用于储存热电能的热电能储存系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及电能的储存(storage)。它特别地涉及用于在热能储存器中储存采用热能形式的电能的系统和方法。
【背景技术】
[0002]例如核电站等基底负载发电机(base load generator)和例如风力祸轮机和太阳能电池板等具有随机性、间歇性能源的发电机在低电力需求时段期间生成多余的电力。大型电能储存系统是将该多余的能量转移到峰值需求时段并且平衡整体发电和消耗的设备。
[0003]在较早的专利申请EP1577548中，申请人描述了一种热电能储存(TEES)系统的想法。TEES在充电循环(charging cycle)中将多余的电转换成热，储存该热，并且在必要的时候在放电循环(dischargingcycle)将该热转换回电力。这样的能量储存系统是耐用的、紧凑的、不依赖场所的并且适合于储存大量电能。热能可以通过温度变化采用显热(sensible heat)形式或通过相变以潜热形式或二者组合的形式来储存。显热的储存介质可以是固体、液体或气体。潜热的储存介质通过相变来发生并且可以包含这些相中的任一种或它们的连续或并行组合。
[0004]电能储存系统的充放来回效率(round-trip efficiency)可以限定为与对储存器充电所使用的电能相比的可以从储存器放电的电能的百分比(假设放电之后能量储存系统的状态返回至对储存器充电之前的它的初始状况)。有必要指出，所有的电能储存技术本质上具有有限的充放来回效率。从而，对于用于将储存器充电的每单位电能，当放电时仅恢复一定百分比的电能。电能的剩余部分被损失。如果在TEES系统中被储存的热例如通过电阻加热器来提供，则它具有大约40%充放来回效率。由于来源于热力学第二定律的各种原因，热电能储存的效率是有限的。首先，在热机中热到机械功的转换被限制在卡诺效率(Carnot efficiency)。其次，任何热泵的性能系数随输入和输出温度水平之间增加的差异而下降。再者，从工作流体到热储存器以及反之的任何热流量的发生需要温差。该事实不可避免地降低温度水平并且从而降低热做功的能力。
[0005]注意到许多工业过程涉及提供热能和热能储存。示例是冷冻装置、热泵、空气调节装置和过程设备(process industry)。在太阳能热电站中，提供热，其可能被储存并且转换成电能。然而，所有这些应用与TEES系统不同，因为它们不关注将热作为储存电的唯一目的。
[0006]还注意到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机循环。在TEES概念中，在热泵循环期间需要从热的工作流体传送热量到热储存介质并且在热机循环期间将热量从储存介质传回工作流体。热泵需要功以使热能从冷源移动到较暖的吸热源(heat sink)。由于沉积在热侧的能量的量比等于从冷侧提取的能量的量所需要的功要大，因此与电阻生热相比，热泵将使热“增多”。热输出和功输入的比率叫做性能系数，并且它是大于一的值。如此，热泵的使用将增加TEES系统的充放来回效率。
[0007]为TEES充电和放电选择的热力循环影响储存器的许多实际方面。例如，当环境用作放电的吸热源时，在TEES充电期间储存给定量的电能需要的热能储存量取决于热储存器的温度水平。热储存器温度相对于环境越高，无法恢复成电功的储存热能的相对比例将越低。因此，当采用具有相对低的最高温度的充电循环时，与具有相对较高的最高温度的充电循环相比，需要储存更大量的热来储存相同量的电能。
[0008]图1图示已知TEES系统的温度轮廓。横坐标代表系统中的焓变，纵坐标代表温度，并且在曲线图上的线是等压线(isobar)。实线指示在常规TEES充电循环中工作流体的温度轮廓，并且示出降低过热(desuperheating) 10、冷凝12和过冷14的阶梯阶段(从右至左)。虚线指示在常规TEES放电循环中工作流体的温度轮廓，并且示出预热16、沸腾18和过热20的阶梯阶段(从左至右)。直对角虚线指示在常规TEES循环中热储存介质的温度轮廓。热仅可以从较高温度流向较低温度。因此，在充电循环中冷却期间工作流体的特性轮廓必须在热储存介质的特性轮廓之上，而在放电循环中的加热期间热储存介质的特性轮廓必须在工作流体的特性轮廓之上。
[0009]热力学不可逆因素是在大的温差上的热传递，这一点是成立的。在图1中，可以观察到在充电轮廓的冷凝部分12期间和在放电轮廓的沸腾部分18期间，工作流体温度保持恒定。这导致热储存介质和工作流体之间(无论充电或放电)相对大的最大温差，指示为ATmax,由此降低充放来回效率。为了使该最大温差最小化，相对大的热交换器可以构建或相变材料可以用于热储存。问题在于，这些技术方案导致高资本成本并且因此一般是不实用的。
[0010]从而，存在提供高效的热电能储存器的需要，其具有高的充放来回效率，同时使热交换器的面积和需要的热交换介质的量最小化，并且也使资本成本最低。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是提供一种用于将电能转换成热能以供储存并且转换回电能的具有提高的充放来回效率的热电能储存系统。该目的通过一种热电能储存系统和根据本申请的在热电能储存系统中储存热电能的方法来实现。优选实施例从本申请是明显的。
[0012]根据本发明的第一方面，提供一种热电能储存系统，其包括包含热储存介质的热交换器，用于使工作流体循环通过热交换器用于与热储存介质进行热传递的工作流体回路，并且其中该工作流体在热传递期间经历跨临界过程(transcritical process)。
[0013]在优选实施例中，热储存介质是液体。在另外的优选实施例中，热储存介质是水。
[0014]工作流体在热电能储存系统的充电循环期间在热交换器中经历跨临界冷却。当热电能储存系统处于充电(或“热泵”)循环时，该系统包括膨胀器、蒸发器和压缩机。
[0015]工作流体在热电能储存系统的放电循环期间在热交换器中经历跨临界加热。当热电能储存系统处于放电(或“热机”)循环时，该系统包括泵、冷凝器和涡轮机。
[0016]在优选实施例中，工作流体在热电能储存系统的充电循环期间在进入热交换器时处于超临界状态。另外，工作流体在热电能储存系统的放电循环期间在离开热交换器时处于超临界状态。
[0017]在另外的优选实施例中，本发明的第一方面的系统进一步包括放置在工作流体回路中的膨胀器用于在充电循环期间从工作流体中恢复能量，其中恢复的能量供应给在工作流体回路中的压缩机以用于将工作流体压缩到超临界状态。
[0018]有利地，基于跨临界循环的TEES系统可以在没有冷库(S卩，通过与环境、而不是与冷的热储存器进行交换热量)并且没有相变材料的情况下工作，同时为高充放来回效率提供合理的回功比(back-work rat1) ο
[0019]在本发明的第二方面，提供一种用于在热电能储存系统中储存热电能的方法，该方法包括使工作流体循环通过热交换器以用于与热储存介质进行热传递，和在跨临界过程中与热储存介质传递热量。
[0020]优选地，传递热的步骤包括在热电能储存系统的充电循环期间工作流体的跨临界冷却。
[0021]另外，传递热的步骤包括在热电能储存系统的放电循环期间工作流体的跨临界加热。
[0022]优选地，本发明的第二方面的方法进一步包括修改热电能储存系统参数以保证在充电和放电期间最小化工作流体和热储存介质之间的最大温差的步骤。
[0023]为了保证工作流体和热储存介质之间的最大温差在充电和放电循环期间最小化，可修改下列系统参数:操作温度和压力水平、使用的工作流体的类型、使用的热储存介质的类型、热交换器面积。
[0024]基于热泵-热机的TEES系统和操作方法的重要目的是为了实现热力循环的尽可能接近可逆的操作。由于循环通过热储存机制并且因此通过温焓图联接，通过热储存介质轮廓来近似工作流体轮廓是实现可逆操作的重要要求。
【附图说明】
[0025]本发明的主旨将参照优选的示范性实施例(其在附图中图示)在下列正文中更详细地说明，其中:
[0026]图1示出来自常规TEES系统中的循环的热传递的热能-温度图；
[0027]图2示出热电能储存系统的充电循环的简化示意图；
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