[发明专利]热能存储设备

说明书

一种热能存储设备（10）包括充能回路（100），其中第一工作流体被循环，所述充能回路（100）包括：‑第一流体输运机器（110），用于生成充能回路（100）中的第一工作流体的流，‑电供能的加热装置（120），用于将热传递至第一工作流体，‑蓄热器（130），用于存储第一工作流体的热能，所述蓄热器（130）包括用于接收处于第一温度（T1）的第一工作流体的热端部（131）和用于允许第一工作流体在低于第一温度（T1）的第二温度（T2）下离开蓄热器（130）的冷端部（132）；蓄热器（130）包括在热端部（131）和冷端部（132）之间串联连接的多个热存储单元（135a、135b、135c），其可以通过阀（137a、137b）分离。

技术领域

本发明涉及用于存储热能的设备（plant）以及涉及用于操作这样的设备的方法。

背景技术

将可再生能量整体形成到主功率供给网络中对电网带来挑战，这是由于电网被设计用于中心功率生产。由可再生能源生成的电力对于电网络的功率供给来说具有无限制的优先级。来自可再生能源的能量生产难以预报并且取决于诸如风速或太阳辐射的天气条件。为了解决此波动的生产，可再生能源需要被缩减，提供基础负荷（base load）的化石燃料电厂需要变得更具有灵活性否则过量的能量必须被便宜地售往国外。另外，诸如陆上和海上风电的可再生能量的生产的位置与高功率消耗的区域并不一致。

因此，能量存储在功率供给网络的稳定性的改善中起重要作用。

敏感的热存储部在现有技术中用于存储来自可再生资源的波动能量。来自主供给电网的过量的电能被转换成热能并且存储在一些存储材料中。在没有风或者出现少量风的时候，存储的热能被用于生成蒸汽以通过蒸汽涡轮发电机生产电能，并且生产的电力被供应到主供给电网中。

此问题的可能的解决方案通过热能存储设备提供，所述热能存储设备是充能循环和放能循环的组合，所述充能循环和放能循环二者均连接至热存储单元。充能循环以闭式循环包括，流体输运机器（例如风扇）、加热装置、以及热存储单元，所述加热装置可以是电阻或感应加热器或由电功率供应的热泵，所述电功率由可再生能源生成或者来自电网。放能循环以闭式循环包括，与充能循环相同的热存储单元、鼓风机和水蒸气循环。水蒸气循环包括诸如蒸汽涡轮机和热回收蒸汽发生器（HRSG）的热机、锅炉、换热器或蒸发器，用于将热能传递至水以生成蒸汽，所述蒸汽被供应至热机以从连接至热机的发电机生产电功率。

热存储单元通常被填充有固体或块体（bulk）材料，诸如石头、砖块、陶瓷和其它固体材料，其具有被加热并且长时间段地保持其温度的能力，以便存储已被传递至其的热能。替代地相变材料可以被用于热存储单元中。

这些材料通过使用在充能循环中循环的工作流体（例如空气）来加热，其具有高于存储材料的温度。在放能循环中，存储的能量通过具有低于存储材料的温度的、相同或者不同的流体的流来回收。因此，热存储单元具有各自的热端部和冷端部。

在充能循环中，热存储单元通过管道或者导管系统连接至加热装置并且连接至流体输运机器。流体输运机器将工作流体移动通过加热装置至热存储部的热端部。温度前沿从热端部到冷端部行进通过热存储单元。温度前沿是热存储单元中强温度梯度的区域，其分离热存储单元中的热和冷区域。当冷端部处的温度开始上升到选择的温度阈值以上时，热存储单元的充能停止。

在放能循环中，工作流体的质量流将沿着相比于充能循环相反的方向被引导通过热存储单元。在放能循环中，工作流体在冷端部处进入热存储单元，在热存储单元内侧达到指定的温度，并在工作流体进入蒸汽发生器之前在热端部处离开。

温度前沿沿相比于充能循环相反的方向行进通过热存储单元。当热端部处的温度开始降低时，放能过程被停止。

在以上描述的热能存储设备中，当热存储单元被水平安装时，自然对流起重要作用。这是由于在热存储单元的热和冷端部处具有不同温度的工作流体的不同密度导致的。此影响导致在存储部的长度上的非均匀的温度分布。