具有中间存储池的热电能量存储系统以及用于存储热电能量的方法
【技术领域】
[0001]一般来说，本发明涉及电能的存储。具体来说，它涉及用于采取热能存储装置中的热能形式来存储电能的系统和方法。
【背景技术】
[0002]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时间期间生成多余电力。大规模电能存储系统是将这种多余能量转向峰值需求时间的方式，并且平衡总电力生成和消耗。
[0003]在先前专利申请EP1577548中，申请人已经描述热电能量存储(TEES)系统的思路。TEES在充电循环中将多余电力转换成热量，存储该热量，并且在需要时，在放电循环中将热量重新转换成电力。这种能量存储系统是健壮、紧凑、地点无关的，并且适合于大量地存储电能。能够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。显热的存储介质能够是固态、液态或气态的。用于潜热的存储介质经由相位变化而发生，并且能够涉及这些相位的任一个或者涉及它们的串联的组合或并联的组合。
[0004]电能存储系统的往返效率能够定义为能够从存储装置放电的电能与用于对该存储装置充电的电能相比的百分比，条件是能量存储系统的状态在放电之后返回到对存储装置充电之前的其初始状态。往返效率在使热力学可逆性因子为最大时得到增加。但是，重要的是要指出，所有电能存储技术固有地具有受限的往返效率。因此，对于用于对存储装置充电的电能的每一个单元，在放电时，只有某个百分比被恢复为电能。电能的其余部分丢失。例如，如果存储在TEES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。由于来源于热力学第二定律的各种原因而限制了热电能量存储的效率。首先，热机中将热量转换成机械功受限于卡诺效率。其次，任何热泵的性能系数随输入温度水平与输出温度水平之间差的增加而下降。第三，从工作流体到热存储装置或者从热存储装置到工作流体的任何热流为了发生都需要温度差。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。
[0005]还要注意，TEES系统的充电循环又称作热泵循环，而TEES系统的放电循环又称作热机循环。在TEES概念中，热量需要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又从热存储介质传递回工作流体。热泵需要功来使热能从冷源移动到较热的散热器。由于在热端所贮存的能量的量大于与取自冷端的能量相等的量所要求的功，所以与电阻热生成相比，热泵将“增大”热量。热输出与消耗功的比率称作性能系数，并且它是大于一的值。这样，热泵的使用将增加TEES系统的往返效率。
[0006]在先前专利申请EP08162614中，申请人已经描述利用跨临界热力循环来改进TEES系统的思路。图1示出跨临界TEES系统的充电循环和放电循环期间与热存储介质相接触的热交换器中的温度曲线。横坐标表示系统中所提供的热量，纵坐标表示温度，以及图表上的线条是等压线。实线指示跨临界TEES充电循环中的工作流体的温度曲线。虚线指示跨临界TEES放电循环中的工作流体的温度曲线。直对角短划线指示跨临界TEES循环中的热存储介质的温度曲线。热量只能从较高温度流动到较低温度。因此，充电循环中的冷却期间的工作流体的特性曲线必须高于热存储介质的特性曲线，其又必须高于放电循环中的加热期间的工作流体的特性曲线。温度曲线因热存储介质中的显热存储而在时间上是固定的。因此，虽然热交换器中的热存储介质的容积保持恒定，但是热流体和冷流体存储池中存储的热和冷的热存储介质的容积发生变化。另外，热交换器中的温度分布保持恒定。
[0007]跨临界循环被定义为热力循环，其中工作流体经过次临界状态和超临界状态二者。在超过临界点情况下的气相与汽相之间不存在区别，并且因此在跨临界循环中不存在蒸发或沸腾(按照常规含义)。
[0008]已经证实，对于大温度差的热量的传递是热力学不可逆性因子。图1中，不仅示出放电时的热存储介质与工作流体之间的最大温度差ATmax,而且示出充电时的热存储介质与工作流体之间的最小温度差Δ?π?η。为了使最大温度差△ Tmax为最小，能够构成较大的热交换器，或者相变材料能够用于热存储。问题在于，这些解决方案引起高资本费用，并且因而一般是不实用的。
[0009]此外，即使使用较大的热交换器，工作流体的热力性质起作用而限制温度差的最小化。这通过图1中的工作流体温度曲线(等压线)中的曲率示出。该曲率引起“内窄点”，并且增加平均温度差，而与热交换器的大小无关。“窄点分析”是用于在处理系统中通过确定在热力学上可行的热交换网络来使能量消耗为最小的已知方法。
[0010]本领域的技术人员会清楚地知道，热传递损失的降低在采用基于热泵循环的充电的热能存储的所考虑应用中极为重要。在这种应用中，充电和放电期间的热交换温度损失的任何增加直接转变成有用功的损失以及系统的往返效率的降低。
[0011]因此，需要提供一种具有高往返效率和最小接近温度的有效热电能量存储装置，同时使所需要的热存储介质的量为最小，并且还使资本费用为最小。
【发明内容】
[0012]本发明的一个目的是提供一种热电能量存储系统，用于以改进的往返效率将电能转换为热能以便被存储以及被重新转换成电能。这个目的通过如权利要求1所述的热电能量存储系统以及如权利要求11所述的方法来实现。通过从属权利要求，优选实施例是显而易见的。
[0013]按照本发明的第一方面，提供一种热电能量存储系统，其中具有用于将热能提供给热存储装置(thermal storage)的充电循环以及用于通过从热存储装置取回热能来生成电力的放电循环。热电能量存储系统包括:工作流体环路，用于使工作流体通过热交换器进行循环；以及热存储介质环路，用于循环热存储介质，热存储介质环路具有经由热交换器连接在一起的至少一个热存储池、一个中间温度存储池和一个冷存储池。热交换器中的热存储介质的流率是可通过热存储介质到中间存储池的输入流率的改变以及热存储介质从中间存储池的输出流率的改变而被修改的。修改或适配热交换器中的热存储介质的流率允许鉴于改进的往返效率来控制热交换过程。
[0014]热存储池的温度高于中间温度存储池的温度，中间温度存储池的温度又高于冷存储池的温度。在充电和放电期间，每个存储池的温度保持恒定。
[0015]在一个优选实施例中，热存储介质的流率经过修改，以便在热交换器中的热存储介质与工作流体之间的任何接触点并且在充电循环和放电循环二者期间使工作流体与热存储介质之间的温度差为最小。换言之，热交换器中的热存储介质的流率适配成使得在充电循环和放电循环二者期间，热存储介质的等压线紧密跟随工作流体的等压线的曲率。为此，热存储介质与工作流体之间的最大温度差维持为低于冷存储池与热存储池之间的温度差的20%并且优选地低于冷存储池与热存储池之间的温度差的15%。
[0016]在一个优选实施例中，热交换器具有适合分开或结合来自中间存储池的热存储介质流的内部分流器。
[0017]在另外的优选实施例中，热交换器分成第一部分和第二部分。热存储介质不仅流经第一部分而且流经第二部分，并且分流器位于热交换器的第一部分与第二部分之间。分流器适合分开或结合来自中间存储池的热存储介质流。
[0018]在一个备选实施例中，热交换器分成第一部分和第二部分，并且热存储介质经由中间存储池不仅流经第一部分而且流经第二部分。
[0019]在另外的实施例中，至少一个另外的中间存储池连接在热存储介质环路中，并且对于每个另外的中间存储池，热交换器具有另外的内部分流器。
[0020]充电循环或放电循环中的至少一个跨临界地运行。因此，在热电能量存储系统的充电循环期间，工作流体在热交换器中可经历跨临界冷却。当热电能量存储系统处于充电循环时，系统包括膨胀器、蒸发器和压缩器。此外，在热电能量存储系统的放电循环期间，工作流体在热交换器中可经历跨临界加热。当热电能量存储系统处于放电循环时，系统包括泵、冷凝器和涡轮机。
[0021]按照本发明的第二方面，提供一种用于在热电能量存储系统中存储和取回能量的方法。该方法包括通过对热存储介质加热来对系统充电。热存储介质在经由热交换器连接在一起的