[发明专利]用于将电能转换成热能并用于储存热能的系统和方法

说明书

本发明涉及一种系统(10)以及一种操作所述系统(10)的方法。所述系统(10)包含热泵循环(16)、涡轮循环(17)、介质储存循环(11)和水储存循环(37)。借助于所述热泵循环(16)，可以将工作流体的热量传递到用于储存热能的热介质(M)。借助于所述涡轮循环(17)，可以将所述热介质(M)的热量传递到工作流体(F)。在这样做时，可以通过操作所述热泵循环(16)或所述涡轮循环(17)来将电能转换成热能或从热能转化为电能。借助于水至流体换热器(36)来提供所述水储存循环(37)与所述热泵循环(16)之间的热耦合，并且借助于流体至水换热器(49)来提供所述水储存循环(37)与所述涡轮循环(17)之间的热耦合。所述水储存循环(37)另外包含可以独立于所述水至流体换热器(36)而操作的空冷式水冷却单元(50)。

本发明涉及一种用于将电能转换成热能并用于储存热能的系统。例如，如果发电厂产生了对于操作至少一个电负载和/或对于电网而言并不需要的过剩电能，则使用此类系统。特别地，基于如风力涡轮机等可再生能源概念产生电力的发电厂或光伏发电厂生成的电力的量会根据环境条件而发生变化。因此，可能发生此类发电厂产生过剩电力或无法产生足够电力的情况。为了维持电负载的可操作性和/或维持电网的稳定性，有益的是，储存由发电厂产生的过剩电能并且如果需要的话还再次释放所储存的能量。

能够将电能变换成热能以储存过剩电能并且还能够将所储存的热能变换回电能以向电网供应电力的系统在现有技术中(例如，根据US 4 089 744 A、EP 2 942 492 A1或EP 2 602 443 A1)是已知的。

US 2016/0222830 A1披露了一种具有工作流体可以在其中循环的热泵循环的系统。所述热泵循环包括压缩机单元、膨胀器单元和介质加热单元，所述介质加热单元适于加热可以在介质储存循环中循环的热介质。所述热泵循环还包含用于将热量从可以在水储存循环中循环的水传递到工作流体的水至流体换热器。进一步地，提供了一种工作流体可以在其中循环的涡轮循环。所述涡轮循环包括涡轮机单元、介质冷却单元和流体至水换热器。所述介质冷却单元适于冷却在介质储存循环中循环的热介质，并且所述流体至水换热器适于将热量从涡轮循环中的工作流体传递到水储存循环中的水。如果将以热能的形式来储存电能，则电动机驱动压缩机单元，并且借助于介质加热单元对热介质进行加热。另一方面，如果将以电能的形式释放所储存的热能，则操作涡轮循环，并且涡轮机单元产生电能。借助于介质冷却单元来加热涡轮循环中的工作流体，使得热能被转化为由涡轮机单元产生的电能。

在这种系统中，涡轮循环和热泵循环的效率可能不同。这两个循环借助于水储存循环彼此热耦合。如果通过操作涡轮循环从所储存的热介质中汲取特定量的热能，并且随后通过操作热泵循环来还原相同量的热能，则在水储存循环中可能发生关于热水量和冷水量的不平衡状况，这会影响系统的可用性。

本发明的目的是改善这种常规系统，以便提高整体效率。

本发明的目的是借助于一种用于将电能转换成热能并用于储存热能的系统来实现，所述系统可以包括工作流体可以在其中循环的热泵循环。所述热泵可以包括用于压缩所述工作流体的第一压缩机单元和/或用于使所述工作流体膨胀的膨胀器单元、和/或介质加热单元，所述第一压缩机单元、所述膨胀器单元和所述介质加热单元可以流体地连接以使得所述介质加热单元可以流体地连接在所述第一压缩机单元的下游和所述膨胀器单元的上游。优选地，水至流体换热器可以在所述膨胀器单元的下游流体地连接到所述热泵循环。所述介质加热单元可以适于加热可以在介质储存循环中循环的热介质，其中，所述水至流体换热器可以适于将热量从可以在水储存循环中循环的水传递到所述工作流体。

所述系统可以进一步包括工作流体可以在其中循环的涡轮循环。所述涡轮循环可以包括涡轮机单元、和/或介质冷却单元和/或流体至水换热器，所述涡轮机单元、所述介质冷却单元和所述流体至水换热器可以流体地连接以使得所述介质冷却单元可以在所述涡轮机单元的上游。优选地，所述流体至水换热器可以在所述涡轮机单元的下游，其中，所述介质冷却单元可以适于冷却所述介质储存循环中的所述热介质。所述流体至水换热器可以适于将热量从所述工作流体传递到所述水储存循环中的所述水。