[发明专利]热电能量存储系统和用于储存热电能量的方法

说明书

技术领域

本发明总体上大致电能的储存。其特别涉及一种用于将电能以热能形式储存在热能存储器中的系统和方法。

背景技术

基底负载发电机，例如核电厂和带有随机的、间歇的能源的发电机，例如风力涡轮和太阳能电池板在低功率需求期间产生过剩的电功率。大型电能存储系统是将该过剩的能量转用于高峰需求的时间，并平衡总电力生成和消耗的方法。

在之前的专利申请EP1577548中，申请人已经描述了热电能量存储(TEES)系统的思想。TEES将过剩的电力转换成热量，储存该热量，并在需要时将该热量转换回电力。这种能量存储系统是耐用、紧凑且与地点无关的，并且适合于储存大量的电能。热能可采用通过温度变化的显热的形式或采用通过相变的潜热的形式或这两种形式的组合来储存。用于显热的存储介质可以是固体、液体或气体。用于潜热的存储介质通过相变而产生，并且可能包括任何相或其串式或并式组合。

所有电能储存技术都天生具有有限的循环效率。因而，对于为存储器充热的每单位电能，在放热时只有一定百分比的能量被恢复为电能。剩余的电能损失了。例如，如果通过电阻加热器提供储存在TEES系统中的热量，那么其具有大约40％的循环效率。热电能量存储的效率出于各种根源于热力学第二定律的原因而受到限制。第一，热量至机械功的转换受限于卡诺效率。第二，任何热泵的性能系数都随着输入水平和输出水平之间的温差增加而下降。第三，任何从工作流体至热存储器的热流都需要温差才能进行，反之亦然。该情况不可避免地降低了温度水平并因而降低了热做功的能力。

可以注意到，许多工业工艺涉及热能的提供和热能的储存。例如制冷设备、热泵、空调和加工工业。在太阳能热电厂中，提供热量，可能储存热量，并转换成电能。然而，所有这些应用都不同于TEES系统，因为它们不涉及用于储存电力这唯一目的的热量。

在本领域中已知的是，通过热泵可为热量存储单元提供热量。例如斯特林机(参见美国专利3080706第2栏第22-30行)。另外，国际专利WO2007/134466公开了一种具有集成热泵的TEES系统。

热泵需要做功以使热能从冷源移动至较热的吸热器。因为存放在热侧的能量大于从冷侧带走数量相等的能量所需要的功，所以同电阻发热相比，热泵将使热量“倍增”。热输出与功输入的比被称为性能系数，而其值大于1。这样，热泵的使用将提高热电能量存储系统的循环效率。循环效率是由存储器中提供的电量除以提供给存储器的电量。

美国专利4089744公开了一种通过可逆的热量泵送而实现的热能存储方法。过剩的电输出通过利用它提升蓄热流体的温度水平而以显热的形式存储起来。在该方案中，低水平热源是蓄热水，其还用作热泵和涡轮循环中的工作流体。热力学分析，例如图6中所示的分析类型，显示了等同于美国专利4089744的方案的效率被限制为大约50％。

因此，需要提供一种有效的热电能量存储系统，其具有优选地大于55％的循环效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种热电能量存储系统，其用于将电能转换成热能，并以改进的循环效率储存并转换回电能。该目的通过根据权利要求1所述的热电能量存储系统和根据权利要求7所述的方法实现。优选的实施例由从属权利要求公开。

根据本发明的第一方面，提供了一种热电能量存储系统，其包括与热交换器相连并包含蓄热介质的热存储单元、用于使工作流体循环穿过热交换器从而用于与蓄热介质进行热传递的工作流体回路，其中在热传递期间最大限度地减小了在工作流体和热存储单元中的蓄热介质之间的温差。

当热电能量存储系统处于充热(或“热泵”)循环中时，热力机(thermodynamic machine)包括涡轮，并且当热电能量存储系统处于放热(或“涡轮”)循环中时，热力机包括压缩机。

该热存储单元优选地包括至少两个热存储单元，各个热存储单元均与热交换器相连，并包含蓄热介质。

在一个优选的实施例中，一个或多个热交换器对于充热循环和放热循环是公用的。然而，对于充热循环和放热循环也可有分开的热交换器。串联使用的两个或多个热交换器优选地液力地相连。

此外，蓄热介质可能是液体，并且可将蓄热介质的流速改变成在热传递期间最大限度地减小在工作流体和各个热存储单元中的蓄热介质之间的温差。

本发明的蓄热介质可以是固体或液体。所附的说明的图3和图4中所示的特别的实施例显示了其中蓄热介质是液体的方案。