热电能存储系统技术方案

一种非共沸混合物被用作热电能存储系统(10)的工作流体(16)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电能的存储。具体来说，它涉及热电能存储系统、用于采用热电能存储 系统来存储和恢复电能的方法以及非共沸(ZeotIOPic)混合物作为工作流体的使用。
技术介绍
通过热电存储系统，存储电能的有效概念通过将电能转换为可存储所要求时间的 热能(存储装置的蓄能(charging))来实现。电能可通过从热能反向转换为机械功并且随 后转换为电(存储装置的释能(discharging))来还原。电能的存储在将来可能变得越来越重要。诸如核电站之类的基底负载发电机以及 诸如风力涡轮机和太阳能电池板之类的具有随机间断能源的发电机在低电力需求期间可 产生多余电力。大规模电能存储系统可以是将这种多余能量转向峰值需求时间的部件，并 且平衡总的电产生和消耗。可存在存储热量的若干可能性。可采取经由温度的变化的显热形式或者采取经由 相位变化的潜热形式或者它们两者的组合来存储热能。显热的存储介质可以是固态、液态 或气态的。用于潜热的存储介质经由相位变化而发生，并且可涉及这些相位的任一个或者 它们的串联或并联组合。热电存储系统的最重要特性之一可能是往返效率。热电存储系统的往返效率可定 义为能够从存储装置释能的电能与用于对存储装置蓄能的电能相比的百分比，假设释能之 后的能量存储系统的状态返回到在对存储装置蓄能之前其初始条件。往返效率在使热力学 可逆性因子为最大时可增加。但是，可能重要的是，所有电能存储技术因热力学限制而固有 地具有有限往返效率。因此，对于用于对存储装置蓄能的电能的每一个单元，只有某个百分 比才可在释能时作为电能来回复(recover)。电能的其余部分丢失。例如，如果存储在热电 存储系统中的热量通过电阻加热器来提供，则它具有大约40%的往返效率。热电存储系统的蓄能循环可称作热泵循环，而热电存储系统的释能循环可称作热 机循环。在热电存储系统中，热量可在热泵循环期间从热工作流体传递到热存储介质，并且 在热机循环期间从热存储介质反向传递到工作流体。热泵可要求做功以使热能从冷源转移 到较热的吸热装置。由于在热侧所沉积的能量的量可大于与取自冷侧的能量相等的量所要 求的功，所以与电阻热量产生相比，热泵可增大热量。热量输出与功输入的比率可称作性能 系数，其中具有大于一的值。这样，热泵的使用将增加热电存储系统的往返效率。由于来源于热力学第二定律的各种原因而限制了热电存储系统的效率。首先，热 机中将热量转换成机械功因卡诺(Carnot)效率而受到限制。其次，任何热泵的性能系数随 输入与输出温度水平之间增加的差而下降。第三，从工作流体到热存储装置以及从热存储 装置到工作流体的任何热流要求温度差以便发生。这个事实不可避免地使温度水平降级， 并且因而使热量作功的能力降级。通常，热电存储系统具有工作流体回路，通过该工作流体回路，热量经由一个或多 个热交换器随工作流体传递到热存储介质(或者反之)。对大温度差的热量的传递是热力学不可逆性因子。这意味着，热交换器中的工作流体与热存储介质之间的温度差越大，则往 返效率将越低。为了使最大温度差为最小，可构造相对大的热交换器或者能够将相变材料 用于热存储装置。但是，这些解决方案可引起高成本，并且一般会是不实际的。热量传递损失的降低在采用基于热泵循环的蓄能的热能存储的所考虑应用中可 能是特别重要的。在这种应用中，蓄能和释能期间的热交换温度损失的任何增加可直接转 化为有用功的损失以及系统的往返效率的降低。例如，克服上述问题的至少一部分的一种解决方案可以是本申请人所提出的跨临 界(transcritical)热电存储系统。当热泵系统跨临界运行时，系统的高压侧上的工作流 体在经过排热热交换器时没有将其相位从汽相改变成液相。因此，在跨临界循环中，排热热 交换器可如气体冷却器一样而不是作为等温冷凝器进行操作。这可通过经由常规流体到流 体-热交换器的显热存储(基于温度变化而不是基于相变的热量存储)来实现排出热量的 存储。这会是非常显著的优点，因为用于-流体到流体-热交换器的技术很先进并且在紧 凑容积中能够实现极小接近温度，从而以降低成本产生高效率。但是，如果还预期与创建冷热存储并行地利用低压侧上的热泵操作的冷却效果， 则跨临界循环通常具有常规等温蒸发器，并且因此可必须用于在恒温下对PCM(相变材料) 热存储装置(诸如冰)进行蓄能。冰是优良热存储介质，但是冰存储系统必须使用在热量传 递表面上生长冰(低热量传递效率)或者必须限制每个热交换器通道的冰形成(大流动速 率)以防止堵塞的热交换器。现有技术冰存储系统的另一个缺点可在于，这些系统通常不能超过50%的含冰 量，这意味着热存储装置的一半未被使用，从而增加系统的资本成本并且还增加其占地面 积。没有等温蒸发或冷凝的热电存储系统设计的另一种解决方案是将逆布雷顿 (Brayton)循环用于热存储装置的蓄能而将常规布雷顿循环用于释能。布雷顿循环的工作 流体始终处于气相，并且因此“布雷顿循环热电存储系统”的所有热量传递步骤能够与对显 热热存储装置的热量传递匹配。不利方面在于，由于其高回功(back-work)比，与其它热电 存储系统设计相比，布雷顿循环热电存储系统可遭受热泵膨胀和热机压缩步骤中增加的损 失。这些损失能够通过将循环的冷侧和热侧的操作温度分别推向极低和极高值来抵消，这 又可使得必须经由专用奇妙的装置将显热存储到诸如岩石或沙子之类的固态材料，从而最 终失去通过常规-流体到流体-热交换器的显热存储的潜在有益效果。已知的是，非共沸致冷剂混合物可在优化条件下增加某种致冷和热泵设备的能量 效率。对于热机操作，提出卡琳娜(Kalina)循环以用于发电站中。由于跨热交换器的温 度差对卡琳娜循环可比典型纯工作流体兰金(Rankine)循环更为均匀，所以系统效率对于 标准发电站增加大约10%，但是对于特殊低温应用增加超过30%。但是，在热电能存储系统中，热泵循环和热机循环相互之间必须经过优化。因此， 将致冷器系统或热机系统的优化原理应用于热电存储系统会有问题，因为一个循环的优化 可使另一循环的效率降级。
技术实现思路
实现热电存储系统操作的高效率方面的一个主要障碍可能是热交换器中的热侧 与冷侧之间的大温度差。当使用潜热存储系统并且热量传递涉及通过存储材料的固相的传导(这可能是 对于上述跨临界热电存储系统的情况)时，使热交换器中的温度差为最小可变得特别棘 手。但是，这类基于相变材料的热存储系统是匹配涉及等温蒸发或冷凝步骤的热电存储系 统热力学循环的温度分布的最佳方式。因此，可需要一种不必依靠工作流体的等温蒸发或等温冷凝的热电存储系统。一般来说，本专利技术的一个目的可以是提供一种具有高往返效率和最小接近温度的 有效热电能存储，同时使所要求的热存储介质的量为最小，并且还使成本为最小。这个目的通过独立权利要求的主题来实现。通过从属权利要求，其它示范实施例 是显而易见的。本专利技术的一个方面是一种热电能存储系统，其用于通过在蓄能循环中将热能传递 到热存储装置来存储电能以及用于通过在释能循环中从热存储装置恢复热能来产生电。按照本专利技术的一个实施例，热电能存储系统包括工作流体回路，其用于使工作流 体通过热交换器循环；热存储管道，其用于通过热交换器从热存储池(tank)传递热存储介 质，其中工作流体包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.23 EP 10167030.51.一种热电能存储系统(10)，用于通过在蓄能循环中将热能传递到热存储装置(22，34)来存储电能以及用于通过在释能循环中从所述热存储装置(22，34)恢复热能来产生电， 所述热电能存储系统(10)包括 工作流体回路(16)，用于使工作流体通过热交换器(20，32)循环， 热存储管道(24，36)，用于通过所述热交换器(20，32)从热存储池(26，28，38，40)传递热存储介质， 其中所述工作流体包括非共沸混合物。2.如权利要求1所述的热电能存储系统(10)， 其中所述非共沸混合物选择成使得所述热交换器(20，32)中的所述工作流体的温度从第一温度改变成第二温度。3.如权利要求1或2所述的热电能存储系统(10)， 其中所述热交换器(20，32)包括逆流热交换器。4.如以上权利要求中的任一项所述的热电能存储系统(10)， 其中所述工作流体通过所述热交换器(20，32)的流动控制成使得所述工作流体与所述热存储介质之间的温度差小于50°C，具体来说小于10°C或3°C。5.如以上权利要求中的任一项所述的热电能存储系统(10)，还包括 阀(18，20，30，32)，用于控制所述工作流体回路中的流动。6.如以上权利要求中的任一项所述的热电能存储系统(10)， 其中所述热存储池包括热存储池(22)，并且所述热存储管道包括热存储管道(24)，用于通过所述热交换器(20)在第一热存储池(26)与第二热存储池(28)之间传递热存储介质，和/或 其中所述热存储池包括冷存储池(34)，并且所述热存储管道包括冷存储管道(36)，用于通过所述热交换器(32)在第一冷存储池(38)与第二冷存储池(40)之间传递冷存储介质。7.如以上权利要求中的任一项所述的热电能存储系统(10)， 其...

【专利技术属性】
技术研发人员：C奥勒，J赫姆尔勒，M默坎戈茨，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：
国别省市：