热电能存储系统的制作方法

专利名称：热电能存储系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电能的存储。具体来说，它涉及热电能存储系统、用于采用热电能存储 系统来存储和恢复电能的方法以及非共沸(ZeotIOPic)混合物作为工作流体的使用。
背景技术：
通过热电存储系统，存储电能的有效概念通过将电能转换为可存储所要求时间的 热能(存储装置的蓄能(charging))来实现。电能可通过从热能反向转换为机械功并且随 后转换为电(存储装置的释能(discharging))来还原。
电能的存储在将来可能变得越来越重要。诸如核电站之类的基底负载发电机以及 诸如风力涡轮机和太阳能电池板之类的具有随机间断能源的发电机在低电力需求期间可 产生多余电力。大规模电能存储系统可以是将这种多余能量转向峰值需求时间的部件，并 且平衡总的电产生和消耗。
可存在存储热量的若干可能性。可采取经由温度的变化的显热形式或者采取经由 相位变化的潜热形式或者它们两者的组合来存储热能。显热的存储介质可以是固态、液态 或气态的。用于潜热的存储介质经由相位变化而发生，并且可涉及这些相位的任一个或者 它们的串联或并联组合。
热电存储系统的最重要特性之一可能是往返效率。热电存储系统的往返效率可定 义为能够从存储装置释能的电能与用于对存储装置蓄能的电能相比的百分比，假设释能之 后的能量存储系统的状态返回到在对存储装置蓄能之前其初始条件。往返效率在使热力学 可逆性因子为最大时可增加。但是，可能重要的是，所有电能存储技术因热力学限制而固有 地具有有限往返效率。因此，对于用于对存储装置蓄能的电能的每一个单元，只有某个百分 比才可在释能时作为电能来回复(recover)。电能的其余部分丢失。例如，如果存储在热电 存储系统中的热量通过电阻加热器来提供，则它具有大约40%的往返效率。
热电存储系统的蓄能循环可称作热泵循环，而热电存储系统的释能循环可称作热 机循环。在热电存储系统中，热量可在热泵循环期间从热工作流体传递到热存储介质，并且 在热机循环期间从热存储介质反向传递到工作流体。热泵可要求做功以使热能从冷源转移 到较热的吸热装置。由于在热侧所沉积的能量的量可大于与取自冷侧的能量相等的量所要 求的功，所以与电阻热量产生相比，热泵可增大热量。热量输出与功输入的比率可称作性能 系数，其中具有大于一的值。这样，热泵的使用将增加热电存储系统的往返效率。
由于来源于热力学第二定律的各种原因而限制了热电存储系统的效率。首先，热 机中将热量转换成机械功因卡诺(Carnot)效率而受到限制。其次，任何热泵的性能系数随 输入与输出温度水平之间增加的差而下降。第三，从工作流体到热存储装置以及从热存储 装置到工作流体的任何热流要求温度差以便发生。这个事实不可避免地使温度水平降级， 并且因而使热量作功的能力降级。
通常，热电存储系统具有工作流体回路，通过该工作流体回路，热量经由一个或多 个热交换器随工作流体传递到热存储介质(或者反之)。对大温度差的热量的传递是热力学不可逆性因子。这意味着，热交换器中的工作流体与热存储介质之间的温度差越大，则往 返效率将越低。为了使最大温度差为最小，可构造相对大的热交换器或者能够将相变材料 用于热存储装置。但是，这些解决方案可引起高成本，并且一般会是不实际的。
热量传递损失的降低在采用基于热泵循环的蓄能的热能存储的所考虑应用中可 能是特别重要的。在这种应用中，蓄能和释能期间的热交换温度损失的任何增加可直接转 化为有用功的损失以及系统的往返效率的降低。
例如，克服上述问题的至少一部分的一种解决方案可以是本申请人所提出的跨临 界(transcritical)热电存储系统。当热泵系统跨临界运行时，系统的高压侧上的工作流 体在经过排热热交换器时没有将其相位从汽相改变成液相。因此，在跨临界循环中，排热热 交换器可如气体冷却器一样而不是作为等温冷凝器进行操作。这可通过经由常规流体到流 体-热交换器的显热存储(基于温度变化而不是基于相变的热量存储)来实现排出热量的 存储。这会是非常显著的优点，因为用于-流体到流体-热交换器的技术很先进并且在紧 凑容积中能够实现极小接近温度，从而以降低成本产生高效率。
但是，如果还预期与创建冷热存储并行地利用低压侧上的热泵操作的冷却效果， 则跨临界循环通常具有常规等温蒸发器，并且因此可必须用于在恒温下对PCM(相变材料) 热存储装置(诸如冰)进行蓄能。冰是优良热存储介质，但是冰存储系统必须使用在热量传 递表面上生长冰(低热量传递效率)或者必须限制每个热交换器通道的冰形成(大流动速 率)以防止堵塞的热交换器。
现有技术冰存储系统的另一个缺点可在于，这些系统通常不能超过50%的含冰 量，这意味着热存储装置的一半未被使用，从而增加系统的资本成本并且还增加其占地面 积。
没有等温蒸发或冷凝的热电存储系统设计的另一种解决方案是将逆布雷顿 (Brayton)循环用于热存储装置的蓄能而将常规布雷顿循环用于释能。布雷顿循环的工作 流体始终处于气相，并且因此“布雷顿循环热电存储系统”的所有热量传递步骤能够与对显 热热存储装置的热量传递匹配。不利方面在于，由于其高回功(back-work)比，与其它热电 存储系统设计相比，布雷顿循环热电存储系统可遭受热泵膨胀和热机压缩步骤中增加的损 失。这些损失能够通过将循环的冷侧和热侧的操作温度分别推向极低和极高值来抵消，这 又可使得必须经由专用奇妙的装置将显热存储到诸如岩石或沙子之类的固态材料，从而最 终失去通过常规-流体到流体-热交换器的显热存储的潜在有益效果。
已知的是，非共沸致冷剂混合物可在优化条件下增加某种致冷和热泵设备的能量 效率。
对于热机操作，提出卡琳娜(Kalina)循环以用于发电站中。由于跨热交换器的温 度差对卡琳娜循环可比典型纯工作流体兰金(Rankine)循环更为均匀，所以系统效率对于 标准发电站增加大约10%，但是对于特殊低温应用增加超过30%。
但是，在热电能存储系统中，热泵循环和热机循环相互之间必须经过优化。因此， 将致冷器系统或热机系统的优化原理应用于热电存储系统会有问题，因为一个循环的优化 可使另一循环的效率降级。发明内容
实现热电存储系统操作的高效率方面的一个主要障碍可能是热交换器中的热侧 与冷侧之间的大温度差。
当使用潜热存储系统并且热量传递涉及通过存储材料的固相的传导(这可能是 对于上述跨临界热电存储系统的情况)时，使热交换器中的温度差为最小可变得特别棘 手。但是，这类基于相变材料的热存储系统是匹配涉及等温蒸发或冷凝步骤的热电存储系 统热力学循环的温度分布的最佳方式。
因此，可需要一种不必依靠工作流体的等温蒸发或等温冷凝的热电存储系统。
一般来说，本发明的一个目的可以是提供一种具有高往返效率和最小接近温度的 有效热电能存储，同时使所要求的热存储介质的量为最小，并且还使成本为最小。
这个目的通过独立权利要求的主题来实现。通过从属权利要求，其它示范实施例 是显而易见的。
本发明的一个方面是一种热电能存储系统，其用于通过在蓄能循环中将热能传递 到热存储装置来存储电能以及用于通过在释能循环中从热存储装置恢复热能来产生电。
按照本发明的一个实施例，热电能存储系统包括工作流体回路，其用于使工作流 体通过热交换器循环；热存储管道，其用于通过热交换器从热存储池(tank)传递热存储介 质，其中工作流体包括非共沸混合物。
换言之，非共沸混合物用作热电能存储系统的工作流体。非共沸混合物可选择成 使得热交换器中的工作流体的温度从第一温度连续改变(即，上升或下降)成第二温度。
对于非共沸混合物，液相和汽相的浓度在不同温度下从不相等。这在相变(在这 点处，蒸汽和液体的浓度连续改变)期间创建温度滑移。因此，在T-S-图中，等压线正在增 加，并且因此能够使热交换器中的工作流体与存储流体之间的温度差非常小。例如，系统可 控制成使得热交换器中的工作流体的温度像热交换器中的存储流体的温度一样正在上升。
可相对也具有带增加斜率的两个这类过程的劳仑兹(Lorenz)循环更好地理解 T-S-图中增加恒压线的优点。与优化两个恒-温源之间进行操作的热机的卡诺循环相似， 劳仑兹循环通过将工作流体的热容量调整到有限-容量源的热容量来优化两个滑移-温度 源之间进行操作的热机。即，劳仑兹循环具有与卡诺循环一样的四个过程，对于热机为等 熵压缩、以与热源的热容量(及其温度变化)匹配的恒定热容量的加热、等熵膨胀以及以与 吸热装置的热容量(及其温度变化)匹配的恒定热容量的冷却。相似的相反循环适用于致 冷和热泵。但是，对于以具有相变的两个恒压级进行操作的热力学循环，具有纯工作流体的 劳仑兹循环的实现是不可能的。
从另一角度来看，本发明将布雷顿循环热电存储系统的显热存储可能性与兰金循 环热电存储系统的低回功比组合在一个热力学机器中。
如果工作流体是非共沸混合物，则恒压相变随温度变化而发生，其中饱和蒸汽与 饱和液体条件之间的温度变化是混合物的组成和混合物的成分的函数。
换言之，非共沸混合物可具有如下优点可使工作流体与热存储介质之间的温度 差极小。例如，工作流体通过热交换器的流动可控制成(例如通过热交换器之前或之后的 阀)使得热交换器中的热存储介质与工作流体之间的任何接触点以及在蓄能和释能循环 期间的温度差小于50°C。优选地，温度差低于10°C或者甚至低于3°C。
按照本发明的一个实施例，可逆热力学机器用于通过下列步骤来存储电能将以非共沸混合物作为工作流体的电驱动蒸汽压缩热泵循环用于将热量提供到热的热存储装 置中，同时从冷的热存储装置中去除热量，其中提供给热的热存储装置的热量用于增加热 的热存储装置的温度而从冷的热存储装置所去除的热量用于降低冷的热存储装置的温度。
按照本发明的一个实施例，热和冷的热存储材料是流体并且优选地是液体，它们 从其初始温度状态被泵送入热交换器，例如供逆流热量交换，其中非共沸工作流体混合物 在对热存储流体的热量提供期间经过冷凝而在从冷存储流体的热量去除期间经过蒸发。对 于从热和冷的热存储装置来反向恢复电能，可相反地操作热力学机器，并且将热量从热的 热存储装置中去除并且添加到冷的热存储装置。
按照本发明的一个实施例，热和冷的热存储流体的温度分布与非共沸工作流体混 合物匹配。可通过利用极有效的逆流热交换器来非常精密地进行上述匹配，其因而降低不 可逆性并且增加电能存储的往返效率。
二氧化碳迄今为止是当今可用的最良好工作流体。加入二氧化碳以实现本发明公 开所述的预期行为的其它候选物是烃。按照本发明的一个实施例，非共沸混合物可包括二 氧化碳和烃，例如50% 二氧化碳和50% 丁烧。
工作流体混合物的组成成分可选择成实现不同操作条件，但是一般来说，两种或 更多成分的热力学行为可必须充分接近以确保适当的可溶性并且避免不希望地分离为多 个液相，同时充分不同以确保蒸发和冷凝阶段期间的显著滑移。混合物的始沸点与露点之 间的温度差越高，则温度滑移越显著，并且因此热存储流体的所需流量越低。工作流体混合 物的组成还可影响热力学行为。当两种成分共同用作工作流体混合物时，滑移在使用相等 质量分数(mass fraction)时为最大。随着成分之一的分数增加，混合物的行为将开始接 近具有较大质量分数的成分的行为，从而当分数增加到I时最终成为单成分工作流体。这 些滑移在工作流体混合物的成分形成近理想混合物时是有用的。混合物的行为在它们呈现 非理想行为时可能是不可预测的，但是可以有可能实现也具有非理想混合物的极有效热电 存储系统。
按照本发明的一个实施例，蓄能循环和/或释能循环可跨临界地执行。这可意味 着，在T-S图中的热存储侧的热交换步骤可高于相位包络(envelope)的临界点拱顶,从而 引起跨临界循环。如果在热侧预期较高温度，或者如果预期热侧的滑移进一步增加以使所 需存储流体的质量为最小，则可使用这种可能性。
可通过处于液相的热存储材料来覆盖大温度范围。按照本发明的一个实施例，氨 和水混合物可用作冷侧热存储流体，它例如可从低至-100°c开始，并且能够高达+50°C。热 和冷存储介质的其它可能性是能够覆盖从O至100°C、大气压力下的没有添加剂的水、能够 覆盖-80至315°C的极宽范围的热油(例如Dowtherm J)以及能够高达566°C的熔盐混合 物。
按照本发明的一个实施例，存储池包括中间存储池，其中热交换器具有分流器，分 流器适合把来自第一(或第二)存储池的热存储介质的流动分为(或结合为)对中间存储 池和对第二(或第一)存储池的流动。这样，甚至在工作流体的温度在热交换器中没有连 续上升或下降的情况下，在热交换器中的热存储介质与工作流体之间的任何接触点以及在 蓄能和释能循环期间的温度差可调整成极小，例如低于3°C。
本发明的另一方面是一种用于存储和恢复电能的方法。
按照本发明的一个实施例，该方法包括下列步骤通过在蓄能循环中将热能传递 到热存储装置来存储电能，通过在释能循环中把来自热存储装置的热能改变为机械能来恢 复电能。
按照本发明的一个实施例，蓄能循环和释能循环包括下列步骤在工作流体与热 存储介质之间传递热量，其中工作流体处于混合汽相和液相，并且在热传递期间具有连续 上升或连续下降温度，因为工作流体包括非共沸混合物。
必须理解，如上文中和下文中所述的方法的特征可以是如上文中和下文中所述的 系统的特征。
如果技术上可能但没有明确提出，则上文中和下文中所述的本发明的实施例的组 合也可以是方法和系统的实施例。
通过参照本文中以下所述实施例以及进行的说明，本发明的这些方面及其它方面 将会显而易见。


下面参照附图更详细地描述本发明的实施例。
图1a示出按照本发明的一个实施例的热电存储系统的蓄能循环的简化示意图。
图1b示出按照本发明的一个实施例的热电存储系统的释能循环的简化示意图。
图2示出按照本发明的一个实施例的热电存储系统的T-S图。
图3a示出蓄能期间的按照本发明的一个实施例的热电存储系统的热量存储装置 的简化图。
图3b示出释能期间的图3a的热量存储装置的简化图。
图4示出按照本发明的一个实施例、按照图3a或图4a的热交换中的热量传递的 热量流动-温度图。
大体上，附图中，相同部分提供有相同参考标号。
具体实施方式
图1a和图2a示出热电存储系统10。图1a示出蓄能循环系统或热泵循环系统12， 以及图1b示出释能循环或热机循环系统14。
热电存储系统10适合于执行下列步骤通过系统12执行蓄能循环，在此期间将待 存储的电能转换为热量；以及通过系统14执行释能循环，在此期间将热能从存储装置来恢 复并且反向转换为电。此外，蓄能循环之后能够接着既没有蓄能也没有释能循环必须发生 的存储周期。
相对图la，热电蓄能循环系统10包括工作流体回路16，其中包括作为工作流体的 非共沸混合物。工作流体由压缩机18压缩到较高压力，并且注入热交换器20，以供与热存 储装置22交换热量。热交换器20是逆流热交换器，其中热存储介质(例如液体)在热存 储管道24中从第一热存储池26传递到第二热存储池28。在离开热交换器20之后，工作流 体采用膨胀装置30膨胀到较低压力，并且进入热交换器32供与冷存储装置32进行热量交 换。热交换器32可以是逆流热交换器，其中冷存储介质(例如液体)在冷存储管道36中 从第一冷存储池38传递到第二冷存储池40。
相对图la，除了存储池22、26、38、40之外，释能循环系统14的所有其它组件可与 蓄能循环系统12的组件不同。但是，在两个系统12和14中尽可能多地使用它们会是成本 优势。例如，压缩机18可用作涡轮机42。
涡轮机20用于通过将工作流体膨胀到较低压力从加热的工作流体来产生电能。 在离开涡轮机20之后，工作流体在热交换器32中通过将热量释能到冷存储系统34被冷 凝，并且由泵44泵送到较高压力。此后，工作流体采用热交换器20来加热，以便注入涡轮 机42。
在释能期间，工作流体、热存储介质和冷存储介质沿相对系统10的蓄能的相反方 向进行循环。
将参照图3的T-S图更详细地解释热电存储系统10的操作。图3示出具有50% 二氧化碳和50% 丁烷的工作流体组成作为非共沸混合物的热电存储系统10的状态变化图。
在图2的简图中，工作流体的蒸汽拱顶(vapor dome)由线46所表示。在蒸汽拱 顶46的左侧，工作流体处于其液相，在蒸汽拱顶46的右侧，工作流体处于其汽相。在曲线 46下面，工作流体处于混合汽/液态。在蒸汽拱顶的顶部上，表示工作流体的临界点48。
在蓄能循环期间，图1a的蓄能循环系统12逆时针地按照热力循环50。
对于存储装置22、34的蓄能，在其始沸点的非共沸混合物在逆流热交换器32中首 先以恒压Pl (例如10巴)蒸发。这对应于在T-S-图中从点A出发到点B。如可从图中得 出，工作流体的温度在相变期间从大约_20°C连续上升到大约40°C。
然后，非共沸混合物蒸汽采用压缩机18然后压缩到较高压力级P2 (例如35巴)。 压缩对应于在T-S-图中从点B出发到点C，并且它是将驱动压缩机18的电能注入热电能存 储系统10的主要点。
按照一个实施例，热电能存储系统10可包括压缩机18，用于在蓄能循环期间将汽 相中的工作流体(即，非共沸混合物)从较低压力压缩到较高压力，使得用于驱动压缩机的 电能注入热能存储系统。
压缩之后，非共沸混合物在逆流热交换器20中以恒压P2来冷却，对应于T-S-图 中从点C出发到点D。在这个冷却过程期间，来自压缩机18的过热非共沸混合物首先冷却 到其露点50，之后接着液相的冷凝和过冷却。在压力P2下，工作流体的温度在相变期间从 大约90°C连续降低到大约10°C。点D将在沸腾曲线46的左侧。然后，液相中的过冷却非 共沸混合物经由能够是功回复膨胀器或恒温膨胀阀的膨胀装置30反向膨胀到压力级P1。 膨胀过程对应于在TS图中从点D反向出发到点A。点D和点A相互非常接近，因为工作流 体的液相几乎是不可压缩的。
按照一个实施例，热电能存储系统10可包括膨胀装置(例如膨胀阀)30，用于在蓄 能循环期间将液相中的工作流体(即，非共沸混合物)从较高压力膨胀到较低压力。
重要的是要注意，必须控制过冷却的程度以防止在膨胀过程结束时的蒸汽形成或 闪蒸，以便确保释能循环期间的可逆操作。这种控制可由连接到传感器的控制装置60来执 行，以用于在热交换器20之后的排热过程结束时测量工作流体的温度并且调整热存储流 动速率。这可通过如果使用变速泵30则改变泵速或者位于热存储流体流动管线上的阀来 进行。
在蓄能循环系统12的操作期间，需要提供外部热量以执行热交换器32中的蒸发，并且需要去除热量以执行热交换器20中的冷却。由于热交换器32中的蒸发和热交换器20 中的冷却(即，降低过热-冷凝-过冷却)是恒压但可变温度的过程，所以它们能够与经 过热交换器32中的冷却和热交换器20中的加热的热存储流体密切匹配。这也可由控制装 置60来控制。
图1a中，冷侧热存储流体在温度Tl下取自池38，经过提供非共沸工作流体混合物 的蒸发的热量的热交换器32，并且在温度T2下放在池40处，其中Tl大于T2。类似地，热 侧热存储流体在温度T3下取自池26，经过吸收非共沸工作流体混合物所释放的热量的热 交换器20，并且在温度T4下放在池28处，其中T4大于T3。对于热交换，工作流体的温度 差比存储介质的温度略低一些(用于加热工作流体)或略高一些(用于冷却工作流体)。
温度差可在1°C至3°C之间、3°C与10°C之间或者更大。温度差可通过成本效益分 析来选择。即，诸如l°c至:TC之类的小温度差可产生高效率(例如大约75%)，但是因大的热 交换器也可能是高成本，诸如3°C至10°C之类的较大温度差可产生低效率(例如大约40%)， 但是因小的热交换器也可能是低成本。
释能是蓄能过程的相反操作。图1b的释能循环系统14顺时针地按照图3的循环 50。
在其始沸点的非共沸工作流体混合物经由泵44首先从压力P3 (例如10巴)泵送 到较高压力P4(例如35巴)，对应于T-S-图中从点A出发到点D。由于泵送，可存在最小 温度上升。然后，非共沸混合物进入热交换器20。在这里，非共沸混合物以提高的压力级 P4被加热到其新的始沸点，随后以恒压P4被蒸发和过加热。这些过程对应于在T-S-图中 从点D出发到点C。
按照一个实施例，热电能存储系统10可包括泵44，用于在释能循环期间将工作流 体从较低压力泵送到较高压力。
随后，所过加热的非共沸蒸汽混合物在涡轮机42中从较高压力级P4膨胀到初始 压力级P3。这个步骤对应于在T-S-图中从点C出发到点B，并且它是从热能存储装置10 来恢复在涡轮机42所产生的电能的主要点。最后，所膨胀的非共沸蒸汽混合物在热交换器 32中在其始沸点以恒压P3反向冷凝成液体，以便再次泵送以完成热机循环。这个最终步骤 对应于在T-S-图中从点B出发到点A。
按照一个实施例，热电能存储系统10可包括涡轮机42，用于在释能循环期间将工 作流体从较高压力膨胀到较低压力级以产生电能。
在释能循环系统14的操作期间，需要提供外部热量以执行热交换器20中的加热、 蒸发和过加热，并且需要去除热量以执行热交换器32中的冷凝。由于热交换器20中的加 热、蒸发和过加热以及热交换器32中的冷凝是恒压但可变温度的过程，所以它们能够与经 过热交换器20中的冷却和热交换器32中的加热的热存储流体密切匹配。
图1b中，冷侧热存储流体在温度T2下取自池40，经过吸收非共沸工作流体混合物 的冷凝的热量的热交换器32，并且在温度Tl下放在池38处，其中Tl大于T2。类似地，热 侧热存储流体在温度T4下取自池28，经过提供对非共沸工作流体混合物进行加热、蒸发和 过加热的能量的热交换器20，并且在温度T3下放在池26处，其中T4大于T3。
虽然在图1a和图1b示出热存储系统，但是没有存储装置22和34其中之一的热 存储系统也可以是本发明的一个实施例，例如具有热存储装置22的热存储系统或者具有冷存储装置34的热存储系统。按照一个实施例，冷存储装置34能够由诸如河或湖之类的 大热库(reservoir)取代，以及按照另一个实施例,热存储装置能够由比环境更大的废热 源取代。
概括来说,系统10可包括热存储池22,并且热存储管道包括热存储管道24,用于 通过热交换器20在第一热存储池26与第二热存储池28之间传递热存储介质。此外，系统 10的热存储池可包括冷存储池34，并且热存储管道包括冷存储管道36，用于通过热交换器 32在第一冷存储池38与第二冷存储池40之间传递冷存储介质。
图1a和图1b是实际实现的简单形式。例如，代替热交换器20，可使用如图3a和 图3b中所示的分流热交换器70。通过这种热交换器70，热交换器70中的非共沸工作流体 混合物的可变热容量并且因此温度变化的斜率可通过除了池26和28之外还经由中间存储 池改变热存储流体的流动速率来补偿。作为补充或替代，热交换器32也可由热交换器70 取代。
热存储系统72包括具有内部分流器72的热交换器70。(例如，热交换器70可包 括由分流器72互连的两个基本热交换器。)作为工作流体的非共沸混合物74通过这些组 件循环，如图3a和图3b中通过具有箭头的实线所表示的。此外，冷-流体存储池76、中间 存储池78以及包含流体热存储介质82的热-流体存储池80经由热交换器70连接在一起。
在从工作流体74到热存储介质82的热量传递期间，图3a中由虚线所表示的热存 储介质通过热交换器72从冷-流体存储池76流入热-流体存储池80并且部分流入中间 存储池78。由耦合到控制装置60的诸如热电偶或电阻传感器之类的温度传感器在分流器 72的任一侧上来检测热存储介质的温度。采取显热形式来存储从工作流体74丢弃到热存 储介质82中的热量。
在分流器72的任一侧上检测热存储介质82的温度之后，调整进入中间存储池78 和热-流体存储池80的热存储介质82的流动速率。这通过由控制装置60所控制的适当 管路和布置来实现。按照预期温度分布来确定初始阀开口，并且在操作期间按照温度测量 对阀开口进行微调。
热交换器系统72设计成使得热交换器70中的分流器72的位置与存储介质82处 于中间存储池78的温度水平的热交换器70的点一致。转向流存储在中间池78中。第二 流继续通过热交换器70的其余部分进入热存储池80。
如图3b中所示，在从热存储介质82到工作流体74的热量传递期间，热存储介质 82从热-流体存储池80以及从中间存储池78泵送入冷-流体存储池76中。由控制装置 60在内部分流器18的任一侧上检测和监测热存储介质82的温度。热交换器70中的热存 储介质82的流的流动速率能够采用控制装置60来控制和修改以优化热电存储系统10的 往返效率。这将相对图4更详细地解释。
概括来说，热电能存储系统10可包括中间存储池78，其中热交换器70具有分流器 72,分流器72适合把来自第一或第二存储池76、80的热存储介质的流动分为或结合为对中 间存储池78和对第二或第一存储池76、80的流动。
图4示出工作流体的加热和冷却期间的热交换器70中的热量传递的热量流 动-温度图。实线90表示冷却期间的工作流体74的温度分布。点线92表示加热期间的 工作流体74的温度分布。线90和92不是直线，因为一般来说，在非共沸混合物74的内部热量与温度之间不存在线性相互关系。
短划线94和点-短划线96表示两种过程期间的热存储介质82的温度分布。箭头表示热交换器70中的流动方向。热量只能从较高温度流动到较低温度。因此，冷却期间的工作流体74的特性分布90高于热存储介质82的特性分布94，特性分布94又必须高于加热期间的工作流体74的特性分布92。
在大约340°C的热存储介质温度处表示出分流/流结合点98 (因分流器72)。在图表上的这个点的右手侧，温度分布94、96的梯度增加。这种相对增加的梯度是分流/流结合点98之后的热存储介质82的不同流动速率的结果。
在这个特定实施例中，冷-流体存储池76的温度大约为100°C，中间存储池78的温度大约为340°C，以及热-流体存储池80的温度大约为520°C。假定大约25°C的最小接近温度(即，交换热量的两个流体之间的最小温度差为25°C)。在这种实施例中，冷-流体存储池与分流器之间以及分流器与热存储池之间的热存储介质的流动速率控制成使得它们 具有大约2:1的比率。
从图4能够看到，表示工作流体的等压线90、92紧随表示热存储流体82的等压线 94的形式。因此，使热交换器中的热存储介质与工作流体之间的任何接触点处并且在蓄能和释能循环期间的温度差(表示为Λ Tmin和ATmax)为最小。有利地，由此采用热量存储系统72来促进温度差的最小化，从而使热电存储系统10的往返效率为最大，而与热交换器的大小无关。
技术人员将会知道，热交换器中的热量传递的热量流动-温度图在本发明的一个备选实施例中可具有不同形式。例如，有可能的是，分流点的左侧的工作流体等压线的梯度大于分流点的右侧的工作流体等压线的梯度。这将表示从冷存储池和中间池所输出的流在加热期间在分流器处相结合，而在冷却期间在分流器处分离。
权利要求
1.一种热电能存储系统(10)，用于通过在蓄能循环中将热能传递到热存储装置(22，34)来存储电能以及用于通过在释能循环中从所述热存储装置(22，34)恢复热能来产生电， 所述热电能存储系统(10)包括 工作流体回路(16)，用于使工作流体通过热交换器(20，32)循环， 热存储管道(24，36)，用于通过所述热交换器(20，32)从热存储池(26，28，38，40)传递热存储介质， 其中所述工作流体包括非共沸混合物。
2.如权利要求1所述的热电能存储系统(10)， 其中所述非共沸混合物选择成使得所述热交换器(20，32)中的所述工作流体的温度从第一温度改变成第二温度。
3.如权利要求1或2所述的热电能存储系统(10)， 其中所述热交换器(20，32)包括逆流热交换器。
4.如以上权利要求中的任一项所述的热电能存储系统(10)， 其中所述工作流体通过所述热交换器(20，32)的流动控制成使得所述工作流体与所述热存储介质之间的温度差小于50°C，具体来说小于10°C或3°C。
5.如以上权利要求中的任一项所述的热电能存储系统(10)，还包括 阀(18，20，30，32)，用于控制所述工作流体回路中的流动。
6.如以上权利要求中的任一项所述的热电能存储系统(10)， 其中所述热存储池包括热存储池(22)，并且所述热存储管道包括热存储管道(24)，用于通过所述热交换器(20)在第一热存储池(26)与第二热存储池(28)之间传递热存储介质，和/或 其中所述热存储池包括冷存储池(34)，并且所述热存储管道包括冷存储管道(36)，用于通过所述热交换器(32)在第一冷存储池(38)与第二冷存储池(40)之间传递冷存储介质。
7.如以上权利要求中的任一项所述的热电能存储系统(10)， 其中所述存储池包括中间存储池(78)， 其中所述热交换器(70)具有分流器(72)，所述分流器(72)适合把来自第一存储池(76)的所述热存储介质的流动分为对所述中间存储池(78)和第二存储池(80)的流动。
8.如以上权利要求中的任一项所述的热电能存储系统(10)，还包括 压缩机(18)，用于在蓄能循环期间将处于汽相的所述工作流体从较低压力压缩到较高压力，使得用于驱动所述压缩机的电能注入热能存储系统。
9.如以上权利要求中的任一项所述的热电能存储系统(10)，还包括 膨胀装置(30)，用于在所述蓄能循环期间将处于液相的所述工作流体从较高压力膨胀到较低压力。
10.如以上权利要求中的任一项所述的热电能存储系统(10)，还包括 泵(44)，用于在所述释能循环期间将所述工作流体从较低压力泵送到较高压力。
11.如以上权利要求中的任一项所述的热电能存储系统(10)，还包括 涡轮机(42)，用于在所述释能循环期间将所述工作流体从较高压力膨胀到较低压力级以用于产生电能。
12.一种用于存储和恢复电能的方法，包括下列步骤 通过在蓄能循环中将热能传递到热存储装置来存储电能， 通过在释能循环中将所述热能从所述热存储装置改变为机械能来恢复电能， 其中所述蓄能循环和所述释能循环包括下列步骤 在工作流体与热存储介质之间传递热量，其中所述工作流体处于混合汽相和液相，并且在热量传递期间具有连续上升或连续下降温度，因为所述工作流体包括非共沸混合物。
13.如权利要求12所述的方法，还包括下列步骤 控制通过所述热交换器的流动，使得所述工作流体与所述热存储介质之间的温度差小于 50、10 或 3 0C ο
14.如权利要求12或13所述的方法，还包括 分离或结合所述热交换器中的所述热存储介质的流动，使得所述热交换器中的热量传递具有两种不同速率。
15.—种作为热电存储系统的工作流体的非共沸混合物的使用。
全文摘要
一种非共沸混合物被用作热电能存储系统(10)的工作流体(16)。
文档编号F01K25/06GK103003530SQ201180031305
公开日2013年3月27日 申请日期2011年6月21日 优先权日2010年6月23日
发明者C.奥勒, J.赫姆尔勒, M.默坎戈茨 申请人:Abb研究有限公司