CN103827448A - 用于存储热能的设备及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助蓄热器(14)和蓄冷器(16)存储热能的设备。此外，本发明还涉及一种用于给此蓄热器蓄能和释能的方法。借助该设备例如可以利用风力发电厂(22)的过剩电能，以便借助电机(M)将来自压缩机(13)和涡轮机(15)的机械功转化为热能，该热能在蓄热器(14)和蓄冷器(16)中提供以便然后借助发电机(G)获得电能。按本发明规定，在给蓄热器(14)存储热能并且给蓄冷器(16)存储冷能时，释放用于热量(12)的中间存储器中的热量，该中间存储器将用于压缩机(13)的工作气体预热到例如80℃。由此可以在蓄热器(14)中可以达到500℃的温度，通过工作气体的压缩还可以达到仅15巴。用于将工作气体压缩到15巴的压缩机在此有利地是一种良好的技术折中方案。若蓄热器(14)和蓄冷器(16)通过涡轮机(18)和压缩机(19)释能以获得电能，则中间存储器(12)又可以蓄能，因此其中已存储的热量又可以供用于蓄热器(14)和蓄冷器(16)之后的蓄能过程使用。

Description

用于存储热能的设备及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种用于存储热能的设备，该设备具有用于工作气体的回路。在此，在该回路中下列单元以给定的顺序通过用于工作气体的管道相互连接：第一热流体能机器、蓄热器、第二热流体能机器和蓄冷器。
在工作气体的流通方向上从蓄热器到蓄冷器看，第一热流体能机器作为做功机器连接，第二热流体能机器作为原动机连接。
此外，本发明涉及两种用于运行该设备的方法。在用于存储热能的方法中，在蓄热器到蓄冷器的方向上通过回路，这相应于上面给定顺序的结构单元。按另一种本发明同样涉及的方法，已存储的来自设备的热能也可以转换为例如机械能。在此，以相反的顺序通过这些单元，换句话说，工作气体的流通方向反向。然后，它首先经过蓄冷器，之后经过蓄热器，其中，在这种情况下，第一热流体能机器作为原动机工作，第二热流体能机器作为做功机器工作。
背景技术
在本申请的框架内使用概念原动机和做功机器，使得做功机器吸收机械功，以满足其目的。因此，用作做功机器的热流体能机器使用作为压缩机或压气机。与之相对，原动机做功，其中，用于做功的热流体能机器转换工作气体中存在的热能。在该情况下，热流体能机器因此作为电机工作。
概念“热流体能机器”形成机器的上位概念，该机器可以从工作流体中，在本申请的情况下是从工作气体中提取热能或输入热能。热能理解为热能和冷能。热流体能机器例如可以设计成活塞式发动机。优选也可以使用流体动力的热流体能机器，其叶轮允许工作气体连续的流动。优选可以使用轴向作用的涡轮机或压缩机。
开头给定的原理例如按US2010/0257862A1描述。在此使用活塞式发动机，以便执行上述的方法。此外，按US5，436，508已知，借助开头给定的用于存储热能的设备也可以中间存储在利用发电的风能时过剩的生产能力，以便在需要的情况下又可以调用它。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种开头给定的类型的用于存储热能的设备或用于转换热能的方法(通过之后的存储例如将机械能转换为热能或将已存储的热能转换为机械能)，通过该设备或方法可以在所使用的结构单元的合理开销的同时实现较高的效率。
该技术问题通过开头给定的设备按本发明解决，在第一流体能机器之前，在回路中附加地设置低温蓄热器。该蓄热器称作低温蓄热器，因为通过热量的存储达到的温度水平受原理所限地处于蓄热器的温度水平之下。因此，蓄热器相比低温蓄热器在本发明的意义上也可以称作高温蓄热器。此外，热量参照设备的环境温度定义。所有在环境温度以上的是热，而所有在环境温度以下的是冷。因此也清楚的是，蓄冷器的温度水平在环境温度以下。
使用低温蓄热器有下列优点。若使用存储热能的设备，则在通过在该情况下作为做功机器(压缩机)工作的第一流体能机器之前流过低温蓄热器。由此，将工作气体已经加热超过环境温度。这样的优点是，做功机器要达到工作气体所需的温度所必需接收的功率较低。具体地，若蓄热器加热超过500℃，这有利地在预热工作气体之后也可以通过技术上可用的热力学压缩机实现，该压缩机允许工作气体压缩到15巴。因此，可以有利地与用于该设备的结构单元的构件有关，这些构件可以在无需昂贵的修改的情况下从市场上获得。
工作气体可以根据选择在闭合的回路或开路中导引。开路不断地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在该过程的末尾也又排放到周围环境中，以便该周围环境封闭该开路。闭合的回路也允许其他工作气体用作环境空气。该工作气体在闭合的回路中导引。因为在调节环境压力和环境温度的同时省掉在周围环境中的减压，所以工作气体必须在闭合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释放到周围空气中或从周围空气中吸收。
按本发明一种有利的结构方案规定，回路设计成开路，第二热流体能机器由两级构成，其中，在这两级之间设有用于工作气体的水分离器。在此要考虑到，在环境空气中包含空气湿度。通过工作气体在唯一级中的减压会导致，空气湿度由于工作气体剧烈冷却到例如-114℃而结冰，并在此损坏热流体能机器。尤其是涡轮机叶片可以通过结冰而造成永久性损坏。但工作气体的减压在两个步骤中实现，冷凝水在第一级后方的水分离器中例如在5℃时析出，以便它在工作气体进一步冷却时已在第二涡轮级中除湿并且可以防止或至少减少结冰。以此，有利地降低损坏第二流体能机器的风险。
若使用闭合的回路并且，如已描述，在回路中装入热交换器，则可以省去水分离器的使用以及两级的第二热流体能机器的使用。作为工作气体也可以在该情况下使用例如除湿的环境空气，通过回路的完整性排除对环境空气的加湿。但也可以使用另外的工作气体。
按本发明的设备的特别的结构方案规定，在回路中与第一热流体能机器并联有第三热流体能机器和/或与第二热流体能机器并联有第四热流体能机器。在此，分别在第一和第三热流体能机器之间和/或在第二和第四热流体能机器之间设置阀机构。通过连接阀机构，可以仅有利地根据工作气体的流通方向分别选择一个流体能机器或另一个流体能机器。这样的优点是，分别使用的流体能机器可以在待接通的工作状态上得以优化。因为在使用仅两个流体能机器时，两者必须根据流通方向既用作做功机器又用作原动机，可以在不必设置附加的流体能机器的条件下选择仅一种结构上的折中方案。但因为力图既在热蓄能工作中，也在热释能工作中尽可能高的效率，所以允许流体能机器的并联，实施在最佳效率时用于存储热能的方法和转换热能的方法。
该技术问题的解决方案还通过开头所述的用于存储热能的方法这样地实现，工作气体在第一流体能机器的前方流过低温蓄热器。亦即，工作气体通过低温蓄热器加热并且馈送到第一流体能机器中。由此，实现已阐述的优点。工作气体可以有利地在低温蓄热器中加热到60℃和100℃之间的温度，特别有利地加热到80℃的温度。然后，如已提到那样，按本发明的另一种结构方案可以将工作气体压缩到最高15巴，由此，可以实现工作气体直至550℃的温度。
同样，该技术问题通过开头所述的用于转换热能的方法解决，(在工作气体的流动方向反向时)工作气体在第一流体能机器的后方流过低温蓄热器。在此，就所使用的设备而言，当然是使用在上述用于存储热能的方法中的相同的低温蓄热器。这样的优点即是，在转换低温蓄热器的热能的过程之后又蓄能，而蓄热器和蓄冷器释能。若该过程在用于存储热能的方法中又反转，则现在存在低温蓄热器中中间存储的能量用于预热工作气体。只需在设备启动时，在首次实施用于存储热能的方法情况下以另外的方式提供热量，因为它之前还未能通过转换热能的方法提供。若不提供该还在低温蓄热器中已存储的能量，则用于存储热能的方法即使未以期望的效率工作但还能正常工作。但在该过程的多次转向时即使无外部能量协助也能达到该设备要求的额定状态。
有利地，工作气体在低温蓄热器中可以加热到100℃和160℃之间的温度。特别有利地加热到130℃。此外，在此有利的是，工作气体通过第二热流体能机器压缩到最高10巴。在此也可以是在成本和收益之间权衡的一种合理的技术折中方案。
附图说明
下列根据附图描述本发明的其他详情。相同或相应的附图元件在此分别配有相同的附图标记并因此仅多次阐述各附图之间的区别。附图中：
图1以线路图示出按本发明的设备的实施例和
图2和图3根据另外的线路图示出按本发明的方法的实施例。
具体实施方式
按图1的用于存储热能的设备具有管道11，多个单元通过该管道11相互连接成，使得工作气体可以流过这些单元。工作气体流过低温蓄热器12，然后流过第一热流体能机器13，该第一热流体能机器设计成流体力学的压缩机。此外，然后管道导引至蓄热器14。该蓄热器14与第二热流体能机器15连接，该第二热流体能机器15设计成流体动力的涡轮机。管道11从涡轮机导引至蓄冷器16。蓄冷器16通过管道11与低温蓄热器12连接，其中，在该管道段中还设置热交换器17，通过该热交换器17，工作气体可以将热量散发到周围环境中或可以从环境中吸收热量(根据工作方式)。
因此，在图1中设置用于工作气体的闭合回路。然而，以相同的方式可设想，以未示出的方式，省掉蓄冷器16和低温蓄热器12之间的管道段连同热交换器17。在该情况下，回路通过周围环境闭合，其中，在该情况下由环境空气构成的工作气体在低温蓄热器12处吸入，并且在蓄冷器16之后又排出到周围环境中。
此外，在图1中设置流体动力的涡轮机形式的第三热流体能机器18和流体动力的压缩机形式的第四热流体能机器19。此外，应当指出，第一流体动力的流体能机器13在管道11中与第三流体动力的流体能机器18并联，第二流体能机器15在管道11中与第四流体能机器19并联。阀机构20通过打开和关闭保证，分别流过仅第一和第二流体能机器或者第三和第四流体能机器。第一和第二流体能机器13和15通过第一轴21机械地相互联接并且通过电机M驱动，该电机由风力发电厂22馈电，只要在电网中未需求已产生的电能。在该工作状态中，给蓄热器14和蓄冷器16蓄能，如之后还更详细地阐述。若对电能的需求相比当前产生的电能的量更大，则通过风力发电厂22产生的电流直接地馈送到电网中。附加地该设备在另外的工作状态下有助于发电，方式是给蓄热器14和蓄冷器16释能并且以第二轴23通过流体能机器18和19驱动发动机G。第二轴23为此机械地与第三流体能机器18和第四流体能机器19联接。
在按图1的设备中低温蓄热器12，蓄热器14和蓄冷器16的结构分别相同并且通过局部剖面放大图结合蓄冷器16进一步阐述。设置容器，其壁24配有绝缘材料25，该绝缘材料具有较大的孔26。在容器的内部中设有混凝土27，该混凝土用作蓄热器或蓄冷器。在混凝土27的内部平行延伸地铺设管子28，工作气体流动通过该管子并且在该处释放热量或吸收热量(根据工作方式和存储类型)。
根据按图2和图3的设备，热蓄能和释能过程应当进一步阐述。在图2中首先示出蓄能过程，该蓄能过程按照热力泵的原理作用。与图1不同，在图2和图3中示出一条开路，但该开路，如用点划线示意，可以通过最佳地设置热交换器17而封闭。在图2和图3的实施例中由空气组成的工作气体在管道中的状态分别用圆圈表示出。左上方是以巴表示的压力。右上方是以kJ/kg表示的焓。左下方是以℃表示的温度，右下方是以kg/s表示的质量流。气体的流动方向通过管道11中的箭头表明。
在模型计算中，一巴和20℃的工作气体进入(之前蓄能的)低温蓄热器并且以80℃的温度离开。通过借助以压缩机工作的第一流体能机器13压缩，导致压力升高到15巴，并因此还导致温度升高到547℃。该这种计算基于下列公式
T2=T1+(T2s-T1)/ηc；Τ2s=Τ1П(k-1/k)，其中，
Τ2是压缩机出口处的温度，
T1是压缩机入口处的温度，
ηc是压缩机的等熵效率，
П是压力比(在此15：1)以及
K是压缩率，空气为1.4。
对于压缩机来说，等熵效率ηc可以假设为0.85。
已加热的工作气体现在流过蓄热器14，其中，存储了可用热能的主要部分。在存储时，工作气体冷却到20℃，而压力(除了流动引起的压力损失)保持在15巴。然后，工作气体在第二流体能机器的两个串联的级15a，15b中减压，以便它到达一巴的压力水平上。在此，工作气体在第一级之后冷却到5℃，在第二级之后冷却到-114℃。该计算的基础同样是上面给出的公式。
在管道11连接高压涡轮机和低压涡轮机形式的第二流体能机器15a，15b的两级的部分内附加地设有水分离器29。该水分离器在第一次减压之后能够实现空气的干燥，因此其中包含的空气湿度在第二流体能机器15的第二级15b中未导致涡轮叶片的结冰。
在进一步过程中，减压的并因此冷却的工作气体从蓄冷器16中提取热量并由此加热到0℃。以这种方式，冷能存储在之后获取能量时可以利用的蓄冷器16中。若比较工作气体在蓄冷器16的出口处的温度和在低温蓄热器12的入口处的温度，则明显的是，为什么必须为闭合回路的情况提供热交换器17。在此，又可以将工作气体加热到20℃的环境温度，由此从周围环境中抽走给该过程提供的热量。在工作气体直接从环境中吸入时当然可以省掉这种措施，因为它已经具有环境温度。
借助图3，可以理解蓄热器14和蓄冷器16的释能循环，其中，在发电机G上产生电能。与图1不同，在图3中既在蓄能也在释能循环中使用第一流体能机器13和第二(两级的)流体能机器15。这不损坏设备的功能原理，但通过更低的效率换取。因此，在使用附加的第三和第四流体能机器时权衡更高的投资成本相对效率收益，该效率的收益通过在使用四个流体能机器时可以分别优化相应的工作状态来实现。此外，又以点划线示出闭合回路的备选方案。水分离器29在按图3的图示中未示出，因为它还未使用到。
工作气体导引通过蓄冷器16。在此，它从20℃冷却到-92℃。该措施用于减小功率消耗，以便以压缩机工作的第二流体能机器运行。该功率消耗减少一个与以开尔文表示的温度差相应的因子，也就是说293K/181K=1.62。在该实施例中，压缩机将工作气体压缩到10巴。在此，温度升高到100℃。在技术上也可行的是不超过15巴的压缩。已压缩的工作气体流过蓄热器14并由此加热到500℃，其中，压力略微减小到9.8巴。然后，工作气体通过第一流体能机器减压，该第一流体能机器因此在该工作状态中以涡轮机工作。它减压到1巴，其中，在工作气体中，在第一流体能机器的出口上总还存在183℃的温度。
然后，为了同样可以利用这些余热，工作气体导引通过低温蓄热器并且由此冷却到130℃。该热量必须被存储，以便在蓄热器14和蓄冷器16的下列蓄能过程中用于将工作气体预热到80℃(如上面所描述)。因此，低温蓄热器以中间存储器工作，然后恰好在两个另外的存储器，亦即，蓄热器14和蓄冷器16释能时才不断地蓄能，反之亦然。

Claims (9)

1.一种用于存储热能的设备，该设备具有用于工作气体的回路，其中，在所述回路中，下列单元以给定的顺序通过用于工作气体的管道(11)相互连接：
·第一热流体能机器(13)，
·蓄热器(14)，
·第二热流体能机器(15)，和
·蓄冷器(16)，
其中，在工作气体的流通方向上从蓄热器(14)到蓄冷器(15)看，所述第一热流体能机器(13)作为做功机器连接，第二热流体能机器(15)作为原动机连接，
其特征在于，
在所述回路中所述第一流体能机器(13)的前方设有低温蓄热器(12)，其中，
·所述回路设计成闭合的回路，在所述回路中所述蓄冷器(16)和所述低温蓄热器(12)之间设置热交换器(17)或
·所述蓄冷器(16)和所述低温蓄热器之间的回路是开放的。
2.按权利要求1所述的设备，
其特征在于，
所述回路设计成开路，所述第二热流体能机器(15)由两个级(15a，15b)构成，其中，在所述级(15a，15b)之间设有用于工作气体的水分离器(29)。
3.按权利要求1或2所述的设备，
其特征在于，
在所述回路中，与所述第一热流体能机器(13)并联有第三热流体能机器(18)和/或与所述第二热流体能机器(15)并联有第四热流体能机器(19)，其中，各阀机构(20)设置在所述第一和第三热流体能机器之间和/或在所述第二和第四热流体能机器之间。
4.一种用于存储热能的方法，其中，工作气体流过回路，其中，在所述回路中以给定的顺序流过下列单元：
·第一热流体能机器(13)，
·蓄热器(14)，
·第二热流体能机器(15)和蓄冷器(16)，
其中，所述第一热流体能机器(13)作为做功机器工作，所述第二热流体能机器(15)作为原动机工作，
其特征在于，
在所述第一流体能机器(13)之前工作气体流过低温蓄热器(12)。
5.按权利要求4所述的方法，
其特征在于，
在所述低温蓄热器中将所述工作气体加热到60℃至100℃之间的温度，尤其是加热到80℃。
6.按权利要求4或5所述的方法，
其特征在于，
所述工作气体通过第一热流体能机器压缩到最高20巴，优选最高15巴。
7.一种用于转换热能的方法，其中，工作气体流过回路，其中，在所述回路中以给定的顺序流过下列单元：
·蓄冷器(16)，
·第二热流体能机器(15)和
·蓄热器(14)，
·第一热流体能机器(13)，其中，所述第一热流体能机器(13)作为原动机工作，所述第二热流体能机器(15)作为做功机器工作，
其特征在于，
在所述第一流体能机器(13)的后方，工作气体流过低温蓄热器(12)。
8.按权利要求7所述的方法，
其特征在于，
在所述低温存储器中，所述工作气体冷却到100℃至160℃之间的温度，尤其是冷却到130℃。
9.按权利要求7或8所述的方法，
其特征在于，
所述工作气体通过所述第二热流体能机器压缩到最高15巴，优选最高10巴。
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