储能设备以及用于存储能量的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于存储热能的储能设备(1)，该设备具有用于工作气体的蓄能回路(2)，包括压缩机(4)、热存储器(5)和膨胀透平(6)，其中，压缩机(4)通过用于工作气体(3)的第一管道(7)在出口侧与膨胀透平(6)的入口连接，热存储器(5)连接到第一管道(7)中。按本发明，压缩机(4)和膨胀透平(6)设置在一根共同的轴(14)上，热存储器(5)的热交换器设计成，使得在膨胀透平(6)中膨胀的工作气体(3)在进入压缩机(4)之前很大程度上相当于工作气体(3)的热力学状态变量。在此，仅一部分热能传递到热存储器(5)上。输送给膨胀透平(6)的工作气体(3)保持相对热。
【专利说明】储能设备以及用于存储能量的方法
[0001]由于来自可再生能源领域的发电设备所占份额不断地增长，产生能量存储的必要性。储能的目的在此是，使具有可再生能源的发电厂可这样地用在输电网络中，使得也可以时间延迟地取用可再生能源，以便节省化石燃料并因此减少CO2排放。
[0002]US2010/0257862A1描述一种已知储能设备的原理，其中，使用活塞式发动机。按US5，436，508还已知，通过用于存储热能的储能设备也可以在使用发电的风能时中间存储过剩产能。
[0003]这种储能器在存储器蓄能时将电能转换为热能并且存储热能。在释能时，热能又转换为电能。
[0004]由于要跨接储能器的时间间隔(也就是说能量存入和转存所花的时间)以及用于存储的功率，对热力学储能器的尺寸设计提出了较高的要求。因此，已经仅由于结构尺寸，热力学储能器购置非常昂贵。若储能器为此设计耗费或本来的热存储器介质购置昂贵或运行耗费，则用于热力学储能器的购置和运行成本会很快质疑储能经济性。
[0005]为了计算储能器的制造成本，优选成本有利的存储材料，尤其是多孔的材料，但也优选沙子、砾石、岩石、混凝土、水、盐溶液等。热交换器也应当尽可能成本廉价地设定尺寸。但由于成本廉价的存储材料通常低的导热性能，热交换面通常设计得非常大。热交换器管的大数量和长度在此显著增加了热交换器的成本，它本身由于成本廉价的存储材料不再会被补偿。
[0006]迄今，热交换器基于廉价材料的基础成本主要设计成直接更换热载体(例如空气)和存储材料(例如沙或岩石)的形式，以便代替大的热交换器。在该技术中原则上已知的涡流层技术迄今未应用在需要用于季节性存储可再生的过剩能量的量级中。直接的热交换还带来与固体相对复杂的关系，这对于大型存储器是不经济的。
[0007]使用工作气体，例如空气作为热载体介质。工作气体在此可以根据选择在封闭的或开放的蓄能回路或附加回路中导引。
[0008]开放的回路一直使用环境空气作为工作气体。该环境空气从周围环境中吸进并且还在该过程的末尾又排入周围环境中，以便周围环境封闭开放的回路。封闭式回路也允许使用另外的工作气体作为环境空气。该工作气体在封闭式回路中导引。因为在调节环境压力和环境温度的同时取消了到周围环境中的膨胀，所以工作气体必须在封闭式回路的情况下导引通过热交换器，该热交换器允许工作气体的热量散发到周围环境中。因为在封闭式回路中也可以使用去湿的空气或另外的工作气体，所以可以省掉压缩机多级的结构方案和水分分离器。但在此用于购置和运行在膨胀透平之后或压缩机之前的用于将工作气体加热到压缩机的工作温度的附加热交换器的附加费用支出是不利的。由此在运行中降低储能设备的效率。
[0009]备选地可以规定，用于在热存储器中存储热能的蓄能回路设计成开放的回路，压缩机由两个级构成，其中，在这两级之间设置用于工作气体的水分分离器。在此，要考虑到，在环境空气中含有空气湿度。通过在唯一一级中膨胀工作气体会导致，空气湿度由于工作气体的强烈冷却到例如-100°c而凝结并由此损坏膨胀透平。透平叶片尤其可能通过结冰造成永久性损坏。但工作气体在两个步骤中的膨胀使凝结的水能够在第一级之后的水分分离器中例如在5°C时分离，以便它在工作气体在第二透平级中进一步冷却时已去湿并且会防止或至少减少结冰。但在此对于多级的压缩机和水分分离器的购置的提高的费用支出也是不利的。也在运行中降低了这种设备的效率。
[0010]本发明所要解决的技术问题是，基于成本廉价的存储材料提供一种成本廉价的用于存储热能的储能设备，该设备具有提高的效率。在此，尤其是涉及避免现有技术的缺点。此外，本发明所要解决的技术问题是提供一种方法，通过该方法可以实现将存储热能存储在成本廉价的存储材料中从而改善效率。
[0011]针对设备，本发明所要解决的技术问题通过权利要求1的特点解决。因此，具有用于工作气体的蓄能回路的用于存储热能的储能设备包括压缩机，热存储器和膨胀透平，其中，压缩机在出口侧通过用于工作气体的第一管道与膨胀透平的入口连接，热存储器连接到第一管道中。现在，按本发明压缩机和膨胀透平设置在一根共同的轴上，热存储求的热交换器设计成，使得在膨胀透平中膨胀的工作气体尽可能相当于工作气体进入压缩机之前的热力学状态变量。在此工作气体的尤其是压力和温度理解为热力学状态变量。
[0012]在此本发明基于此考虑，工作气体在热存储器的热交换器中散发仅一部分其热量，并因此工作气体在进入膨胀透平时还相对热。由此避免，膨胀的工作气体的温度通过在膨胀透平中的膨胀可以非常极速地下降。工作气体也就是说在热存储器中未完全冷却。结果这意味着，热存储器必须还要吸收仅一部分可供使用的热能，即，尤其是较高的温度。
[0013]现在利用本发明，虽然还存储了仅一部分可提使用的热能，但能量存储的整个收支平衡有利于提高效率。这一方面由此说明，可以省掉否则不利地影响效率的用于给膨胀空气加热、中间加热或脱水的设备。因此，由于膨胀到环境压力和环境温度，即使在使用吸入压缩机的湿润空气时也有利地避免了水凝结的问题。因此，在按本发明的方法中不会产生由冷凝水冻结造成的损坏。还可以省掉冷凝器。
[0014]膨胀透平还降低了用于压缩的能耗，方式是它设置在与压缩机相同的轴上，并且明显地一起支承压缩机。
[0015]因为工作气体在低温时的冷却需要非常大的热交换面，所以由于放弃利用更低的温度，热存储器结果更便宜，因为热交换器的尺寸可设计得更小。
[0016]总之，通过按本发明的措施，实现显著提高的储能效率。此外，按本发明的储能设备购置起来比传统的储能设备明显更低廉，其中，工作气体很大程度上完全在热交换器中冷却。
[0017]在本发明的有利扩展设计中，设置用于工作气体的第二管道，通过该第二管道，膨胀透平的出口与压缩机的入口相互连接。这样通过将膨胀透平中膨胀的工作气体反馈回压缩机中，形成用于工作气体的封闭式回路。工作介质的封闭式回路附加地能够实现成本更廉价的设计，例如通过使用具有更大导热性能的惰性气体(例如氦气)或通过避免冷凝(例如通过使用干燥的空气)。若现在工作气体按本发明未完全在热交换器中冷却，则它在膨胀透平中膨胀之后大致处于工作气体在压缩机入口处的热力学水平上。由此可以省掉附加的热交换器，该附加的热交换器否则必须加热使用在压缩机中的工作气体。
[0018]转存已存储的能量例如可以通过蒸汽回路进行。
[0019]本发明所要解决的针对方法的技术问题通过权利要求6的特征解决。要求保护一种用于存储热能的方法，该方法具有蓄能过程。在该蓄能过程中，在压缩过程中温度为Tl而压力为Pl的工作气体被压缩到压力为P2而温度为T2。在压缩过程之后的热交换过程中，热量传递到热存储器上，由此工作气体的温度和压力降低到温度T3和压力P3。在热交换过程之后的膨胀过程中，工作气体膨胀到压力P4和温度T4，其中，温度T3和压力P3调节为，使得膨胀过程之后的温度T4和压力P4尽可能相当于压缩过程之前的温度Tl和压力Pl0
[0020]因此可行的是，工作气体在膨胀过程之后又可以输送给压缩过程。通过反馈形成一回路。在该回路中，可以使用惰性气体。温度T3和压力P3在此优选通过热交换过程的尺寸设计(并且在此尤其是通过热交换面的大小)来调节。因为工作气体必须还要通过热交换器将仅一部分其热能输出给热存储器，所以热交换面的大小可以明显减小。由此可以显著节约购置热存储器的成本。
[0021]优选膨胀过程中释放的膨胀能传递给压缩过程。因此，未以热热量形式传递给热存储器的能量仍然对工作气体的压缩做出了显著贡献。
[0022]热能可以是具有可再生资源的发电厂的季节性积累的过剩能量。尤其是多孔材料、砂、砾石、岩石、混凝土、水或盐溶液适合作为用于热交换过程的热存储器的存储材料.[0023]下列根据附图进一步阐述本发明。附图中:
[0024]图1是具有畜能和释能回路的储能设备
[0025]图2是图1中储能设备的扩展设计
[0026]图3是用于存储热能的方法
[0027]图4是图3中方法的扩展设计
[0028]图1示出一种具有蓄能回路2和释能回路9的储能设备I。该蓄能回路2是蓄能过程20的组成部分。蓄能回路2基本上包括将压缩机4与热存储器5和膨胀透平6连接的第一管道7。压缩机4和膨胀透平在此示意性表示，并且代表所有可能的方案，例如还有具有中间冷却或加热的多级的结构方案。
[0029]压缩机4与膨胀透平6 —起设置在一根共同的轴14上。轴14还被电动机15驱动。
[0030]热存储器5在此同样仅示意性表示。热存储器基本上由用于存入热能的热交换器、用于转存热能的热交换器和原本的存储材料组成。按本发明使用的热存储器包含成本廉价的存储材料，如多孔材料、砂、砾石、岩石、混凝土、水或盐溶液。热存储器还可以设计成多层的，以便形成用于存储较高温度的区域和用于存储较低温度的区域。
[0031]释能回路9是释能过程19的组成部分。释能回路9基本上包括通过用于第二工作气体10的蒸汽管道18与蒸汽透平13连接的热存储器5，其中，蒸汽透平13与发电机16连接在一根共同的第二轴12上。蒸汽管道18在此设计成开放的回路。在此，作为第二工作气体10的蒸汽从蒸汽透平13中分开，并且通过任选的热交换器25和泵17输送给用于转存热能的热存储器5的热交换器。
[0032]图2示出按本发明的储能设备的有利的扩展设计。除了在图1中所示的储能设备夕卜，现在蓄能回路2设计成封闭式回路。为此，设置用于工作气体3的第二管道8，该第二管道8将膨胀透平的出口与压缩机的入口相互连接。
[0033]图3示出用于存储能量的方法。该方法包括蓄能过程20和释能过程19。在此仅示出蓄能过程20。
[0034]蓄能过程20包括压缩过程23、热交换过程21和膨胀过程22。蓄能过程在此以开放的回路运行。
[0035]将工作气体3，例如具有温度II例如201和压力？1例如1巴的环境空气输送给压缩过程23。在压缩过程23中，压缩工作气体3。具有压力？2(例如20巴)和温度12 (例如5500的工作气体3离开压缩过程23。以该热力学条件，给热交换过程21输送工作气体3，在该热交换过程中，它按本发明仅一部分其热量散发，并因此冷却仅相对较低。具有压力？3 (例如15巴)和仍相对较高的温度13 (例如2300的工作气体3离开该热交换过程21。在此，压力？3可以有利地通过热交换过程21的尺寸设计来调节。
[0036]以这些条件，将工作气体3输送给膨胀过程22，在此膨胀过程中，它膨胀。通过降低压力，工作气体3冷却到几乎环境温度。具有温度14 (例如200和压力？4 (例如1巴)的工作气体3离开膨胀过程22。因此，温度II大致相当于温度14，压力？1大致相当于压力？4。
[0037]图4示出按本发明的方法的扩展设计。表示图3中的蓄能过程20。但附加地存在导引回工作气体3的、在膨胀过程22和压缩过程23之间的连接装置。由此，用于工作气体3的蓄能回路2设计成封闭式回路。
[0038]由于压缩过程23之后较高的温度12，在热存储过程21中不存在水凝结的风险。
【权利要求】
1.一种用于存储热能的储能设备(1)，该储能设备具有用于工作气体(3)的蓄能回路(2)，所述蓄能回路(2)包括压缩机(4)、热存储器(5)和膨胀透平(6)，其中，所述压缩机(4)在出口侧通过用于所述工作气体(3)的第一管道(7)与所述膨胀透平(6)的入口连接，所述热存储器(5)连接到所述第一管道(7)中， 其特征在于， -所述压缩机(4)和所述膨胀透平(6)设置在一根共同的轴(14)上，并且 -所述热存储器(5)的热交换器设计成，使得在所述膨胀透平(6)中膨胀的工作气体(3)在进入所述压缩机(4)之前尽可能相当于所述工作气体(3)的热力学状态变量。
2.按权利要求1所述的储能设备(1)，其特征在于，提供用于所述工作气体(3)的第二管道(8)，通过所述第二管道(8)，所述膨胀透平(6)的出口与所述压缩机(4)的入口相互连接，以便形成封闭的蓄能回路。
3.按权利要求1或2所述的储能设备(1)，其特征在于，所述热存储器(5)还连接到用于第二工作气体(10)的释能回路(9)中，其中，所述热交换器(5)在所述释能回路(9)中与蒸汽透平(12)连接。
4.按权利要求1至3之一所述的储能设备(1)，其特征在于，所述设备使用在发电厂中，所述发电厂以可再生能源运行，用于存储季节性过剩电能。
5.按权利要求1至4之一所述的储能设备(1)，其特征在于，所述热存储器(5)的所述存储材料是多孔材料、砂、砾石、岩石、混凝土、水或盐溶液。
6.一种用于存储热能的方法，其中，在蓄能过程(20)中 a)在压缩过程(23)中将工作气体(3)从温度Tl和压力Pl压缩到压力P2和温度T2， b)在热交换过程(21)中，热量传递到热存储器(5)上，由此所述工作气体(3)的温度和压力减小到温度T3和压力P3，并且 c)在膨胀过程(22)中，所述工作气体(3)膨胀到压力P4和温度T4，其中，温度T3和压力P3调节为，使得所述膨胀过程(22)之后的所述温度T4和所述压力P4尽可能相当于压缩过程之前的温度Tl和压力Pl。
7.按权利要求6所述的方法，其中，所述温度T3和压力P3通过所述热交换过程(21)的尺寸设计而调节。
8.按权利要求6或7所述的方法，其中，在所述膨胀过程(22)中释放的膨胀能传递到所述压缩过程(23)。
9.按权利要求6至8之一所述的方法，其中，所述压缩机借助具有可再生能源的发电厂的季节性积累的过剩电能驱动。
10.按权利要求6至9之一所述的方法，其中，使用多孔材料、砂、砾石、岩石、混凝土、水或盐溶液作为用于所述热交换过程(21)的热存储器的存储材料。
【文档编号】F01K3/00GK103842744SQ201280047622
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年9月5日 优先权日:2011年9月29日
【发明者】C.布鲁恩休伯, C.格莱伯, G.齐默曼 申请人:西门子公司