CN111164276A - 用于将电能转换成热能并用于储存热能的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种***(10)以及一种操作所述***(10)的方法。所述***(10)包含热泵循环(16)、涡轮循环(17)、介质储存循环(11)和水储存循环(37)。借助于所述热泵循环(16)，可以将工作流体的热量传递到用于储存热能的热介质(M)。借助于所述涡轮循环(17)，可以将所述热介质(M)的热量传递到工作流体(F)。在这样做时，可以通过操作所述热泵循环(16)或所述涡轮循环(17)来将电能转换成热能或从热能转化为电能。借助于水至流体换热器(36)来提供所述水储存循环(37)与所述热泵循环(16)之间的热耦合，并且借助于流体至水换热器(49)来提供所述水储存循环(37)与所述涡轮循环(17)之间的热耦合。所述水储存循环(37)另外包含可以独立于所述水至流体换热器(36)而操作的空冷式水冷却单元(50)。

Description

用于将电能转换成热能并用于储存热能的***和方法
本发明涉及一种用于将电能转换成热能并用于储存热能的***。例如，如果发电厂产生了对于操作至少一个电负载和/或对于电网而言并不需要的过剩电能，则使用此类***。特别地，基于如风力涡轮机等可再生能源概念产生电力的发电厂或光伏发电厂生成的电力的量会根据环境条件而发生变化。因此，可能发生此类发电厂产生过剩电力或无法产生足够电力的情况。为了维持电负载的可操作性和/或维持电网的稳定性，有益的是，储存由发电厂产生的过剩电能并且如果需要的话还再次释放所储存的能量。
能够将电能变换成热能以储存过剩电能并且还能够将所储存的热能变换回电能以向电网供应电力的***在现有技术中(例如，根据US 4 089 744 A、EP 2 942 492 A1或EP 2 602 443 A1)是已知的。
US 2016/0222830 A1披露了一种具有工作流体可以在其中循环的热泵循环的***。所述热泵循环包括压缩机单元、膨胀器单元和介质加热单元，所述介质加热单元适于加热可以在介质储存循环中循环的热介质。所述热泵循环还包含用于将热量从可以在水储存循环中循环的水传递到工作流体的水至流体换热器。进一步地，提供了一种工作流体可以在其中循环的涡轮循环。所述涡轮循环包括涡轮机单元、介质冷却单元和流体至水换热器。所述介质冷却单元适于冷却在介质储存循环中循环的热介质，并且所述流体至水换热器适于将热量从涡轮循环中的工作流体传递到水储存循环中的水。如果将以热能的形式来储存电能，则电动机驱动压缩机单元，并且借助于介质加热单元对热介质进行加热。另一方面，如果将以电能的形式释放所储存的热能，则操作涡轮循环，并且涡轮机单元产生电能。借助于介质冷却单元来加热涡轮循环中的工作流体，使得热能被转化为由涡轮机单元产生的电能。
在这种***中，涡轮循环和热泵循环的效率可能不同。这两个循环借助于水储存循环彼此热耦合。如果通过操作涡轮循环从所储存的热介质中汲取特定量的热能，并且随后通过操作热泵循环来还原相同量的热能，则在水储存循环中可能发生关于热水量和冷水量的不平衡状况，这会影响***的可用性。
本发明的目的是改善这种常规***，以便提高整体效率。
本发明的目的是借助于一种用于将电能转换成热能并用于储存热能的***来实现，所述***可以包括工作流体可以在其中循环的热泵循环。所述热泵可以包括用于压缩所述工作流体的第一压缩机单元和/或用于使所述工作流体膨胀的膨胀器单元、和/或介质加热单元，所述第一压缩机单元、所述膨胀器单元和所述介质加热单元可以流体地连接以使得所述介质加热单元可以流体地连接在所述第一压缩机单元的下游和所述膨胀器单元的上游。优选地，水至流体换热器可以在所述膨胀器单元的下游流体地连接到所述热泵循环。所述介质加热单元可以适于加热可以在介质储存循环中循环的热介质，其中，所述水至流体换热器可以适于将热量从可以在水储存循环中循环的水传递到所述工作流体。
所述***可以进一步包括工作流体可以在其中循环的涡轮循环。所述涡轮循环可以包括涡轮机单元、和/或介质冷却单元和/或流体至水换热器，所述涡轮机单元、所述介质冷却单元和所述流体至水换热器可以流体地连接以使得所述介质冷却单元可以在所述涡轮机单元的上游。优选地，所述流体至水换热器可以在所述涡轮机单元的下游，其中，所述介质冷却单元可以适于冷却所述介质储存循环中的所述热介质。所述流体至水换热器可以适于将热量从所述工作流体传递到所述水储存循环中的所述水。
所述水储存循环可以包括热水箱、和/或在所述热水箱下游的可控阀单元，所述可控阀单元可以具有第一出口端口以及优选地第二出口端口。所述第一出口端口可以经由所述水至流体换热器与冷水箱和/或与所述流体至水换热器流体地连接。所述第二出口端口可以经由水冷却单元与所述冷水箱和/或与所述流体至水换热器流体地连接。
根据本发明的另一方面，提供了一种操作用于将电能转换成热能并用于储存热能的***的方法。所述方法可以包括以下步骤中的一个或多个步骤：
-优选地，如果将以热能的形式来储存电能：驱动第一压缩机单元以将热量从热泵循环中的工作流体传递到介质储存循环中的热介质；
-优选地，如果将由所述涡轮机单元产生电能：将热量从所述介质储存循环中的所述热介质传递到涡轮循环中的所述工作流体，供应工作流体以操作所述涡轮机单元，从而借助于所述流体至水换热器将热量从所述涡轮循环中的所述工作流体传递到水储存循环中的所述水。优选地，可以借助于所述可控阀单元来控制供应到水至流体换热器的水的量和/或供应到水冷却单元的水的量。
本发明的***包括包含所述热介质的介质储存循环。所述涡轮循环可以具有介质冷却单元，并且所述涡轮机单元可以借助于所述流体至水换热器与所述水储存循环热耦合。所述热泵循环可以借助于水至流体换热器与所述水储存循环热耦合。所述水冷却单元可以是空冷式水冷却单元，其可以适于冷却所述水储存循环中的可以从所述热水箱中汲取的水。在所述热水箱的下游可以设置有所述可控阀单元，所述可控阀单元具有所述第一出口端口以及优选地所述第二出口端口。所述第一出口端口可以与第一出口管线流体地连接，并且所述第二出口端口可以与第二出口管线流体地连接。这些出口管线可以分别与冷水箱和/或热水器连接。因此，可以借助于将水储存循环与热泵循环耦合的水至流体换热器或借助于水冷却单元来冷却水。由水至流体换热器或水冷却单元冷却的量借助于可控阀单元来控制。
与通过使用热泵循环来还原热介质的热能时所产生的冷水的量相比，从介质储存循环中的热介质中汲取给定量的热量会产生更大量的温水。因此，在常规***中，水储存循环的冷水箱将不会以与热水箱相同的速率充满，并且平均而言，冷水箱无法满足对涡轮循环中的工作流体进行冷却的要求。通过另外提供优选地通过环境空气来使水冷却的水冷却单元，可以满足涡轮循环的冷却要求。避免用尽冷水，并且所述***提供了提高的可用性和效率。
优选的是，水储存循环可以是闭合环路，并且不需要供应额外的新的冷水来满足冷却需求并保持***可用。水冷却单元的冷却性能是足够的。在一个优选的实施例中，水冷却单元进行空冷并且能够将水冷却到接近环境空气温度的范围内(例如，在环境空气温度到环境空气温度+10℃之间的范围内)的水温。
优选的是，可以借助于阀单元来调节流动通过水冷却单元和/或通过水至流体换热器的水的流速。阀单元的设置可以取决于***的操作要求。例如，可以使用控制单元来控制阀单元。控制单元可以根据例如***的操作参数和/或环境参数(例如，实际环境空气温度和/或预测环境空气温度)等参数来产生控制信号。特别地，使用预测环境空气温度可以提高***的灵活性和效率。可以考虑预测空气温度升高，并且可以改变***操作条件以便为温度升高和空冷式水冷却单元的冷却能力降低做准备。例如，如果预测到是温暖日，则可以通过使空冷式水冷却单元在较高负荷下操作来增加冷水箱中储存的冷水的量。如果由于温暖日，空冷式水冷却单元无法使用或冷却性能较低，则所述***可能做好了准备，并且冷水箱可以提供足够的冷水来冷却涡轮循环中的工作流体并从而保持***可用。其结果是，通过分别向电网充入电能或从电网释放电能来保持电网稳定性的情况得以改善。
在***的优选实施例中，所述介质储存循环可以是闭合环路，并且可以包括在所述介质加热单元下游的热介质容器和/或在所述介质冷却单元下游的冷介质容器。在介质储存循环中使用的热介质优选地是流体、并且尤其是熔融盐。
所述涡轮循环可以包含适于对涡轮循环中的工作流体进行压缩的第二压缩机单元。所述第二压缩机单元可以借助于所述涡轮机单元的涡轮转子或涡轮轴被驱动。所述第二压缩机单元可以包含一个或多个压缩机级。
还有利的是，在热泵循环中设置第一换热器。所述第一换热器的放热段可以流体地连接在所述介质加热单元的下游和/或所述膨胀器单元的上游。所述第一换热器的蓄热段可以流体地连接在所述膨胀器单元的下游和所述第一压缩机单元的上游。所述第一换热器可以是同流换热器。
在优选实施例中，所述膨胀器单元包括至少两个膨胀器设备，优选地为第一膨胀器设备和第二膨胀器设备。优选地，所述第一膨胀器设备和第二膨胀器设备彼此并联地流体连接。可以对这些膨胀器设备进行分级，使得第一膨胀器设备可以比第二膨胀器设备经受更高的工作流体温度。在这种实施例中，当第二膨胀器设备流体地连接在第二换热器的放热段的下游时可能是有利的，所述放热段优选地流体地连接在所述第一膨胀器设备的下游。所述第二换热器的蓄热段可以流体地连接在第一膨胀器设备的下游。所述第二换热器可以是同流换热器。
有利的是，可以在所述第一换热器的下游设置第一流体阀以用于将所述工作流体分成两个分离流，其中，所述分离流中的一个被导通到所述第一膨胀器设备并且所述分离流中的另一个被导通到所述第二膨胀器设备。可以在所述第一膨胀器设备和所述第二膨胀器设备的下游设置第二流体阀，所述第二流体阀将从这两个膨胀器设备输送的工作流体流进行混合。优选地，调节或控制所述第一流体阀以调节输送到膨胀器设备的工作流体的分离流的质量流量。在这样做时，可以实现从这两个膨胀器设备输送的流体流的期望温度和/或期望压力。例如，从这两个膨胀器设备输送的流体流可以具有在预定义公差内相同的压力和/或温度。
还可以在膨胀器单元中设置多于两个膨胀器设备。此类多个膨胀器可以考虑工作流体的不同特性，以便提高效率。同样，在低于例如100℃或80℃或更低的温度限制的工作流体温度下操作的所述至少一个膨胀器设备可以具有成本有效的常规设计。
可以在热泵循环和/或涡轮循环中使用的工作流体可以是二氧化碳(CO2)，优选地处于气态。
本发明的优选实施例包含在从属权利要求、说明书和附图中。
在可能存在控制单元的进一步优选实施例中，所述控制单元可以适于根据至少一个环境参数来控制可控阀单元。所述至少一个环境参数可以包括水冷却单元附近的实际空气温度和/或预测空气温度。
优选地，热泵循环和/或涡轮循环中的工作流体是气体，和/或其中，介质储存循环中的热介质是熔融盐。
热泵循环和涡轮循环可以是流体分离的闭合环路或共同集成的流体回路。
在下文中，参照附图详细描述了优选实施例，在附图中：
图1是根据本发明的***的优选实施例的示意性框图，
图2是图1所示的热泵循环的优选实施例的示意性框图，
图3至图6各自示出了借助于示例性操作条件和/或环境条件来展示本发明的功能的示意性框图，并且
图7和图8是展示了具有紧凑设计且具有较少热交换单元的***的另一实施例的示意性框图。
图1示出了***10的实施例。***10适于通过使用可以在介质储存循环11中循环的热介质M将电能转换成热能并储存所述热能。而且，***10适于将所储存的热能转换回电能。在这样做时，***10可以用于从电网或发电厂汲取过剩电力，并且根据需要向电网或电负载提供电力。因此，***10特别地能够维持电网的稳定性。***10在与高度依赖于环境条件由可再生能源(例如，太阳能或风能)产生电力的发电厂结合时是特别有利的。在此类发电厂中，所产生的电力仅在某些限制内是可控的，并且由于对发电厂效率的负面影响，在需要较少电力的情况下不能期望减少电力产量或将发电厂与负载或电网断开连接。
介质储存循环11包括用于储存热的热介质M的热介质容器12和用于储存冷的热介质的冷介质容器13。在本说明书中，术语“热”和“冷”是指对应介质或流体的温度差异，其中，“热”意指与同一循环内的“冷”位置相比，介质或流体的温度更高的位置。因此，热箱或热容器中的流体或介质的温度高于冷容器或冷箱中的流体或介质的温度。温度的绝对值取决于特定的***设计，并且根据***所使用的部件、所使用的流体、介质等发生变化。
在优选实施例中，介质储存循环11是闭合环路。在本示例中，热介质M是流体，并且优选地是熔融盐。还可以使用其他介质。介质储存循环11包含介质加热单元14，所述介质加热单元流体地连接在冷介质容器13的下游和热介质容器12的上游。从冷介质容器13流出的热介质M借助于介质加热单元14进行加热，并且随后被供应到热介质容器12。在热介质容器12的下游流体地且在冷介质容器13的上游流体地设置介质冷却单元15。在本示例中，介质加热单元14和介质冷却单元15是换热器，并且优选地是同流换热器。介质加热单元14适于将可以在热泵循环16中循环的工作流体F的热量传递到热介质M。介质冷却单元15适于将热量从热介质M传递到可以在涡轮循环17中循环的工作流体F。热泵循环16和涡轮循环17不与彼此流体地连接。循环16、17两者分别借助于介质加热单元14和介质冷却单元15与介质储存循环11进行热耦合。
可以将气体和/或液体和/或蒸汽用作用于热泵循环16和/或涡轮循环17中的工作流体F。在本示例中，提供了气态工作流体F，优选地是二氧化碳(CO2)。
在根据图1和图2的示例中，热泵循环16是工作流体F可以在其中循环的闭合环路。所述热泵循环包含第一压缩机单元21，所述第一压缩机单元用于压缩工作流体F并且将经压缩的工作流体F供应到介质加热单元14(同流换热器的放热段)。
在介质加热单元14的下游流体地连接膨胀器单元22。膨胀器单元22可以具有一个或多个膨胀器级。在本示例中，提供了二级膨胀器单元22，所述二级膨胀器单元包括第一膨胀器设备23和第二膨胀器设备24。
在本示例中，如图1中还示出的，第一换热器26(且优选地是同流换热器)的放热段流体地连接在介质加热单元14的下游和膨胀器单元22的上游(且在示例中是第一膨胀器设备23的上游)。在热泵循环16中，在第一膨胀器设备23的下游流体地连接第二换热器27(优选地是同流换热器)的蓄热段。热泵循环16中的工作流体F的至少一部分向介质加热单元14的下游流动，通过第一换热器26的放热段、第一膨胀器设备23、第二换热器27的蓄热段且进一步经由第一换热器26的蓄热段流回到第一压缩机单元21的低压入口侧和/或低温入口侧。工作流体F的另一部分从第一换热器26的放热段、经由第二换热器27的放热段并流动通过第二膨胀器设备24和水至流体换热器36。
图2中具体地示出了热泵循环16内的流体流动和连接。在第一换热器26的放热段的下游设置第一流体阀28，所述第一流体阀与第一膨胀器流体管线29和第二膨胀器流体管线30连接。第一膨胀器流体管线29与第一膨胀器设备23的高压侧连接，并且第二膨胀器流体管线30经由第二换热器27的放热段与第二膨胀器设备24的高压侧连接。温度膨胀器设备23、24两者的低压出口侧与第二流体阀31的对应入口端口连接，所述第二流体阀在第二换热器27的蓄热段的上游。水至流体换热器36的蓄热段流体地连接在第二膨胀器设备24的出口与第二流体阀31之间。
借助于此第一流体阀28对离开第一流体阀28的工作流体F的分离流的质量流量进行调节，使得到达第二流体阀31的工作流体F的流的温度具有相同的温度。
在根据图2的示例中，工作流体F在第一压缩机单元21的下游和介质加热设备14的上游处于高温和高压水平，例如在470℃和约200bar下。在流动通过介质加热单元14时将热量传递到热介质M之后，热泵循环16中的工作流体F的温度降低到例如约300℃。在进一步流动通过第一换热器26的放热段之后，工作流体F的温度在第一膨胀器设备23的入口处进一步降低到例如170℃。工作流体的通过第二膨胀器流体管线30朝向低压膨胀器设备24流动的这一部分流动通过第二换热器27的放热段，从而将热量传递到膨胀器单元22的下游(且在本示例中是这两个膨胀器设备23、24(即，本示例中的第二流体阀31)的下游)的工作流体F中。在此实施例中，第二膨胀器设备24的入口(高压)侧的温度可以是约60℃至65℃。膨胀器单元22和膨胀器设备23、24的高压入口侧的工作流体F的压力分别对应于第一压缩机单元21的高压出口侧的压力。
在本示例中，工作流体F的压力在膨胀器单元22中降低到约45至50bar。在本示例中，第一膨胀器设备24的出口处的工作流体F的温度可以在50℃至55℃的范围内，并且第二膨胀器设备24的出口处的温度可以在约10℃至15℃的范围内。随后，在第二流体阀31处对来自第二膨胀器设备24的工作流体F进行混合之前，借助于水至流体换热器36将所述工作流体的温度提高到第一膨胀器设备23的出口处的工作流体温度水平。在第二流体阀31的下游，经由第二换热器27和第一换热器26的蓄热段来提高工作流体温度。在第二换热器27的下游和第一换热器26的上游，工作流体的温度可以是约130℃至140℃，并且在第一压缩机单元21的低压入口侧的第一换热器26的下游，工作流体F的温度可以是约280℃至300℃，压力是约45至50bar。
第一压缩机单元21借助于电动机38被驱动。如图1和图2示意性展示的，电动机38可以用于驱动公共轴39，以驱动第一压缩机单元21和膨胀器单元22。
如以上已经解释的，热泵循环16中的从膨胀器单元22(且在本示例中从第二膨胀器设备24)向下游流动的工作流体F被引导通过水至流体换热器36。水至流体换热器36可以是同流换热器。水至流体换热器36适于将热量从可以在水储存循环37中循环的水W传递到热泵循环16中的工作流体F。
水储存循环37包含热水箱40、适于将热水W从热水箱40供应到可控阀单元43的输入端42的热水泵41。可控阀单元43具有第一出口44和第二出口45。第一出口44经由水至流体换热器36与冷水箱46流体地连接。借助于冷水泵47，可以将来自冷水箱46的冷水W经由第三流体阀48供应到流体至水换热器49。流体至水换热器49适于将热量从可以在涡轮循环17中循环的工作流体F传递到从冷水箱46供应的水W。流体至水换热器49的下游侧与热水箱40连接。
可控阀单元43的第二出口45经由通过环境空气冷却的空冷式水冷却单元50与第二流体阀48的另一入口流体地连接。可以在可控阀单元43的第一出口44与第二出口45之间任意地分配从热水泵41供应的热水W的量或流量。因此，来自热水箱40的热水W可以通过水至流体换热器36朝向冷水箱46流动，或者通过水冷却单元50经由第三流体阀48朝向流体至水换热器49流动。
在替代性实施例中，还可以省略第三流体阀48或将第三流体阀48定位在水至流体换热器36的下游和冷水箱46的上游。水冷却单元50的下游端口也可以与冷水箱46连接。
可控阀单元43可以是例如可控三通阀或两个二通阀的组合。优选地借助于控制单元51对所述可控阀单元进行控制，以调节从对应的出口44和45流出的输出流量。为了调节可控阀单元43，控制单元51向可控阀单元43发射控制信号S。控制单元51还可以控制泵和/或电动机38和/或***10的任何其他部件或子***。
可以向控制单元51提供至少一个输入信号，基于所述至少一个输入信号，可以计算或确定控制信号S。特别地，可以将表征***10的操作条件的参数和/或描述实际环境条件的参数和/或描述预测环境条件的参数用作控制单元51的输入。在本示例中，特别地，可以将表征实际环境空气温度Ta和/或预测环境空气温度Tf的至少一个输入信号作为输入提交给控制单元51。
在图1和图2的示例中，涡轮循环17是闭合环路。所述涡轮循环包含涡轮机单元55，所述涡轮机单元在介质冷却单元15的下游。涡轮机单元55适于产生电能。工作流体F的流动可以用于驱动涡轮57(优选地是燃气涡轮)的涡轮轴56。涡轮轴56的旋转可以用于驱动涡轮机单元55的发电机58，以便产生电力。
在涡轮循环17中，在涡轮57的低压侧的下游，工作流体F被冷却，并且在此实施例中流动通过第三换热器59的放热段和/或流动通过第四换热器60的放热段。换热器59、60优选地是同流换热器。在第四换热器60的放热段的下游设置第四流体阀61，以将工作流体F的流分成直接朝向第二压缩机单元62的第一流和经由流体至水换热器49的放热段朝向第二压缩机单元62引导的第二流。在本示例中，第二压缩机单元62包括多个压缩机级或设备(例如是第一压缩机设备63和第二压缩机设备64)。第一压缩机设备63在其低压入口侧接收直接来自第四流体阀61的第一流，并且第二压缩机设备64在其低压入口侧接收来自第四流体阀61的经由流体至水换热器49冷却的第二流。在本示例中，借助于涡轮轴56来驱动第二压缩机单元62。
第二压缩机单元62的高压出口侧与第三换热器59的蓄热段流体地连接。第一压缩机设备63的高压出口直接与第三换热器59的蓄热段流体地连接，而第二压缩机设备64的高压出口经由第四换热器60的蓄热段与第三换热器的蓄热段流体地连接。
在优选实施例中，介质冷却单元15的下游侧的工作流体F的温度约为430℃至470℃、并且优选地是450℃，压力约为230至250bar、优选地是240bar。在被引导通过涡轮57之后，工作流体F的温度降低到例如约310℃，并且压力例如降低到约65至70bar。工作流体F从涡轮57的低压出口侧流动通过第三换热器57的放热段，从而释放热量直至温度低至例如200℃，并且通过进一步将工作流体引导通过第四换热器60的放热段，所述工作流体的温度在第四流体阀61的入口处可以降低到约65℃至70℃。被引导通过流体至水换热器49的第二流体流向水W传递热量，并且所述第二流体流的温度在第二压缩机设备64的低压输入侧可以升高到例如25℃至30℃。
在流动通过第一压缩机设备63的工作流体F被引导通过第三换热器59的蓄热段之前，使所述工作流体的温度升高至例如190℃并使其压力升高至约240bar，在所述蓄热段中，在所述工作流体被引导通过介质冷却单元15之前，进一步使所述工作流体的温度升高至例如280℃。在第二压缩机设备64的高压出口处，在工作流体F进入第四换热器60的蓄热段之前，所述工作流体的温度升高到约55℃至60℃，并且其压力升高到约240bar，在所述蓄热段中，朝向第三换热器59的蓄热段流动的工作流体F的温度升高到与第一压缩机设备63的高压输出侧大致相同的温度和压力水平。
进一步地，在本示例中，储存在热介质容器中的热介质(特别是熔融盐)的温度约为460℃，并且储存在冷介质容器中的热介质的温度约为290℃。
在热水箱中，水储存循环37中的水W的温度约为60℃。储存在冷水箱中的水的温度约为19℃。借助于空冷式水冷却单元50冷却的水W的温度高于空冷式水冷却单元50的环境中的实际环境空气温度Ta。取决于实际环境空气温度Ta，水冷却单元50的下游出口侧的水W的温度可以比实际环境空气温度Ta高约10℃。
如在根据图7和图8的***的实施例中示意性示出的，如果热泵回路16和涡轮回路17中使用的工作流体F是相同的，则还可以集成热泵回路16和涡轮回路17以便减少热交换单元的数量。电动机38和发电机58可以被实现为一个电机-发电机单元38，58。介质加热单元14和介质冷却单元15可以是在物理上相同的单元或同流换热器，和/或第一换热器26和第三换热器59可以是在物理上相同的换热器或同流换热器，和/或第二换热器27和第四换热器60可以是在物理上相同的换热器或同流换热器，和/或水至流体换热器36和流体至水换热器49可以是在物理上相同的换热器或同流换热器。这是可能的，因为通过调节***10中的操作参数(特别是温度和/或压力和/或质量流量)使得热交换单元或换热器可以与以上所指示的类似。为了允许将如图1和图2所示的热交换单元中的两个单元集成为如图7和图8所示的一个单个单元，设置了具有多个可控阀71的阀结构70。在本示例中，阀结构70包括六个阀71，这些阀被布置为与限定集成的热泵回路16和涡轮回路17的流体管线流体连接。可以借助于控制单元51或另一控制设备来控制阀71。这些阀71借助于矩形示意性地进行了展示，并且可以以任何合适的已知流体阀配置来实现。
图7和图8所示的虚线示出了阻塞的流体通道，在这些流体通道中，由于阀结构70中的阀71的切换位置而无工作流体F流动。实线或连续线展示了允许工作流体F流动的流体连接。因此，在图7所示的***10的情况下，热泵循环16是激活的，并且工作流体F的流动与如图1和图2所示的工作流体F通过热泵循环16的流动相对应。在图8所示的***10的情况下，涡轮循环17是激活的，并且图8所示的工作流体F的流动与图1和图2所示的工作流体F通过涡轮循环17的流动相对应。因此，工作流体F的流动是与热泵回路16中的工作流体F的流动(图7中的实线)相对应还是与涡轮回路17中的工作流体F的流动(图8中的实线)相对应，这取决于是要储存来自介质储存电路11中的热介质的热能还是要从所述介质储存电路中的热介质中提取热能。
在下文中，更详细地描述了图1和图2或图7和图8的实施例中的***10的功能。到目前为止，所描述的***10如下运作：
如果发电厂(例如，包含太阳能板和/或风力涡轮机的发电厂)产生了电负载或电网不需要的过剩电力，则可以将过剩电力以热能的形式储存在根据本发明的***10中。在这种情况下，过剩电力用于驱动电动机38。在热泵循环16中，对工作流体F进行循环、加热并且借助于第一压缩机单元21对其进行压缩。借助于介质加热单元40将工作流体F的热能至少部分地传递到在介质储存循环11中循环的热介质M。将经加热的热介质储存在热介质容器12中。同时，在水储存循环37中循环的水W借助于水至流体换热器36将热量传递到热泵循环16中的工作流体F。因此，当电能被转化为热能时，使热水箱40排水并填充冷水箱46。
另一方面，如果负载或电网需要额外的电力，则向冷介质容器13供应来自热介质容器12的热介质M，并且从而经由介质冷却单元15将热量传递到在涡轮循环17中循环的工作流体F。经加热的工作流体F被供应到涡轮机单元55、在涡轮57中膨胀并且因此产生旋转能量，所述旋转能量借助于发电机58被转换成可以供应到负载或电网的电能。在涡轮循环17中循环的工作流体F借助于流体至水换热器49被冷却，所述流体至水换热器将热量从涡轮循环中的工作流体F传递到在水储存循环37中循环的水W，使得冷水箱46排水并填充热水箱40。
热泵循环16和涡轮循环17的效率是不同的。这意味着，如果从热介质M中汲取一定量的热能(热量)以借助于涡轮循环17产生电能，则从冷水箱46排出一定的水量以冷却涡轮循环17中的工作流体F。在***10的热泵循环16将热能(热量)传递到介质储存循环11中的热介质M的操作条件下，从热水箱排出一定的水量以借助于水至流体换热器36将热量从水W传递到热泵循环16中的工作流体F。即使热介质M的热能维持在恒定水平，在所描述的操作条件下从对应的水箱40、46获取的水W的量也不同，使得冷水箱46可能不会以与热水箱40相同的速率充满，并且随着时间推移，冷水箱46将会排空。因此，***10的往返效率受到影响。
为了克服此问题，设置了空冷式水冷却单元50。水W可以从热水箱40排出、经由空冷式水冷却单元50被导引至流体至水换热器49以冷却涡轮循环17中的工作流体F。此空冷式水冷却单元50独立于热泵循环16的操作而运转，并且因此提供了额外的灵活性。可以借助于由控制单元51控制的可控阀单元43来控制流动通过水至流体换热器36和空冷式水冷却单元50的水量。
如果例如预测到环境空气温度相对较温暖的温暖日，则此结构进一步提供了使***10做准备的可能性。
现在参考仅通过示例的方式在图3至图6中示意性展示的***10的示例性条件。其他操作条件也可能发生，并且可以由***10处理。图3至图6被提供用于通过示例的方式解释***10的优点。
可控阀单元43将水W的第一流速R1从第一输出端44供应到水至流体换热器36，并且将第二流速R2从第二输出端45供应到空冷式水冷却单元50。在初始条件下，假设这些流速R1、R2具有预定义的量，并且可以例如与如图3所示的相等。冷水箱46中的水位例如处于中等水平，使得具有足够的灵活性来增加冷水箱46中冷水W的量并且同时从冷水箱46取出冷水W。
在图4所展示的情况下，假设实际环境空气温度Ta出乎意料地高。因此，无法使用空冷式水冷却单元50来冷却水W。因此，可控阀单元43只能向水至流体换热器36提供第一流速R1，并且在本示例中将第二流速R2减小至零。在这种情况下(如以上已经解释的)，假设从电能转换成热能的能量的量和从热能转换成电能的能量的量通常相等(这是在足够长的时间段内的情况)，平均而言，无法维持冷水箱46中的水位。因此，如图4所展示的，冷水箱46中的水位降到不期望的低水位，并且可能流干。
本发明的***能够使用环境空气的预测温度Tf，以便为在预测的温暖日进行操作而使***10做准备。如图5所示，第二日或随后几日中的一日的预测温度Tf较高，使得空冷式水冷却单元50将不能按要求运转来冷却水W。在这种情况下，控制单元31借助于控制信号S来控制可控阀单元43，以增加从热水箱40引导通过空冷式冷却水单元50的水W的第二流速R2，从而冷却在涡轮循环17中循环的工作流体F(借助于流体至水换热器49)。因此，如图5所展示的，必须从冷水箱46排出的水W减少，并且可以提高冷水箱46中的水位。
现在，图6示出了预测温暖日的操作条件。可以看出，无法使用空冷式水冷却单元50，并且在本示例中第二流速R2减小至零。如已经解释的，在这种情况下，冷水箱46中的水位降低。但是，由于之前已经提高了冷水箱46中的水位，因此避免了在冷水箱46中的提供的冷水W的量不足以用于对涡轮循环17中的工作流体F进行冷却的操作的风险。在这样做时，至少可以不受任何限制地维持一定时间段的温暖天气(温暖的环境空气)。因此，与常规***相比，***10的灵活性和可用性以及总效率有所提高。
本发明涉及一种***10以及一种操作***10的方法。***10包括热泵循环16、涡轮循环17、介质储存循环11和水储存循环37。借助于热泵循环16，可以将工作流体F的热量传递到用于储存热能的热介质M。借助于涡轮循环17，可以将热介质M的热量传递到工作流体F。在这样做时，可以通过操作热泵循环16或涡轮循环17将电能转换成热能(热介质的热量)或从热能(热介质的热量)转化为电能。水储存循环37用于冷却涡轮循环17中的工作流体F并且加热热泵循环16中的工作流体F。借助于水至流体换热器36来提供水储存循环37与热泵循环16之间的热耦合，并且借助于流体至水换热器49来提供水储存循环37与涡轮循环17之间的热耦合。水储存循环37另外包含可以独立于水至流体换热器36而操作的优选空冷式水冷却单元50。
本发明涉及一种***10以及一种操作***10的方法。***10包含热泵循环16、涡轮循环17、介质储存循环11和水储存循环37。借助于热泵循环16，可以将工作流体的热量传递到用于储存热能的热介质(M)。借助于涡轮循环17，可以将热介质(M)的热量传递到工作流体(F)。在这样做时，可以通过操作热泵循环16或涡轮循环17来将电能转换成热能或从热能转化为电能。借助于水至流体换热器36来提供水储存循环37与热泵循环16之间的热耦合，并且借助于流体至水换热器49来提供水储存循环37与涡轮循环17之间的热耦合。水储存循环37另外包含可以独立于水至流体换热器36而操作的空冷式水冷却单元50。
零部件清单：
10 ***
11 介质储存循环
12 热介质容器
13 冷介质容器
14 介质加热单元
15 介质冷却单元
16 热泵循环
17 涡轮循环
21 第一压缩机单元
22 膨胀器单元
23 第一膨胀器设备
24 第二膨胀器设备
26 第一换热器
27 第二换热器
28 第一流体阀
29 第一膨胀器流体管线
30 第二膨胀器流体管线
31 第二流体阀
36 水至流体换热器
37 水储存循环
38 电动机
39 轴
40 热水箱
41 热水泵
42 可控阀单元的输入端
43 可控阀单元
44 可控阀单元的第一输出端
45 可控阀单元的第二输出端
46 冷水箱
47 冷水泵
48 第三流体阀
49 流体至水换热器
50 空冷式水冷却单元
51 控制单元
55 涡轮机单元
56 涡轮轴
57 涡轮
58 发电机
59 第三换热器
60 第四换热器
61 第四流体阀
62 第二压缩机单元
63 第一压缩机设备
64 第二压缩机设备
70 阀结构
71 阀
F 工作流体
M 热介质
S 控制信号
Ta 实际空气温度
Tf 预测空气温度
W 水

Claims (15)

1.一种用于将电能转换成热能并用于储存热能的***(10)，所述***包括：
工作流体(F)可以在其中循环的热泵循环(16)，所述热泵循环包括用于压缩所述工作流体(F)的第一压缩机单元(21)、用于使所述工作流体(F)膨胀的膨胀器单元(22)和介质加热单元(14)，所述第一压缩机单元、所述膨胀器单元和所述介质加热单元流体地连接以使得所述介质加热单元(14)流体地连接在所述第一压缩机单元(21)的下游和所述膨胀器单元(22)的上游，其中，水至流体换热器(36)在所述膨胀器单元(22)的下游流体地连接到所述热泵循环(16)，其中，所述介质加热单元(14)适于加热可以在介质储存循环(11)中循环的热介质(M)，其中，所述水至流体换热器(36)适于将热量从可以在水储存循环(37)中循环的水(W)传递到所述工作流体(F)，
工作流体(F)可以在其中循环的涡轮循环(17)，所述涡轮循环包括涡轮机单元(55)、介质冷却单元(15)和流体至水换热器(49)，所述涡轮机单元、所述介质冷却单元和所述流体至水换热器流体地连接以使得所述介质冷却单元(15)在所述涡轮机单元(55)的上游并且所述流体至水换热器(49)在所述涡轮机单元(55)的下游，其中，所述介质冷却单元(15)适于冷却所述介质储存循环(11)中的所述热介质(M)，其中，所述流体至水换热器(49)适于将热量从所述工作流体(F)传递到所述水储存循环(37)中的所述水(W)，
其中，所述水储存循环(37)包括热水箱(40)、在所述热水箱(40)下游的可控阀单元(43)，所述可控阀单元具有第一出口端口(44)和第二出口端口(45)，并且其中，所述第一出口端口(44)经由所述水至流体换热器(36)与冷水箱(46)和/或与所述流体至水换热器(49)流体地连接，并且所述第二出口端口(45)经由水冷却单元(50)与所述冷水箱(46)和/或与所述流体至水换热器(49)流体地连接。
2.如权利要求1所述的***，其中，所述水储存循环(37)是闭合环路。
3.如权利要求1或2所述的***，其中，所述水冷却单元(50)借助于环境空气进行空冷。
4.如前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述介质储存循环(11)是闭合环路，包括在所述介质加热单元(14)下游的热介质容器(12)和在所述介质冷却单元(15)下游的冷介质容器(13)。
5.如前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述第一压缩机单元(21)借助于电动机(38)被驱动。
6.如前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述涡轮循环包括第二压缩机单元(62)，所述第二压缩机单元借助于所述涡轮机单元(55)的涡轮转子或涡轮轴(56)被驱动。
7.如前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述热泵循环(16)包括第一换热器(26)，所述第一换热器的放热段流体地连接在所述介质加热单元(14)的下游和所述膨胀器单元(22)的上游。
8.如前述权利要求中任一项所述的***，其中，所述膨胀器单元(22)包括第一膨胀器设备(23)和第二膨胀器设备(24)。
9.如权利要求8所述的***，其中，在所述第一换热器(26)的下游设置第一流体阀(28)以用于将所述工作流体分成两个分离流，其中，所述分离流中的一个被导通到所述第一膨胀器设备(23)并且所述分离流中的另一个被导通到所述第二膨胀器设备(24)，并且其中，在所述第一膨胀器设备(23)和所述第二膨胀器设备(24)的下游设置第二流体阀(31)，所述第二流体阀将从所述两个膨胀器设备(23，24)输送的所述工作流体流进行混合。
10.如权利要求9所述的***，其中，调节或控制所述第一流体阀(28)来调节所述工作流体(F)的分离流的质量流量，使得从所述两个膨胀器设备(23，24)输送的流体流特别地具有期望温度和/或期望压力。
11.如权利要求7至10中任一项所述的***，其中，所述第一膨胀器设备(23)和/或所述第二膨胀器设备(24)流体地连接在所述第一换热器(26)的放热段的下游。
12.如权利要求7以及权利要求8至11中任一项所述的***，其中，所述热泵循环(16)包括第二换热器(27)，所述第二换热器的放热段流体地连接在所述第一换热器(26)的下游和所述第二膨胀器设备(24)的上游。
13.如权利要求12所述的***，其中，所述第二换热器(27)的蓄热段流体地连接在所述第一膨胀器设备(23)的下游和所述第一换热器(26)的蓄热段的上游。
14.如前述权利要求中任一项所述的***，其中，存在控制单元(51)，所述控制单元适于根据至少一个环境参数(Ta，Tf)来控制所述可控阀单元(43)。
15.一种操作根据前述权利要求中任一项所述的***的方法，所述方法包括以下步骤：
-如果将以热能的形式来储存电能：驱动所述第一压缩机单元(21)以将热量从所述热泵循环(16)中的所述工作流体(F)传递到所述介质储存循环(11)中的所述热介质(M)；
-如果将由所述涡轮机单元(55)产生电能：将热量从所述介质储存循环(11)中的所述热介质(M)传递到所述涡轮循环(17)中的所述工作流体(F)，供应工作流体(F)以操作所述涡轮机单元(55)，从而借助于所述流体至水换热器(49)将热量从所述涡轮循环(17)中的所述工作流体(F)传递到所述水储存循环(37)中的所述水(W)，其中，借助于所述可控阀单元(43)来控制供应到所述水至流体换热器(36)的水(W)的量和/或供应到所述水冷却单元(50)的水(W)的量。
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