具有相变材料的热能储存系统及其操作方法与流程

本发明涉及通过电能和热能之间的转换的能量储存。具体地，本发明涉及用于具有根据独立权利要求的前序的热力学回路的能量储存系统的系统和方法。

背景技术：

1、通过风力和太阳能发电的可持续发电受到以下事实的影响：在生产时不一定需要电力，而在需求时不一定有可用电力。因此，已经提出了各种储能设备将电能转换为热量并储存，直到需要将其转换回电能。

2、国际专利申请wo2009/044139公开了一种包括处于较低温度的第一热能储存(tes)容器和第二tes容器的系统，其通过压缩机/膨胀器装置互连，用于在系统的充电或放电期间分别使第一tec容器中的温度升高或降低。当存在多余的电力时，压缩机由电机驱动，从而通过压缩来升高气体的温度，其然后用于加热第一tes容器中的砾石床形式的tes介质。当需要电力时，压缩的热气体通过膨胀器从第一tes容器释放，膨胀器驱动发电机以回收电能。

3、在充电和放电过程中，由于tes容器中的梯度温度变化，热区和冷区之间的热锋穿过tes容器从一端朝向另一端移动。在热锋的这种移动期间，尤其是当重复充电/放电过程时，温度梯度在储存容器的两端之间倾向于变平，这被称为温跃层退化。温跃层退化是温度转换区(也称为温跃层带或温跃层区)变得更宽的影响。不希望温跃层退化，因为它降低了系统的总效率。已经提出了各种方法，通过使梯度变陡并减小温跃层区域的宽度来抵消这种温跃层退化。

4、wo2009/044139的系统在实际应用时暗示了另一个问题，即砾石的比热容随温度降低，因此为了正确平衡，使得冷储存容器需要比热储存容器更多的砾石。当考虑到能量储存系统的成本对容器尺寸敏感时，这似乎不是最佳的。

5、替代系统在tes系统中使用相变材料(pcm)，其控制tes容器的一端或两端处的温度。这种系统的优点是对温跃层的更好控制。

6、pcm的使用在文章“具有集成多层pcm温跃层热能储存的太阳能塔装置的工艺经济性能评估-与常规双罐储存系统”的对比研究”中讨论和说明，由guedez等人在solarpaces2015，aip conf.提出。1734,070012-1-070012-9；doi：10.1063/1.4949159，发布于aip publishing.978-0-7354-1386-3。

7、tes容器中的pcm的示例在us984124中公开，其中pcm是设置在tes容器的一端，但优选地设置在其两端。

8、在us2017/226900中讨论了多层pcm及其对温跃层的影响的各种示例。作为pcm，提出石蜡的熔化温度为130℃。为了防止石蜡熔化并凝固成固体物质，这将防止气体穿过pcm，石蜡被包封并作为粒状材料提供。

9、然而，这导致了与包封的颗粒pcm有关的一般问题的讨论。如果颗粒太小，则pcm意味着高成本。并且pcm的体积相对于传热封装的体积对于实际的大规模应用来说变得太小。另一方面，如果颗粒太大，则进入pcm材料的热传递是不充分的，这也造成相对于实际应用的差异，尤其是当标准包括商业时。具体方面，例如建筑和维护的成本以及长期收益。

10、wo2014/036476公开了可感知tes容器和潜在tes容器的组合。例如冰浆容器。特别地，其公开了一种热力学回路，包括具有用于增加热容量的颗粒的可感知tes容器和潜热容器以及连续流过这些容器的两相工作流体，工作流体根据回路中的位置被冷凝和蒸发。两相工作流体在环境温度下经历冷凝，同时与周围环境交换能量。当工作介质处于液相时，其由可感知tes与潜在tes之间的泵泵送，泵送的方向取决于过程是用于充电还是放电。在tes容器的相对侧上，相对于泵在回路中的位置，工作流体处于气相并且流过分别用于接收或输送能量的压缩机/膨胀器。还公开了图14中的实施例，其在放电模式中具有膨胀器下游和泵上游的潜在tes容器，泵又在可感知tes容器上游。可感知tes容器的下游是用于与环境温度热交换的热交换器系统。因此，可感知tes容器的温度范围在环境温度ta和较冷的温度tc之间。它还公开了一种热储存回路，其中在充电期间在可感知热储存的上游使用潜热储存，其中潜在tes容器在压缩机和可感知热储存之间。实施例主要设计用于与环境温度进行热交换、以及环境温度与工作流体之间的温度变化，工作流体的温度具有在环境温度和更低或更高的温度之间变化。尽管公开了大量变型，但是这些变型不具有具有两个可感知tes容器的热力学气流回路的灵活性。

11、wo2013/164563a1中公开了用于将冷却室冷却到用于超导体的低温的可感知tes容器的组合。该回路在充电和放电期间从冷却室提取热量。

12、总的来说，仍然需要在能量储存系统的优化方面进行改进。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供本领域的改进。特别地，目的是提供一种热能储存(tes)系统及其操作方法，其不仅相对于温跃层控制方面优化了系统，其中，温跃层区域中的温度梯度保持陡峭，而且相对于一般效率和成本优化来优化系统。该目的和进一步有利的是利用如下面和权利要求中描述的系统和方法实现的。

2、简单地说，本发明提供了一种操作能量储存系统的方法，该系统包括热热能储存介质和冷热能储存介质，它们在热力学回路中以气体作为工作流体互连，以及具有马达/发电机系统的能量转换器，该马达/发电机系统功能性连接到压缩机/膨胀器系统，用于在热力学流体回路中的工作流体的电能和热能之间转换。作为潜在tes工作流体的冰浆热连接到热力学回路，以提供冷tes介质中的温度的下限。

3、潜在的tes工作流体是相变材料pcm，其在系统的操作期间是两相形式的，即具有冰的液体，由于冰处于液体内部的小晶体中，因此是流体的，使得它可以被泵泵送。这通常也称为冰浆。

4、通过在气态可感知工作流体和作为潜在工作流体的冰浆之间提供这种热传递，实现了许多优点：

5、-气态工作流体的温度可以保持在膨胀器出口处的气体温度以上的受控预定零或亚零水平；

6、-可以在低温下储存能量，而不需要冷藏容器中的大量砾石；

7、-控制温跃层，并抵消梯度的平坦化，这意味着热力学回路的高效率；

8、-热能向冰浆的传递比利用固定pcm更有效，因为冰浆在导管中移动通过热交换器，并且因此通过湍流有效地混合，这意味着遍及潜在流动路径的导管的几乎瞬时的温度均衡，例如作为回路，导致最佳的能量传递；

9、-pcm系统在tes系统的设计阶段期间适合作为简单的可选附加特征，使得具有或不具有pcm的设计比将pcm并入tes容器中更容易；

10、-pcm系统适合作为已经存在的tes系统的改进附加。

11、如上所述，所提出的配置具有许多益处。下面解释系统的细节。

12、在具有热力学回路的热能储存tes系统中，使用气态工作流体，例如干燥空气。在整个热力学气体流动回路中，工作流体保持气相并且不变成液相。

13、作为气流回路的一部分，提供了第一可感知tes容器，其包含第一tes介质，并且提供了第二可感知tes容器，其包含第二tes介质。每个tes容器具有顶部和底部，并且在其中包含其各自的tes介质，用于储存热能，每个容器中的tes介质具有上端和下端。

14、在充电和放电循环期间，第一tes介质具有高于第二tes介质的温度范围。然而，第一tes介质的下端的温度通常低于第二tes介质的上端的温度。例如，第一tes介质中的温度范围在底部为50-100℃，在顶部为500-700℃，而第二tes介质中的温度范围在下端为-20℃至0℃，在顶部为350-450℃，

15、为了使气体流过tes介质，其最好是气体可透过的。例如，tes介质是砾石，例如花岗岩砾石或其他类型的石料。此类材料可以低成本获得并且通常用于tes系统。而且，从气体到砾石的热传递是有效的，尤其是如果砾石具有小于10mm的粒度。虽然原则上气体也可以在管中流过tes介质，使得可以使用紧凑或液体tes介质，但是由于较低的热传递效率，这通常不是优选的。

16、为了输入和提取电能，将能量转换器插入回路中。一方面，它将电能转换成热能，该热能在充电期间被添加到热力学流体回路中的气态工作流体中，另一方面，它在放电期间将热能转换成电能。为此，能量转换器包括具有马达和发电机的电动马达/发电机系统，并且包括具有压缩机和膨胀器的压缩机/膨胀器系统。马达/发电机系统的马达用于驱动压缩机/膨胀器系统的压缩机，例如涡轮压缩机，以通过在充电阶段压缩气体并由此增加气体的温度来向回路添加能量。在放电阶段，发电机用于在发电机中产生电力。其中，当热气体在放电阶段期间在膨胀器中膨胀时，发电机由压缩机/膨胀器系统的膨胀器驱动。

17、在一些实际实施例中，涡轮用作压缩机和膨胀器。替代地，使用其它类型的压缩机和膨胀器，例如活塞加压器和活塞膨胀器。压缩机的轴在充电期间由马达驱动，并且形成膨胀器的轴在放电期间驱动发电机，用于分别储存和回收电能。通常，压缩机和膨胀器通过用于同步旋转运动的旋转轴互连，并且相同的轴可用于连接到马达和/或发电机。

18、在操作中，第一tes容器的顶部和第二tes容器的顶部在充电期间通过压缩机互连，并且在放电期间通过膨胀器互连。第一tes容器的底部和第二tes容器的底部tes容器在放电期间通过压缩机互连，并且在充电期间通过膨胀器互连。所述连接提供用于气态工作流体的气流回路，所述气流回路在充电期间以一种方式通过tes容器并且在放电期间以相反的方式通过tes容器。

19、另外，提供了一种潜在tes系统。潜在tes系统包括潜在流动路径，例如回路，该潜在流动路径包含潜在工作流体，该潜在工作流体在潜在tes系统中处于液相但不处于气相。在操作期间，潜在工作流体包括作为冰浆的液体和固体两者，该冰浆通过湍流保持流体流动，为了使其能够被泵送通过潜在流动路径。在潜在tes系统吸收或提取热能期间，浆料中的固体部分分别减少或增加。

20、在一些实际的实施例中，tes系统包括潜在tes容器，管道和用于输送潜在工作流体通过潜在tes系统的泵。

21、由于高热容量和低价格，水冰浆料是有用的潜在工作流体。任选地，潜在工作流体的凝固点通过添加剂调节，例如盐、糖或二醇，后者是乙二醇或丙二醇，二醇取决于各种标准，例如粘度和毒性。

22、热交换器布置在压缩机/膨胀器系统与第二tes容器的底部之间的气流回路中。热交换器通过导热壁将潜在工作流体与气态工作流体分离。在操作期间，热能通过导热壁在气流回路中的气态工作流体与潜在流动路径中的潜在工作流体之间交换。术语“导热壁”应理解为还包括热交换器中的多个这样的壁，例如用于有效传热的多个相邻管。在操作中，在充电期间，第一tes容器和第二tes容器的顶部通过压缩机连接，并且底部通过膨胀器连接。当通过电动马达驱动压缩机/膨胀器系统时，来自第二tes容器的顶部的气态工作流体被压缩机接收，并绝热压缩以增加气态工作流体的温度。例如，压缩机在充电期间将气体的温度升高到高于400℃的温度，可选地升高到在以下范围内的温度：400℃至600℃。由于气体从第二tes容器的顶部取出时，通过压缩机进一步升高的温度，在整个充电期间，压缩机下游的温度总是高于第二tes容器中的温度。

23、来自压缩机的热气体被提供到第一tes容器的顶部中，并且在从第一tes容器的顶部到底部的过程中，热量传递到第一tes介质。此后，气体由膨胀器接收并绝热膨胀，这在气体通过热交换器之前降低气体的温度，在热交换器处热能从潜在工作流体传递到气体。随后，将气体供应到第二tes容器的底部，并通过第二tes介质从底部到顶部，在那里，气体从第二tes介质吸收热能。

24、由于在系统的操作期间的潜在工作流体(尤其是冰浆)具有恒定的温度，因此当供应到第二tes介质时，其设定气体温度的下限。例如，冰浆的温度t0在-20℃至0℃的范围内，其可以在水冰浆中通过诸如乙二醇或丙二醇的添加剂进行调节。水的冷冻温度可通过乙二醇添加剂的比例来降低。然而，由于砾石的比热容随着温度降低而降低，其tes能力在较低温度下递减，使得第二tes介质的温度不应基本上降低到低于0℃。因此，潜在工作流体的相变温度-20℃对于热力学系统的大多数操作是有用的下限。

25、例如，在充电期间，热交换器将来自膨胀器的气体的温度升高至少15℃，该膨胀器以气体温度te离开膨胀器，或者换句话说，te比冰浆的温度t0低至少15℃。例如，膨胀器出口处的气体的温度te在-25℃至-45℃的范围内，例如在-30℃至-40℃的范围内，然后加热至温度t0。在其被供应至第二tes容器的底部之前，在热交换器中加热至在-20℃至0℃的温度范围内，例如在-5℃至0℃的范围内，或甚至至0℃的范围内。

26、在一些实际实施例中，潜在tes系统包括通过潜在流动路径互连的第一储罐和第二储罐，用于潜在工作流体在第一储罐和第二储罐之间流动，通常仅通过热交换器。第一储罐包括温度高于其凝固点(例如高于零)的潜在工作流体，并且第二储罐包括在操作期间潜在工作流体的冰浆。在充电期间，潜在工作流体从第一储罐通过热交换器流动到第二储罐，有利地与通过热交换器的气流逆流，并且热能在热交换器中从水传递到气体，通过热能传递形成冰浆。在放电期间，流动是反向的，并且来自第二储罐的冰浆被泵送通过所述热交换器，在其中被所述气体加热，并且然后在高于所述凝固点的温度下被泵送回所述第一储罐中并储存在高于所述凝固点的温度，例如0℃。

27、例如，第一储水罐中的温度通过利用与环境的热交换保持在环境温度。

28、可选地，潜在tes系统包括冰浆罐，并且潜在流动路径是从罐到热交换器，并通过热交换器回到罐的潜在流动回路。在充电期间，潜在工作流体从储罐泵送通过热交换器，有利地与通过热交换器的气体逆流，并且在充电期间和放电期间返回回路中的罐。典型地，在充电和放电期间，潜在流动反向。

29、在放电期间，气流回路的气流中的流动方向是相反。在这种情况下，第一tes容器和第二tes容器的顶部通过膨胀器连接，底部通过压缩机连接。来自第一tes容器的顶部的气体由膨胀器接收，并且在热气体朝向回路的低温区段的绝热膨胀期间驱动膨胀器以及发电机。来自膨胀器的气态工作流体被引导到第二tes容器的顶部并且通过第二tes介质，用于在其从第二tes容器的顶部到底部的路径期间将热能从气态工作流体传递到第二tes介质。然后，气态工作流体从第二tes容器的底部流过热交换器，并且将热能传递到潜在工作流体。在放电过程中，经过第二tes介质后的气体温度随时间逐渐升高，热能从气体到潜在工作流体的传递也逐渐升高。在热交换器的下游，气体被压缩机接收并绝热地压缩，这增加了气体的温度。压缩气体在第一tes容器的底部处被接收，用于在其朝向第一tes容器的顶部流动期间将更多的热能从第一热介质传递到气态工作流体，这完成了放电循环。

30、第一tes容器和压缩机/膨胀器上方的管道系统中的压力高于第二tes容器和压缩机/膨胀器系统下方的管道系统中的压力。因此，压缩机/膨胀器上方的热力学回路的区域是高压区域，并且压缩机/膨胀器系统下方的热力学回路的区域是低压区域。

31、tes容器的顶部之间的区段的温度高于tes容器的底部之间的区段，这就是为什么tes容器的顶部之间的区段被称为热力学回路的高温区段，而tes容器的底部之间的区段被称为热力学回路的低温区段。

32、显而易见，潜在tes系统是现有热力学回路的简单附加，并且以两种方式提高了功效。一方面，通过抵消tes容器中的梯度的有害变平来实现改进。另一方面，其在供应到冷的第二tes介质时设定气体温度的下限，从而避免第二tes介质的比热容低的低温状态。后者是重要的，因为使用其中第二tes介质的比热容高的温度范围允许第二tes容器中的第二tes介质的量最小化。这进而降低了成本，因为大比例的施工成本用于容器。

33、在实验中，仅通过能量转换器与第二tes容器的底部之间的流动回路中的热交换提供气体与潜在工作流体之间的热能交换已经被证明是足以实现高效率的。因此，在一些实施例中，这种潜在tes系统是与热力学气流回路热连接的唯一潜在tes系统。

34、由于通过这种简单的潜在附加系统提高效率，可保持tes容器不受潜热储存影响，并且仅在其中包含可感知的tes介质。

35、然而，在第一tes容器的底部与压缩机/膨胀器系统之间的气流回路中提供另外的热交换器可能是有用的。在一些另外的实施例中，另外的热交换器交换气体和流过另外的热交换器的流体之间的热能，以改变流体中的温度。例如，为了加热的目的，例如在用于住宅的热分配网络中向这种流体(可选地，水)提供热。