ES2363455T3 - SYSTEM OF STORAGE OF THERMOELECTRIC NERGY AND METHOD OF STORAGE OF THERMOELECTRIC ENERGY. - Google Patents
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Abstract
Description
La presente invención se refiere en general al almacenamiento de energía eléctrica. Se refiere en particular al sistema y método para el almacenamiento de energía eléctrica en la forma de energía térmica en un almacenamiento de energía térmica. The present invention relates generally to the storage of electrical energy. It refers in particular to the system and method for the storage of electrical energy in the form of thermal energy in a thermal energy storage.
Los generadores de carga base tales como las plantas de energía nuclear y los generadores con fuentes de energía estocástica, intermitente tal como las turbinas eólicas y los paneles solares generan exceso de potencia eléctrica durante momentos de baja demanda de potencia. Los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica a gran escala son un medio de desviar este exceso de energía a momentos de picos de demanda y equilibrar la generación y consumo global de electricidad. Base load generators such as nuclear power plants and generators with stochastic, intermittent energy sources such as wind turbines and solar panels generate excess electrical power during times of low power demand. Large-scale electrical energy storage systems are a means of diverting this excess energy at times of peak demand and balancing global electricity generation and consumption.
En una solicitud de patente pionera EP1577548 el solicitante ha descrito la idea de un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (TEES, del inglés “Thermoelectric, Energy Storage”). Un TEES convierte el exceso de electricidad en calor, almacena el calor y convierte de nuevo el calor en electricidad, cuando es necesario. Tal sistema de almacenamiento de energía es robusto, compacto, independiente del emplazamiento y es adecuado para el almacenamiento de energía eléctrica en grandes cantidades. La energía térmica se puede almacenar en la forma de un calor sensible por medio de un cambio en la temperatura o en forma de calor latente por medio del cambio de fase o una combinación de ambos. El medio de almacenamiento para el calor sensible puede ser un sólido, líquido o un gas. El medio de almacenamiento para el calor latente tiene lugar por medio de un cambio de fase y puede involucrar cualquiera de estas fases o una combinación de ellas en serie o en paralelo. In a pioneer patent application EP1577548 the applicant has described the idea of a thermoelectric energy storage system (TEES). A TEES converts excess electricity into heat, stores heat and converts heat back into electricity, when necessary. Such an energy storage system is robust, compact, site independent and suitable for storing large amounts of electric energy. Thermal energy can be stored in the form of a sensible heat by means of a change in temperature or in the form of latent heat by means of the phase change or a combination of both. The storage medium for sensible heat can be a solid, liquid or a gas. The storage medium for latent heat takes place by means of a phase change and can involve any of these phases or a combination of them in series or in parallel.
Todas las tecnologías de almacenamiento de energía eléctrica tienen inherentemente una eficiencia total limitada. Por ello, por cada unidad de energía eléctrica usada para cargar el almacenamiento, sólo un cierto porcentaje se recupera como energía eléctrica tras la descarga. El resto de energía eléctrica se pierde. Si, por ejemplo, el calor que se ha almacenado en un sistema TEES se proporciona a través de resistencias de calefacción, tiene aproximadamente un la eficiencia total del 40%. La eficiencia del almacenamiento de energía termoeléctrica está limitada por varias razones cuya raíz es la segunda ley de la termodinámica. En primer lugar, la conversión del calor en trabajo mecánico está limitada a la eficiencia de Carnot. En segundo lugar, el coeficiente de rendimiento de cualquier bomba de calor disminuye cuando aumenta la diferencia de temperatura entre el nivel de entrada y el nivel de salida. En tercer lugar, cualquier flujo de calor desde un fluido de trabajo a un almacenamiento térmico y viceversa requiere una diferencia de temperatura para que tenga lugar. Este hecho degrada inevitablemente los niveles de temperatura y por ello la capacidad del calor para realizar trabajo. All electrical energy storage technologies inherently have limited total efficiency. Therefore, for each unit of electrical energy used to charge the storage, only a certain percentage is recovered as electrical energy after discharge. The rest of the electrical energy is lost. If, for example, the heat that has been stored in a TEES system is provided through heating resistors, it has approximately a total efficiency of 40%. The efficiency of thermoelectric energy storage is limited for several reasons whose root is the second law of thermodynamics. First, the conversion of heat into mechanical work is limited to Carnot's efficiency. Second, the coefficient of performance of any heat pump decreases when the temperature difference between the input level and the output level increases. Third, any heat flow from a working fluid to a thermal storage and vice versa requires a temperature difference to take place. This fact inevitably degrades temperature levels and therefore the ability of heat to perform work.
Ha de tenerse en cuenta que muchos procesos industriales involucran el suministro de energía térmica y el almacenamiento de energía térmica. Los ejemplos son los dispositivos de refrigeración, bombas de calor, aire acondicionado y la industria de procesos. En las plantas de energía solar térmica, se proporciona calor, posiblemente almacenado, y se convierte en energía eléctrica. Sin embargo todas estas aplicaciones son diferentes de los sistemas TEES debido a que no se implican con el calor con la finalidad exclusiva del almacenamiento de electricidad. It must be taken into account that many industrial processes involve the supply of thermal energy and the storage of thermal energy. Examples are refrigeration devices, heat pumps, air conditioning and the process industry. In solar thermal power plants, heat is provided, possibly stored, and converted into electrical energy. However, all these applications are different from TEES systems because they are not involved with heat for the sole purpose of storing electricity.
Es conocido en la técnica que se puede proporcionar calor a la unidad de almacenamiento térmico por medio de una bomba de calor. Por ejemplo, una máquina de Stirling (para referencia, véase la Patente de Estados Unidos 3080706, columna 2, líneas 22-30). También, la patente internacional WO 2007/134466 describe un sistema TEES que tiene una bomba de calor integrada. It is known in the art that heat can be provided to the thermal storage unit by means of a heat pump. For example, a Stirling machine (for reference, see US Patent 3080706, column 2, lines 22-30). Also, the international patent WO 2007/134466 describes a TEES system that has an integrated heat pump.
Una bomba de calor requiere un trabajo para mover la energía térmica desde la fuente fría al sumidero de calor más caliente. Dado que la cantidad de energía depositada en el lado caliente es mayor que el trabajo requerido en una cantidad igual a la energía tomada desde el lado frío, una bomba de calor “multiplicará” el calor si se compara con la generación de calor resistivo. La relación de salida de calor al trabajo introducido se denomina coeficiente de rendimiento y es un valor mayor que uno. En esta forma, el uso de una bomba de calor aumentará la eficiencia de total del sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica. La eficiencia total es la cantidad de electricidad proporcionada desde el almacenamiento dividida por la cantidad de electricidad proporcionada al almacenamiento. A heat pump requires a job to move thermal energy from the cold source to the hottest heat sink. Since the amount of energy deposited on the hot side is greater than the work required in an amount equal to the energy taken from the cold side, a heat pump will "multiply" the heat when compared to the generation of resistive heat. The ratio of heat output to the work introduced is called the coefficient of performance and is a value greater than one. In this way, the use of a heat pump will increase the overall efficiency of the thermoelectric energy storage system. Total efficiency is the amount of electricity provided from storage divided by the amount of electricity provided to storage.
La Patente US 4089744 describe un método de almacenamiento de energía térmica por medio de un bombeo de calor reversible. El exceso de producción eléctrica se almacena en forma de calor sensible utilizándola para elevar el nivel de temperatura de un fluido de almacenamiento de calor. En este esquema, la fuente térmica de bajo nivel es agua caliente almacenada, que también sirve como el fluido de trabajo en la bomba de calor y ciclos de turbina. Un análisis termodinámico, tal como el tipo de análisis mostrado en la Figura 6, muestra que la eficiencia de esquemas equivalentes al del documento US 4089744 está limitado a aproximadamente el 50%. US Patent 4089744 describes a method of thermal energy storage by means of reversible heat pumping. Excess electrical production is stored in the form of sensible heat using it to raise the temperature level of a heat storage fluid. In this scheme, the low level thermal source is stored hot water, which also serves as the working fluid in the heat pump and turbine cycles. A thermodynamic analysis, such as the type of analysis shown in Figure 6, shows that the efficiency of schemes equivalent to that of US 4089744 is limited to approximately 50%.
Por ello, hay una necesidad de proporcionar un almacenamiento de energía termoeléctrica eficiente que tenga una eficiencia total, preferiblemente, mayor del 55%. Therefore, there is a need to provide efficient thermoelectric energy storage that has a total efficiency, preferably greater than 55%.
Es un objetivo de la invención proporcionar un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica para la conversión de energía eléctrica en energía térmica a ser almacenada y convertida de nuevo en energía eléctrica con una eficiencia total mejorada. Este objetivo se consigue mediante el sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica de acuerdo con la reivindicación 1 y un método de acuerdo con la reivindicación 7. Las realizaciones preferidas son evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes. It is an object of the invention to provide a thermoelectric energy storage system for the conversion of electrical energy into thermal energy to be stored and converted back into electrical energy with an improved total efficiency. This objective is achieved by the thermoelectric energy storage system according to claim 1 and a method according to claim 7. Preferred embodiments are apparent from the dependent claims.
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica que comprende una unidad de almacenamiento caliente que está en conexión con un intercambiador de calor y contiene un medio de almacenamiento térmico, un circuito de fluido de trabajo para la circulación de un fluido de trabajo a través del intercambiador de calor para la transferencia de calor con el medio de almacenamiento térmico en el que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en la unidad de almacenamiento caliente se minimiza durante la transferencia de calor. According to a first aspect of the invention, a thermoelectric energy storage system is provided which comprises a hot storage unit that is in connection with a heat exchanger and contains a thermal storage medium, a working fluid circuit for The circulation of a working fluid through the heat exchanger for heat transfer with the thermal storage medium in which the temperature difference between the working fluid and the thermal storage medium in the hot storage unit is minimized during heat transfer.
Cuando el sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica está en un ciclo de carga (o “bomba de calor”), la máquina termodinámica incluye una turbina y cuando el sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica está en un ciclo de descarga (o de “turbina”), la máquina termodinámica incluye un compresor. When the thermoelectric energy storage system is in a charge cycle (or "heat pump"), the thermodynamic machine includes a turbine and when the thermoelectric energy storage system is in a discharge (or "turbine" cycle) ), the thermodynamic machine includes a compressor.
Preferiblemente, la unidad de almacenamiento caliente comprende al menos dos unidades de almacenamiento caliente, cada una de las unidades de almacenamiento caliente está en conexión con un intercambiador de calor y contiene un medio de almacenamiento térmico. Preferably, the hot storage unit comprises at least two hot storage units, each of the hot storage units is in connection with a heat exchanger and contains a thermal storage medium.
En una realización preferida, el intercambiador de calor o intercambiadores de calor son comunes tanto al ciclo de carga como al ciclo de descarga. Sin embargo, es también posible que haya intercambiadores de calor separados para los ciclos de carga y descarga. Preferiblemente se conectan hidráulicamente dos o más intercambiadores de calor utilizados en serie. In a preferred embodiment, the heat exchanger or heat exchangers are common to both the charge cycle and the discharge cycle. However, it is also possible that there are separate heat exchangers for loading and unloading cycles. Preferably two or more heat exchangers used in series are hydraulically connected.
Adicionalmente, el medio de almacenamiento térmico puede ser un líquido y el caudal del medio de almacenamiento térmico se puede modificar de modo que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente se minimice durante la transferencia de calor. Additionally, the thermal storage medium can be a liquid and the thermal storage medium flow rate can be modified so that the temperature difference between the working fluid and the thermal storage medium in each hot storage unit is minimized during the heat transfer.
El medio de almacenamiento térmico de la presente invención puede ser un sólido o un líquido. La realización particular ilustrada en las Figuras 3 y 4 de la descripción adjunta muestra una versión en la que el medio de almacenamiento térmico es un líquido. The thermal storage medium of the present invention can be a solid or a liquid. The particular embodiment illustrated in Figures 3 and 4 of the attached description shows a version in which the thermal storage medium is a liquid.
En una realización preferida, se utiliza un único circuito de fluido de trabajo que contiene un único tipo de fluido de trabajo tanto para el ciclo de carga como el de descarga. Sin embargo, es posible también que haya circuitos de fluido de trabajo separados para los ciclos de carga y de descarga. Adicionalmente, cada circuito de fluido de trabajo separado puede contener un tipo diferente de fluido de trabajo. In a preferred embodiment, a single working fluid circuit is used that contains a single type of working fluid for both the charge and discharge cycle. However, it is also possible that there are separate working fluid circuits for loading and unloading cycles. Additionally, each separate working fluid circuit may contain a different type of working fluid.
Preferiblemente, la temperatura del medio de almacenamiento térmico en los puntos de entrada y salida de cada intercambiador de calor conectado se modifica de modo que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente se minimice durante la transferencia de calor. Preferably, the temperature of the thermal storage medium at the inlet and outlet points of each connected heat exchanger is modified so that the temperature difference between the working fluid and the thermal storage medium in each hot storage unit is minimized. during heat transfer.
Adicionalmente, al menos una de las unidades de almacenamiento caliente puede contener un tipo diferente de medio de almacenamiento térmico de modo que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente se minimice durante la transferencia de calor. Additionally, at least one of the hot storage units may contain a different type of thermal storage medium so that the temperature difference between the working fluid and the thermal storage medium in each hot storage unit is minimized during the transfer. of heat
En una realización preferida, la unidad o unidades de almacenamiento caliente comprenden un medio de almacenamiento térmico para el almacenamiento de calor sensible y un medio de almacenamiento de cambio de fase para el almacenamiento de calor latente, que se disponen de modo que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de intercambio de calor se minimice durante la transferencia de calor. In a preferred embodiment, the hot storage unit or units comprise a thermal storage medium for the storage of sensitive heat and a phase change storage medium for the storage of latent heat, which are arranged so that the temperature difference between the working fluid and the thermal storage medium in each heat exchange unit is minimized during heat transfer.
Preferiblemente, la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente es menor de 50ºC durante la transferencia de calor. Preferably, the temperature difference between the working fluid and the thermal storage medium in each hot storage unit is less than 50 ° C during heat transfer.
En un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un método para el almacenamiento de energía termoeléctrica en un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica, comprendiendo el método la carga de una unidad de almacenamiento caliente mediante el suministro de calor por medio de un intercambiador de calor a un medio de almacenamiento térmico mediante la comprensión de un fluido de trabajo, la descarga de la unidad de almacenamiento caliente mediante la expansión del fluido de trabajo calentado por medio del intercambiador de calor desde el medio de almacenamiento térmico a través de una máquina termodinámica y la modificación de los parámetros del medio de almacenamiento térmico para asegurar que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico se minimiza durante la carga y la descarga. In a second aspect of the present invention, there is provided a method for storing thermoelectric energy in a thermoelectric energy storage system, the method comprising charging a hot storage unit by supplying heat by means of a heat exchanger. heat to a thermal storage medium by understanding a working fluid, the discharge of the hot storage unit by expanding the heated working fluid by means of the heat exchanger from the thermal storage medium through a thermodynamic machine and the modification of the parameters of the thermal storage medium to ensure that the temperature difference between the working fluid and the thermal storage medium is minimized during loading and unloading.
Preferiblemente, la etapa de modificación de los parámetros del medio de almacenamiento térmico comprende la modificación del caudal del medio de almacenamiento térmico. Preferably, the step of modifying the parameters of the thermal storage medium comprises the modification of the flow rate of the thermal storage medium.
Adicionalmente, la etapa de modificación de los parámetros del medio de almacenamiento térmico puede comprender la modificación de la temperatura inicial y de la temperatura final del medio de almacenamiento térmico. Additionally, the step of modifying the parameters of the thermal storage medium may comprise the modification of the initial temperature and the final temperature of the thermal storage medium.
Preferiblemente, la etapa de modificación de los parámetros del medio de almacenamiento térmico comprende la modificación del tipo de medio de almacenamiento térmico. Preferably, the step of modifying the parameters of the thermal storage medium comprises the modification of the type of thermal storage medium.
La materia objeto de la invención se explicará con más detalle en el texto siguiente con referencia a las realizaciones de ejemplo preferidas, que se ilustran en los dibujos adjuntos, en los que: The subject matter of the invention will be explained in more detail in the following text with reference to the preferred example embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings, in which:
la Figura 1 muestra un diagrama esquemático simplificado de un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica; Figure 1 shows a simplified schematic diagram of a thermoelectric energy storage system;
la Figura 2 es un diagrama de entalpía-presión del ciclo de bomba de calor y del ciclo de turbina en un sistema TEES de ejemplo; Figure 2 is an enthalpy-pressure diagram of the heat pump cycle and the turbine cycle in an example TEES system;
la Figura 3 es un ilustración esquemática de una sección transversal a través de un parte del ciclo de bomba de calor de un sistema TEES de la presente invención; Figure 3 is a schematic illustration of a cross section through a part of the heat pump cycle of a TEES system of the present invention;
la Figura 4 es una ilustración esquemática de una sección transversal a través de una parte del ciclo de turbina de un sistema TEES de la presente invención; Figure 4 is a schematic illustration of a cross section through a part of the turbine cycle of a TEES system of the present invention;
las Figuras 5a – 5f representan diagramas simplificados de entalpía-temperatura de los fluidos de trabajo y de los fluidos de almacenamiento térmico en los intercambiadores de calor durante la carga y la descarga; Figures 5a-5f represent simplified enthalpy-temperature diagrams of working fluids and thermal storage fluids in heat exchangers during loading and unloading;
la Figura 6 muestra un diagrama de entalpía-temperatura de la transferencia de calor a partir de los ciclos en un sistema TEES de la presente invención; Figure 6 shows an enthalpy-temperature diagram of heat transfer from the cycles in a TEES system of the present invention;
la Figura 7 muestra un diagrama de entalpía-temperatura de la transferencia de calor a partir de los ciclos en un escenario optimizado en un sistema TEES de la presente invención. Figure 7 shows an enthalpy-temperature diagram of heat transfer from the cycles in an optimized scenario in a TEES system of the present invention.
Por consistencia, los mismos números de referencia se usan para indicar elementos similares ilustrados a lo largo de las figuras. For consistency, the same reference numbers are used to indicate similar elements illustrated throughout the figures.
La figura 1 representa un diagrama esquemático del sistema TEES 10 de acuerdo con la presente invención que comprende un almacenamiento caliente 12 y un almacenamiento frío 14 que se acoplan entre sí por medio de un sistema de ciclo de bomba de calor 16 y un sistema de ciclo de turbina 18. El almacenamiento caliente 12 contiene un medio de almacenamiento térmico, el almacenamiento frío 14 es un sumidero de calor y tanto el ciclo de bomba de calor como el ciclo de turbina contienen un fluido de trabajo. Figure 1 represents a schematic diagram of the TEES system 10 according to the present invention comprising a hot storage 12 and a cold storage 14 that are coupled to each other by means of a heat pump cycle system 16 and a cycle system turbine 18. The hot storage 12 contains a thermal storage medium, the cold storage 14 is a heat sink and both the heat pump cycle and the turbine cycle contain a working fluid.
El sistema de ciclo de bomba de calor 16 comprende, en la dirección del flujo del fluido de trabajo, un evaporador 20, una cadena de compresores 22, un intercambiador de calor 24 y una válvula de expansión 26. El sistema de ciclo de turbina 18 comprende, en la dirección del flujo del fluido de trabajo, una bomba de alimentación 28, un intercambiador de calor 30, una turbina 32 y un condensador 34. Los intercambiadores de calor 24, 30 tanto en el sistema del ciclo de la bomba de calor como en el sistema del ciclo de turbina se sitúan para intercambiar calor con el punto caliente 12. El evaporador 20 y el condensador 34 en el sistema de ciclo de bomba de calor 16 y en el sistema de ciclo de turbina 18, respectivamente, se sitúan para intercambiar calor con el almacenamiento frío 14. The heat pump cycle system 16 comprises, in the direction of the flow of the working fluid, an evaporator 20, a compressor chain 22, a heat exchanger 24 and an expansion valve 26. The turbine cycle system 18 it comprises, in the direction of the flow of the working fluid, a feed pump 28, a heat exchanger 30, a turbine 32 and a condenser 34. The heat exchangers 24, 30 both in the heat pump cycle system as in the turbine cycle system they are positioned to exchange heat with the hot spot 12. The evaporator 20 and the condenser 34 in the heat pump cycle system 16 and in the turbine cycle system 18, respectively, are located to exchange heat with cold storage 14.
El almacenamiento frío 14 es una reserva de calor a una temperatura más baja que la temperatura del almacenamiento caliente. Sin embargo, la temperatura del almacenamiento frío puede ser más elevada o más baja que la temperatura ambiente. De hecho, el almacenamiento frío puede ser otro sumidero de calor tal como agua de refrigeración o aire del ambiente. En una realización alternativa, la turbina y la cadena de compresores pueden ser máquinas termodinámicas basadas en el desplazamiento positivo tal como expansores o compresores alternativos o rotativos. Cold storage 14 is a reserve of heat at a temperature lower than the temperature of hot storage. However, the cold storage temperature may be higher or lower than the ambient temperature. In fact, cold storage can be another heat sink such as cooling water or ambient air. In an alternative embodiment, the turbine and compressor chain may be thermodynamic machines based on positive displacement such as alternative or rotary expanders or compressors.
La cadena de compresores 22 puede comprender uno o varios compresores individuales con posible refrigeración intermedia (no mostrada). La turbina 32 puede comprender una o varias turbinas individuales con posibles precalentadores (no mostrados). De modo similar, el evaporador 20, el condensador 34, la bomba de alimentación 28 y la válvula de expansión 26 pueden comprender una o múltiples unidades. The compressor chain 22 may comprise one or more individual compressors with possible intermediate cooling (not shown). The turbine 32 may comprise one or several individual turbines with possible pre-heaters (not shown). Similarly, the evaporator 20, the condenser 34, the feed pump 28 and the expansion valve 26 may comprise one or multiple units.
En funcionamiento, el fluido de trabajo fluye alrededor del sistema TEES 10 de la siguiente manera. El fluido de trabajo en el compresor 22 está inicialmente en forma de vapor y se utiliza una energía eléctrica sobrante para comprimir y calentar el fluido de trabajo. El fluido de trabajo se suministra a través del intercambiador de calor 24 en donde el fluido de trabajo descarga el calor en el medio de almacenamiento caliente. El fluido de trabajo comprimido sale del intercambiador de calor y entra en la válvula de expansión 26. Aquí el fluido de trabajo se expande para disminuir la presión hacia el evaporador. El fluido de trabajo fluye desde la válvula de expansión dentro del evaporador 20 en donde el fluido de trabajo se calienta hasta la evaporación. Esto se realiza usando el calor disponible en el almacenamiento frío. In operation, the working fluid flows around the TEES 10 system as follows. The working fluid in the compressor 22 is initially in the form of steam and excess electrical energy is used to compress and heat the working fluid. The working fluid is supplied through the heat exchanger 24 where the working fluid discharges the heat into the hot storage medium. The compressed working fluid exits the heat exchanger and enters the expansion valve 26. Here the working fluid expands to decrease the pressure towards the evaporator. The working fluid flows from the expansion valve into the evaporator 20 where the working fluid is heated to evaporation. This is done using the heat available in cold storage.
En el condensador 34, el fluido de trabajo se condensa mediante el intercambio de calor con el almacenamiento frío In condenser 34, the working fluid is condensed by heat exchange with cold storage
14. El fluido de trabajo condensado sale del condensador a través de la salida y se bombea al interior del intercambiador de calor 30 en el almacenamiento caliente por medio de la bomba de alimentación 28. Aquí el fluido de trabajo se calienta, evapora y sobrecalienta a partir del calor almacenado en el medio de almacenamiento caliente. El fluido de trabajo sale del intercambiador de calor 30 y entra en la turbina 32 donde el fluido de trabajo se expande provocando de ese modo que la turbina genere energía eléctrica. 14. The condensed working fluid exits the condenser through the outlet and is pumped into the heat exchanger 30 in the hot storage by means of the feed pump 28. Here the working fluid is heated, evaporated and superheated to from the heat stored in the hot storage medium. The working fluid exits the heat exchanger 30 and enters the turbine 32 where the working fluid expands thereby causing the turbine to generate electrical energy.
La válvula de expansión 26, el evaporador 20 y el compresor 22 están en funcionamiento durante un período de carga o de ciclo de “bomba de calor”. De modo similar, la turbina 32, el condensador 34 y la bomba de alimentación 28 están en funcionamiento durante un periodo de descarga o de ciclo de “turbina”. El almacenamiento caliente 12 está funcionamiento en todo momento, durante la carga, el almacenamiento y la descarga. Estos dos ciclos se pueden mostrar claramente en un diagrama de entalpía-presión tal como el de la Figura 2. The expansion valve 26, the evaporator 20 and the compressor 22 are in operation during a period of loading or "heat pump" cycle. Similarly, turbine 32, condenser 34 and feed pump 28 are in operation during a discharge or "turbine" cycle period. Hot storage 12 is operating at all times, during loading, storage and unloading. These two cycles can be clearly shown in an enthalpy-pressure diagram such as that in Figure 2.
El ciclo de línea continua mostrado en la Figura 2 representa el ciclo de bomba de calor que está cargando el almacenamiento caliente y el ciclo de bomba de calor sigue una dirección contraria a la de las agujas del reloj como se indica por las flechas. El fluido de trabajo se supone que es agua en esta realización de ejemplo. El ciclo de la bomba de calor comienza en el evaporador, en el punto A en donde se evapora el vapor para formar vapor usando el calor del almacenamiento frío (transición A→B1 en la Figura 2). En la siguiente etapa del ciclo de la bomba de calor, el vapor es comprimido utilizando energía eléctrica en dos etapas desde el punto B1 al C1 y del B2 al C2. En donde tiene lugar la compresión en dos etapas esto es una consecuencia de la cadena de compresores que se compone de dos unidades individuales. En medio de estas dos etapas de compresión, el fluido de trabajo se refrigera desde el punto C1 al B2. El vapor caliente, comprimido, sobrecalentado sale de la cadena de compresores en el punto C2 donde se refrigera hasta la temperatura de saturación en D1, se condensa en D2 y se refrigera adicionalmente hasta el punto D3. Esta refrigeración y condensación se realiza mediante la transferencia de calor desde el fluido de trabajo dentro del almacenamiento caliente, almacenando de ese modo la energía calorífica. El fluido de trabajo refrigerado se devuelve a su estado de baja presión inicial en el punto A por medio de la válvula de expansión. The continuous line cycle shown in Figure 2 represents the heat pump cycle that is loading the hot storage and the heat pump cycle follows a counterclockwise direction as indicated by the arrows. The working fluid is supposed to be water in this exemplary embodiment. The heat pump cycle begins at the evaporator, at point A where the vapor evaporates to form steam using cold storage heat (transition A → B1 in Figure 2). In the next stage of the heat pump cycle, steam is compressed using two-stage electrical energy from point B1 to C1 and B2 to C2. Where two-stage compression takes place this is a consequence of the compressor chain consisting of two individual units. In the middle of these two compression stages, the working fluid is cooled from point C1 to B2. The hot, compressed, superheated steam exits the compressor chain at point C2 where it is cooled to saturation temperature in D1, condensed in D2 and further cooled to point D3. This cooling and condensation is carried out by transferring heat from the working fluid into the hot storage, thereby storing the heat energy. The refrigerated working fluid is returned to its initial low pressure state at point A by means of the expansion valve.
El ciclo de líneas de puntos mostrado en la Figura 2 representa el ciclo de turbina Rankine que es la descarga del almacenamiento caliente y el ciclo sigue una dirección de las agujas del reloj como se indica por las flechas. El ciclo de turbina Rankine comienza en el punto E, en donde se utiliza la bomba para bombear el fluido de trabajo en su estado líquido desde el punto E al F1. A continuación, desde el punto F1 hasta el punto G, el fluido de trabajo recibe el calor desde el medio de almacenamiento térmico. En detalle, el calor se transfiere desde el medio de almacenamiento térmico hasta el fluido de trabajo haciendo que el fluido de trabajo se caliente en F2, pase por ebullición en F3 y alcance un cierto grado de sobrecalentamiento en G. El vapor del fluido de trabajo sobrecalentado en el punto G se expande hasta el punto H en un dispositivo mecánico tal como una turbina para generar electricidad. A continuación de la expansión, el fluido de trabajo entra en el condensador donde se condensa hasta su estado inicial en el punto E mediante el intercambio de calor con el almacenamiento frío. The dotted line cycle shown in Figure 2 represents the Rankine turbine cycle that is the discharge of hot storage and the cycle follows a clockwise direction as indicated by the arrows. The Rankine turbine cycle begins at point E, where the pump is used to pump the working fluid in its liquid state from point E to F1. Then, from point F1 to point G, the working fluid receives heat from the thermal storage medium. In detail, the heat is transferred from the thermal storage medium to the working fluid causing the working fluid to heat up in F2, boil in F3 and reach a certain degree of overheating in G. The working fluid vapor superheated at point G expands to point H in a mechanical device such as a turbine to generate electricity. Following the expansion, the working fluid enters the condenser where it condenses to its initial state at point E by exchanging heat with cold storage.
La eficiencia total del proceso de almacenamiento de energía completo, esto es el ciclo de bomba de calor del ciclo de turbina Rankine, se calcula de la siguiente manera; el trabajo proporcionado por la expansión de la turbina dividido por el trabajo usado en el compresor de la bomba de calor: The total efficiency of the entire energy storage process, this is the heat pump cycle of the Rankine turbine cycle, is calculated as follows; The work provided by the turbine expansion divided by the work used in the heat pump compressor:
-(hG-hH)/(hC2-hB2+hC1-hB1), - (hG-hH) / (hC2-hB2 + hC1-hB1),
en donde la letra h indica la entalpía del punto correspondiente. Para las condiciones de ejemplo representadas en la Figura 2, la eficiencia total es del 50,8%. No es posible juzgar a partir solamente del diagrama de entalpía-presión si es un sistema TEES particularmente eficaz o cómo se podría mejorar en su eficiencia. where the letter h indicates the enthalpy of the corresponding point. For the example conditions represented in Figure 2, the total efficiency is 50.8%. It is not possible to judge from the enthalpy-pressure diagram only if it is a particularly effective TEES system or how its efficiency could be improved.
Con referencia al sistema TEES ilustrado en la Figura 1, el intercambiador de calor 24 en los componentes del ciclo de bomba de calor 16 y el intercambiador de calor 30 en los componentes del ciclo de turbina 18 pueden comprender diversos intercambiadores de calor individuales dispuestos en serie, como se ilustra en las Figuras 3 y 4, respectivamente. With reference to the TEES system illustrated in Figure 1, the heat exchanger 24 in the components of the heat pump cycle 16 and the heat exchanger 30 in the components of the turbine cycle 18 may comprise various individual heat exchangers arranged in series , as illustrated in Figures 3 and 4, respectively.
La Figura 3 representa un diagrama esquemático simplificado de los componentes de un ciclo de bomba de calor 16 en un sistema 10 de almacenamiento de energía termoeléctrica de la presente invención. En este caso, se disponen en serie tres unidades de almacenamiento caliente x, y, z. Cada unidad de almacenamiento caliente x, y, z comprende un intercambiador de calor 36, 38, 40 en conexión con un par de tanques de almacenamiento 42, 44, 46. Cada par de tanques de almacenamiento comprende un tanque frío y un tanque caliente en el que el flujo del medio de almacenamiento térmico va desde el tanque frío al tanque caliente por medio del intercambiador de calor asociado. Las tres unidades de almacenamiento caliente de la Figura 3 se indican por x, y, z de izquierda a derecha en el diagrama. En la presente realización, los intercambiadores de calor son intercambiadores de calor a contracorriente y el fluido de trabajo es agua. Figure 3 represents a simplified schematic diagram of the components of a heat pump cycle 16 in a thermoelectric energy storage system 10 of the present invention. In this case, three hot storage units x, y, z are arranged in series. Each hot storage unit x, y, z comprises a heat exchanger 36, 38, 40 in connection with a pair of storage tanks 42, 44, 46. Each pair of storage tanks comprises a cold tank and a hot tank in The flow of the thermal storage medium goes from the cold tank to the hot tank by means of the associated heat exchanger. The three hot storage units in Figure 3 are indicated by x, y, z from left to right in the diagram. In the present embodiment, the heat exchangers are countercurrent heat exchangers and the working fluid is water.
En funcionamiento, los componentes del ciclo de bomba de calor 16 de la Figura 3 trabajan esencialmente en una forma similar a los componentes del ciclo de la bomba de calor 16 del sistema TEES descrito con respecto a las Figuras 1 y 2. Además, el fluido de trabajo fluye a través de los dos intercambiadores de calor separados adicionales. En la situación de ejemplo mostrada en la Figura 3, en la dirección de flujo del fluido de trabajo, las temperaturas inicial y final del fluido de trabajo cuando pasa a través del intercambiador de calor 40 son 510ºC y 270ºC, a través del intercambiador de calor 38 son 270ºC y 270ºC y a través del intercambiador de calor 36 son 270ºC y 100ºC. Con ello, se consigue una caída de temperatura global de 410ºC. In operation, the components of the heat pump cycle 16 of Figure 3 essentially work in a manner similar to the components of the heat pump cycle 16 of the TEES system described with respect to Figures 1 and 2. In addition, the fluid Working flows through the two additional separate heat exchangers. In the example situation shown in Figure 3, in the flow direction of the working fluid, the initial and final temperatures of the working fluid when it passes through the heat exchanger 40 are 510 ° C and 270 ° C, through the heat exchanger 38 are 270 ° C and 270 ° C and through heat exchanger 36 are 270 ° C and 100 ° C. With this, a global temperature drop of 410 ° C is achieved.
Las características del fluido de trabajo (mostradas como una línea continua) y del medio de almacenamiento térmico (mostrado como una línea de rayas) de cada uno de los tres intercambiadores de calor 36, 38, 40 y pares de tanques de almacenamiento asociados 42, 44, 46 durante la carga se muestra en la Figura 5 en los gráficos de entalpía-temperatura a), b) y c), respectivamente. La temperatura del medio de almacenamiento térmico en cada etapa es creciente, mientras que la temperatura del fluido de trabajo disminuye sólo en las etapas a) y c). The characteristics of the working fluid (shown as a continuous line) and the thermal storage medium (shown as a dashed line) of each of the three heat exchangers 36, 38, 40 and associated storage tank pairs 42, 44, 46 during loading is shown in Figure 5 in the enthalpy-temperature graphs a), b) and c), respectively. The temperature of the thermal storage medium at each stage is increasing, while the temperature of the working fluid decreases only in stages a) and c).
La Figura 4 representa un diagrama esquemático simplificado de los componentes del ciclo de turbina 18 en un sistema 10 de almacenamiento de energía termoeléctrica de la presente invención. En este caso, la disposición de las tres unidades de almacenamiento caliente individuales x, y, z, dispuestas en serie, son las mismas unidades mostradas en la Figura 3. De nuevo, cada par de tanques de almacenamiento 42, 44, 46 comprende un tanque caliente y un tanque frío, sin embargo, el flujo del medio de almacenamiento térmico es desde el tanque caliente al tanque frío a través del intercambiador de calor. Figure 4 represents a simplified schematic diagram of the turbine cycle components 18 in a thermoelectric energy storage system 10 of the present invention. In this case, the arrangement of the three individual hot storage units x, y, z, arranged in series, are the same units shown in Figure 3. Again, each pair of storage tanks 42, 44, 46 comprises a hot tank and a cold tank, however, the flow of the thermal storage medium is from the hot tank to the cold tank through the heat exchanger.
En funcionamiento, los componentes del ciclo de turbina 18 de la Figura 4 trabajan esencialmente en una manera similar a los componentes del ciclo de turbina del sistema TEES descrito con respecto a las Figuras 1 y 2. Además, el fluido de trabajo fluye a través de los dos intercambiadores de calor separados adicionales. En la situación de ejemplo mostrada en la Figura 4, en la dirección del flujo del fluido de trabajo, las temperaturas inicial y final del fluido de trabajo cuando pasa a través del intercambiador de calor 36 son 80ºC y 240ºC, a través del intercambiador de calor 38 son 240ºC y 240ºC y a través del intercambiador de calor 40 son 240ºC y 490ºC. De ese modo, se consigue un aumento global de temperatura de 410ºC. In operation, the turbine cycle components 18 of Figure 4 essentially work in a manner similar to the turbine cycle components of the TEES system described with respect to Figures 1 and 2. In addition, the working fluid flows through the two additional separate heat exchangers. In the example situation shown in Figure 4, in the direction of the flow of the working fluid, the initial and final temperatures of the working fluid when it passes through the heat exchanger 36 are 80 ° C and 240 ° C, through the heat exchanger 38 are 240 ° C and 240 ° C and through heat exchanger 40 are 240 ° C and 490 ° C. In this way, a global temperature increase of 410 ° C is achieved.
Cuando los componentes del ciclo de bomba de calor 16 están en funcionamiento, entonces el conducto del fluido de trabajo para el ciclo de bomba de calor se acopla a las unidades de almacenamiento caliente x, y, z. Cuando los componentes del ciclo de turbina 18 están en funcionamiento, entonces el conducto del fluido de trabajo para la ciclo de turbina se acoplan a las unidades de almacenamiento caliente x, y, z en su lugar. En esta forma, el ciclo de turbina obtiene energía térmica de las unidades de almacenamiento caliente, que se depositó mediante el ciclo de bomba de calor. When the components of the heat pump cycle 16 are in operation, then the working fluid conduit for the heat pump cycle is coupled to the hot storage units x, y, z. When the turbine cycle components 18 are in operation, then the working fluid conduit for the turbine cycle is coupled to the hot storage units x, y, z in place. In this way, the turbine cycle obtains thermal energy from the hot storage units, which was deposited by the heat pump cycle.
Las características del fluido de trabajo (mostrado como una línea continua) y del medio de almacenamiento térmico (mostrado como una línea de rayas) de cada uno de los tres intercambiadores de calor 36, 38, 40 y pares de tanques de almacenamiento asociados 42, 44, 46 durante la descarga se muestra en la Figura 5 en los gráficos de entalpía-temperatura d), e) y f), respectivamente. La temperatura del medio de almacenamiento térmico en cada etapa disminuye, mientras que la temperatura del fluido de trabajo aumenta solamente en las etapas d) y f). The characteristics of the working fluid (shown as a continuous line) and the thermal storage medium (shown as a dashed line) of each of the three heat exchangers 36, 38, 40 and pairs of associated storage tanks 42, 44, 46 during the download is shown in Figure 5 in the enthalpy-temperature graphs d), e) and f), respectively. The temperature of the thermal storage medium in each stage decreases, while the temperature of the working fluid increases only in stages d) and f).
La Figura 6 muestra las isobaras, es decir las líneas de presión constante, de las Figuras 5 a) – f) en un único gráfico de temperatura-entalpía para una realización del sistema particular. Adicionalmente, las letras mayúsculas usadas son consistentes con la Figura 2. Por ello, la Figura 6 ilustra el proceso de transferencia de calor en las tres unidades de almacenamiento caliente separadas x, y, z durante la carga y la descarga del sistema de TEES 10. Figure 6 shows the isobars, ie the constant pressure lines, of Figures 5 a) -f) in a single temperature-enthalpy graph for an embodiment of the particular system. Additionally, the uppercase letters used are consistent with Figure 2. Therefore, Figure 6 illustrates the heat transfer process in the three separate hot storage units x, y, z during loading and unloading of the TEES system 10 .
Las isobaras de línea continua C2 a D3 representan el ciclo de bomba de calor, las isobaras de línea de puntos F1 a G representan el ciclo de turbina Rankine y las isobaras de líneas de rayas X1 a X2, Y1 a Y2, Z1 a Z2 representan el medio de almacenamiento térmico en las tres unidades de almacenamiento caliente x, y, z, respectivamente. The continuous line isobars C2 to D3 represent the heat pump cycle, the dotted line isobars F1 to G represent the Rankine turbine cycle and the isobars of striped lines X1 to X2, Y1 to Y2, Z1 to Z2 represent the thermal storage medium in the three hot storage units x, y, z, respectively.
El calor sólo puede fluir desde una temperatura más alta a una temperatura más baja. Consecuentemente, las isobaras características para el fluido de trabajo durante la refrigeración en el ciclo de bomba de calor tienen que estar por encima de las isobaras características para el medio de almacenamiento térmico, que a su vez tienen que estar por encima de las isobaras características para el fluido de trabajo durante el calentamiento en el ciclo de turbina. La pendiente de estas isobaras características se define por el producto del caudal másico (kg/s) y la capacidad calorífica (J/kg/K) de cada medio de almacenamiento térmico con relación al flujo másico del fluido de trabajo. Este producto es diferente para cada una de las tres subsecciones de transferencia de calor; calentamiento/refrigeración de agua líquida en la unidad de almacenamiento caliente x, ebullición/condensación en la unidad de almacenamiento caliente y, y suministro/extracción de calor en la región de sobresaturación en la unidad de almacenamiento caliente z. Heat can only flow from a higher temperature to a lower temperature. Consequently, the characteristic isobars for the working fluid during cooling in the heat pump cycle have to be above the characteristic isobars for the thermal storage medium, which in turn have to be above the characteristic isobars for the working fluid during heating in the turbine cycle. The slope of these characteristic isobars is defined by the product of the mass flow rate (kg / s) and the heat capacity (J / kg / K) of each thermal storage medium in relation to the mass flow of the working fluid. This product is different for each of the three heat transfer subsections; heating / cooling of liquid water in the hot storage unit x, boiling / condensation in the hot storage unit y, and supply / extraction of heat in the supersaturation region in the hot storage unit z.
Los perfiles de temperatura son estacionarios en el tiempo debido al almacenamiento de calor sensible en el medio de almacenamiento térmico. Por ello, mientras que el volumen del medio de almacenamiento térmico en cada intercambiador de calor permanece constante, el volumen del medio de almacenamiento térmico caliente y frío almacenado en los tanques caliente y frío cambia. También, la distribución de temperatura en los intercambiadores de calor permanece constante. Temperature profiles are stationary over time due to the storage of sensible heat in the thermal storage medium. Therefore, while the volume of the thermal storage medium in each heat exchanger remains constant, the volume of the hot and cold thermal storage medium stored in the hot and cold tanks changes. Also, the temperature distribution in the heat exchangers remains constant.
De modo importante, la presente invención determina que cuanto más pequeña sea la diferencia de temperatura media entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento de calor durante la transferencia de calor, mayor será la eficiencia del sistema TEES. En un gráfico entalpía-temperatura, esta característica se observa como una situación relativamente más cercana de las isobaras características de los ciclos de carga y descarga, como se muestra en la Figura 7. Importantly, the present invention determines that the smaller the average temperature difference between the working fluid and the heat storage medium during heat transfer, the greater the efficiency of the TEES system. In an enthalpy-temperature graph, this characteristic is observed as a relatively closer situation of the isobar characteristics of the loading and unloading cycles, as shown in Figure 7.
La presente invención determina que el medio de almacenamiento térmico puede ser el mismo o un fluido diferente en cada unidad de almacenamiento caliente x, y, y z. Adicionalmente, la presente invención determina que el medio de almacenamiento térmico puede estar a una temperatura diferente en cada unidad de almacenamiento caliente x, y, y z. También, la relación de caudal del medio de almacenamiento térmico dentro de cada unidad de almacenamiento caliente puede diferir. Específicamente, para conseguir una eficiencia total optimizada del sistema TEES se pueden utilizar varias combinaciones de medios de almacenamiento térmico, temperatura inicial y final del medio de almacenamiento térmico y caudales del medio de almacenamiento térmico. The present invention determines that the thermal storage medium can be the same or a different fluid in each hot storage unit x, y, and z. Additionally, the present invention determines that the thermal storage medium may be at a different temperature in each hot storage unit x, y, and z. Also, the flow rate of the thermal storage medium within each hot storage unit may differ. Specifically, in order to achieve an optimized total efficiency of the TEES system, various combinations of thermal storage media, initial and final temperature of the thermal storage medium and flow rates of the thermal storage medium can be used.
En el escenario de eficiencia mejorada ilustrado en la Figura 7, el caudal del medio de almacenamiento térmico a través del intercambiador de calor 38 de la unidad de almacenamiento caliente y se incrementa en un factor de tres en comparación con el escenario de la Figura 6. (Se debería indicar que el caudal del intercambiador de calor 38, en la Figura 6, se ajustó en un valor arbitrario que era relativamente más grande que el caudal en los intercambiadores 36 y 40, pero no se optimizó el caudal como en la Figura 7.) Se puede notar una disminución en las diferencias de temperatura media entre el medio de almacenamiento térmico y el fluido de trabajo durante la transferencia de calor en el intercambiador de calor 38 de la unidad de almacenamiento caliente y. Consecuentemente, un sistema TEES resultante tiene una temperatura de saturación más alta en el intercambiador de calor 38 en el ciclo de turbina que antes (indicado por F2’ y F3’ en la Figura 7 en comparación con F2 y F3 en la Figura 6). Esto es igual a una temperatura de 230ºC en la Figura 7, en comparación con 200ºC en la Figura 6. Consecuentemente, la eficiencia total del sistema TEES en la realización de la Figura 7 es de 61,1% en comparación con la eficiencia de 50,8% en la Figura 2. In the improved efficiency scenario illustrated in Figure 7, the flow rate of the thermal storage medium through the heat exchanger 38 of the hot storage unit is increased by a factor of three compared to the scenario in Figure 6. (It should be noted that the flow rate of the heat exchanger 38, in Figure 6, was adjusted to an arbitrary value that was relatively larger than the flow rate in the exchangers 36 and 40, but the flow rate was not optimized as in Figure 7 .) A decrease in the average temperature differences between the thermal storage medium and the working fluid may be noted during the heat transfer in the heat exchanger 38 of the hot storage unit and. Consequently, a resulting TEES system has a higher saturation temperature in heat exchanger 38 in the turbine cycle than before (indicated by F2 ’and F3’ in Figure 7 compared to F2 and F3 in Figure 6). This is equal to a temperature of 230 ° C in Figure 7, compared to 200 ° C in Figure 6. Consequently, the total efficiency of the TEES system in the embodiment of Figure 7 is 61.1% compared to the efficiency of 50 , 8% in Figure 2.
En otras palabras, la presente invención requiere que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo del ciclo de bomba de calor y el medio de almacenamiento térmico, así como la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo del ciclo de turbina y el medio de almacenamiento térmico sea relativamente pequeña (por ejemplo, más pequeño que 50ºC de media). Esto se consigue a través de la modificación de ciertos parámetros del TEES como se ha especificado anteriormente. In other words, the present invention requires that the temperature difference between the working fluid of the heat pump cycle and the thermal storage medium, as well as the temperature difference between the working fluid of the turbine cycle and the means of Thermal storage is relatively small (for example, smaller than 50 ° C on average). This is achieved through the modification of certain parameters of the TEES as specified above.
En una realización preferida de la presente invención, los tres medios de almacenamiento térmico son fluidos. Por ejemplo, estos pueden ser tres líquidos diferentes de medios de almacenamiento térmico sensible tal como agua, aceite o sales fundidas. También, en una realización preferida de la presente invención, los intercambiadores de calor son intercambiadores de calor a contracorriente, que tienen una temperatura de aproximación de 10 K (es decir la mínima diferencia de temperaturas de los dos fluidos que intercambian calor es 10 K) y el dispositivo de expansión es preferiblemente una válvula de expansión termostática. In a preferred embodiment of the present invention, the three thermal storage means are fluid. For example, these may be three different liquids of sensitive thermal storage media such as water, oil or molten salts. Also, in a preferred embodiment of the present invention, heat exchangers are countercurrent heat exchangers, which have an approximate temperature of 10 K (ie the minimum temperature difference of the two fluids that exchange heat is 10 K) and the expansion device is preferably a thermostatic expansion valve.
En una realización preferida adicional, el calor en el intercambiador de calor 38 de ebullición/condensación se transfiere a calor latente de una fase de transición de un medio de almacenamiento que permita incluso una aproximación más cercana de los perfiles de temperatura en la región de ebullición/condensación. Una realización preferida usa vapor cómo fluido de trabajo tanto para el ciclo de bomba de calor como para el ciclo de turbina. In a further preferred embodiment, the heat in the boiling / condensing heat exchanger 38 is transferred to latent heat of a transition phase of a storage medium that allows even a closer approximation of the temperature profiles in the boiling region /condensation. A preferred embodiment uses steam as a working fluid for both the heat pump cycle and the turbine cycle.
En una realización preferida alternativa no hay depósito de almacenamiento frío, sino que en su lugar el evaporador y el condensador usan calor del ambiente como un depósito (infinitamente grande) para el lado frío del ciclo de bomba de calor y el ciclo de turbina. El almacén frío de la Figura 1, es un segundo depósito de almacenamiento de calor, tiene un almacenamiento de calor latente en temperaturas alrededor de 100ºC en el lado frío del ciclo de bomba de calor y el ciclo de turbina. Debido a la dependencia respecto a la temperatura de la presión de saturación de los fluidos de trabajo tal como al agua, tal depósito de almacenamiento de calor adicional puede dar como resultado una mayor economía con relación al compresor y a la turbina. Se prevé que esta economía compensaría en exceso el coste adicional de este depósito con tiempos de amortización moderadamente largos. In an alternative preferred embodiment there is no cold storage tank, but instead the evaporator and condenser use ambient heat as a (infinitely large) tank for the cold side of the heat pump cycle and the turbine cycle. The cold store of Figure 1, is a second heat storage tank, has latent heat storage at temperatures around 100 ° C on the cold side of the heat pump cycle and the turbine cycle. Due to the dependence on the saturation pressure temperature of working fluids such as water, such an additional heat storage tank can result in a greater economy in relation to the compressor and the turbine. It is anticipated that this economy would overcompensate the additional cost of this deposit with moderately long repayment times.
El experto en la técnica será consciente de que el sistema TEES, como se ilustra en las Figuras 1, 3 y 4, se puede realizar de varias formas diferentes. Por ejemplo, el almacenamiento caliente puede consistir en: The person skilled in the art will be aware that the TEES system, as illustrated in Figures 1, 3 and 4, can be performed in several different ways. For example, hot storage can consist of:
- • •
- Una estructura sólida con intercambiadores de calor embebidos equipados con medios apropiados para manejar la expansión y contracción del medio de almacenamiento con el cambio de temperaturas. A solid structure with embedded heat exchangers equipped with appropriate means to handle the expansion and contraction of the storage medium with changing temperatures.
- • •
- Un sistema de almacenamiento de sales fundidas de dos tanques con intercambiadores de calor entre los tanques y flujos de sal fundida desde el tanque frío al caliente durante el período de carga y desde el tanque caliente al frío durante el de descarga. A two-tank molten salt storage system with heat exchangers between the tanks and molten salt flows from the cold to the hot tank during the loading period and from the hot to the cold tank during the unloading.
- • •
- Un medio de almacenamiento de calor de sal fundida y líquido de múltiples tanques calientes y múltiples tanques fríos en cascada a diferentes temperaturas entre la temperatura de funcionamiento del evaporador y la temperatura del fluido de trabajo de bomba de calor a la salida de los procesos de compresión. A molten salt and liquid heat storage medium of multiple hot tanks and multiple cold cascading tanks at different temperatures between the operating temperature of the evaporator and the temperature of the heat pump working fluid at the exit of the compression processes .
- • •
- Un material de cambio de fase con una temperatura de cambio de fase adecuada por debajo de la temperatura de condensación del fluido de trabajo en bomba de calor a la presión de funcionamiento alta y por encima del punto de ebullición del fluido de trabajo en ciclo de turbina a la presión de funcionamiento alta. A phase change material with a suitable phase change temperature below the condensation temperature of the working fluid in heat pump at the high operating pressure and above the boiling point of the working fluid in turbine cycle at high operating pressure.
- • •
- Cualquier combinación de las opciones de almacenamiento térmico mencionadas anteriormente en serie y en paralelo. Any combination of the thermal storage options mentioned above in series and in parallel.
- • •
- Dos, tres (como se muestra en las Figuras 3 y 4), cuatro o más unidades de almacenamiento en el almacenamiento caliente. Two, three (as shown in Figures 3 and 4), four or more storage units in hot storage.
El experto en la materia será consciente de que el condensador y el evaporador en el sistema TEES se puede sustituir por un dispositivo intercambiador de calor multipropósito que puede asumir ambos papeles, dado que la evaporación para el ciclo de bomba de calor y la condensación para el ciclo de turbina se realizarán en períodos diferentes. De modo similar los papeles de turbina y compresor se pueden realizar por la misma maquinaria, denominada en ese documento como máquina termodinámica capaz de alcanzar ambas tareas. The person skilled in the art will be aware that the condenser and the evaporator in the TEES system can be replaced by a multipurpose heat exchanger device that can assume both roles, since the evaporation for the heat pump cycle and the condensation for the Turbine cycle will be performed in different periods. Similarly, the turbine and compressor roles can be performed by the same machinery, referred to in that document as a thermodynamic machine capable of achieving both tasks.
El frío de trabajo preferido para la presente invención es agua; principalmente debido a las elevadas eficiencias del ciclo de bomba de calor y ciclo de turbina basados en agua y a las agradables propiedades del agua como fluido de trabajo, es decir ningún potencial respecto al calentamiento global, potencial de destrucción del ozono, ningún peligro para la salud etc. Para el funcionamiento de la presente invención a temperaturas ambientes por debajo del punto de congelación del agua, se puede elegir un refrigerante comercial como el fluido de trabajo de bomba de calor o se puede añadir un segundo ciclo más bajo de bomba de calor en cascada con el ciclo basado en agua para proporcionar el calor de evaporación. The preferred working cold for the present invention is water; mainly due to the high efficiencies of the water-based heat pump and turbine cycle and the pleasant properties of water as a working fluid, that is to say no potential for global warming, ozone destruction potential, no health hazard etc. For the operation of the present invention at ambient temperatures below the freezing point of water, a commercial refrigerant can be chosen as the heat pump working fluid or a second lower cascade heat pump cycle can be added with the water based cycle to provide evaporation heat.
Claims (10)
- 1. one.
- Un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica (10) para proporcionar energía térmica a una máquina termodinámica para la generación de electricidad, que comprende; A thermoelectric energy storage system (10) for providing thermal energy to a thermodynamic machine for generating electricity, which comprises;
- 2.2.
- El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la unidad de almacenamiento caliente comprende al menos dos unidades de almacenamiento caliente (x, y, z), cada unidad de almacenamiento caliente está en conexión con el intercambiador de calor (36, 38, 40) y contiene un medio de almacenamiento térmico. The system according to claim 1, wherein the hot storage unit comprises at least two hot storage units (x, y, z), each hot storage unit is in connection with the heat exchanger (36, 38 , 40) and contains a thermal storage medium.
- 3.3.
- El sistema de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el medio de almacenamiento térmico es un líquido y el caudal del medio de almacenamiento térmico se modifica de modo que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente (x, y, z) sea menor de 50ºC durante la transferencia de calor. The system according to claim 1 or claim 2, wherein the thermal storage medium is a liquid and the flow rate of the thermal storage medium is modified so that the temperature difference between the working fluid and the medium of Thermal storage in each hot storage unit (x, y, z) is less than 50 ° C during heat transfer.
- 4.Four.
- El sistema de acuerdo con una cualquiera de la reivindicación 1 a la reivindicación 3, en el que la temperatura del medio de almacenamiento térmico en los puntos de entrada y salida de cada intercambiador de calor conectado (36, 38, 40) se modifica de modo que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente (x, y, z) sea menor de 50ºC durante la transferencia de calor. The system according to any one of claim 1 to claim 3, wherein the temperature of the thermal storage medium at the inlet and outlet points of each connected heat exchanger (36, 38, 40) is modified so that the temperature difference between the working fluid and the thermal storage medium in each hot storage unit (x, y, z) is less than 50 ° C during heat transfer.
- 5. 5.
- El sistema de acuerdo con cualquiera de la reivindicación 1 a la reivindicación 4, en el que al menos una de las unidades de almacenamiento caliente contiene un tipo diferente de medio de almacenamiento térmico de modo que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente (x, y, z) sea menor de 50ºC durante la transferencia de calor. The system according to any one of claim 1 to claim 4, wherein at least one of the hot storage units contains a different type of thermal storage medium such that the temperature difference between the working fluid and the Thermal storage medium in each hot storage unit (x, y, z) is less than 50 ° C during heat transfer.
- 6.6.
- El sistema de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que la diferencia de temperatura entre el fluido de trabajo y el medio de almacenamiento térmico en cada unidad de almacenamiento caliente (x, y, z) es menor de 50ºC durante la transferencia de calor. The system according to any preceding claim, wherein the temperature difference between the working fluid and the thermal storage medium in each hot storage unit (x, y, z) is less than 50 ° C during heat transfer.
- 7.7.
- Un método para el almacenamiento de energía termoeléctrica en un sistema de almacenamiento de energía termoeléctrica, que comprende: A method for storing thermoelectric energy in a thermoelectric energy storage system, comprising:
- 8.8.
- El método de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la etapa de la modificación de los parámetros del medio de almacenamiento térmico comprende la modificación del caudal del medio de almacenamiento térmico. The method according to claim 7, wherein the step of modifying the parameters of the thermal storage medium comprises the modification of the flow rate of the thermal storage medium.
- 9.9.
- El método de acuerdo con la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en el que la etapa de la modificación de los parámetros del medio de almacenamiento térmico comprende la modificación de la temperatura inicial y la temperatura final del medio de almacenamiento térmico. The method according to claim 7 or claim 8, wherein the step of modifying the parameters of the thermal storage medium comprises the modification of the initial temperature and the final temperature of the thermal storage medium.
- 10.10.
- El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que la etapa de la modificación de los parámetros del medio de almacenamiento térmico comprende la modificación del tipo de medio de almacenamiento térmico. The method according to any one of claims 7 to 9, wherein the step of modifying the parameters of the thermal storage medium comprises the modification of the type of thermal storage medium.
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