温度上限增加到热力学机器的上工作温度以上。事实上，蒸气运转的热力学机器的上工作温度限制在大约600-700℃，因为在延长的寿命内，这些机器的部件与热的高压蒸气接触。因而，如果向涡轮提取并传递热的热交换器配置在热储存装置内部，那么后者具有限制到600-700℃的上储存温度。另一方面，希望允许热储存单元的更高温度以便增加其能量密度。此外，假设工作温度仍高于储存温度，即使储存温度随时间减小，可以保持蒸气发动机的高上工作温度以便实现相当好的Carnot效率。
优选的是，通过耦合并配置在热储存装置和第一工作流体线路之间的传递线路并且控制该传递线路内的对流式热传递实现可变热阻。例如，通过由用来作为传递或辅助流体的液态金属(铅、纳或银)的阀门或泵调节流速来实现后者。因而，热储存介质和热力学机器的工作介质的上或最佳温度之间的温度差适于最大化储存装置的热容量以及热到电的转化效率。
在本发明的产生电力的方法中，根据电力需量(系统的消费端)和电力供给(由初级电力供给提供)的比率选择各种运转模式。在这种情况下，要以广泛的含义理解需求和供给，并不局限于单纯的物理动力，而是结合经济考量，例如目前或今后的动力价格等。一般说来，如供给超过需求，过剩的电能转化为热并储存在热储存装置内，然而为了满足过剩的需求，储存的热转化回电并由来自可控辅助源的热进行不定时补充。
将在下文中参照在所附示意性附图中显示的优选示范性实施例更详细地解释本发明的主题，其中图1显示了用于向热力学机器提供热能的系统；图2显示了用于发电的系统；图3显示了具有可控热传递阻值的系统。
附图中所使用的参考标记及其含义以概要形式列在参考标记列表中。原则上，在图中相同的部件设有同一参考标记。
附图标记列表1热储存装置11热储存材料12隔热系统2第一热传递装置21第一工作流体线路22热交换器23冷凝器24泵25可控热阻26传递线路27流速调节器3热力学机器31热推进发电机4第一热产生装置41风推进发电机42第一电路43电阻器5第二热产生装置51可控热源具体实施方式
图1示意性显示了根据本发明用于将热能提供到热力学机器的系统。它包括热储存装置1、用于将热能从装置1传递到热力学机器3的第一热传递装置2。第一热产生装置4将电能转化成热，而提供第二热产生装置5以便向机器3增加热能。
图2显示了基于本发明的用于向热力学机器提供热能的系统的用于发电的系统的主要部件。热储存装置或热储存单元1包括由适当的隔热系统12所包围的热储存材料11并且通过热交换器22热耦合到第一工作流体线路21。第一线路21包括在热交换器22和热力学机器3(例如以机械方式耦合到发电机31的蒸气涡轮或sterling发动机)之间的适当管件配置中循环的第一工作流体。可控热源或燃料燃烧器51提供在第一线路21中以便如果必要对第一工作流体进行加热。该线路21进一步包括用于支持第一流体的循环的冷凝器23以及泵24。由于可控热源23是第一工作流体线路21的一部分，没有描述独立的第二工作流体线路。风推进发电机41将风转化成电能，电能经包括电阻器43的第一电路42传递到热储存装置1。热储存材料11全部包含在隔热物12内，隔热物12不必是热流体在储存容器和热交换器之间流动的情况。
热储存装置1内的热优选由可再生以及间歇性能源产生。例如，在光电池内可以将太阳能转化成电能，或者在耦合到发电机41的风力涡轮中将风能转化成机械能，风能是最有前途并且最不可预知的可再生能源。
电到热的转化是通过在热储存单元1到处分布的电阻器43完成的。这些电阻器需要与周围的热储存介质11处于良好的热接触以使它们能够将热力传递到这些介质。可能的是，电阻器可以是埋在适当固体熔铸耐火材料之间的简单钢带。到热储存介质的主体的热阻越低，电阻器过热的趋势越小。电阻材料和热储存介质的热膨胀系数需要近似匹配或者设计必须容许热膨胀差。供给电压是两种相互矛盾的要求之间的折中。一方面，如果电阻器在热储存介质到处广泛延展，它们就越少过热。考虑到可靠性，这要求低的供给电压，也就是电并联的多个电阻器；又一方面，电力供给是穿过隔热物的热泄漏路径，考虑到金属中电导率和热导率之间的关系(Wiedemann-Franz定律)，这要求高的供给电压，即低电流。
热的储存可以是固态耐火材料中的可感形式或者盐或金属的潜在形式(熔化能)。热储存材料优选具有以下属性高密度、高热导率、在工作温度的化学稳定性以及兼容性。此外，对于可感热储存需要在相关温度范围内的高比热容或者对于潜在热储存需要高比熔能量以及适当的熔化温度。在下表中列出了典型的数值
利用在热储存单元到处分布并配置为减小到热储存材料的温降的热交换管从热储存单元收集热。因为在风能储存中，充满(即加热)速度通常比排放速度高很多，所述集热管配置没有热产生电阻的分布那么关键。
大型烧煤蒸气动力设备的技术发展水平是以从煤的化学能容量到电的41-45％的转化效率运转。现今，Rankine循环的上工作温度限制为ca.650℃，因为高压下的侵蚀性蒸气限制了蒸气发电机内钢管(连接到燃烧室的热交换器)的寿命。结果，从热于650℃的热储存单元进料的蒸气涡轮需要主热储存单元和蒸气发电机之间的附加可控热传递。这种情况通过引入两个更多的热交换器使设计复杂化。另一方面，这种设计允许更高的热储存单元上温度并且由此降低了成本。
在图3中，显示了具有作为第一热传递装置2一部分的可控热阻25的相应系统。该热阻25包括具有传递流体的传递线路26以及用于该传递流体的流速调节器或泵27。例如，后者是经交换器22传递其热能到第一工作流体(例如，蒸气)的液态金属。通过流速调节器27调节热传递以使第一工作流体的温度等于热力学机器3的最佳温度尽可能长的时间。
因为热能储存技术的效率受到固有限制，其有益使用限于非常特定的经济限制情况，即进入该单元电的价值与从该单元输出的电的价值之间的巨大差异。由于风力器材价格以及矿物燃料和/或其燃烧产物的成本的降低，这是针对风力的情况。风是免费燃料并且当存在太小负载需求时风力的价值基本上是零，并且在存在需求时风力的价值的确值得考虑。在这些情况下，电热能量储存和燃料(矿石)燃烧的组合提供了用于储存能量的成本有效的系统和发电的经济途径。
在下文中，给出了本发明的实用实施例假设氧化镁耐火材料使用400℃和800℃之间的温度范围。储存单元在400℃为“空”而在800℃为“完全充满”。上温度由用于提取热的热交换管的上工作温度所限定。最小温度限定为Stirling发动机的技术发展现状的最低合理工作温度。结果，不使用该低温以下所包含的那部分热量。
Stirling发动机的技术发展现状对于热到功的转化实现65-70％的Carnot效率是已经公知的。假设TLOW15℃，利用Carnot效率(ηCamot＝1-TLow/THigh)这意味着在800℃的温度至少是65％×73％＝48％(当热储存单元完全充满时)而在400℃(当热储存单元排放到该实际限制时)为65％×57％＝37％。加权平均为43％。
为了在400和800℃之间储存12,000kWh的热能，需要32.8m3或者侧面长3.2米的立方体。这对应于370Wh/升和122Wh/kg的总有效热能密度(在400℃和800℃之间)。参见下文，由于隔热物，净有效能量密度更小。对于实例系统，快速计算给出厚55cm的隔热壁。这使得三米的立方体的热储存材料变为总数为4.4米的立方体，差不多向33m3的“工作”材料上增加了44m3。假设真实温度取决于该隔热系统的热传导属性，储存单元将通过隔热物持续损失5.1的kW热动力(在800℃)。这对应于每天1.0％的自排放。(甚至在上文所假设的低供给电压时，经供电到电阻器的热泄漏仅为ca.540W。)例如，假设蒸气发电机或Stirling发动机的工作气体的热传递系数为1000W/(m2K)(这似乎是保守估计)，并且允许从管到流体的温度差为10℃，意味着热交换器需要的表面积为25m2，这可以由直径为4cm、长度为3.20m的63根管(部分串联和并联连接)试验性实现。
权利要求
1.一种用于向用于产生电力的热力学机器(3)提供热能的系统，包括用于储存热能的热储存装置(1)以及用于将热能从热储存装置(1)传递到热力学机器(3)的第一热传递装置(2)，用于利用电力加热所述热储存装置(1)的第一热产生装置(4)，其特征在于所述系统包括用于向所述热力学机器(3)提供热能的第二热产生装置(5)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述系统包括作为所述第一热产生装置(4)的电力源的间歇性可再生能源，例如风力或来自电力网的低成本基底负载电。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述第二热产生装置包括具有可连接到所述热力学机器(3)的第二工作流体的第二工作流体线路，以及用于加热所述第二工作流体的可控热源(51)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于所述第一热传递装置(2)包括具有可连接到所述热力学机器(3)的第一工作流体的第一工作流体线路(21)，其中所述第二工作流体线路和第一工作流体线路(21)相同。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述第一热产生装置(4)包括位于所述热储存单元(1)或热泵中的欧姆电阻(43)。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述热储存装置(1)包括在所述储存装置的低温位处于固态的热储存介质(11)。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述热储存介质(11)在所述热储存装置的高温位处于固态。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述第一热传递装置(2)包括用于控制热传递的可控热阻(25)。
9.一种用于响应电力需量产生电力的方法，包括经第一热产生装置(4)通过转化来自电力供给的超过电力需量的电力来加热热储存装置(1)；经第一热传递装置(2)将热能从所述热储存装置(1)传递到热力学机器(3)，和/或经第二热产生装置(5)将热能提供到所述热力学机器(3)以便满足超过所述电力供给的电力需量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述电力需量和/或供给考虑到经济考量。
全文摘要
因为热能储存技术的效率受到固有限制，其有益使用限于非常特定的经济限制情况，即进入该单元电的价值与从该单元输出的电的价值之间的巨大差异。由于风力器材价格以及矿物燃料和/或其燃烧产物的成本的降低，这是针对风力的情况。风是免费燃料并且当存在太小负载需求时风力的价值基本上是零，并且在存在需求时风力的价值的确值得考虑。在这些情况下，电热能量储存和燃料(矿石)燃烧的组合作为附加热源提供了用于储存能量的成本效率高的系统和发电的经济途径。
文档编号F02C7/10GK1950601SQ200580015057
公开日2007年4月18日 申请日期2005年3月10日 优先权日2004年3月16日
发明者C·奥勒, D·查托尼, M·拉克纳 申请人:Abb研究有限公司