CN110030611A - 用于分散式存储能量的方法、蓄热装置和*** - Google Patents

用于分散式存储能量的方法、蓄热装置和*** Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于分散存储能量的方法，其中所述能量通过至少一个中央设置的用于产生电能的能量产生设备(200)提供。本方法包括以下步骤：提出至少一种蓄热装置(100)，其中，分散地设置蓄热装置(100)用于能量产生设备(200)并将其与能量产生设备(200)电连接；通过至少一个蓄热装置(100)接收能量产生设备(200)提供的信号，其中，该信号指示能量产生设备(200)的现有剩余电能；检测蓄热装置(100)的最新放电状态；和对接收到的信号和检测到的放电状态做出反应，以潜热的方式在蓄热装置(100)中存储至少部分由能量产生设备(200)提供的多余电能。此外，还提出了用于实施上述方法的蓄热装置(100)以及包括大量蓄热装置(100)的***。

Description

用于分散式存储能量的方法、蓄热装置和***
技术领域
本发明涉及能量存储领域。具体地，描述了用于分散式存储能量的技术，所述能量通过至少一个中央设置的用于产生电能的能量产生设备提供。
背景技术
可再生能源，例如光伏设备或风力发电场，越来越重要。它们逐渐替代以燃烧化石能源为基础的传统发电厂，如核电站或热力发电站。传统发电厂的优势是，可以在任何时间(不依赖于白昼或季节)产生所需的电能量并将其存储在电网中。传统发电厂根据需求(按需)产生电能并且在电网中存储电能。为了能在任何时间给终端用户提供充足的电能，需要可靠的预测模型，该模型可预测每天或每个季节电网中的能量需求。传统的发电厂可以根据所期望的能量需求运行。
有关传统发电厂所描述的根据需求产生电能，在可再生能源中(如光伏设备或风电设备)难以实现。因为在可再生能源中能量的产生取决于现有的自然能源，如光伏设备中的太阳辐射或风力发电设备中的风力强度。自然能源依赖于白昼(白天/黑夜)、季节和天气(晴天、下雨、刮风)并且不受人类影响。因此通过可再生能源产生和提供的电能具有较大的不稳定性。例如，可能在特定的时间，通过可再生能源产生的电能远超过电网中的终端用户所需的能量。同样地，有时由于自然能源的缺乏或消失(如夜间无太阳辐射，无风)，可能产生的能量明显少于消耗的能量。
为了能够实现可再生能源的有效利用，因此希望，将产生的未使用的能量生产峰值暂时存储并且在产生较少能量时将其供应给终端用户。优选地，使用化学蓄电池组来存储多余能量或能量峰值。然而，该电池组的采购费用较高。此外，电池组的存储能力随着每次新的充电循环而降低。此外，已知的是，可以借助水电蓄能站暂时存储可再生能源的多余能量。
发明内容
本发明的目的是提供一种可选的存储技术，其设计成灵活地、长期地、无损耗地存储优选通过可再生能源产生的多余电能。
一方面，上述目的可以通过用于分散地存储能量的方法来实现，所述能量通过至少一个中央设置的用于产生电能的能量产生设备提供。在此，本发明的方法包括以下步骤：提供至少一个蓄热装置，其中，蓄热装置相对于能量产生设备分散地设置，并与能量产生设备电连接；通过至少一个蓄热装置接收能量产生设备提供的信号，其中该信号指示能量产生设备上现有的多余电能；检测蓄热装置的最新的放电状态；对接收到的信号和检测到的充电状态做出反应，以潜热的方式在蓄热装置中存储至少一部分由能量产生设备提供的多余电能。
中央设置的能量产生设备是指，在空间上远离终端用户设置的能量产生设备。在此，可以作为能量产生设备的有风电设备(例如风力发电场)、太阳能发电站(如光伏设备)或者其他能够通过利用可再生能源产生大量电能的能量产生设备。
多余电能是指那些通过能量产生设备产生的电能或者部分能量，在其产生时不被终端用户直接使用。因此，是否在预先设定的时间点产生多余的能量取决于由能量产生设备所产生或提供的能量和终端用户在预先设定的时间点所消耗的能量。对于可再生能量产生设备，尤其会在以下时刻出现能量过剩，即，当对于可再生能量产生设备尤为重要的天气参数(如光伏设备的太阳辐射强度或风力涡轮机中的风力强度和风向)对于能量产生设备来说处于最佳值时。在这种情况下，可再生能量产生设备达到其最大的能量产量，并且与此相随地，产生与能量产生设备相符的最大能量(所谓的能量生产峰值)。在出现的能量生产峰值中可能存在不被终端用户直接使用的巨大的剩余能量。
至少一个蓄热装置相对于能量产生设备分散设置。与此相关地，分散是指蓄热装置设置(或安装)在终端用户处或附近。不同于中央设置的能量产生设备，其被设置成用于集中供应大量的终端用户，所述至少一个分散布置的蓄热装置被设置成供应热能给本地终端用户。如果设置多个蓄热装置，它们就可以相互间隔设置并分配给多个终端用户。
此外，以潜热的形式存储至少一部分由能量产生设备提供的多余电能的步骤还可以包括获取电能和将电能转换成热能。可在至少一个能量产生设备上本地进行电能的转换。对此，能量产生设备可以包括能量转换单元，其构造成将电能转换为热能。作为能量转换单元可以是例如暖气、加热线圈或者其他可用电能加热的原件。
中央设置的能量产生设备和至少一个分散设置的蓄热装置之间的电连接可以通过现有的(传统的)电网来实现。
在这种情况下，可以由中央设置的能量产生设备向至少一个分散设置的蓄热装置发信号通知现有的多余电能(例如处于能量生产峰值时)。该通知可通过信号实现。可以通过单独的网络(例如通过网络经由IP-信号)或通过电网将其传递给至少一个蓄热装置。
当至少一个分散设置的蓄热装置准备用于存储多余电能时，然后才可以以热的形式存储至少一部分由能量产生设备提供的多余电能。一般来说，当至少一个蓄热装置的放电状态达到或超过至少一个预先设定的阈值时，所述至少一个分散设置的蓄热装置然后才准备好。
至少一个蓄热装置可以向中央能量产生设备发送信号通知准备接收多余电能。针对从能量产生设备收到的指示现有多余能量的信号，可以发出准备接收多余能量的信号。至少一个蓄热装置可以通过信号(回应信号)向中央设置的能量产生设备传达准备接收多余能量的信息。回应信号除了包含准备信息外，还可包含关于其可以从中央能量生产单元接收和存储的能量的信息。通过蓄热装置接收的能量取决于蓄热装置的放电状态。
此外，为了确定准备以热能的形式存储多余能量，本方法还可以包括检测至少一个蓄热装置的最新的放电状态。可针对从中央能量产生设备接收的信号来执行检测至少一个蓄热装置的最新的放电状态的步骤。因此，当蓄热装置具有可以接收最小能量值的放电状态时，可以随后不断地从电网获取电能并将其转换成热能。
本方法还包括根据需要向本地终端用户提供存储在至少一个蓄热装置中的热能。换言之，可以根据本方法以热能的形式分散地存储多余电能并且根据需要再输送给分散的终端用户。
根据实施方案，可以提供多个分散设置的并且与能量产生设备电连接的蓄热装置。多个蓄热装置中的每一个都可以接收来自能量产生设备的信号，检测其最新的放电状态，并且针对接收到的信号和其检测到的充电状态，以热能的形式存储至少一部分由能量产生设备提供的多余电能。
另一方面，本发明提出了一种用于存储能量的装置，其中该装置可以通过电网与至少一个中央设置的用于产生电能的能量产生设备连接。该装置包括：接收器，其构造成，接收由能量产生设备提供的信号，其中该信号指示能量产生设备现有的多余电能；传感器单元，其构造成，检测蓄热装置的最新的放电状态；蓄热单元，其构造成，以潜热形式存储热能；以及控制单元，其构造成，在接收到的信号和检测到的放电状态的基础上如此控制蓄热单元，使其以潜热的方式存储至少一部分由能量产生设备提供的多余电能。
蓄热装置构造成潜热存储装置。该装置包括潜热存储介质，设置其用于，以潜热的形式存储能量。可以采用盐水合物(优选三水合乙酸钠)作为潜热存储介质。这种盐水合物是适合的，因为一方面其采购价格便宜，另一方面其具有高蓄热能力。尤其地，通过以潜热的方式存储热量使得能量以热的形式，无损耗地、长期地存储成为可能。
此外，蓄热装置可以包括能量转换单元，其构造成，将电能转换成热能。这种能量转换单元可以是例如暖气，其在电流状态下加热并向外释放热。在这种情况下，能量转换单元随后与蓄热装置的潜热介质(热)连接。因此，由能量转换单元产生的热直接地(无中间损耗)传送给潜热介质。替代地，也可以考虑，能量转换单元与蓄热装置的传热介质(热)连接。之后由能量转换单元产生的热先传给传热介质，并且随后由传热介质传递给潜热介质。在这种情况下，水、油或者其他传递介质可以作为传热介质。
可以采用传统的信号接收器作为接收器，其设置成，接收(和解码)无线或有线信号。
可以采用热能耗量计作为传感器单元，其测量在潜热存储器上获得的(和供应的)热能。由所测得的获取的热能以及已知的蓄热装置的最大能量容量，可以得出蓄热装置的最新的放电状态。
此外，控制单元可以构造成，针对已收到的信号和检测到的放电状态这样控制能量转换单元，即，能量转换单元获取至少一部分在电网中提供的多余电能并将其转换成热能。换言之，控制单元可以根据检测到的放电状态计算出，通过蓄热装置能够存储多少多余能量。控制单元可以基于该计算结果告知能量转换单元，其应该从电网中获取多少电能。
另一方面，本发明提出了一种用于以热能的形式分散地存储电能的***。该***包括多个蓄热装置，如上所述，其中，多个蓄热装置相对于一个或多个电能生产设备分散地设置并且与其通过(传统的)电网电连接。
作为变换形式，***的每个蓄热装置可以在终端用户处安装。终端用户可以是传统的家用电器、工业设备或其他私人或公共建筑。因此，通过分散设置大量的蓄热装置可以建立蓄热装置之间的联系，其通过已有的共同电网与中央设置的能量产生设备连接。通过这样分散布置蓄热装置所产生的***或网络使得多余能量能够通过大量的蓄热装置分散且灵活地存储。另一方面，能量产生设备可以通过大量的蓄热装置灵活地分配多余的能量。因此，这里描述的分散的能量存储***是应用灵活的且不易发生故障，使得一个蓄热装置发生故障可以通过其他剩余的蓄热装置补偿。
作为变换形式，这里描述的***，除了包括分散布置的且通过电网相互电连接的蓄热装置外，还可以包括能量产生设备。用于产生电能的能量产生设备可以是基于可再生能源的能量产生设备，如风力发电场设备、光伏设备，或者也可以是传统的发电厂，如核电厂或热力发电厂。
附图说明
此外，借助于图中所展现的实施方案进一步描述本发明的其他细节和优点。图示：
图1图解性地展现用于实施本发明的能量供应网络
图2根据本发明的用于分散地存储能量的蓄热装置的结构框图；和
图3流程图，其展现了根据本发明的用于分散地存储能量的方法。
具体实施方式
结合图1进一步描述用于分散地存储能量的本发明。图1展示了传统电网10(或连接网络)所包含的大量的用于传输电能的电线10a-10d。至少一个中央设置的能量产生设备200(在图1中缩写为“EEE”)以及至少一个蓄热装置100(在图1中缩写为“WSV”)与电网10电连接。蓄热装置100基于至少一个能量产生设备200分散地设置。它们设置在终端用户(在图一中没有示出)附近，如私人或公共建筑、工厂设备或其他设施。
能量产生设备200可以是传统的发电厂或者可再生能源，如风力发电场设备(海上或陆上风力发电场设备)或者大面积的光伏设备。能量产生设备200可以设置成用于产生电能并将其送入电网10.
在终端用户现场或者附近设置的蓄热装置100与电网10电连接。蓄热装置设置成，以热能的形式储存能量。尤其地，蓄热装置设置成，将由至少一个能量产生设备200提供的电能转换成相应的热能并且将其长期地和尽可能无损耗地存储。尤其地，蓄热装置100构造成，将由能量产生设备200产生的多余电能转换成热能并且长期地储存。每个蓄热装置100还构造成，根据需要将储存的热能供应给与蓄热装置100对应的用户。
结合图2，现将进一步描述图1中展现的蓄热装置100。每个蓄热装置100包括蓄热单元110、能量转换单元120以及传感器单元130。此外，蓄热装置100还包括控制单元140以及接收器150(在图2中缩写为Rx)。此外，优选地，蓄热装置100可以包括发送器160(在图2中缩写为Tx)。
蓄热单元110构造成潜热存储单元。潜热存储单元构造成，以潜在的(或可感觉的)热的形式存储热能。为此，潜热存储单元可以包括至少一个潜热存储元件，在其中贮存预先设定数量的潜热存储介质(未在框图2中显示)。至少一个潜热存储元件的潜热存储介质设置为，其在输送热能时变换其相态，在相态变换时以潜热的形式存储所需能量。在这种情况下，以潜热形式存储的热能取决于所使用的潜热存储介质类型和数量。优选地，使用盐水合物(如三水合乙酸钠)作为潜热介质。它能够以潜热的形式存储大量的热。
热存储单元110的至少一个热储元件与传热介质热连接。水可以用作传热介质。当蓄热单元110充电时，通过传热介质将热传送给至少一个蓄热元件(并因此传送给热存储介质)。传送的热被热存储介质吸收并完全或大部分以潜热的形式储存。相反地，通过改变相态可以再次释放以潜热形式存储在蓄热介质中的热能，并将热能传送到围绕着蓄热元件的传热介质。之后，传送到传热介质的热能可以通过传热介质回路传送给终端用户(例如房中的供暖设备)。将终端用户与蓄热单元110形成流体连接的传热介质回路在图2的框图中仅由箭头115a和115b(用于流入和流出)图示性地标出。
此外，热存储单元110还与本地热源(如太阳能热设备)热连接(在图2中仅图示性标出)。因此，热存储单元110可以借助由本地热源提供的热能进行充电。该充电过程在图2中通过虚线箭头115c标出。
此外，蓄热单元110通过能量转换单元120与图1中示出的传统电网10连接。能量转换单元120设置成，用于获取通过电网10所提供的电能(图2中箭头115d)，将其转换成热能并且将转换后的热能传送给蓄热单元110(箭头115e)。因此，蓄热单元110也可以通过将经由电网10提供的电能转换为热能来进行充电。
为了能够将电能转化为热能，能量转换单元120包括至少一个暖气或一个其他的加热元件，其可以由电驱动并且将电能转换成热。为了能够将转化后的热能尽可能无损耗地输送给蓄热介质，可以将转换装置与传热介质或者与蓄热介质直接接触。
传感器单元130构造成，用于测量蓄热单元110输送给终端用户的热能。此外，其构造成，测量通过本地热源和/或通过能量转换单元120输送给蓄热单元110的热能。如图2所示，传感器单元130为此与相应的传热回路连接，在该回路中蓄热单元与终端用户和本地的热源以及能量转换单元120流体连接。由所测得的输送到蓄热单元110的热能和从蓄热单元110中取走的热能的差值可以随时确定蓄热单元110的放电状态以及充电状态。
设置发送器150和接收器160用于与中央能量产生设备200的通讯。发送器150和接收器160可以构造成，用于与能量产生设备200的无线以及有线通讯(用于接收以及发送通讯信号)。
控制单元140与蓄热单元110、能量转换单元120和传感器单元130进行通信。控制单元140构造成，用于获取来自传感器单元130的传感信号，该信号指示流入和流出蓄热单元110的热量值。此外，控制单元140还构造成，用于根据由传感器单元130捕捉到的热量流来确定蓄热单元110的充电以及放电状态。此外，控制单元140还设置成,用于根据所确定的蓄热单元110的放电以及充电状态如此控制能量转换单元120，使得能量转换单元120从电网10获取预先设定的与要转化成的热能相符的电能量，这导致热存储单元110完全或至少部分充电。
此外，控制单元140与接收器150连接，以获取(和估计)来自中央能量产生设备200的信号Sin。此外，控制单元140还可以与发送器160连接，以向能量产生设备200发送由传感器单元140产生的回应信号Sout。
为了执行上述功能，控制器140具有处理器和存储器。在存储器中临时存储通信信号以及测量值。处理器设置成，用于实施控制功能。
图3描述了本发明的用于分散地存储现有传统电网中(例如在图1中描述的)的能量的方法。图3中所描述的方法借助于图2所示的蓄热装置100来实施。
根据第一个步骤，提供至少一个蓄热装置100。所谓提供是指所述至少一个蓄热装置100与电网10连接。所述至少一个所提出的蓄热装置100在其组件和特性方面符合有关图2所描述的蓄热装置。所述至少一个蓄热装置100在现有电网10中相对于能量产生设备200分散地设置。分散表示，蓄热装置200安装在电网10中的终端用户中或附近，如图1所示。蓄热装置100通过现有的(传统的)电网10与中央设置的能量产生设备200电连接。
在下一个步骤S20中，借助蓄热装置100的接收器150接收由能量产生设备200提供的信号Sin。信号Sin指示能量产生设备200的现有的多余电能。换言之，当能量产生设备200中存在电网用户不直接需要的多余的电能时，能量产生设备200不断发出信号Sin。
在接下来的步骤S30中，借助于蓄热装置100的传感器单元130和控制器单元140检测蓄热装置100(确切地说是蓄热单元110)的最新的放电和充电状态。在这种情况下，检测步骤包括对传感器单元130的读取，其测量蓄热单元100的热流入以及蓄热单元100的热流出。此外，检测步骤还包括，借助控制单元140，根据所测得的热流入和热流出计算放电状态以及充电状态。例如，可以通过测得的热量流入和热量流出的差额计算出放电状态。检测步骤可以针对接收到的信号Sin来执行。
根据检测到的放电状态和充电状态以及针对已接收到的信号Sin，在接下来的第四个步骤S40中通过控制单元140决定，由能量产生设备200提供的部分多余能量是否应该以潜热的形式存储在蓄热单元110中。在这种情况下，如果控制单元140基于传感器单元130的测量信号确定，蓄热单元110的放电状态以及充电状态超过预先设定的阈值，那么传感器单元140计算能够由部分或完全放电的热存储单元110存储的能量。控制单元140根据该计算结果控制能量转换单元120，从电网10获取所需的那些能量，以对热存储单元110完全地或至少部分地再次充电。
此外，传感器单元140可以针对已收到的来自能量产生设备200的信号Sin，通过发送器160向能量产生设备200发送回应信号Sout。在这种情况下，回应信号Sout可以包含指示能量的信息，即，蓄热装置110已经获取的并且以潜热的形式存储的能量的信息。替代地，也可考虑，能量产生设备200在信号Sin中提供由能量产生设备200预先设定的电能的量值。之后，控制单元140可以基于已经掌握的蓄热单元110的放电状态决定，它是否愿意获取由中央能量产生设备200提供的能量值并且将其以潜热的形式暂存。在这种情况下，回应信号160仅包括指示接收或拒绝此供应的信息。
根据实施方案，在电网10中设置大量上述蓄热装置100，其中在每个蓄热装置100中实施在图3中描述的相关方法。因此，大量蓄热装置100构成分散布置的蓄热***或者蓄热群。每个蓄热装置100与至少一个在电网10中设置的能量产生设备200通信并且可以与其通讯。当在至少一个能量产生设备200上出现能量生产峰值时，能量产生设备200可以向每个蓄热装置100发送指示能量生产峰值的信号Sin。每个蓄热装置100于是可以基于为每个蓄热装置100测得的放电状态决定，它是否想接收或者接收多少能量，以便以潜热方式暂存电能。
本发明使得多余电能能够以热能的形式分散地存储在终端用户附近。此外，这里描述的分散式存储技术是按照供应量控制的而不是按照需求控制的(按需)，例如在传统电网10中。因此，所产生的多余能量可以快速且灵活地分配给网络中的几个或多个蓄热装置100。因此可以有效利用电能产量峰值。
这里描述的分散式能量存储技术的灵活性随着网络中所提供的蓄热装置100的数量而提高。如果提供大量的蓄热装置100(例如，数百或数千个蓄热装置)并将它们聚集在一起，如此自然会提高总的存储能力。因此，蓄热装置群也可以暂存大型发电设备的能量生产峰值。此外，蓄热装置群是有利的，因为一个蓄热装置100的故障(例如通过损坏或维护产生的故障)可以通过现有的剩余的蓄热装置100很好地补偿。
此外，由于各所述蓄热装置100构造成潜热存储装置，因此另一个优点是，能够长期地、尽可能无损耗地并且无损坏地存储多余电能。主要由电能到热能的转化会导致可能出现的损耗。相对于化学存储电池，以潜热的形式存储电能还有其他优点。因为基于盐水合物的潜热存储器不会退化(没有记忆效应)并且可随意地频繁地放电以及充电。蓄热装置100的存储能力的下降微不足道。因此本发明提供了一种鲁棒且耐用的技术，除此之外，其相对于化学存储电池来说具有成本优势。

Claims (14)

1.一种用于分散式存储能量的方法，所述能量通过至少一个中央设置的用于产生电能的能量产生设备(200)提供，其中该方法包括以下步骤：
提供至少一个蓄热装置(100)，其中，所述蓄热装置(100)相对于所述能量产生设备(200)分散地设置，并与所述能量产生设备(200)电连接；
通过至少一个蓄热装置(100)接收由所述能量产生设备(200)提供的信号，其中该信号指示所述能量产生设备(200)上现有的多余电能；
检测所述蓄热装置(100)的最新的放电状态；和
针对接收到的信号和检测到的放电状态，将由所述能量产生设备(200)提供的至少部分多余电能以潜热的方式存储在所述蓄热装置(100)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，存储步骤还包括获取电能和将电能转换成热能。
3.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其中，通过传统电网(10)实现中央设置的所述能量产生设备(200)和至少一个分散设置的所述蓄热装置(100)之间的电连接。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述多余电能包括在通过可再生发电源产生电能时出现的电能峰值。
5.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，当所述放电状态达到或超过至少一个预先设定的阈值时，才以热的形式存储由所述能量产生设备(200)提供的至少部分多余电能。
6.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其中，针对接收到的信号，执行检测所述蓄热装置(100)的最新的放电状态的步骤。
7.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，还包括，根据需要向本地终端用户提供在所述至少一个蓄热装置(100)中存储的热能。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的方法，其中提供多个分散设置并与所述能量产生设备(200)电连接的蓄热装置(100)，
以及其中所述多个蓄热装置(100)中的每个蓄热装置接收由所述能量产生设备(200)提供的信号，检测所述多个蓄热装置(100)中的每个蓄热装置的最新的放电状态，并且针对接收到的信号和其检测到的放电状态，以热能的形式存储由所述能量产生设备(200)提供的至少部分多余电能。
9.一种蓄热装置(100)，其中所述蓄热装置(100)能够通过电网(10)与至少一个中央设置的用于产生电能的能量产生设备(200)连接，并且其中所述蓄热装置(100)包括：
接收器(150)，其构造成，用于接收由能量产生设备(200)提供的信号，其中该信号指示所述能量产生设备(200)上现有的多余电能；
传感器单元(130)，其构造成，用于检测所述蓄热装置(100)的最新的放电状态；
蓄热单元(110)，其构造成，用于以潜热形式存储热能；和
控制单元(140)，其构造成，用于在收到的信号和检测到的放电状态的基础上控制所述蓄热单元(110)，使其以潜热的方式存储由所述能量产生设备(200)提供的至少部分多余电能。
10.根据权利要求9所述的蓄热装置(100)，还包括能量转换单元(120)，其构造成，用于将电能转换成热能。
11.根据权利要求10所述的蓄热装置(100)，其中所述控制单元还构造成，用户针对已收到的信号和检测到的放电状态控制所述能量转换单元(120)，使得其获取在电网(10)中所提供的至少部分多余电能并将其转换成热能。
12.一种用于以热能的形式分散地存储电能的***，其中所述***包括多个根据权利要求9到11中任意一项所述的蓄热装置(100)，其中所述多个蓄热装置(100)相对于电的能量产生设备(200)分散地设置，并与其通过电网(10)电连接。
13.根据权利要求12所述的***，每个所述蓄热装置(100)安装在能量终端用户处。
14.根据权利要求12或13所述的***，还包括用于产生电能的所述能量产生设备(200)。
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