用于能量产生和存储的设备和方法与流程

1.本发明的目的是用于产生和存储能量的设备和方法。
2.更准确地说，本发明的目的是下述系统：该系统能够吸收/使用能量、能够随时间推移保持所存储的能量并且能够将所存储的能量转换成机械能以用于致动一个或更多个从动机，并且/或者能够将所存储的能量转换成电能并在需要所述电能时将所述电能重新引入电网，而且能够从外部能量源(例如：回收热/whr、太阳能、氢(h2)、生物质、废物、化石燃料)产生电能。
3.更详细地，本发明涉及通过热力学循环和/或循环热力学转换的致动，从各种源产生电能并以势能(压力)和热/热力学能的形式存储这些电能的系统。
4.本发明涉及用于陆地和海洋应用两者的中大型规模的从各种源产生能量并存储能量的系统的领域，该系统通常具有从数百kw至数十mw(例如20mw至25mw)、但也可以是数百mw的范围内的功率，并且具有从数百kwh至数百mwh并且甚至达若干gwh的范围内的存储容量。
5.本发明还可以涉及用于家用和商业应用、陆地和海洋两者的小规模的从各种源产生能量并存储能量的系统的领域，该系统通常具有从数kw至数百kw的范围内的功率并且具有从数kwh至数百kwh的范围内的存储容量。
6.定义
7.在本说明书和所附权利要求书中，将参照以下定义。
8.·
热力学循环(tc)：从点x至点y的热力学转换，其中，x与y重合；与下面提及的ctt(循环热力学转换)不同，tc在循环内没有质量积聚(对于能量目的而言意义重大)，而ctt通常在两个工作流体存储器、即一个初始工作流体存储器与另一个最终工作流体存储器之间工作；
9.·
循环热力学转换(ctt)：从点x至点y以及从点y至点x的热力学转换，不一定通过相同的中间点；
10.·
闭合式tc和/或ctt：与大气没有质量交换(对于能量目的而言意义重大)；
11.·
开放式tc和/或ctt：与大气有质量交换(对于能量目的而言意义重大)。


背景技术：

12.近来，由于从可再生能源并且特别是从风力和光伏能源生产能量的系统——这些系统的特点在于生产可变性和不可预测性——日益普及，因此电能存储系统已经变得越来越重要。
13.与上述需要一起，还越来越需要在没有“能量存储”的情况下从非常规和非可编程源、比如说例如从热力学太阳能源产生和回收能量的系统。
14.同一申请人名下的公开文献wo/2020/039416说明了一种能量存储设备以及方法。该设备包括：壳体，该壳体用于存储非大气空气的处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体；容器，该容器用于存储具有接近临界温度的温度、处于液相或超临界相的这样的工
作流体，其中，所述临界温度接近环境温度。该设备配置成在壳体与容器之间首先以充注配置沿一个方向并且然后以排放配置沿相反的方向执行闭合式循环热力学转换。在充注配置中设备存储热和压力，并且在排放配置中设备产生能量。


技术实现要素：

15.申请人已经观察到的是，wo/2020/039416中描述的方法和设备可以被进一步改进、特别地关于该方法和设备的灵活性被进一步改进。
16.申请人还已经观察到的是，该方法可以被改进达到集成和构成用于从不可编程的源和从其他源产生机械能/电能的系统。
17.申请人特别感觉到需要制造用于产生机械能/电能的系统，这些系统能够调节吸收和产生的能量、特别是以与能量输入不成比例的方式与电网交换的电能，从而获得原动机(或反之亦然，热泵)，该原动机能够输送与能量输入不成比例或更好地与这种输入成比例但随时间偏移的动力。
18.在这种情况下，申请人已经设定了构思和实现用于能量产生和存储的设备和方法的目的，其允许：暂时将机械/电输出从能量输入中释放和/或调节电网频率(超快速和初级调节两者)；执行快速斜坡操作、平衡操作等。
19.申请人已经发现的是，上述目的和其他目的可以通过下述能量存储系统达到：该能量存储系统通过如wo/2020/039416中所说明的工作流体的循环热力学变换(ctt)与由相同工作流体中的至少一部分工作流体进行的闭合式热力学循环(tc)组合来操作。
20.能量存储(ctt)系统在工作流体的呈两个独立的容器的存储器之间首先沿一个方向并且然后沿相反的方向操作，工作流体的一种状态(较低温度下的状态)是大气压的，但该工作流体不是由大气空气而是由与大气处于压力平衡的另一种气体构成。所述系统的特征还在于：该系统存储能量，从而在温度接近临界温度的情况下(例如，小于以开尔文为单位的临界温度的1.2倍、优选地在0.5倍与1.2倍之间)将工作流体从初始的气态/蒸汽状态转变为最终的液态或超临界状态。其特征还在于：所述临界温度优选地离环境温度不远，优选地接近环境温度(优选地在0℃与200℃之间，更优选地在0℃与100℃之间)。
21.闭合式热力学循环(tc)可以是亚临界、超临界或跨临界的，并且利用能量存储(ctt)系统的相同机器致动，这些机器作为原动机(或作为热泵)工作。总体而言，因此该系统是混合的并且既作为电池(能量存储器ctt)工作也作为原动机/热泵(tc)工作。
22.工作流体优选地为二氧化碳(co2)，但是为了改善系统的性能，也与系统操作的特定环境条件有关，可以使用co2和其他物质的混合物，以便校正流体的临界温度tc。可以以始终是纯的或与其他物质混合的方式使用其他流体，比如sf6、n2o等。在提出的系统中，存在从压缩机的输送中回收的热的存储器。当系统可能利用不同的调节策略在亚临界和超临界条件下操作时，高压容器和低压容器两者均在恒定压力下工作，或者在任何情况下均在某些明确限定的范围内调节的压力下工作。
23.特别地，上述目的和其他目的基本上通过所附权利要求中要求保护的和/或在以下方面中描述的类型的用于能量产生和存储的设备和方法来实现。
24.在独立方面，本发明涉及一种能量产生和存储设备。
25.优选地，该设备包括：工作流体，该工作流体非大气空气；壳体，该壳体构造成存储
处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体；容器，该容器构造成存储在接近临界温度的温度下处于液相或超临界相的所述工作流体。
26.优选地，所述临界温度接近环境温度、优选地在0℃与100℃之间。
27.优选地，设备配置成在所述壳体与所述容器之间首先以充注配置沿一个方向并且然后以排放配置沿相反的方向执行闭合式循环热力学转换(ctt)；其中，设备在充注配置中存储热和压力，并且设备在排放配置中产生能量。
28.优选地，设备还配置成限定/界定闭合回路并且配置成在所述闭合回路中利用所述工作流体中的一部分工作流体执行闭合式热力学循环(tc)。
29.优选地，设备还配置成在所述设备处于充注配置或排放配置的同时执行闭合式热力学循环(tc)。
30.在独立方面，本发明涉及一种用于能量产生和存储的方法。
31.可选地，这样的方法利用根据前述方面和/或根据以下方面中的至少一个方面的设备来执行。
32.优选地，该方法包括：在壳体与容器之间首先以充注配置/阶段沿一个方向并且然后以排放配置/阶段沿相反的方向执行闭合式循环热力学转换(ctt)，该壳体用于存储非大气空气的处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体，该容器用于存储在接近临界温度的温度下处于液相或超临界相的所述工作流体。该方法在充注阶段积聚热和压力，并且该方法在排放阶段产生能量。
33.优选地，所述临界温度接近环境温度、优选地在0℃与100℃之间。
34.优选地，该方法包括：利用所述工作流体中的至少一部分工作流体执行闭合式热力学循环(tc)。
35.优选地，闭合式热力学循环(tc)是布雷登循环。
36.优选地，闭合式热力学循环(tc)与充注阶段或与排放阶段同时致动。
37.在一个方面，闭合式热力学循环(tc)在不积聚并且不释放的情况下操作，即，在高压力和低压力下工作流体从存储器(容器和壳体)和朝向存储器的净流量可以忽略或为零的情况下操作。
38.在一个方面，闭合式热力学循环(tc)是原动机的闭合式热力学循环，并且产生电能和/或机械能，可选地在不积聚或排放附加的能量的情况下产生电能和/或机械能。
39.在不同的方面，闭合式热力学循环(tc)是热泵的闭合式热力学循环，并且产生和释放热，可选地在不积聚或排放附加的能量的情况下产生和释放热。
40.申请人已经证实的是，根据本发明的设备和方法允许获得预先设定的目标。
41.特别地，申请人已经证实的是，本发明允许以灵活且有效的方式对吸收和存储、返回和产生的能量进行管理。
42.例如，本发明允许调节电网频率；执行快速斜坡、快速备用单元或快速控制备用、初级备用、平衡等操作。
43.例如，假设在容器9中积聚了一定量的工作流体，并且假设具有20mw热的附加的热能(由从附加的热源接收热的另一热交换器给出)并具有25％效率的闭合式热力学循环(tc)，表示循环的净电能等于5mwe(13mwe的涡轮机和8mwe的压缩机的结果，从由涡轮机产生的13mwe减去压缩机的8mwe)。在需要的情况下，可以关闭压缩机3或在任何情况下将压缩
机3安置于最低吸收状态，并且因此通过利用存储在容器9中的工作流体给予快速备用单元13mw服务。
44.申请人还证实的是，本发明允许在没有特定地理地貌特征的地方、同样对于海洋/近海应用以安全的方式和低环境影响操作能量存储。申请人还证实的是，本发明允许获得高rte。
45.下面列出了本发明的各方面。
46.在一个方面，工作流体具有包括在0℃与200℃之间的临界温度。
47.在一个方面，工作流体具有在25℃时在0.5kg/m3至10kg/m3之间的密度。
48.在一个方面，工作流体选自包括以下各者的组：co2、sf6、n2o。
49.在一个方面，该设备包括彼此机械连接的压缩机和马达。
50.在一个方面，该设备包括彼此机械连接的涡轮机和发电机和/或从动机(不同于发电机)。
51.在一个方面，马达和发电机是单个马达发电机。
52.在一个方面，置于马达发电机与涡轮机之间以及马达发电机与压缩机之间的例如摩擦类型的连接装置配置成用于根据命令将涡轮机和/或压缩机连接至马达发电机或将涡轮机和/或压缩机与马达发电机断开连接。
53.在一个方面，该设备包括所述壳体，所述壳体在外部与大气接触并且在其内部界定构造成容纳处于大气压或基本大气压的工作流体的容积部，其中，所述容积部选择性地与压缩机的入口或与涡轮机的出口流体连通。
54.在一个方面，初级热交换器选择性地与压缩机的出口或与涡轮机的入口流体连通。
55.在一个方面，该设备包括所述容器，所述容器与初级热交换器流体连通以积聚工作流体。
56.在一个方面，次级热交换器在初级热交换器与容器之间操作性地作用或者在所述容器中操作地作用。
57.在一个方面，附加的热交换器操作性地置于壳体与压缩机之间和/或壳体与涡轮机之间。
58.在一个方面，另一热交换器操作性地置于涡轮机与初级热交换器之间。
59.在一个方面，另一热交换器与附加的热源操作性地相关联。
60.在一个方面，如果闭合式热力学循环(tc)是原动机的闭合式热力学循环，则附加的热源通过另一热交换器向工作流体提供热。
61.在一个方面，另一热交换器与热使用者操作性地相关联。
62.在一个方面，如果闭合式热力学循环(tc)是热泵的闭合式热力学循环，则连着工作流体的另一热交换器将热传递给热使用者。
63.在一个方面，该设备配置成在充注配置或排放配置中操作。
64.在一个方面，该设备配置成限定闭合回路并执行闭合式热力学循环(tc)。
65.在一个方面，在充注配置中，壳体与压缩机的入口流体连通，并且初级热交换器与压缩机的出口流体连通。
66.在一个方面，在充注配置中，涡轮机是静止的或者涡轮机是活动的，以便执行闭合
式热力学循环(tc)。
67.在一个方面，在充注配置中，涡轮机通过有最少的流体。
68.在一个方面，在充注配置中，马达操作并驱动压缩机来压缩来自壳体的工作流体。
69.在一个方面，在充注配置中，初级热交换器作为冷却器工作以从被压缩的工作流体中移除热，使被压缩的工作流体冷却并存储热能。
70.在一个方面，在充注配置中，次级热交换器作为冷却器工作以从被压缩的工作流体中移除更多的热并存储更多的热能。
71.在一个方面，在充注配置中，容器接收并存储被压缩且冷却的工作流体，其中，存储在容器中的工作流体具有接近其临界温度的温度。
72.在一个方面，在排放配置中，壳体与涡轮机的出口流体连通，并且初级热交换器与涡轮机的入口流体连通。
73.在一个方面，在排放配置中，压缩机是静止的或者压缩机是活动的，以便执行闭合式热力学循环(tc)。
74.在一个方面，在排放配置中，压缩机处于旋转中(连接至马达/发电机)，但处于流体再循环配置中，以重新吸收最小能量。
75.在一个方面，在排放配置和/或充注配置中和/或在执行闭合式热力学循环(tc)期间，所有旋转机器(涡轮机、压缩机、马达、发电机、马达发电机)都在旋转。
76.在一个方面，旋转中的旋转机器都与电网同步。
77.申请人已经证实的是，将机器(一个或多个涡轮机和/或一个或多个压缩机)设置成独立于闭合式热力学循环(tc)也旋转，允许在甚至小于1秒的时间内非常迅速地从充注阶段转到排放阶段，并且另外，机器连接至电网的事实允许提供电网惯性，从而允许销售超快速调节服务。
78.在一个方面，在排放配置中，次级热交换器作为加热器工作以向来自容器的工作流体释放热。
79.在一个方面，在排放配置中，初级热交换器作为加热器工作以向工作流体释放更多的热并对其进行加热。
80.在一个方面，在排放配置中，涡轮机通过被加热的工作流体旋转，并且驱动发电机和/或从动机，从而产生能量。
81.在一个方面，在排放配置中，工作流体在大气压或基本上大气压下返回到壳体中。
82.在一个方面，闭合回路包括或通过：压缩机、另一热交换器、涡轮机和附加的热交换器。
83.在一个方面，在所述闭合回路中，压缩机的出口与另一热交换器流体连通，涡轮机的出口与压缩机的入口流体连接，并且所述附加的热交换器操作性地置于涡轮机的出口与压缩机的入口之间。
84.在一个方面，充注阶段包括：在压缩机中压缩来自所述壳体的所述工作流体从而吸收能量，所述壳体在外部与大气接触并且在其内部界定构造成容纳处于大气压或基本大气压下的工作流体的容积部。
85.在一个方面，充注阶段包括：将被压缩的工作流体引入穿过串联安置的初级热交换器和次级热交换器，以使工作流体的温度接近其临界温度；其中，初级热交换器作为冷却
器工作以从被压缩的工作流体中移除热、使被压缩的工作流体冷却并且存储热能，其中，次级热交换器作为冷却器工作以从被压缩的工作流体中移除更多的热并且存储更多的热能。
86.在一个方面，充注阶段包括：将被冷却的工作流体存储在所述容器中；其中，次级热交换器和初级热交换器执行工作流体的超临界转换，使得所述工作流体以超临界相积聚在容器中，或者其中，次级热交换器和初级热交换器执行工作流体的亚临界转换，使得所述工作流体以液相积聚在容器中。
87.在一个方面，存储在容器中的工作流体的温度包括在0℃与100℃之间。
88.在一个方面，储存在容器中的工作流体的压力包括在10巴与150巴之间。
89.在一个方面，排放阶段包括：使来自容器的工作流体通过次级热交换器和初级热交换器；其中，次级热交换器作为加热器工作以向来自容器的工作流体释放热，其中，初级热交换器作为加热器工作以向工作流体释放更多的热并且对工作流体进行加热。
90.在一个方面，排放阶段包括：使被加热的工作流体通过涡轮机，其中，涡轮机通过被加热的工作流体而旋转并且驱动发电机和/或从动机，从而产生能量，其中，工作流体在涡轮机中膨胀和冷却。
91.在一个方面，排放阶段包括：将来自涡轮机的工作流体在大气压或基本大气压下重新引入到壳体中。
92.在一个方面，闭合式热力学循环(tc)包括：在压缩机中对所述工作流体中的至少一部分工作流体进行压缩。
93.在一个方面，闭合式热力学循环(tc)包括：使所述工作流体中的所述至少一部分工作流体通过与附加的热源操作性地相关联的另一热交换器，并且进一步加热所述工作流体中的所述至少一部分工作流体。
94.在一个方面，闭合式热力学循环(tc)包括：通过涡轮机使加热的所述工作流体中的所述至少一部分工作流体膨胀，其中，涡轮机通过被加热的工作流体而旋转并且驱动发电机和/或从动机，从而产生能量，其中，工作流体在涡轮机中膨胀和冷却。
95.在一个方面，闭合式热力学循环(tc)包括：在附加的热交换器中冷却所述工作流体中的所述至少一部分工作流体，并且将所述工作流体中的所述至少一部分工作流体重新引入到压缩机中。
96.在一个方面，工作流体中的根据闭合式热力学循环(tc)操作的一部分工作流体包括在所述工作流体的0％与100％之间。
97.在一个方面，工作流体中的根据闭合式热力学循环(tc)操作的一部分工作流体包括在所述工作流体的20％与30％之间。
98.在一个方面，工作流体中的积聚在容器或壳体中的其余部分工作流体包括在所述工作流体的100％与0％之间。
99.在一个方面，工作流体中的积聚在容器或壳体中的其余部分工作流体包括在所述工作流体的80％与70％之间。
100.在一个方面，设置有第一旁路导管。
101.在一个方面，第一旁路导管包括相应的第一阀。
102.在一个方面，第一旁路导管构造成将压缩机的出口与另一热交换器连接，并且绕过第一热交换器和容器。
103.在一个方面，设置有第二旁路导管。
104.在一个方面，第二旁路导管包括相应的第二阀。
105.在一个方面，第二旁路导管构造成将涡轮机的出口与压缩机的入口连接，并且绕过壳体。
106.在一个方面，设置有从壳体延伸到容器的输送管和从容器延伸到壳体的返回管。
107.在一个方面，第一旁路导管将输送管与返回管在第一热交换器附近连接。
108.在一个方面，第二旁路导管将输送管与返回管在壳体附近连接。
109.在一个方面，第一阀和第二阀可以被节流以调节闭合式热力学循环(tc)中的工作流体的流量。
110.在一个方面，初级热交换器是热存储器(热能存储器-tes)或与热存储器(热能存储器-tes)操作性地相关联。
111.在一个方面，输送管包括在壳体与压缩机的入口之间延伸的第一部段。
112.在一个方面，输送管包括在压缩机的出口与初级热交换器之间延伸的第二部段。
113.在一个方面，输送管包括在初级热交换器与次级热交换器之间延伸的第三部段。
114.在一个方面，返回管包括在次级热交换器与初级热交换器之间延伸的第一部段。
115.在一个方面，返回管包括在初级热交换器与涡轮机的入口之间延伸的第二部段。
116.在一个方面，返回管包括在涡轮机的出口与壳体之间延伸的第三部段。
117.在一个方面，输送管的第二部段和返回管的第二部段彼此连接并且连接至位于初级交换器的一个侧部上的单个管。
118.输送管的第三部段和返回管的第一部段彼此连接并且连接至初级交换器的一个侧部上的单个管。
119.在一个方面，所述单个管或多个管通过初级热交换器，单个管或多个管在设备处于充注配置/阶段时执行输送功能，并且在设备处于排放配置/阶段时执行返回功能。
120.在一个方面，至少一个阀操作性地位于输送管的第一部段和/或返回管的第三部段上，以交替地将壳体与压缩机或将涡轮机与壳体安置成流体连通。
121.在一个方面，至少一个阀操作性地位于输送管的第二部段或第三部段上和/或返回管的第二部段或第一部段上，以替代性地将压缩机与初级热交换器和容器或将初级热交换器和容器与涡轮机安置成流体连通。
122.在一个方面，附加的热交换器操作性地联接至输送管的第一部段和/或返回管的第三部段。
123.在一个方面，另一热交换器操作性地联接至返回管的第二部段。
124.在一个方面，闭合式热力学循环(tc)是恢复性的。
125.在一个方面，回热器在初级热交换器与另一热交换器之间以及在涡轮机的出口与附加的热交换器之间操作性地作用。
126.在一个方面，回热器操作性地联接至返回管的第二部段和第三部段。
127.在一个方面，附加的热源是：太阳能源(例如太阳能场)和/或工业回收的余热(废热回收)和/或燃气涡轮机的余热(gt)和/或来自燃料锅炉的热。
128.在一个方面，附加的热源是顶热力学循环。换句话说，闭合式热力学循环(tc)是组合系统/循环(顶+底)的底热力学循环。
129.在一个方面，涡轮机是多级和中间加热的。
130.在一个方面，膨胀是中间加热的。
131.在一个方面，另一热交换器与涡轮机的至少一个级流体连接，以对所述涡轮机进行中间加热。
132.在一个方面，中间热回路将涡轮机与另一热交换器连接。
133.在一个方面，另一热交换器提供对涡轮机的中间加热。
134.在一个方面，以大约一半的膨胀来执行中间加热。
135.在一个方面，压缩机是多级且中间冷却的。
136.在一个方面，设置了在充注阶段和/或在闭合式热力学循环(tc)中执行多个中间冷却。
137.在一个方面，初级热交换器是具有固定或可移动床的热再生器或者包括具有固定或可移动床的热再生器。
138.在一个方面，壳体能够变形。
139.在一个方面，壳体具有气量计的结构。
140.在一个方面，壳体是压力球囊。
141.在一个方面，壳体由柔性材料制成，优选地由塑料、例如由pvc涂覆的聚酯织物制成。
142.在一个方面，工作流体在压缩机中的压缩是中间冷却的。
143.在一个方面，容器是球形的或基本球形的。
144.在一个方面，容器是筒形的或基本筒形的。
145.在一个方面，容器的外壁由金属制成。
146.在一个方面，存储在容器中的工作流体的温度包括在0℃与100℃之间。
147.在一个方面，存储在容器中的工作流体的压力包括在10巴与150巴之间，优选地在10巴与150巴之间、优选地在50巴与100巴之间、优选地在60巴与85巴之间。
148.在一个方面，工作流体在被容纳在容器中时的密度与相同的工作流体在被容纳在壳体中时的密度之间的比率包括在200与500之间。
149.在一个方面，次级热交换器和初级热交换器构造成用于操作工作流体的超临界转换，使得所述工作流体以超临界相积聚在容器中。
150.在一个方面，设置了在初级交换器中从工作流体中移除热，直至使工作流体在t-s图中达到高于临界温度的温度并且在安德鲁斯曲线以上。
151.在一个方面，设置了在次级热交换器中从工作流体中移除热，使工作流体进入超临界相并且使工作流体遵循安德鲁斯曲线的右侧部分。
152.在一个方面，次级热交换器和初级热交换器构造成用于操作工作流体的亚临界转换，使得所述工作流体以液相积聚在容器中。
153.在一个方面，设置了在初级交换器中从工作流体中移除热，直至使工作流体在t-s图中达到低于临界温度的温度并且处于安德鲁斯曲线的左侧部分的点处。
154.在一个方面，设置了在次级热交换器中通过使工作流体横穿饱和蒸汽区而从工作流体中移除热并直至使其达到液相。
155.在一个方面，闭合式热力学循环(tc)具有较高压力，其中，所述较高压力低于循环
热力学转换(ctt)在充注配置/阶段中的最大压力。
156.在一个方面，闭合式热力学循环(tc)具有较低压力，其中，所述较低压力高于循环热力学转换(ctt)在排放配置/阶段中的最小压力。
157.在一个方面，闭合式热力学循环(tc)的较低压力高于大气压。
158.换句话说，闭合式热力学循环(tc)具有两个压力，一个压力较高并且一个压力较低，两个压力可以分别与循环热力学转换(ctt)的开始和结束时的压力一致或者他们可以分别不同于循环热力学转换(ctt)的开始和结束时的压力。
159.在一个方面，设置了位于初级热交换器与次级热交换器之间的附加的初级热交换器。
160.在一个方面，设置了位于初级热交换器与次级热交换器之间的附加的压缩机。
161.在一个方面，设置了位于初级热交换器与次级热交换器之间的附加的涡轮机。
162.在一个方面，在充注配置/阶段中，初级热交换器与附加的压缩机的入口流体连通，而附加的压缩机的出口与附加的初级热交换器流体连通。
163.在一个方面，在排放配置/阶段中，附加的初级热交换器与附加的涡轮机的入口流体连通，而附加的涡轮机的出口与初级热交换器流体连通。
164.在一个方面，在充注配置/阶段中，设置了在压缩机和附加的压缩机中压缩所述工作流体。
165.在一个方面，在排放配置/阶段中，设置了在涡轮机和附加的涡轮机中使工作流体膨胀。
166.在一个方面，在充注配置/阶段中，设置了通过初级热交换器、附加的初级热交换器和次级热交换器引入被压缩的工作流体。
167.在一个方面，在排放配置/阶段中，设置了通过次级热交换器、附加的初级热交换器和初级热交换器引入来自容器的工作流体。
168.在一个方面，闭合回路包括或通过：压缩机、另一热交换器、涡轮机和附加的热交换器。
169.在一个方面，附加的压缩机和附加的涡轮机不是闭合回路和/或闭合式热力学循环(tc)的一部分。
170.在一个方面，设置了通过泵来增加排放配置/阶段中的压力。
171.在一个方面，泵在返回管上操作性地作用并且配置成用于增加排放配置/阶段中的压力。
172.在一个方面，泵位于容器的下游，可选地在次级热交换器与初级热交换器之间。
173.通过对根据本发明的用于能量产生和存储的设备和方法的优选但非排他性的实施方式的详细描述，其他特征和优点将变得更加清楚。
附图说明
174.这样的描述将在下文中参照附图进行阐述，附图仅作为非限制性示例提供，在附图中：
175.■
图1示意性地图示了根据本发明的处于操作配置的能量产生和存储设备的实施方式；
176.■
图2是关于图1的操作配置的t-s图；
177.■
图3图示了处于不同操作配置的图1的设备；
178.■
图4是关于图3的操作配置的t-s图；
179.■
图5图示了根据本发明的能量存储设备的实施方式变型；
180.■
图6、图8和图10图示了处于相应的操作配置的设备的不同实施方式变型；
181.■
图7、图9和图11是关于图6、图7和图8的操作配置的t-s图；
182.■
图12图示了根据本发明的能量存储设备的另一实施方式变型；
183.■
图13图示了关于本发明的另一t-s图；
184.■
图14图示了根据本发明的能量存储设备的另一实施方式变型；
185.■
图15图示了图3的设备的变型；
186.■
图16是关于图15的操作配置的t-s图。
具体实施方式
187.参照附图，附图标记1总体上指示根据本发明的能量产生和存储设备。
188.例如，设备1使用不同于大气空气的工作流体进行操作。
189.例如，设备1使用选自包括以下各者的组的工作流体进行操作：二氧化碳co2、六氟化硫sf6、一氧化二氮n2o。在以下描述中，与所描述的设备1结合使用的工作流体是二氧化碳co2。
190.设备1配置成首先以充注配置/阶段沿一个方向并且然后以排放配置/阶段沿相反的方向执行闭合式循环热力学转换(ctt)，其中，在充注配置中设备1存储热和压力并且在排放配置中设备产生电能和/或机械能。
191.设备1还配置成限定/界定闭合回路并且在所述设备1也处于充注配置中或处于排放配置中的同时在所述闭合回路中利用相同的工作流体中的至少一部分工作流体来执行闭合式热力学循环(tc)。
192.参照图1，设备1包括涡轮机2和压缩机3。压缩机3示意性地图示为包括三个级。压缩机3连接至马达4a。涡轮机2机械地连接至发电机4b并且连接至从动机300，该从动机300在图1中示意性地表示并且不同于发电机。涡轮机2借助于传动装置、例如借助于例如摩擦类型的连接装置机械地连接至发电机4b和从动机300，所述连接装置允许根据命令将涡轮机2与发电机4和/或与从动机连接及断开连接。
193.设备1包括壳体5，该壳体5优选地通过由柔性材料制成的、例如由pvc涂覆的聚酯织物制成的压力球囊限定。压力球囊布置在表面并且在外部与大气空气接触。压力球囊在其内部界定构造成容纳处于大气压或基本大气压、即与大气处于压力平衡的工作流体的容积部。壳体5还可以制成气量计或用于处于低过压或零过压的气体的任何其他存储系统。
194.在壳体5与压缩机3的入口3a之间延伸有输送管的第一部段6a。在壳体5与涡轮机2的出口2b之间延伸有返回管的第三部段6b，以将壳体5的内部容积部与所述压缩机3和所述涡轮机2安置成流体连通。阀或阀系统操作性地位于这样的部段6a、6b上，以交替地将壳体5与压缩机3的入口3a或将涡轮机2的出口2b与壳体5安置成流体连通。
195.设备1包括初级热交换器7，该初级热交换器7可以选择性地安置成与压缩机3的出口3b或与涡轮机2的入口2a流体连通。
196.为此目的，在压缩机3的出口3b与初级热交换器7之间延伸有输送管的第二部段8a。在初级热交换器7与涡轮机2的入口2a之间延伸有返回管的第二部段8b。阀或阀系统操作性地位于部段8a、8b上，以交替地将初级热交换器7与涡轮机2的入口2a或将压缩机3的出口3b与初级热交换器7安置成流体连通。
197.容器9与初级热交换器7流体连通，并且容器9构造成积聚处于液相或超临界相的工作流体。容器9优选地由金属制成为具有筒形或球形形状的外壁。
198.次级热交换器10在初级热交换器7与容器9之间或在所述容器9中操作性地作用，并且次级热交换器10构造成对存储的工作流体进行操作或者在容器9中在充注阶段中操作。
199.根据图1的实施方式中所示出的，在下述意义上，次级热交换器10集成在容器9中：次级热交换器10具有其热交换部分11，该热交换部分11容置在容器9内并且构造成被容纳在所述容器9中的工作流体冲击。
200.在初级热交换器7与容器9之间延伸有输送管的第三部段12a和返回管的第一部段12b，以将所述初级热交换器7与所述容器9和所述次级热交换器10安置成流体连通。
201.阀或阀系统操作性地位于部段12a、12b上，以交替地将压缩机3与初级热交换器7和容器9或者将初级热交换器7和容器9与涡轮机2安置成流体连通。
202.设备1还包括附加的热交换器13和另一热交换器220，附加的热交换器13操作性地置于涡轮机2与壳体5之间，另一热交换器220从附加的热源230接收热。另一热交换器220位于输送管的在涡轮机2的入口2a与初级热交换器7之间的第二部段8b上。作为非限制性示例，附加的热源230是太阳能源(例如太阳能场)、工业回收的余热(废热回收)、燃气涡轮机余热等。
203.设备1的输送管包括相应的第一部段6a、第二部段8a和第三部段12a。因此，返回管包括相应的第一部段12b、第二部段8b和第三部段6b。
204.第一旁通导管310构造成将压缩机3的出口与另一热交换器220连接并绕过第一热交换器7和容器9。第一旁通导管310将输送管的第二部段8a与返回管的第二部段8b连接，并且设置有相应的第一阀311。
205.第二旁通导管320构造成将涡轮机2的出口2b与压缩机3的入口3a连接，并且绕过壳体5。第二旁通导管320将输送管的第一部段6a与返回管的第三部段6b连接，并且设置有相应的第二阀321。
206.第一旁通导管310和第二旁通导管320能够界定包括压缩机3、涡轮机2、附加的热交换器13和另一热交换器220的闭合回路。
207.设备1还包括未图示的控制单元，该控制单元操作性地连接至设备1本身的不同元件，并且被配置/编程成管理设备1的不同元件的操作。
208.设备1配置成在充注配置中或在排放配置中操作，即为了执行包括能量充注阶段和能量排放及产生阶段的方法。
209.设备1还配置成在闭合回路中执行闭合式热力学循环(tc)，例如布雷登循环。
210.图1中图示的配置是与闭合式热力学循环(tc)同时的充注配置/阶段。
211.设备1从第一状态(图2中t-s图的点a)开始，在第一状态下，呈气态形式的工作流体(co2)在大气压或基本大气压下并且在基本等于环境温度的温度下全部容纳在壳体5中。
壳体5通过阀系统被安置成与压缩机3的入口3a连通。此外，通过阀系统，初级热交换器7被安置成与压缩机3的出口3b流体连通。马达4驱动压缩机3以压缩来自壳体5的工作流体。工作流体在压缩机3中通过中间冷却压缩被压缩并被加热(从图2的t-s图的a到b)。
212.通过对阀进行控制，工作流体中的一部分工作流体(例如70％)被朝向初级热交换器7引导，而另一部分(例如30％)流动通过第一旁路导管310并朝向另一热交换器220流动。
213.初级热交换器7作为冷却器工作以从压缩的工作流体中移除热，对压缩的工作流体进行冷却(图2的t-s图中的点c)，并且存储从所述工作流体中移除的热能。在点c处，发现工作流体处于低于所述流体的临界温度的温度，并且在略微过热的情况下处于安德鲁斯曲线的右侧或曲线略微外侧的点处。上述压缩可以是绝热的、中间冷却的或等温的。
214.在未详细图示的实施方式变型中，设置了在初级交换器7中从工作流体中移除热，直至使工作流体在t-s图中达到高于临界温度的温度并且在安德鲁斯曲线以上。
215.工作流体进入容器9，在容器9中，在该配置中作为冷却器工作的次级热交换器10从工作流体中移除更多的热并且存储更多的热能。工作流体横穿饱和蒸汽区直至其达到液相(图2的t-s图中的点d)为止。因此，容器9存储在低于工作流体的临界温度tc的温度下处于液相的工作流体。在该第二状态下，例如在20℃下呈液体形式的工作流体(co2，tc＝31℃)全部被容纳在容器9中。因此，次级热交换器10和初级热交换器9构造成操作工作流体的亚临界转换，使得所述工作流体以液相积聚在容器9中。
216.在未详细图示的实施方式变型中，设置了在次级热交换器10中从工作流体中移除热，从而使工作流体进入超临界相并且使工作流体遵循安德鲁斯曲线的右侧部分。
217.工作流体的根据闭合式热力学循环(tc)操作的一部分工作流体(30％)在另一热交换器220中被加热(直到图2的t-s图的点e)，然后进入涡轮机2，该部分工作流体在涡轮机2中膨胀和冷却(直到图2的t-s图的点f)。涡轮机2通过发电机4b将工作流体的能量转换为电能和/或在从动机300中将其转换为机械能。然后，工作流体中的该部分工作流体在附加的热交换器13中被冷却(并被带回图2的t-s图的点a)，横穿第二旁路导管320并被重新引入到压缩机3中，以便重新启动闭合式热力学循环(tc)。
218.在图1和图3中所示的实施方式中，附加的热交换器13安置在返回管的第三部段6b上，并且然后在闭合式热力学循环(tc)中工作，但该附加的热交换器13不对在充注配置/阶段中存储的工作流体进行操作。
219.当充注阶段已经结束并且工作流体的70％积聚在容器9中时，由于提供给附加的热源230的热，具有剩余30％工作流体的闭合式热力学循环(tc)仍然可以继续进行。
220.图3中所示的配置是与闭合式热力学循环(tc)同时的排放配置/阶段。
221.设备1从第二状态(图4的t-s图的点g)开始。壳体5通过阀系统被安置成与涡轮机2的出口2b连通。此外，通过阀系统，初级热交换器7被安置成与涡轮机2的入口2a流体连通。
222.次级热交换器10作为加热器工作并且将先前在充注配置中存储的热中的一部分热传递至容器9中的工作流体。工作流体横穿饱和蒸汽区直到达到蒸汽相(图4的t-s图中的h点)。工作流体横穿初级热交换器7，该初级热交换器7现在作为加热器工作并且将先前在充注配置中存储的其他热转移至工作流体并且加热工作流体(图4的t-s图的点i)。
223.然后，工作流体横穿另一热交换器220(其从附加的热源230接收热)，并且进一步被加热(直到图4的t-s图的点l)。
224.被加热的工作流体进入涡轮机2，被加热的工作流体膨胀并冷却(图4中的t-s图的点m)，并且确定涡轮机2的旋转。联接至涡轮机2的发电机4b和从动机300通过由工作流体在膨胀下驱动的涡轮机2旋转。工作流体在涡轮机中的膨胀可以是绝热的、中间加热的或等温的。
225.从涡轮机2离开的工作流体在附加的热交换器13中被冷却(图4的t-s图的点n)。附加的热交换器13(安置在返回管的第三部段6b上)在闭合式热力学循环(tc)中工作，并且还对在排放配置/阶段中被排放的工作流体进行操作。在未详细示出的另一实施方式变型中，可以设置的是，附加的热交换器13安置在输送管的第一部段6a上或安置在输送管的第一部段6a和/或返回管的第三部段6b两者上。
226.此时，通过对阀进行控制，工作流体中的一部分工作流体(例如70％)被朝向壳体5引导，并且在大气压或基本大气压下返回壳体5中。另一部分(例如30％)流动通过第二旁路导管320，并且再次被发送到压缩机2，并且然后通过第一旁路导管310，以便重新执行闭合式热力学循环(tc)。
227.当排放阶段结束并且工作流体的70％积聚在壳体5中时，由于供应给附加的热源230的热，具有剩余30％工作流体的闭合式热力学循环(tc)仍然可以继续进行。
228.例如，存储在容器9中的工作流体(co2)的温度为24℃，并且存储在容器9中的工作流体的压力为65巴。co2在25℃下并且在大气压下的密度为约1.8kg/m3。容器9中的co2的密度为约730kg/m3。因此，工作流体在其以上示条件容纳在容器9中时的密度与同一工作流体在其以大气条件容纳在壳体5中时的密度之间的比率为约400。在这个问题上，可以观察到如果使用在65巴和24℃下存储在容器9中的大气空气代替co2，则其密度将仅为78kg/m3，并且容器9的理论上所需的容积将为约十倍以上。
229.初级热交换器7可以是具有固定床的热再生器，该热再生器包括例如由金属球构成的热质量件。在充注配置/阶段中，热质量件被热的且经压缩的工作流体冲击，热的且经压缩的工作流体将热传递至积聚热能的金属球。在排放配置/阶段，热质量件被冷的工作流体冲击，冷的工作流体从金属球吸收热并被加热。在未示出的变型中，热再生器也可以是具有可移动床的类型。因此，初级热交换器7是热存储器(热能存储器tes)。代替具有固定床的热再生器，可以存在其他类型的热再生器、比如在同一申请人名下的公开文献wo/2020/039416中说明的那些类型。
230.此外，例如在同一申请人名下的公开文献wo/2020/039416中说明了不同类型的次级热交换器10。
231.图5图示了设备1的变型。此处，能够看到与图1共用的主要元件，即涡轮机2、压缩机3、马达4a、发电机4b、从动机300、壳体5、初级热交换器7(热存储器tes)、容器9、次级热交换器10、另一热交换器220、附加的热交换器13。
232.在这样的变型中，次级热交换器10置于初级热交换器7与容器9之间，即次级热交换器10没有集成在容器9中。次级热交换器10与输送管的第三部段12a以及与返回管的第一部段12b成直线排列。
233.图5中示出的次级热交换器10包括供次级流体比如水横穿的次级回路20。次级回路20具有热交换部分11，该热交换部分11被横穿输送管的第三部段12a和返回管的第一部段12b的工作流体冲击并且构造成与该工作流体进行热交换。
234.次级回路20包括次级存储室200，该次级存储室200用于在装置/方法的充注配置/阶段中在从工作流体中移除热之后积聚的热的次级流体以及用于在装置/方法的排放配置/阶段中在向工作流体转移热之后积聚的冷的次级流体。上述次级存储室200还联接至设置有一个或更多个风扇24的散热器23，散热器23安置在再循环管道上，散热器23例如在夜间冷却次级流体并且在白天加热次级流体。上述次级存储室200还通过相应的回路210连接至附加的热交换器13和联接至压缩机3的中间冷却器322。
235.设备1还包括回热器400，该回热器400在初级热交换器7与另一热交换器220之间以及在涡轮机2的出口与附加的热交换器13之间操作性地作用。因此，回热器400操作性地联接至返回管的第二部段8b和第三部段6b，并且允许致动恢复性闭合式热力学循环(tc)。
236.图6至图11图示了根据本发明的设备1和方法的其他变型。与图1至图4的设备1和方法不同，该变型的设备1允许用分别不同于循环热力学转换(ctt)在充注配置/阶段和排放配置/阶段中的最大压力和最小压力的较低压力和较高压力来致动闭合式热力学循环(tc)。特别地，较高压力低于循环热力学转换(ctt)在充注配置/阶段中的最大压力。较低压力高于循环热力学转换(ctt)在排放配置/阶段中的最小压力、优选地高于大气压。
237.为此目的，设备1包括附加的压缩机3’、附加的涡轮机2’和附加的初级热交换器7’。此外，马达4a和发电机4b由单个马达发电机4限定，该单个马达发电机4通过相应的传动装置连接至压缩机3、连接至附加的压缩机3’、连接至涡轮机2、连接至附加的涡轮机2’。例如摩擦类型的连接装置置于马达发电机4与涡轮机2和附加的涡轮机2’之间以及马达发电机4与压缩机3和附加的压缩机3’之间，并且配置成用于根据命令将这样的旋转机器连接至马达发电机4或将这样的旋转机器与马达发电机4断开连接。
238.附加的初级热交换器7’位于初级热交换器7与次级热交换器10之间，或者换句话说，在输送管的第三部段12a和返回管的第一部段12b上操作。此外，附加的初级热交换器7’可以是热存储器(热能存储器tes)。
239.附加的压缩机3’位于初级热交换器7与次级热交换器10之间，即，附加的压缩机3’在输送管的第三部段12a和返回管的第一部段12b上操作。初级热交换器7与附加的压缩机3’的入口3’a流体连通，而附加的压缩机3的出口3’b与附加的初级热交换器7’流体连通。
240.附加的涡轮机2’位于初级热交换器7与次级热交换器10之间，即附加的初级热交换器7’与附加的涡轮机2’的入口2’a流体连通，而附加的涡轮机2’的出口2’b与初级热交换器7流体连通。
241.在该实施方式中，仅一个管500或多个管通过初级热交换器7，一个管或多个管在设备1处于充注配置/阶段时执行输送功能并且在设备1处于排放配置/阶段时执行返回功能。输送管的第二部段8a和返回管的第二部段8b彼此连接，并且连接至位于初级交换器7的一个侧部上的单个管500。输送管的第三部段12a和返回管的第一部段12b彼此连接，并且连接至位于初级交换器7的另一侧部上的单个管500。此外，输送管的第一部段6a和返回管的第三部段6b连结在连接至壳体5的单个管道600中。
242.附加的热交换器13’位于所述单个管道600上。闭合回路由输送管的第一部段6a、输送管的第二部段8a、返回管的第二部段8b和返回管的第三部段6b限定。闭合回路包括或通过：压缩机3、另一热交换器220、涡轮机2和附加的热交换器13。
243.在充注配置/阶段中，设置了对压缩机3和附加的压缩机3’两者中的工作流体进行
压缩以及通过初级热交换器7、附加的初级热交换器7’和次级热交换器10引入压缩的工作流体(图8和图9)。
244.在排放配置/阶段中，设置了使工作流体在涡轮机2和附加的涡轮机2’中膨胀，并且通过次级热交换器10、附加的初级热交换器7’和初级热交换器7引入来自容器的工作流体(图10和图11)。
245.因此，附加的压缩机3’和附加的涡轮机2’不是闭合回路和/或闭合式热力学循环的一部分(tc，图6和图7)。
246.图12图示了与图5的变型类似的另一变型，但是，与图6至图11的设备一样，这种配置允许用分别不同于循环热力学转换(ctt)在充注配置/阶段和在排放配置/阶段中的最大压力和最小压力的较低压力和较高压力来致动闭合式热力学循环(tc)。图13中图示了与这样的转换相关的t-s图。与图5不同，辅助涡轮机2’安置在返回管的第一部段12b上，并且辅助压缩机3’安置在输送管的第三部段12a上。附加的初级热交换器7’在返回管的第一部段12b和输送管的第三部段12a上操作。
247.图14图示了另外的变型，其中，闭合式热力学循环(tc)是热泵的闭合式热力学循环。压缩机3不是中间冷却的，而涡轮机2是多级的并且具有多个中间加热(再加热)。所产生的热通过另外的热交换器220释放给用户。
248.图15图示了图3的设备在与闭合式热力学循环(tc)同时的排放配置/阶段中的变型。
249.关于参照图3描述的，图15的设备还包括泵25，该泵25布置在返回管的第一部段12b上，即在次级热交换器10与初级热交换器7之间。泵25的功能是通过从容器9抽出液体工作流体并以较高的压力、甚至超临界压力发送液体工作流体来增加排放配置/阶段中的压力(从g到g’，如图16中所示)，以便具有较大的膨胀梯度。以这种方式，增加了循环的比功，并且这允许在给定相同存储能量的情况下减小存储容器的尺寸。
250.图16的设备还图示了上述通过中间加热回路26(如图15中所示)在涡轮机2的级之间操作的中间加热。中间加热回路26将涡轮机2与另一热交换器220连接。在该实施方式中，在排放配置/阶段中，涡轮机2中在膨胀下的工作流体(在图16中从l’到l”，并且然后从l
’”
到m’)通过附加的热源230的热被加热(在图16中从l”到l
’”
)到大约一半的膨胀。中间加热(重新加热)到大约一半的膨胀用于增加循环内的比功。这还允许在给定相同存储能量的情况下减小存储容器的尺寸。
251.如在该实施方式中可以观察到的，在闭合式热力学循环(tc)中操作的流体部分也在排放配置/阶段中遵循t-s图的i-h-g路径(如图16中所示)。
252.在图中未示出的其他变型中，设备1可以替代性地包括泵25或中间加热回路26。
253.元件列表
254.1 能量存储设备
255.2 涡轮机
[0256]2’ꢀ
附加的涡轮机
[0257]
2a 涡轮机入口
[0258]
2b 涡轮机出口
[0259]
3 压缩机
[0260]3’ꢀ
附加的压缩机
[0261]
3a 压缩机入口
[0262]
3b 压缩机出口
[0263]
4 马达发电机
[0264]
4a 马达
[0265]
4b 发电机
[0266]
5 壳体
[0267]
6a 输送管第一部段
[0268]
6b 返回管第三部段
[0269]
7 初级热交换器
[0270]7’ꢀ
附加的初级热交换器
[0271]
8a 输送管第二部段
[0272]
8b 返回管第二部段
[0273]
9 容器
[0274]
10 次级热交换器
[0275]
11 次级热交换器的热交换部分
[0276]
12a 第三部段输送管
[0277]
12b 第一部段返回管
[0278]
13 附加的热交换器
[0279]
13
’ꢀ
附加的辅助热交换器
[0280]
20 次级回路
[0281]
23 散热器
[0282]
24 风扇
[0283]
25 泵
[0284]
26 中间加热回路
[0285]
200 次级存储室
[0286]
210 附加的热交换器的回路
[0287]
220 另一热交换器
[0288]
230 附加的热源
[0289]
300 从动机
[0290]
310 第一旁路导管
[0291]
311 第一阀
[0292]
320 第二旁路导管
[0293]
321 第二阀
[0294]
322 中间冷却器
[0295]
400 回热器
[0296]
500 单个管
[0297]
600 单个管道