[发明专利]具有两个热槽的热电能量存储系统和用于存储热电能量的方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及电能的存储。它特别涉及用于在热能存储中以热能的形式存储电能的系统和方法。

背景技术

诸如核电站的基本负荷发电机和诸如风力涡轮和太阳能电池板的利用随机、间歇能量源的发电机在低功率需求的时间期间产生过量电能。大规模电能存储系统是将该过量能量转移到高峰需求的时间并且平衡总体电力产生和消耗的装置。

在早先专利申请EP1577548中，该申请人已经描述了热电能量存储(TEES)系统的概念。TEES在充电循环中将过量电力转换成热量，存储热量并且在必要时，在放电循环中将热量转换回电力。这种能量存储系统是强健、紧凑、地点无关的并且适合于大量电能的存储。热能可以经由温度的改变以显热的形式存储或经由相态的改变以潜热的形式存储或者两者。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经由相态的改变出现并且可涉及这些相态中的任何或者为它们串行或并行的联合。

电能存储系统的往返(round-trip)效率可定义为，假如放电后能量存储系统的状态返回到在存储的充电之前它的初始条件，可从存储中放电的电能相比于用于对存储充电的电能的百分比。因而，为了获得高的往返效率，两种模式的效率需要最大化，只要它们的互相依赖允许。

重要的是指出所有电能存储技术本质上具有有限的往返效率。因而，对于用于对存储充电的每单位的电能，在放电后，仅一定百分比回收成电能。其余的电能损失了。如果例如在TEES系统中存储的热量通过电阻加热器提供，则它具有大约40％的往返效率。TEES系统的往返效率由充电效率和放电效率组成。

TEES系统的往返效率由于来源于热力学第二定律的各种原因受限。第一个原因涉及系统的性能系数。当系统在充电模式中时，它的理想效率由性能系数(COP)支配。COP取决于冷侧的温度(T_c)和热侧的温度(T_h)，给出为：

COP=ThTh-Tc]]>

因而，可见热泵的COP随输入和输出温度水平之间的增加的差异而下降。第二，热力发动机中热量到机械功的转换受卡诺(Carnot)效率的限制。当系统在放电模式中时，效率(η)给出为

η=Th-TcTh.]]>

因而，可见当冷侧温度下降时效率增加。第三，从工作流体到热存储的任何热量流动和相反要求温度差以便发生。该事实不可避免地降低温度水平并且因而降低热量做功的能力。

应当明白许多工业过程涉及热能的供应和热能的存储。实例为制冷器件、热泵、空调和加工工业。在太阳能热力发电站中，热能被提供、可能地存储并且转换成电能。然而，所有这些应用不同于TEES系统，因为它们不关心用于存储电力的专门目的的热量。

应当明白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力发动机循环。在TEES概念中，热需要在充电循环期间从热工作流体传输到热存储介质，并且在放电循环期间从热存储介质回到工作流体。热泵要求做功以从冷源移动热能到温暖的吸热器。由于在热侧，即TEES的热存储介质部分处，沉积的能量的数量比压缩功大的数量等于从冷侧带走的能量，即由处于低压的工作流体吸收的热量，故对于输入热存储的每份功，热泵比电阻性的加热沉积更多的热量。热量输出对功输入的比率称作性能系数，并且它是大于一的值。以这种方式，热泵的使用将增加TEES系统的往返效率。