專利名稱：熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電能的存儲(chǔ)。具體來說，它涉及熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)、用于采用熱電能存儲(chǔ) 系統(tǒng)來存儲(chǔ)和恢復(fù)電能的方法以及非共沸(ZeotIOPic)混合物作為工作流體的使用。
背景技術(shù)：
通過熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)，存儲(chǔ)電能的有效概念通過將電能轉(zhuǎn)換為可存儲(chǔ)所要求時(shí)間的 熱能(存儲(chǔ)裝置的蓄能(charging))來實(shí)現(xiàn)。電能可通過從熱能反向轉(zhuǎn)換為機(jī)械功并且隨 后轉(zhuǎn)換為電(存儲(chǔ)裝置的釋能(discharging))來還原。
電能的存儲(chǔ)在將來可能變得越來越重要。諸如核電站之類的基底負(fù)載發(fā)電機(jī)以及 諸如風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽能電池板之類的具有隨機(jī)間斷能源的發(fā)電機(jī)在低電力需求期間可 產(chǎn)生多余電力。大規(guī)模電能存儲(chǔ)系統(tǒng)可以是將這種多余能量轉(zhuǎn)向峰值需求時(shí)間的部件，并 且平衡總的電產(chǎn)生和消耗。
可存在存儲(chǔ)熱量的若干可能性。可采取經(jīng)由溫度的變化的顯熱形式或者采取經(jīng)由 相位變化的潛熱形式或者它們兩者的組合來存儲(chǔ)熱能。顯熱的存儲(chǔ)介質(zhì)可以是固態(tài)、液態(tài) 或氣態(tài)的。用于潛熱的存儲(chǔ)介質(zhì)經(jīng)由相位變化而發(fā)生，并且可涉及這些相位的任一個(gè)或者 它們的串聯(lián)或并聯(lián)組合。
熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的最重要特性之一可能是往返效率。熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的往返效率可定 義為能夠從存儲(chǔ)裝置釋能的電能與用于對(duì)存儲(chǔ)裝置蓄能的電能相比的百分比，假設(shè)釋能之 后的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的狀態(tài)返回到在對(duì)存儲(chǔ)裝置蓄能之前其初始條件。往返效率在使熱力學(xué) 可逆性因子為最大時(shí)可增加。但是，可能重要的是，所有電能存儲(chǔ)技術(shù)因熱力學(xué)限制而固有 地具有有限往返效率。因此，對(duì)于用于對(duì)存儲(chǔ)裝置蓄能的電能的每一個(gè)單元，只有某個(gè)百分 比才可在釋能時(shí)作為電能來回復(fù)(recover)。電能的其余部分丟失。例如，如果存儲(chǔ)在熱電 存儲(chǔ)系統(tǒng)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(chǔ)系統(tǒng)的蓄能循環(huán)可稱作熱泵循環(huán)，而熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的釋能循環(huán)可稱作熱 機(jī)循環(huán)。在熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)中，熱量可在熱泵循環(huán)期間從熱工作流體傳遞到熱存儲(chǔ)介質(zhì)，并且 在熱機(jī)循環(huán)期間從熱存儲(chǔ)介質(zhì)反向傳遞到工作流體。熱泵可要求做功以使熱能從冷源轉(zhuǎn)移 到較熱的吸熱裝置。由于在熱側(cè)所沉積的能量的量可大于與取自冷側(cè)的能量相等的量所要 求的功，所以與電阻熱量產(chǎn)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(shù)，其中具有大于一的值。這樣，熱泵的使用將增加熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的往返效率。
由于來源于熱力學(xué)第二定律的各種原因而限制了熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的效率。首先，熱 機(jī)中將熱量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功因卡諾(Carnot)效率而受到限制。其次，任何熱泵的性能系數(shù)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(chǔ)裝置以及從熱存儲(chǔ) 裝置到工作流體的任何熱流要求溫度差以便發(fā)生。這個(gè)事實(shí)不可避免地使溫度水平降級(jí)， 并且因而使熱量作功的能力降級(jí)。
通常，熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)具有工作流體回路，通過該工作流體回路，熱量經(jīng)由一個(gè)或多 個(gè)熱交換器隨工作流體傳遞到熱存儲(chǔ)介質(zhì)(或者反之)。對(duì)大溫度差的熱量的傳遞是熱力學(xué)不可逆性因子。這意味著，熱交換器中的工作流體與熱存儲(chǔ)介質(zhì)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(gòu)造相對(duì)大的熱交換器或者能夠?qū)⑾嘧儾牧?用于熱存儲(chǔ)裝置。但是，這些解決方案可引起高成本，并且一般會(huì)是不實(shí)際的。
熱量傳遞損失的降低在采用基于熱泵循環(huán)的蓄能的熱能存儲(chǔ)的所考慮應(yīng)用中可 能是特別重要的。在這種應(yīng)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(zhuǎn) 化為有用功的損失以及系統(tǒng)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(chǔ)系統(tǒng)。當(dāng)熱泵系統(tǒng)跨臨界運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的高壓側(cè)上的工作流 體在經(jīng)過排熱熱交換器時(shí)沒有將其相位從汽相改變成液相。因此，在跨臨界循環(huán)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(jìn)行操作。這可通過經(jīng)由常規(guī)流體到流 體-熱交換器的顯熱存儲(chǔ)(基于溫度變化而不是基于相變的熱量存儲(chǔ))來實(shí)現(xiàn)排出熱量的 存儲(chǔ)。這會(huì)是非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橛糜?流體到流體-熱交換器的技術(shù)很先進(jìn)并且在緊 湊容積中能夠?qū)崿F(xiàn)極小接近溫度，從而以降低成本產(chǎn)生高效率。
但是，如果還預(yù)期與創(chuàng)建冷熱存儲(chǔ)并行地利用低壓側(cè)上的熱泵操作的冷卻效果， 則跨臨界循環(huán)通常具有常規(guī)等溫蒸發(fā)器，并且因此可必須用于在恒溫下對(duì)PCM(相變材料) 熱存儲(chǔ)裝置(諸如冰)進(jìn)行蓄能。冰是優(yōu)良熱存儲(chǔ)介質(zhì)，但是冰存儲(chǔ)系統(tǒng)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(gè)熱交換器通道的冰形成(大流動(dòng)速 率)以防止堵塞的熱交換器。
現(xiàn)有技術(shù)冰存儲(chǔ)系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)可在于，這些系統(tǒng)通常不能超過50%的含冰 量，這意味著熱存儲(chǔ)裝置的一半未被使用，從而增加系統(tǒng)的資本成本并且還增加其占地面 積。
沒有等溫蒸發(fā)或冷凝的熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一種解決方案是將逆布雷頓 (Brayton)循環(huán)用于熱存儲(chǔ)裝置的蓄能而將常規(guī)布雷頓循環(huán)用于釋能。布雷頓循環(huán)的工作 流體始終處于氣相，并且因此“布雷頓循環(huán)熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)”的所有熱量傳遞步驟能夠與對(duì)顯 熱熱存儲(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，布雷頓循環(huán)熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)可遭受熱泵膨脹和熱機(jī)壓縮步驟中增加的損 失。這些損失能夠通過將循環(huán)的冷側(cè)和熱側(cè)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(jīng)由專用奇妙的裝置將顯熱存儲(chǔ)到諸如巖石或沙子之類的固態(tài)材料，從而最 終失去通過常規(guī)-流體到流體-熱交換器的顯熱存儲(chǔ)的潛在有益效果。
已知的是，非共沸致冷劑混合物可在優(yōu)化條件下增加某種致冷和熱泵設(shè)備的能量 效率。
對(duì)于熱機(jī)操作，提出卡琳娜(Kalina)循環(huán)以用于發(fā)電站中。由于跨熱交換器的溫 度差對(duì)卡琳娜循環(huán)可比典型純工作流體蘭金(Rankine)循環(huán)更為均勻，所以系統(tǒng)效率對(duì)于 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電站增加大約10%，但是對(duì)于特殊低溫應(yīng)用增加超過30%。
但是，在熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)中，熱泵循環(huán)和熱機(jī)循環(huán)相互之間必須經(jīng)過優(yōu)化。因此， 將致冷器系統(tǒng)或熱機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化原理應(yīng)用于熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)會(huì)有問題，因?yàn)橐粋€(gè)循環(huán)的優(yōu)化 可使另一循環(huán)的效率降級(jí)。發(fā)明內(nèi)容
實(shí)現(xiàn)熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)操作的高效率方面的一個(gè)主要障礙可能是熱交換器中的熱側(cè) 與冷側(cè)之間的大溫度差。
當(dāng)使用潛熱存儲(chǔ)系統(tǒng)并且熱量傳遞涉及通過存儲(chǔ)材料的固相的傳導(dǎo)(這可能是 對(duì)于上述跨臨界熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的情況)時(shí)，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(chǔ)系統(tǒng)是匹配涉及等溫蒸發(fā)或冷凝步驟的熱電存儲(chǔ)系 統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)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(fā)或等溫冷凝的熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)。
一般來說，本發(fā)明的一個(gè)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(chǔ)，同時(shí)使所要求的熱存儲(chǔ)介質(zhì)的量為最小，并且還使成本為最小。
這個(gè)目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題來實(shí)現(xiàn)。通過從屬權(quán)利要求，其它示范實(shí)施例 是顯而易見的。
本發(fā)明的一個(gè)方面是一種熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)，其用于通過在蓄能循環(huán)中將熱能傳遞 到熱存儲(chǔ)裝置來存儲(chǔ)電能以及用于通過在釋能循環(huán)中從熱存儲(chǔ)裝置恢復(fù)熱能來產(chǎn)生電。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)包括工作流體回路，其用于使工作流 體通過熱交換器循環(huán)；熱存儲(chǔ)管道，其用于通過熱交換器從熱存儲(chǔ)池(tank)傳遞熱存儲(chǔ)介 質(zhì)，其中工作流體包括非共沸混合物。
換言之，非共沸混合物用作熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作流體。非共沸混合物可選擇成 使得熱交換器中的工作流體的溫度從第一溫度連續(xù)改變(即，上升或下降)成第二溫度。
對(duì)于非共沸混合物，液相和汽相的濃度在不同溫度下從不相等。這在相變(在這 點(diǎn)處，蒸汽和液體的濃度連續(xù)改變)期間創(chuàng)建溫度滑移。因此，在T-S-圖中，等壓線正在增 加，并且因此能夠使熱交換器中的工作流體與存儲(chǔ)流體之間的溫度差非常小。例如，系統(tǒng)可 控制成使得熱交換器中的工作流體的溫度像熱交換器中的存儲(chǔ)流體的溫度一樣正在上升。
可相對(duì)也具有帶增加斜率的兩個(gè)這類過程的勞侖茲(Lorenz)循環(huán)更好地理解 T-S-圖中增加恒壓線的優(yōu)點(diǎn)。與優(yōu)化兩個(gè)恒-溫源之間進(jìn)行操作的熱機(jī)的卡諾循環(huán)相似， 勞侖茲循環(huán)通過將工作流體的熱容量調(diào)整到有限-容量源的熱容量來優(yōu)化兩個(gè)滑移-溫度 源之間進(jìn)行操作的熱機(jī)。即，勞侖茲循環(huán)具有與卡諾循環(huán)一樣的四個(gè)過程，對(duì)于熱機(jī)為等 熵壓縮、以與熱源的熱容量(及其溫度變化)匹配的恒定熱容量的加熱、等熵膨脹以及以與 吸熱裝置的熱容量(及其溫度變化)匹配的恒定熱容量的冷卻。相似的相反循環(huán)適用于致 冷和熱泵。但是，對(duì)于以具有相變的兩個(gè)恒壓級(jí)進(jìn)行操作的熱力學(xué)循環(huán)，具有純工作流體的 勞侖茲循環(huán)的實(shí)現(xiàn)是不可能的。
從另一角度來看，本發(fā)明將布雷頓循環(huán)熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的顯熱存儲(chǔ)可能性與蘭金循 環(huán)熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的低回功比組合在一個(gè)熱力學(xué)機(jī)器中。
如果工作流體是非共沸混合物，則恒壓相變隨溫度變化而發(fā)生，其中飽和蒸汽與 飽和液體條件之間的溫度變化是混合物的組成和混合物的成分的函數(shù)。
換言之，非共沸混合物可具有如下優(yōu)點(diǎn)可使工作流體與熱存儲(chǔ)介質(zhì)之間的溫度 差極小。例如，工作流體通過熱交換器的流動(dòng)可控制成(例如通過熱交換器之前或之后的 閥)使得熱交換器中的熱存儲(chǔ)介質(zhì)與工作流體之間的任何接觸點(diǎn)以及在蓄能和釋能循環(huán) 期間的溫度差小于50°C。優(yōu)選地，溫度差低于10°C或者甚至低于3°C。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可逆熱力學(xué)機(jī)器用于通過下列步驟來存儲(chǔ)電能將以非共沸混合物作為工作流體的電驅(qū)動(dòng)蒸汽壓縮熱泵循環(huán)用于將熱量提供到熱的熱存儲(chǔ)裝 置中，同時(shí)從冷的熱存儲(chǔ)裝置中去除熱量，其中提供給熱的熱存儲(chǔ)裝置的熱量用于增加熱 的熱存儲(chǔ)裝置的溫度而從冷的熱存儲(chǔ)裝置所去除的熱量用于降低冷的熱存儲(chǔ)裝置的溫度。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，熱和冷的熱存儲(chǔ)材料是流體并且優(yōu)選地是液體，它們 從其初始溫度狀態(tài)被泵送入熱交換器，例如供逆流熱量交換，其中非共沸工作流體混合物 在對(duì)熱存儲(chǔ)流體的熱量提供期間經(jīng)過冷凝而在從冷存儲(chǔ)流體的熱量去除期間經(jīng)過蒸發(fā)。對(duì) 于從熱和冷的熱存儲(chǔ)裝置來反向恢復(fù)電能，可相反地操作熱力學(xué)機(jī)器，并且將熱量從熱的 熱存儲(chǔ)裝置中去除并且添加到冷的熱存儲(chǔ)裝置。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，熱和冷的熱存儲(chǔ)流體的溫度分布與非共沸工作流體混 合物匹配?？赏ㄟ^利用極有效的逆流熱交換器來非常精密地進(jìn)行上述匹配，其因而降低不 可逆性并且增加電能存儲(chǔ)的往返效率。
二氧化碳迄今為止是當(dāng)今可用的最良好工作流體。加入二氧化碳以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明公 開所述的預(yù)期行為的其它候選物是烴。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，非共沸混合物可包括二 氧化碳和烴，例如50% 二氧化碳和50% 丁燒。
工作流體混合物的組成成分可選擇成實(shí)現(xiàn)不同操作條件，但是一般來說，兩種或 更多成分的熱力學(xué)行為可必須充分接近以確保適當(dāng)?shù)目扇苄圆⑶冶苊獠幌Ｍ胤蛛x為多 個(gè)液相，同時(shí)充分不同以確保蒸發(fā)和冷凝階段期間的顯著滑移?；旌衔锏氖挤悬c(diǎn)與露點(diǎn)之 間的溫度差越高，則溫度滑移越顯著，并且因此熱存儲(chǔ)流體的所需流量越低。工作流體混合 物的組成還可影響熱力學(xué)行為。當(dāng)兩種成分共同用作工作流體混合物時(shí)，滑移在使用相等 質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mass fraction)時(shí)為最大。隨著成分之一的分?jǐn)?shù)增加，混合物的行為將開始接 近具有較大質(zhì)量分?jǐn)?shù)的成分的行為，從而當(dāng)分?jǐn)?shù)增加到I時(shí)最終成為單成分工作流體。這 些滑移在工作流體混合物的成分形成近理想混合物時(shí)是有用的?；旌衔锏男袨樵谒鼈兂尸F(xiàn) 非理想行為時(shí)可能是不可預(yù)測的，但是可以有可能實(shí)現(xiàn)也具有非理想混合物的極有效熱電 存儲(chǔ)系統(tǒng)。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，蓄能循環(huán)和/或釋能循環(huán)可跨臨界地執(zhí)行。這可意味 著，在T-S圖中的熱存儲(chǔ)側(cè)的熱交換步驟可高于相位包絡(luò)(envelope)的臨界點(diǎn)拱頂,從而 引起跨臨界循環(huán)。如果在熱側(cè)預(yù)期較高溫度，或者如果預(yù)期熱側(cè)的滑移進(jìn)一步增加以使所 需存儲(chǔ)流體的質(zhì)量為最小，則可使用這種可能性。
可通過處于液相的熱存儲(chǔ)材料來覆蓋大溫度范圍。按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，氨 和水混合物可用作冷側(cè)熱存儲(chǔ)流體，它例如可從低至-100°c開始，并且能夠高達(dá)+50°C。熱 和冷存儲(chǔ)介質(zhì)的其它可能性是能夠覆蓋從O至100°C、大氣壓力下的沒有添加劑的水、能夠 覆蓋-80至315°C的極寬范圍的熱油(例如Dowtherm J)以及能夠高達(dá)566°C的熔鹽混合 物。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，存儲(chǔ)池包括中間存儲(chǔ)池，其中熱交換器具有分流器，分 流器適合把來自第一(或第二)存儲(chǔ)池的熱存儲(chǔ)介質(zhì)的流動(dòng)分為(或結(jié)合為)對(duì)中間存儲(chǔ) 池和對(duì)第二(或第一)存儲(chǔ)池的流動(dòng)。這樣，甚至在工作流體的溫度在熱交換器中沒有連 續(xù)上升或下降的情況下，在熱交換器中的熱存儲(chǔ)介質(zhì)與工作流體之間的任何接觸點(diǎn)以及在 蓄能和釋能循環(huán)期間的溫度差可調(diào)整成極小，例如低于3°C。
本發(fā)明的另一方面是一種用于存儲(chǔ)和恢復(fù)電能的方法。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該方法包括下列步驟通過在蓄能循環(huán)中將熱能傳遞 到熱存儲(chǔ)裝置來存儲(chǔ)電能，通過在釋能循環(huán)中把來自熱存儲(chǔ)裝置的熱能改變?yōu)闄C(jī)械能來恢 復(fù)電能。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，蓄能循環(huán)和釋能循環(huán)包括下列步驟在工作流體與熱 存儲(chǔ)介質(zhì)之間傳遞熱量，其中工作流體處于混合汽相和液相，并且在熱傳遞期間具有連續(xù) 上升或連續(xù)下降溫度，因?yàn)楣ぷ髁黧w包括非共沸混合物。
必須理解，如上文中和下文中所述的方法的特征可以是如上文中和下文中所述的 系統(tǒng)的特征。
如果技術(shù)上可能但沒有明確提出，則上文中和下文中所述的本發(fā)明的實(shí)施例的組 合也可以是方法和系統(tǒng)的實(shí)施例。
通過參照本文中以下所述實(shí)施例以及進(jìn)行的說明，本發(fā)明的這些方面及其它方面 將會(huì)顯而易見。


下面參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1a示出按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的蓄能循環(huán)的簡化示意圖。
圖1b示出按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的釋能循環(huán)的簡化示意圖。
圖2示出按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的T-S圖。
圖3a示出蓄能期間的按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的熱量存儲(chǔ)裝置 的簡化圖。
圖3b示出釋能期間的圖3a的熱量存儲(chǔ)裝置的簡化圖。
圖4示出按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例、按照圖3a或圖4a的熱交換中的熱量傳遞的 熱量流動(dòng)-溫度圖。
大體上，附圖中，相同部分提供有相同參考標(biāo)號(hào)。
具體實(shí)施方式
圖1a和圖2a示出熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)10。圖1a示出蓄能循環(huán)系統(tǒng)或熱泵循環(huán)系統(tǒng)12， 以及圖1b示出釋能循環(huán)或熱機(jī)循環(huán)系統(tǒng)14。
熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)10適合于執(zhí)行下列步驟通過系統(tǒng)12執(zhí)行蓄能循環(huán)，在此期間將待 存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)換為熱量；以及通過系統(tǒng)14執(zhí)行釋能循環(huán)，在此期間將熱能從存儲(chǔ)裝置來恢 復(fù)并且反向轉(zhuǎn)換為電。此外，蓄能循環(huán)之后能夠接著既沒有蓄能也沒有釋能循環(huán)必須發(fā)生 的存儲(chǔ)周期。
相對(duì)圖la，熱電蓄能循環(huán)系統(tǒng)10包括工作流體回路16，其中包括作為工作流體的 非共沸混合物。工作流體由壓縮機(jī)18壓縮到較高壓力，并且注入熱交換器20，以供與熱存 儲(chǔ)裝置22交換熱量。熱交換器20是逆流熱交換器，其中熱存儲(chǔ)介質(zhì)(例如液體)在熱存 儲(chǔ)管道24中從第一熱存儲(chǔ)池26傳遞到第二熱存儲(chǔ)池28。在離開熱交換器20之后，工作流 體采用膨脹裝置30膨脹到較低壓力，并且進(jìn)入熱交換器32供與冷存儲(chǔ)裝置32進(jìn)行熱量交 換。熱交換器32可以是逆流熱交換器，其中冷存儲(chǔ)介質(zhì)(例如液體)在冷存儲(chǔ)管道36中 從第一冷存儲(chǔ)池38傳遞到第二冷存儲(chǔ)池40。
相對(duì)圖la，除了存儲(chǔ)池22、26、38、40之外，釋能循環(huán)系統(tǒng)14的所有其它組件可與 蓄能循環(huán)系統(tǒng)12的組件不同。但是，在兩個(gè)系統(tǒng)12和14中盡可能多地使用它們會(huì)是成本 優(yōu)勢。例如，壓縮機(jī)18可用作渦輪機(jī)42。
渦輪機(jī)20用于通過將工作流體膨脹到較低壓力從加熱的工作流體來產(chǎn)生電能。 在離開渦輪機(jī)20之后，工作流體在熱交換器32中通過將熱量釋能到冷存儲(chǔ)系統(tǒng)34被冷 凝，并且由泵44泵送到較高壓力。此后，工作流體采用熱交換器20來加熱，以便注入渦輪 機(jī)42。
在釋能期間，工作流體、熱存儲(chǔ)介質(zhì)和冷存儲(chǔ)介質(zhì)沿相對(duì)系統(tǒng)10的蓄能的相反方 向進(jìn)行循環(huán)。
將參照圖3的T-S圖更詳細(xì)地解釋熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)10的操作。圖3示出具有50% 二氧化碳和50% 丁烷的工作流體組成作為非共沸混合物的熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)10的狀態(tài)變化圖。
在圖2的簡圖中，工作流體的蒸汽拱頂(vapor dome)由線46所表示。在蒸汽拱 頂46的左側(cè)，工作流體處于其液相，在蒸汽拱頂46的右側(cè)，工作流體處于其汽相。在曲線 46下面，工作流體處于混合汽/液態(tài)。在蒸汽拱頂?shù)捻敳可?，表示工作流體的臨界點(diǎn)48。
在蓄能循環(huán)期間，圖1a的蓄能循環(huán)系統(tǒng)12逆時(shí)針地按照熱力循環(huán)50。
對(duì)于存儲(chǔ)裝置22、34的蓄能，在其始沸點(diǎn)的非共沸混合物在逆流熱交換器32中首 先以恒壓Pl (例如10巴)蒸發(fā)。這對(duì)應(yīng)于在T-S-圖中從點(diǎn)A出發(fā)到點(diǎn)B。如可從圖中得 出，工作流體的溫度在相變期間從大約_20°C連續(xù)上升到大約40°C。
然后，非共沸混合物蒸汽采用壓縮機(jī)18然后壓縮到較高壓力級(jí)P2 (例如35巴)。 壓縮對(duì)應(yīng)于在T-S-圖中從點(diǎn)B出發(fā)到點(diǎn)C，并且它是將驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)18的電能注入熱電能存 儲(chǔ)系統(tǒng)10的主要點(diǎn)。
按照一個(gè)實(shí)施例，熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)10可包括壓縮機(jī)18，用于在蓄能循環(huán)期間將汽 相中的工作流體(即，非共沸混合物)從較低壓力壓縮到較高壓力，使得用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的 電能注入熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)。
壓縮之后，非共沸混合物在逆流熱交換器20中以恒壓P2來冷卻，對(duì)應(yīng)于T-S-圖 中從點(diǎn)C出發(fā)到點(diǎn)D。在這個(gè)冷卻過程期間，來自壓縮機(jī)18的過熱非共沸混合物首先冷卻 到其露點(diǎn)50，之后接著液相的冷凝和過冷卻。在壓力P2下，工作流體的溫度在相變期間從 大約90°C連續(xù)降低到大約10°C。點(diǎn)D將在沸騰曲線46的左側(cè)。然后，液相中的過冷卻非 共沸混合物經(jīng)由能夠是功回復(fù)膨脹器或恒溫膨脹閥的膨脹裝置30反向膨脹到壓力級(jí)P1。 膨脹過程對(duì)應(yīng)于在TS圖中從點(diǎn)D反向出發(fā)到點(diǎn)A。點(diǎn)D和點(diǎn)A相互非常接近，因?yàn)楣ぷ髁?體的液相幾乎是不可壓縮的。
按照一個(gè)實(shí)施例，熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)10可包括膨脹裝置(例如膨脹閥)30，用于在蓄 能循環(huán)期間將液相中的工作流體(即，非共沸混合物)從較高壓力膨脹到較低壓力。
重要的是要注意，必須控制過冷卻的程度以防止在膨脹過程結(jié)束時(shí)的蒸汽形成或 閃蒸，以便確保釋能循環(huán)期間的可逆操作。這種控制可由連接到傳感器的控制裝置60來執(zhí) 行，以用于在熱交換器20之后的排熱過程結(jié)束時(shí)測量工作流體的溫度并且調(diào)整熱存儲(chǔ)流 動(dòng)速率。這可通過如果使用變速泵30則改變泵速或者位于熱存儲(chǔ)流體流動(dòng)管線上的閥來 進(jìn)行。
在蓄能循環(huán)系統(tǒng)12的操作期間，需要提供外部熱量以執(zhí)行熱交換器32中的蒸發(fā)，并且需要去除熱量以執(zhí)行熱交換器20中的冷卻。由于熱交換器32中的蒸發(fā)和熱交換器20 中的冷卻(即，降低過熱-冷凝-過冷卻)是恒壓但可變溫度的過程，所以它們能夠與經(jīng) 過熱交換器32中的冷卻和熱交換器20中的加熱的熱存儲(chǔ)流體密切匹配。這也可由控制裝 置60來控制。
圖1a中，冷側(cè)熱存儲(chǔ)流體在溫度Tl下取自池38，經(jīng)過提供非共沸工作流體混合物 的蒸發(fā)的熱量的熱交換器32，并且在溫度T2下放在池40處，其中Tl大于T2。類似地，熱 側(cè)熱存儲(chǔ)流體在溫度T3下取自池26，經(jīng)過吸收非共沸工作流體混合物所釋放的熱量的熱 交換器20，并且在溫度T4下放在池28處，其中T4大于T3。對(duì)于熱交換，工作流體的溫度 差比存儲(chǔ)介質(zhì)的溫度略低一些(用于加熱工作流體)或略高一些(用于冷卻工作流體)。
溫度差可在1°C至3°C之間、3°C與10°C之間或者更大。溫度差可通過成本效益分 析來選擇。即，諸如l°c至:TC之類的小溫度差可產(chǎn)生高效率(例如大約75%)，但是因大的熱 交換器也可能是高成本，諸如3°C至10°C之類的較大溫度差可產(chǎn)生低效率(例如大約40%)， 但是因小的熱交換器也可能是低成本。
釋能是蓄能過程的相反操作。圖1b的釋能循環(huán)系統(tǒng)14順時(shí)針地按照圖3的循環(huán) 50。
在其始沸點(diǎn)的非共沸工作流體混合物經(jīng)由泵44首先從壓力P3 (例如10巴)泵送 到較高壓力P4(例如35巴)，對(duì)應(yīng)于T-S-圖中從點(diǎn)A出發(fā)到點(diǎn)D。由于泵送，可存在最小 溫度上升。然后，非共沸混合物進(jìn)入熱交換器20。在這里，非共沸混合物以提高的壓力級(jí) P4被加熱到其新的始沸點(diǎn)，隨后以恒壓P4被蒸發(fā)和過加熱。這些過程對(duì)應(yīng)于在T-S-圖中 從點(diǎn)D出發(fā)到點(diǎn)C。
按照一個(gè)實(shí)施例，熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)10可包括泵44，用于在釋能循環(huán)期間將工作流 體從較低壓力泵送到較高壓力。
隨后，所過加熱的非共沸蒸汽混合物在渦輪機(jī)42中從較高壓力級(jí)P4膨脹到初始 壓力級(jí)P3。這個(gè)步驟對(duì)應(yīng)于在T-S-圖中從點(diǎn)C出發(fā)到點(diǎn)B，并且它是從熱能存儲(chǔ)裝置10 來恢復(fù)在渦輪機(jī)42所產(chǎn)生的電能的主要點(diǎn)。最后，所膨脹的非共沸蒸汽混合物在熱交換器 32中在其始沸點(diǎn)以恒壓P3反向冷凝成液體，以便再次泵送以完成熱機(jī)循環(huán)。這個(gè)最終步驟 對(duì)應(yīng)于在T-S-圖中從點(diǎn)B出發(fā)到點(diǎn)A。
按照一個(gè)實(shí)施例，熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)10可包括渦輪機(jī)42，用于在釋能循環(huán)期間將工 作流體從較高壓力膨脹到較低壓力級(jí)以產(chǎn)生電能。
在釋能循環(huán)系統(tǒng)14的操作期間，需要提供外部熱量以執(zhí)行熱交換器20中的加熱、 蒸發(fā)和過加熱，并且需要去除熱量以執(zhí)行熱交換器32中的冷凝。由于熱交換器20中的加 熱、蒸發(fā)和過加熱以及熱交換器32中的冷凝是恒壓但可變溫度的過程，所以它們能夠與經(jīng) 過熱交換器20中的冷卻和熱交換器32中的加熱的熱存儲(chǔ)流體密切匹配。
圖1b中，冷側(cè)熱存儲(chǔ)流體在溫度T2下取自池40，經(jīng)過吸收非共沸工作流體混合物 的冷凝的熱量的熱交換器32，并且在溫度Tl下放在池38處，其中Tl大于T2。類似地，熱 側(cè)熱存儲(chǔ)流體在溫度T4下取自池28，經(jīng)過提供對(duì)非共沸工作流體混合物進(jìn)行加熱、蒸發(fā)和 過加熱的能量的熱交換器20，并且在溫度T3下放在池26處，其中T4大于T3。
雖然在圖1a和圖1b示出熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，但是沒有存儲(chǔ)裝置22和34其中之一的熱 存儲(chǔ)系統(tǒng)也可以是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，例如具有熱存儲(chǔ)裝置22的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)或者具有冷存儲(chǔ)裝置34的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)。按照一個(gè)實(shí)施例，冷存儲(chǔ)裝置34能夠由諸如河或湖之類的 大熱庫(reservoir)取代，以及按照另一個(gè)實(shí)施例,熱存儲(chǔ)裝置能夠由比環(huán)境更大的廢熱 源取代。
概括來說,系統(tǒng)10可包括熱存儲(chǔ)池22,并且熱存儲(chǔ)管道包括熱存儲(chǔ)管道24,用于 通過熱交換器20在第一熱存儲(chǔ)池26與第二熱存儲(chǔ)池28之間傳遞熱存儲(chǔ)介質(zhì)。此外，系統(tǒng) 10的熱存儲(chǔ)池可包括冷存儲(chǔ)池34，并且熱存儲(chǔ)管道包括冷存儲(chǔ)管道36，用于通過熱交換器 32在第一冷存儲(chǔ)池38與第二冷存儲(chǔ)池40之間傳遞冷存儲(chǔ)介質(zhì)。
圖1a和圖1b是實(shí)際實(shí)現(xiàn)的簡單形式。例如，代替熱交換器20，可使用如圖3a和 圖3b中所示的分流熱交換器70。通過這種熱交換器70，熱交換器70中的非共沸工作流體 混合物的可變熱容量并且因此溫度變化的斜率可通過除了池26和28之外還經(jīng)由中間存儲(chǔ) 池改變熱存儲(chǔ)流體的流動(dòng)速率來補(bǔ)償。作為補(bǔ)充或替代，熱交換器32也可由熱交換器70 取代。
熱存儲(chǔ)系統(tǒng)72包括具有內(nèi)部分流器72的熱交換器70。(例如，熱交換器70可包 括由分流器72互連的兩個(gè)基本熱交換器。)作為工作流體的非共沸混合物74通過這些組 件循環(huán)，如圖3a和圖3b中通過具有箭頭的實(shí)線所表示的。此外，冷-流體存儲(chǔ)池76、中間 存儲(chǔ)池78以及包含流體熱存儲(chǔ)介質(zhì)82的熱-流體存儲(chǔ)池80經(jīng)由熱交換器70連接在一起。
在從工作流體74到熱存儲(chǔ)介質(zhì)82的熱量傳遞期間，圖3a中由虛線所表示的熱存 儲(chǔ)介質(zhì)通過熱交換器72從冷-流體存儲(chǔ)池76流入熱-流體存儲(chǔ)池80并且部分流入中間 存儲(chǔ)池78。由耦合到控制裝置60的諸如熱電偶或電阻傳感器之類的溫度傳感器在分流器 72的任一側(cè)上來檢測熱存儲(chǔ)介質(zhì)的溫度。采取顯熱形式來存儲(chǔ)從工作流體74丟棄到熱存 儲(chǔ)介質(zhì)82中的熱量。
在分流器72的任一側(cè)上檢測熱存儲(chǔ)介質(zhì)82的溫度之后，調(diào)整進(jìn)入中間存儲(chǔ)池78 和熱-流體存儲(chǔ)池80的熱存儲(chǔ)介質(zhì)82的流動(dòng)速率。這通過由控制裝置60所控制的適當(dāng) 管路和布置來實(shí)現(xiàn)。按照預(yù)期溫度分布來確定初始閥開口，并且在操作期間按照溫度測量 對(duì)閥開口進(jìn)行微調(diào)。
熱交換器系統(tǒng)72設(shè)計(jì)成使得熱交換器70中的分流器72的位置與存儲(chǔ)介質(zhì)82處 于中間存儲(chǔ)池78的溫度水平的熱交換器70的點(diǎn)一致。轉(zhuǎn)向流存儲(chǔ)在中間池78中。第二 流繼續(xù)通過熱交換器70的其余部分進(jìn)入熱存儲(chǔ)池80。
如圖3b中所示，在從熱存儲(chǔ)介質(zhì)82到工作流體74的熱量傳遞期間，熱存儲(chǔ)介質(zhì) 82從熱-流體存儲(chǔ)池80以及從中間存儲(chǔ)池78泵送入冷-流體存儲(chǔ)池76中。由控制裝置 60在內(nèi)部分流器18的任一側(cè)上檢測和監(jiān)測熱存儲(chǔ)介質(zhì)82的溫度。熱交換器70中的熱存 儲(chǔ)介質(zhì)82的流的流動(dòng)速率能夠采用控制裝置60來控制和修改以優(yōu)化熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)10的 往返效率。這將相對(duì)圖4更詳細(xì)地解釋。
概括來說，熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)10可包括中間存儲(chǔ)池78，其中熱交換器70具有分流器 72,分流器72適合把來自第一或第二存儲(chǔ)池76、80的熱存儲(chǔ)介質(zhì)的流動(dòng)分為或結(jié)合為對(duì)中 間存儲(chǔ)池78和對(duì)第二或第一存儲(chǔ)池76、80的流動(dòng)。
圖4示出工作流體的加熱和冷卻期間的熱交換器70中的熱量傳遞的熱量流 動(dòng)-溫度圖。實(shí)線90表示冷卻期間的工作流體74的溫度分布。點(diǎn)線92表示加熱期間的 工作流體74的溫度分布。線90和92不是直線，因?yàn)橐话銇碚f，在非共沸混合物74的內(nèi)部熱量與溫度之間不存在線性相互關(guān)系。
短劃線94和點(diǎn)-短劃線96表示兩種過程期間的熱存儲(chǔ)介質(zhì)82的溫度分布。箭頭表示熱交換器70中的流動(dòng)方向。熱量只能從較高溫度流動(dòng)到較低溫度。因此，冷卻期間的工作流體74的特性分布90高于熱存儲(chǔ)介質(zhì)82的特性分布94，特性分布94又必須高于加熱期間的工作流體74的特性分布92。
在大約340°C的熱存儲(chǔ)介質(zhì)溫度處表示出分流/流結(jié)合點(diǎn)98 (因分流器72)。在圖表上的這個(gè)點(diǎn)的右手側(cè)，溫度分布94、96的梯度增加。這種相對(duì)增加的梯度是分流/流結(jié)合點(diǎn)98之后的熱存儲(chǔ)介質(zhì)82的不同流動(dòng)速率的結(jié)果。
在這個(gè)特定實(shí)施例中，冷-流體存儲(chǔ)池76的溫度大約為100°C，中間存儲(chǔ)池78的溫度大約為340°C，以及熱-流體存儲(chǔ)池80的溫度大約為520°C。假定大約25°C的最小接近溫度(即，交換熱量的兩個(gè)流體之間的最小溫度差為25°C)。在這種實(shí)施例中，冷-流體存儲(chǔ)池與分流器之間以及分流器與熱存儲(chǔ)池之間的熱存儲(chǔ)介質(zhì)的流動(dòng)速率控制成使得它們 具有大約2:1的比率。
從圖4能夠看到，表示工作流體的等壓線90、92緊隨表示熱存儲(chǔ)流體82的等壓線 94的形式。因此，使熱交換器中的熱存儲(chǔ)介質(zhì)與工作流體之間的任何接觸點(diǎn)處并且在蓄能和釋能循環(huán)期間的溫度差(表示為Λ Tmin和ATmax)為最小。有利地，由此采用熱量存儲(chǔ)系統(tǒng)72來促進(jìn)溫度差的最小化，從而使熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)10的往返效率為最大，而與熱交換器的大小無關(guān)。
技術(shù)人員將會(huì)知道，熱交換器中的熱量傳遞的熱量流動(dòng)-溫度圖在本發(fā)明的一個(gè)備選實(shí)施例中可具有不同形式。例如，有可能的是，分流點(diǎn)的左側(cè)的工作流體等壓線的梯度大于分流點(diǎn)的右側(cè)的工作流體等壓線的梯度。這將表示從冷存儲(chǔ)池和中間池所輸出的流在加熱期間在分流器處相結(jié)合，而在冷卻期間在分流器處分離。
權(quán)利要求
1.一種熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(10)，用于通過在蓄能循環(huán)中將熱能傳遞到熱存儲(chǔ)裝置(22，34)來存儲(chǔ)電能以及用于通過在釋能循環(huán)中從所述熱存儲(chǔ)裝置(22，34)恢復(fù)熱能來產(chǎn)生電， 所述熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(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(huán)， 熱存儲(chǔ)管道(24，36)，用于通過所述熱交換器(20，32)從熱存儲(chǔ)池(26，28，38，40)傳遞熱存儲(chǔ)介質(zhì)， 其中所述工作流體包括非共沸混合物。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(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(quán)利要求1或2所述的熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(10)， 其中所述熱交換器(20，32)包括逆流熱交換器。
4.如以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(10)， 其中所述工作流體通過所述熱交換器(20，32)的流動(dòng)控制成使得所述工作流體與所述熱存儲(chǔ)介質(zhì)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(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(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(dòng)。
6.如以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(10)， 其中所述熱存儲(chǔ)池包括熱存儲(chǔ)池(22)，并且所述熱存儲(chǔ)管道包括熱存儲(chǔ)管道(24)，用于通過所述熱交換器(20)在第一熱存儲(chǔ)池(26)與第二熱存儲(chǔ)池(28)之間傳遞熱存儲(chǔ)介質(zhì)，和/或 其中所述熱存儲(chǔ)池包括冷存儲(chǔ)池(34)，并且所述熱存儲(chǔ)管道包括冷存儲(chǔ)管道(36)，用于通過所述熱交換器(32)在第一冷存儲(chǔ)池(38)與第二冷存儲(chǔ)池(40)之間傳遞冷存儲(chǔ)介質(zhì)。
7.如以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(10)， 其中所述存儲(chǔ)池包括中間存儲(chǔ)池(78)， 其中所述熱交換器(70)具有分流器(72)，所述分流器(72)適合把來自第一存儲(chǔ)池(76)的所述熱存儲(chǔ)介質(zhì)的流動(dòng)分為對(duì)所述中間存儲(chǔ)池(78)和第二存儲(chǔ)池(80)的流動(dòng)。
8.如以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(10)，還包括 壓縮機(jī)(18)，用于在蓄能循環(huán)期間將處于汽相的所述工作流體從較低壓力壓縮到較高壓力，使得用于驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)的電能注入熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)。
9.如以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(10)，還包括 膨脹裝置(30)，用于在所述蓄能循環(huán)期間將處于液相的所述工作流體從較高壓力膨脹到較低壓力。
10.如以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(10)，還包括 泵(44)，用于在所述釋能循環(huán)期間將所述工作流體從較低壓力泵送到較高壓力。
11.如以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(10)，還包括 渦輪機(jī)(42)，用于在所述釋能循環(huán)期間將所述工作流體從較高壓力膨脹到較低壓力級(jí)以用于產(chǎn)生電能。
12.一種用于存儲(chǔ)和恢復(fù)電能的方法，包括下列步驟 通過在蓄能循環(huán)中將熱能傳遞到熱存儲(chǔ)裝置來存儲(chǔ)電能， 通過在釋能循環(huán)中將所述熱能從所述熱存儲(chǔ)裝置改變?yōu)闄C(jī)械能來恢復(fù)電能， 其中所述蓄能循環(huán)和所述釋能循環(huán)包括下列步驟 在工作流體與熱存儲(chǔ)介質(zhì)之間傳遞熱量，其中所述工作流體處于混合汽相和液相，并且在熱量傳遞期間具有連續(xù)上升或連續(xù)下降溫度，因?yàn)樗龉ぷ髁黧w包括非共沸混合物。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括下列步驟 控制通過所述熱交換器的流動(dòng)，使得所述工作流體與所述熱存儲(chǔ)介質(zhì)之間的溫度差小于 50、10 或 3 0C ο
14.如權(quán)利要求12或13所述的方法，還包括 分離或結(jié)合所述熱交換器中的所述熱存儲(chǔ)介質(zhì)的流動(dòng)，使得所述熱交換器中的熱量傳遞具有兩種不同速率。
15.—種作為熱電存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作流體的非共沸混合物的使用。
全文摘要
一種非共沸混合物被用作熱電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(10)的工作流體(16)。
文檔編號(hào)F01K25/06GK103003530SQ201180031305
公開日2013年3月27日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者C.奧勒, J.赫姆爾勒, M.默坎戈茨 申請人:Abb研究有限公司