熱電能存儲系統技術方案

一種非共沸混合物被用作熱電能存儲系統(10)的工作流體(16)。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及電能的存儲。具體來說，它涉及熱電能存儲系統、用于采用熱電能存儲 系統來存儲和恢復電能的方法以及非共沸(ZeotIOPic)混合物作為工作流體的使用。
技術介紹
通過熱電存儲系統，存儲電能的有效概念通過將電能轉換為可存儲所要求時間的 熱能(存儲裝置的蓄能(charging))來實現。電能可通過從熱能反向轉換為機械功并且隨 后轉換為電(存儲裝置的釋能(discharging))來還原。電能的存儲在將來可能變得越來越重要。諸如核電站之類的基底負載發電機以及 諸如風力渦輪機和太陽能電池板之類的具有隨機間斷能源的發電機在低電力需求期間可 產生多余電力。大規模電能存儲系統可以是將這種多余能量轉向峰值需求時間的部件，并 且平衡總的電產生和消耗。可存在存儲熱量的若干可能性。可采取經由溫度的變化的顯熱形式或者采取經由 相位變化的潛熱形式或者它們兩者的組合來存儲熱能。顯熱的存儲介質可以是固態、液態 或氣態的。用于潛熱的存儲介質經由相位變化而發生，并且可涉及這些相位的任一個或者 它們的串聯或并聯組合。熱電存儲系統的最重要特性之一可能是往返效率。熱電存儲系統的往返效率可定 義為能夠從存儲裝置釋能的電能與用于對存儲裝置蓄能的電能相比的百分比，假設釋能之 后的能量存儲系統的狀態返回到在對存儲裝置蓄能之前其初始條件。往返效率在使熱力學 可逆性因子為最大時可增加。但是，可能重要的是，所有電能存儲技術因熱力學限制而固有 地具有有限往返效率。因此，對于用于對存儲裝置蓄能的電能的每一個單元，只有某個百分 比才可在釋能時作為電能來回復(recover)。電能的其余部分丟失。例如，如果存儲在熱電 存儲系統中的熱量通過電阻加熱器來提供，則它具有大約40%的往返效率。熱電存儲系統的蓄能循環可稱作熱泵循環，而熱電存儲系統的釋能循環可稱作熱 機循環。在熱電存儲系統中，熱量可在熱泵循環期間從熱工作流體傳遞到熱存儲介質，并且 在熱機循環期間從熱存儲介質反向傳遞到工作流體。熱泵可要求做功以使熱能從冷源轉移 到較熱的吸熱裝置。由于在熱側所沉積的能量的量可大于與取自冷側的能量相等的量所要 求的功，所以與電阻熱量產生相比，熱泵可增大熱量。熱量輸出與功輸入的比率可稱作性能 系數，其中具有大于一的值。這樣，熱泵的使用將增加熱電存儲系統的往返效率。由于來源于熱力學第二定律的各種原因而限制了熱電存儲系統的效率。首先，熱 機中將熱量轉換成機械功因卡諾(Carnot)效率而受到限制。其次，任何熱泵的性能系數隨 輸入與輸出溫度水平之間增加的差而下降。第三，從工作流體到熱存儲裝置以及從熱存儲 裝置到工作流體的任何熱流要求溫度差以便發生。這個事實不可避免地使溫度水平降級， 并且因而使熱量作功的能力降級。通常，熱電存儲系統具有工作流體回路，通過該工作流體回路，熱量經由一個或多 個熱交換器隨工作流體傳遞到熱存儲介質(或者反之)。對大溫度差的熱量的傳遞是熱力學不可逆性因子。這意味著，熱交換器中的工作流體與熱存儲介質之間的溫度差越大，則往 返效率將越低。為了使最大溫度差為最小，可構造相對大的熱交換器或者能夠將相變材料 用于熱存儲裝置。但是，這些解決方案可引起高成本，并且一般會是不實際的。熱量傳遞損失的降低在采用基于熱泵循環的蓄能的熱能存儲的所考慮應用中可 能是特別重要的。在這種應用中，蓄能和釋能期間的熱交換溫度損失的任何增加可直接轉 化為有用功的損失以及系統的往返效率的降低。例如，克服上述問題的至少一部分的一種解決方案可以是本申請人所提出的跨臨 界(transcritical)熱電存儲系統。當熱泵系統跨臨界運行時，系統的高壓側上的工作流 體在經過排熱熱交換器時沒有將其相位從汽相改變成液相。因此，在跨臨界循環中，排熱熱 交換器可如氣體冷卻器一樣而不是作為等溫冷凝器進行操作。這可通過經由常規流體到流 體-熱交換器的顯熱存儲(基于溫度變化而不是基于相變的熱量存儲)來實現排出熱量的 存儲。這會是非常顯著的優點，因為用于-流體到流體-熱交換器的技術很先進并且在緊 湊容積中能夠實現極小接近溫度，從而以降低成本產生高效率。但是，如果還預期與創建冷熱存儲并行地利用低壓側上的熱泵操作的冷卻效果， 則跨臨界循環通常具有常規等溫蒸發器，并且因此可必須用于在恒溫下對PCM(相變材料) 熱存儲裝置(諸如冰)進行蓄能。冰是優良熱存儲介質，但是冰存儲系統必須使用在熱量傳 遞表面上生長冰(低熱量傳遞效率)或者必須限制每個熱交換器通道的冰形成(大流動速 率)以防止堵塞的熱交換器。現有技術冰存儲系統的另一個缺點可在于，這些系統通常不能超過50%的含冰 量，這意味著熱存儲裝置的一半未被使用，從而增加系統的資本成本并且還增加其占地面 積。沒有等溫蒸發或冷凝的熱電存儲系統設計的另一種解決方案是將逆布雷頓 (Brayton)循環用于熱存儲裝置的蓄能而將常規布雷頓循環用于釋能。布雷頓循環的工作 流體始終處于氣相，并且因此“布雷頓循環熱電存儲系統”的所有熱量傳遞步驟能夠與對顯 熱熱存儲裝置的熱量傳遞匹配。不利方面在于，由于其高回功(back-work)比，與其它熱電 存儲系統設計相比，布雷頓循環熱電存儲系統可遭受熱泵膨脹和熱機壓縮步驟中增加的損 失。這些損失能夠通過將循環的冷側和熱側的操作溫度分別推向極低和極高值來抵消，這 又可使得必須經由專用奇妙的裝置將顯熱存儲到諸如巖石或沙子之類的固態材料，從而最 終失去通過常規-流體到流體-熱交換器的顯熱存儲的潛在有益效果。已知的是，非共沸致冷劑混合物可在優化條件下增加某種致冷和熱泵設備的能量 效率。對于熱機操作，提出卡琳娜(Kalina)循環以用于發電站中。由于跨熱交換器的溫 度差對卡琳娜循環可比典型純工作流體蘭金(Rankine)循環更為均勻，所以系統效率對于 標準發電站增加大約10%，但是對于特殊低溫應用增加超過30%。但是，在熱電能存儲系統中，熱泵循環和熱機循環相互之間必須經過優化。因此， 將致冷器系統或熱機系統的優化原理應用于熱電存儲系統會有問題，因為一個循環的優化 可使另一循環的效率降級。
技術實現思路
實現熱電存儲系統操作的高效率方面的一個主要障礙可能是熱交換器中的熱側 與冷側之間的大溫度差。當使用潛熱存儲系統并且熱量傳遞涉及通過存儲材料的固相的傳導(這可能是 對于上述跨臨界熱電存儲系統的情況)時，使熱交換器中的溫度差為最小可變得特別棘 手。但是，這類基于相變材料的熱存儲系統是匹配涉及等溫蒸發或冷凝步驟的熱電存儲系 統熱力學循環的溫度分布的最佳方式。因此，可需要一種不必依靠工作流體的等溫蒸發或等溫冷凝的熱電存儲系統。一般來說，本專利技術的一個目的可以是提供一種具有高往返效率和最小接近溫度的 有效熱電能存儲，同時使所要求的熱存儲介質的量為最小，并且還使成本為最小。這個目的通過獨立權利要求的主題來實現。通過從屬權利要求，其它示范實施例 是顯而易見的。本專利技術的一個方面是一種熱電能存儲系統，其用于通過在蓄能循環中將熱能傳遞 到熱存儲裝置來存儲電能以及用于通過在釋能循環中從熱存儲裝置恢復熱能來產生電。按照本專利技術的一個實施例，熱電能存儲系統包括工作流體回路，其用于使工作流 體通過熱交換器循環；熱存儲管道，其用于通過熱交換器從熱存儲池(tank)傳遞熱存儲介 質，其中工作流體包本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.06.23 EP 10167030.51.一種熱電能存儲系統(10)，用于通過在蓄能循環中將熱能傳遞到熱存儲裝置(22，34)來存儲電能以及用于通過在釋能循環中從所述熱存儲裝置(22，34)恢復熱能來產生電， 所述熱電能存儲系統(10)包括 工作流體回路(16)，用于使工作流體通過熱交換器(20，32)循環， 熱存儲管道(24，36)，用于通過所述熱交換器(20，32)從熱存儲池(26，28，38，40)傳遞熱存儲介質， 其中所述工作流體包括非共沸混合物。2.如權利要求1所述的熱電能存儲系統(10)， 其中所述非共沸混合物選擇成使得所述熱交換器(20，32)中的所述工作流體的溫度從第一溫度改變成第二溫度。3.如權利要求1或2所述的熱電能存儲系統(10)， 其中所述熱交換器(20，32)包括逆流熱交換器。4.如以上權利要求中的任一項所述的熱電能存儲系統(10)， 其中所述工作流體通過所述熱交換器(20，32)的流動控制成使得所述工作流體與所述熱存儲介質之間的溫度差小于50°C，具體來說小于10°C或3°C。5.如以上權利要求中的任一項所述的熱電能存儲系統(10)，還包括 閥(18，20，30，32)，用于控制所述工作流體回路中的流動。6.如以上權利要求中的任一項所述的熱電能存儲系統(10)， 其中所述熱存儲池包括熱存儲池(22)，并且所述熱存儲管道包括熱存儲管道(24)，用于通過所述熱交換器(20)在第一熱存儲池(26)與第二熱存儲池(28)之間傳遞熱存儲介質，和/或 其中所述熱存儲池包括冷存儲池(34)，并且所述熱存儲管道包括冷存儲管道(36)，用于通過所述熱交換器(32)在第一冷存儲池(38)與第二冷存儲池(40)之間傳遞冷存儲介質。7.如以上權利要求中的任一項所述的熱電能存儲系統(10)， 其...

【專利技術屬性】
技術研發人員：C奧勒，J赫姆爾勒，M默坎戈茨，
申請(專利權)人：ABB研究有限公司，
類型：
國別省市：