用于蓄充和释放热存储器的方法和适合于此方法的存储和放出热能的设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于蓄充和释放热存储器(12)的方法。此外，本发明涉及一种可用来执行此方法的设备。通过热存储器(12)可实现将例如风力发电厂(11)的过剩产能通过压缩机(22)在蓄充循环(13)中转换为热存储器(12)中的热。在需要时可通过涡轮机(25)和发电机(G)向网络馈电，其中将热存储器(12)释能。根据本发明建议使得蓄充循环(13)和释能循环(14)以朗肯过程运行，其中例如河水(17)作为换热器(16、19)的储存容器，以在蓄充循环中导致工质的蒸发且在释能循环中导致工质的冷凝。
【专利说明】用于蓄充和释放热存储器的方法和适合于此方法的存储和放出热能的设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于热存储器的蓄充和释放的方法，其中优选地交替地运行如下步骤。在蓄能循环期间通过工作流体将热存储器加热，其中在经过热存储器前通过作为作功机械连接的第一热流体能机使工作流体压力升高，且在经过热存储器之后使工作流体卸压。在释能循环期间，通过相同的或另外的工作流体将热存储器冷却，其中在经过热存储器之前，工作流体的压力升高，且在经过热存储器之后通过作为动力机械连接的第二热流体能机或作为动力机械连接的第一热流体能机使工作流体卸压。
[0002]此外，本发明涉及一种用于以热存储器存储和释放热力学能的设备，其中热存储器可将存储的热释放给用于工作流体的蓄能循环和用于另外的或相同的工作流体的释能循环。在蓄能循环中，将如下单元以所给出的次序通过管路相互连接:作为作功机械连接的第一热流体能机，热存储器，用于工作流体卸压的装置尤其是第一节流部，和第一换热器。在释能循环中，将如下单元以所给出的次序通过管路相互连接:换热器，作为动力机械连接的第二热流体能机或作为动力机械连接的第一热流体能机，第一换热器或第二换热器，和泵。例如可使用前述方法或适合于执行方法的设备，以将来自电网的过剩产能通过蓄能循环转化为热力学能且存储在热存储器内。在需求的情况中，此过程相反，使得热存储器在释能循环中释放且可通过热力学能获得电流且将其馈送到网络中。
【背景技术】
[0003]概念动力机械和作功机械在本申请的范围内理解为:作功机械吸收机械功以达到其目的。因此，作为作功机械使用的热流体能机作为压缩机或加压机运行。而动力机械做功，其中热流体能机为做功将工作气体内可供使用的热力学能进行转化。因此在此情况中，热流体能机作为马达运行。
[0004]概念“热流体能机”形成可从工作流体吸收热力学能或可将此热力学能输入工作流体的机器的上位概念。热力学能因此理解为热能或冷能。热流体能机(在下文中也简称为流体能机)可例如构造为活塞机。优选地，也可使用流体力学热流体能机，其叶轮允许工作流体的连续的流动。优选地，可使用轴向作用的涡轮机或压缩机。
[0005]前述原理例如根据W0 2009/044139 A2描述。在此，可使用活塞机，以执行以上所述的方法。此外根据US 5，436，508已知，通过前述用于存储热力学能的设备也可在利用风能发电时将过剩产能进行中间存储，以在需求的情况中再次调用此过剩产能。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题在于给出一种用于蓄充和释放热存储器的方法以及用于执行此方法的设备，以此方法和设备能以相对高的效率存储和回收能量且在此形成相对低的部件成本。
[0007]此技术问题以前述方法根据本发明通过如下方式解决，即将蓄能循环以及释能循环均构造为朗肯过程，其中，在蓄能循环期间通过第一换热器将工作流体蒸发且在释能循环期间通过第一和第二换热器将工作流体冷凝。在此，第一换热器且在存在第二换热器的情况中该第二换热器与周围环境形成温度平衡。在此注意到，根据在释能循环和蓄能循环中为换热器提供分开的循环还是使释能循环和蓄能循环在同一个循环中进行，可提供一个或两个换热器。同样适用于流体能机。使用两个不同的流体能机的优点是一个流体能机可对于蓄充循环优化且另一个流体能机可对于释能循环优化。以此，尤其实现了总效率升高的目的。如果使用唯一一个流体能机，则虽然必须使效率降低，但为此可使用更廉价的设备执行这种方法，因为可节约部件。
[0008]朗肯过程，也称为克劳修斯-朗肯过程，可例如尤其以蒸汽-水泵或以蒸汽涡轮机来运行。工质在此交替地以气态和液态存在，以此有利地可提高循环过程比功。在下文中简称为朗肯过程的过程的特点将在下文中详细解释。
[0009]本发明另外的关键特征是对于换热器提供与周围环境的换热。周围环境理解为进行中的过程之外的部分。换热器既可用于吸收热力学能又可用于释放热力学能的情况是，进行中的过程调节为使得工作流体通过从周围环境吸收热量可蒸发以便然后通过第一流体能机可被压缩，且在通过第二流体能机将工作流体压缩之后在释能循环的情况中通过向周围环境释放热量可冷凝。这可例如通过选择氨或水作为工作流体来进行。在此，氨的优点是例如在15°C的环境温度时可保证氨蒸气的过热。选择水作为工作流体的优点是水的使用对于周围环境的风险更低。
[0010]根据该技术问题的替代的解决方案，在前述方法中也可建议使得将蓄能循环以及释能循环构造为朗肯过程，其中，在蓄能循环期间通过第三换热器将工作流体蒸发且在释能循环期间通过第二换热器将工作流体冷凝。此外，在蓄能循环期间，通过带有更低的沸点的另外的工作流体加热第三换热器，其中在经过换热器前通过作为作功机械连接的第三热流体能机使另外的工作流体压力升高，且在经过换热器之后将另外的工作流体卸压。在此，根据本发明建议使得第一换热器和第二换热器与周围环境形成温度平衡。
[0011]以替代的根据本发明的解决方法实现了以上已阐述的优点。也可实现与周围环境的换热，以此可节约部件。附加地，可实现的优点是可放弃将氨作为工作流体且可在第三换热器的循环中使用水，而不必放弃水的过热的可能性。这通过两级蓄能循环实现，其中蓄能循环在与周围环境连接的第一换热器上例如可有利地以二氧化碳运行。在此，也涉及其使用不涉及环境风险的物质。但二氧化碳可能在更低的温度下已过热，其中通过在二氧化碳循环中进行朗肯过程实现第三换热器的加热。通过第三换热器提供的能量当然高于周围环境的温度水平，使得在水循环中可在技术可实现的压力情况下实现水蒸汽的过度加热。
[0012]当使用来自周围环境的水作为热载体时，获得了本发明的特别有利的构造。此水可例如从河流中获取。其优点是水尤其是流动的水比空气的温度波动更低。以此，可在更小的温度范围内执行夏季过程以及冬季过程。此外，水以简单的方式可引入第一或第二换热器。
[0013]此技术问题根据本发明以前述设备另外通过如下方式解决，即第一换热器且在存在第二换热器的情况中该第二换热器保证与周围环境的换热。这将设备有利地维护为可实现以上给出的方法。以上所述的优点因此相应地适用。
[0014]当然，前述设备通过如下方式也适合于本发明的替代的解决方法，即在附加循环中将如下单元以所给出的次序通过管路相互连接:作为作功机械连接的第三热流体能机，第三换热器，尤其是第二节流阀的用于工作流体卸压的装置，和第一换热器。第一换热器和第二换热器保证与设备的周围环境换热，以此可实现以上所提及的优点，且尤其将设备维护为转换在此给出的方法之一。
[0015]根据有利的构造，设备可提供为使得蓄能循环和释能循环至少部分地延伸通过相同的管路。这意味着管路既在释能循环中又在蓄能循环中被流过。可如此构造的原因是设备总是通过换热器(对应于蓄能循环和释能循环)或者仅用于存储热力学能或者仅用于释放热力学能。这因此基于存在剩余的能量可供蓄充热存储器的状态或出现要将热存储器中所存储的能量例如转化为电能的需求情况。因此，同时进行蓄能和释能循环的运行在技术上因此是无意义的。通过至少部分地使用相同的管路，有利地节约了材料且进一步降低了部件费用。如果使用相同的热流体能机用于蓄充和释放，则尤其可通过相同的管路系统实现紧凑的蓄能和释能循环。否则，不同的流体能机以及必要的节流阀和泵可通过合适的旁通管路和阀整合到此循环中。
[0016]特别有利的是至少在热存储器的内部提供相同的管路用于蓄能循环和释能循环。这明显降低了制造热存储器的费用，因为在热存储器内必需通过管路提供尽可能大的表面积以用于热传输。此外，在使用带有一个管路系统的情况中可以以热存储器介质填充这个体积，该体积必须在热存储器内使用两个管路系统时用于管路系统之一，以此有利地实现更紧凑的结构形式。
[0017]如果比较根据本发明的设备和方法与根据W0 2009/044139 A2的设备和方法，则此外显见可节约整个冷存储器。这通过如下方式实现，即使得各进行的朗肯过程的下温度水平处于环境水平，使得可将周围环境用作冷存储器。这附加地具有的优点是通过周围环境提供的热力学能可引入到过程内。此外，省去了冷存储器的部件费用。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]本发明的另外的细节在下文中根据附图描述。相同的或相应的附图元素被提供以相同的附图标号，且仅对其在单独的附图之间的差异进行多次解释。各图为:
[0019]图1是根据本发明的设备的实施例的机组连接图，
[0020]图2和图3是通过根据图1的设备执行的根据本发明的方法的两个实施例，
[0021]图4是根据本发明的设备的替代实施例的机组连接图，和
[0022]图5和图6是通过根据图4的设备执行的方法的实施例，
[0023]其中在方法的曲线图中，Y轴为温度T，且X轴为熵S。
【具体实施方式】
[0024]在图1中可见可用以将风力发电厂11的剩余电能转化为可存储在热存储器12内的热力学能的设备。热存储器可通过未详细图示的方式例如由其中提供了通道系统的混凝土浇注体形成，该通道系统可被工质流过。风力发电厂11的电能通过马达Μ馈送到设备内。在需求情况中，热存储器12可释能，其中最终通过发电机G可产生电能。为将电能转化为热力学能，反之亦然，在设备内实现了蓄能循环13和释能循环14。所述蓄能循环和释能循环包括示意性地图示的管路，在所述管路内例如氨的工作流体可循环。通过阀15，分别激活或者蓄能循环13或者释能循环14，方式是建立与热存储器12的连接。此外，在蓄能循环和释能循环中提供第一换热器16，该第一换热器16可被供给以示意性地示出的河流17的河水。也为连接第一换热器16提供了阀18，以便可将此换热器16使用在蓄能循环13中和释能循环14中。作为阀18的替代，也可如点划线所图示使用第二换热器19。在换热器的范围内以此方式形成了两个分开的循环以用于蓄能循环13和释能循环14，如在图1中所示意，这使得阀18成为多余。
[0025]蓄能循环13和释能循环14的各流动方向以箭头示意。此外，在蓄能循环13和释能循环14中通过数字1至10标记了特征位置，其中在图2和图3中也可见进行的朗肯过程的此特征位置。在下文中详细解释各过程的进行。
[0026]在图2中图示了如可使用氨作为工质(R171)执行的蓄能循环20和释能循环21。在循环的位置1中，工质处于5巴的压力下。在此，氨的沸点温度为4°C。因此，可使用15°C的河水的热以将工质在第一换热器16内蒸发。以此方式，到达位置2。如从图1中可见，工质借助于马达Μ通过作为流体力学压缩机连接的第一流体能机22被置于超过131巴的压力，例如140巴。在此，工质被加热到320°C且到达位置3。然后，此热可引入到热存储器12的材料中，其中此热存储器12用作换热器。在此过程步骤中，工质被等压冷却到低于30°C的温度，以此达到循环的位置4。通过第一节流阀23，可将工质卸压且以此方式到达5巴的压力。在此位置处，有利地一个节流阀的简单部件足以。不需要涡轮机等。
[0027]释能循环21的运行如下。冷凝压力可调节在10巴，使得工质(也为氨)的沸点温度为25°C，即高于河流的15°C的温度水平。在释能循环21的位置5中存在液体氨，且通过泵24将其置于超临界压力。通过换热器将工作加热且超临界地置于位置9。在此，存在于换热器12内的温度水平可能未完全达到。例如，可加热到220°C。从处于超临界状态的工质可通过具有涡轮机形式的第二流体能机25获取机械能，该机械能通过发电机G转化为电能。在发电机G和第二流体能机25以及马达Μ和流体能机22之间的机械连接构造为轴26。在工质卸压之后，达到位置10。卸压的工质仍处于气态且在25°C下被冷凝，其中在此将河水加热。
[0028]在图3中图示了蓄能循环30和释能循环21，所述循环如以根据图1的设备通过使用水可进行。在此,应又在第一换热器中使用其温度为15°C的河水。如果水在25°C的温度下冷凝，则前提条件是30毫巴的冷凝压力。5°C的水的蒸发温度要求10毫巴的压力。由此可得到用于蓄能循环的运行的如下参数。从位置1到位置2，水在10毫巴下蒸发。通过将水蒸汽压缩到1巴到达蓄能循环的位置3，其中温度升高到大致540°C。然后，在经过换热器12期间水被冷却到99°C，以此将换热器12加热。在此，达到位置4。水蒸汽通过节流部23卸压到10毫巴且在此又到达5°C的温度。
[0029]释能循环经过如下位置。在位置5中，现在完全在30毫巴下冷凝的水加热具有25°C的温度。通过泵24将水置于工作压力且将其运输通过换热器12，在此水吸热且到达位置7。在此，水开始沸腾且在此维持位置7中的温度，直至水被完全蒸发(位置8)。在此，又涉及水的亚临界蒸发。在换热器12内的温度水平然后还导致水蒸汽的过热而达到大致480°C的位置9。然后，通过使水蒸汽通过第二流体能机25卸压达到位置10，在此水蒸汽又在30毫巴的压力下达到25°C的温度。在第一换热器16中，水然后又冷凝，以此达到释能循环的位置5。
[0030]在图4中图示了设备的另外的实施例。此实施例与根据图1的实施例的差异主要在于蓄能循环分为两级。换热器12的加热在蓄能循环13中进行，该蓄能循环13与在图1中所示不同完全地与释能循环14分开。类似于图1，蓄能循环13构造为带有第一节流部23、换热器12和第一流体能机22，且释能循环构造为带有泵24、换热器12、第二流体能机25和第二换热器19。当然，换热器12具有两个分别用于蓄能循环和释能循环的相互独立的通道系统，所述通道系统在图4中为详细图示。
[0031]但图4和图1之间的关键的差异在于在蓄能循环13中使用第三换热器27。该第三换热器27为进行换热不被提供以带有环境温度的河水，而是连接在附加循环28上。附加循环28具有如下功能。除驱动第一流体能机22的马达Ml外也提供了马达M2，该马达M2通过轴26驱动流体能机29。此流体能机29提供在附加循环29中且将例如二氧化碳的工作流体压缩，所述工作流体由此被加热且在第三换热器27中将热释放给蓄能循环13的工作流体(例如水)。然后，附加循环28的工作流体通过第二节流部30卸压且通过将其热释放给河流17的第一换热器16冷凝。
[0032]在图4中标记了位置1’、2 ’、3 ’和4 ’，且所述位置给出了在图5中图示的朗肯过程的特征位置。在此涉及辅助蓄能循环20a，该辅助蓄能循环20a是根据图4的两级蓄充过程的第一级。从位置1’到位置2’在5°C的温度和40巴的压力下将二氧化碳蒸发。在此，所需的能量来自河流17，且通过第一换热器16输入。通过第三流体能机29将二氧化碳压缩到97巴且达到80°C的温度(位置3’)。此热可通过第三换热器27释放给蓄能循环13，其中为此可提供35°C至80°C的温度范围。在工质冷却到35°C之后达到位置4’，从此处通过二氧化碳被第二节流阀30的卸压达到40巴的压力(位置1’)。
[0033]在第三换热器中的35°C的温度水平可实现在蓄能循环13中以水作为工质在与图3的情况中不同的另外的水平上的运行。冷凝可在30毫巴下在25°C的温度下进行(位置10至位置5)。因此，所述冷凝比图3中的情况更高。另一方面，释能循环可类似于根据图3的情况(位置1到位置2)执行。因此，对于释能循环的温度水平也就是还通过处于15°C的河流17预先给定。
[0034]原理上，根据本发明的方法不限制于在实施例中所限制的工作流体。例如也可使用例如丙烷的碳氢化合物。如果将根据图1和图4的实施例进行对比，其元件也可不同地组合。例如，根据图4的蓄能循环13和释能循环14也可根据图1以部分相同的管路和阀15实现，以此在换热器12内仅需提供一个通道系统。在此，当然要求图1中的第二换热器19，而根据图1的第一换热器16应通过第三换热器27和带有所有部件的附加循环28替代。
【权利要求】
1.一种用于蓄充和释放换热器(12)的方法，其中 *在蓄充循环期间，通过工作流体加热换热器(12)，其中在经过换热器(12)前通过作为作功机械连接的第一热流体能机(22)使工作流体压力升高，且在经过热存储器(12)之后使工作流体卸压，和 *在释能循环期间，通过工作流体将热存储器(12)冷却，其中在经过热存储器(12)之前在工作流体内产生压力升高，且在经过热存储器之后通过作为动力机械连接的第二热流体能机(25)或作为动力机械连接的第一热流体能机(22)使工作流体卸压， 其特征在于， 将蓄充循环以及释能循环构造为朗肯过程，其中: *在蓄能循环期间通过第一换热器(16)将工作流体蒸发，和 *在释能循环期间通过第一和第二换热器(19)将工作流体冷凝。 其中，所述第一换热器(16)且在存在所述第二换热器(19)的情况下所述第二换热器(19)建立与周围环境的温度平衡。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作流体是氨或水。
3.一种用于蓄充和释放换热器(12)的方法，其中 *在蓄能循环期间，通过工作流体加热所述换热器(12)，其中在经过所述换热器(12)前通过作为作功机械连接的第一热流体能机(22)使工作流体压力升高，且在经过热存储器(12)之后使工作流体卸压，和 *在释能循环期间，通过工作流体将热存储器(12)冷却，其中在经过热存储器(12)之前使工作流体压力升高，且在经过热存储器之后通过作为动力机械连接的第二热流体能机(25)或作为动力机械连接的第一热流体能机(22)使工作流体卸压， 其特征在于， 将蓄能循环以及释能循环构造为朗肯过程，其中: *在蓄能循环期间通过第三换热器(27)将工作流体蒸发， *在释能循环期间通过第二换热器(19)将工作流体冷凝， *在蓄能循环期间通过具有更低沸点的另外的工作流体加热所述第三换热器(27)，其中在经过换热器(27)前通过作为作功机械连接的第三热流体能机(29)使所述另外的工作流体压力升高，且在经过热存储器(27)之后将所述另外的工作流体卸压， 其中第一换热器(16)和第二换热器(19)与周围环境形成温度平衡。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述工作流体是水，而所述第二工作流体是二氧化碳。
5.根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，使用来自周围环境的水作为热载体。
6.一种用于以热存储器(12)存储和释放热力学能的设备，其中热存储器(12)将存储的热释放给用于工作流体的蓄能循环(13)和用于工作流体的释能循环(14)，其中在所述蓄能循环(13)中，如下单元以所给出的次序通过管路相互连接: *作为作功机械连接的第一热流体能机(22)， *热存储器(12)， *用于工作流体卸压的装置，尤其是第一节流部(23)，和 *第一换热器(16) 且其中在所述释能循环(14)中将如下单元以所给出的次序通过管路相互连接: *换热器(12)， *作为动力机械连接的第二热流体能机(25)或作为动力机械连接的第一热流体能机(22)， *第一换热器(16)或第二换热器(19)，和 *泵(24)， 其特征在于， 所述第一换热器(16)且在存在所述第二换热器(19)的情况中所述第二换热器(19)确保与所述设备的周围环境的换热。
7.一种用于以热存储器(12)存储和释放热力学能的设备，其中所述热存储器(12)将存储的热释放给用于工作流体的蓄能循环(13)和用于工作流体的释能循环(14)，其中在所述蓄能循环(13)中将如下单元以所给出的次序通过管路相互连接: *作为作功机械连接的第一热流体能机(22)， *热存储器(12)， *用于工作流体卸压的装置，尤其是第一节流部(23)，和 *第三换热器(27) 且其中在所述释能循环(14)中将如下单元以所给出的次序通过管路相互连接: *换热器(12)， *作为动力机械连接的第二热流体能机(25)或作为动力机械连接的第一热流体能机(22)， *第二换热器(16)，和 *泵(24)， 其特征在于， 在附加循环(28)中将如下单元以所给出的次序通过管路相互连接: *作为作功机械连接的第三热流体能机(29)， *第三换热器(27)， *用于工作流体卸压的装置，尤其是第二节流部(30)，和 *第一换热器(16), 其中，所述第一换热器(16)和所述第二换热器(19)保证与设备的周围环境的换热。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述蓄能循环(13)和所述释能循环(14)至少部分地延伸通过相同的管路。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，至少在所述热存储器(12)内提供有用于蓄能循环(13)和释能循环(14)的相同的管路。
【文档编号】F01K3/18GK104271896SQ201380023586
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年3月28日 优先权日:2012年4月17日
【发明者】D.雷兹尼克, H.斯蒂斯达尔 申请人:西门子公司