[發明專利]具有內部熱交換器的熱電能量存儲系統和用于儲存熱電能量的方法

無效

• 申請號: 201080046977.7
• 申請日: 2010-10-11
• 公開（公告）號: CN102575529A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: M·默坎格茨;J·黑姆爾勒;L·考夫曼
• 申請（專利權）人: ABB研究有限公司
• 主分類號: F01K3/12
• 分類號: F01K3/12;F01K11/04;F24H7/02;F01K3/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李強;楊楷

技術領域

本發明大體上涉及電能的儲存。其具體而言涉及一種用于將電能以熱能形式儲存在熱能存儲器中的系統和方法。

背景技術

諸如核電站的基載發電機和諸如風力渦輪機及太陽能電池板的帶有隨機間歇式能源的發電機在低功率需求時間期間產生過剩的電功率。大型電能存儲系統是將這種過剩的能量轉用于高峰需求的時間的方法，并且平衡總電力生成和消耗。

在較早的專利申請EP1577548中，申請人已經描述了熱電能量存儲(TEES)系統的思想。TEES在充裝循環中將過剩的電力轉換成熱量，儲存該熱量，并在需要時在卸放循環中將該熱量轉換回電力。這種能量存儲系統是健壯、緊湊且與地點無關的，并且適合于儲存大量的電能。熱能可通過溫度變化以顯熱的形式或通過相變以潛熱的形式或這兩種形式的組合來儲存。用于顯熱的存儲介質可以是固體、液體或氣體。用于潛熱的存儲介質通過相變而產生，并且可能涉及這些相中的任何相或其串行式或并行式的組合。

電能存儲系統的循環(round-trip)效率可被定義為可從存儲器卸放的電能相比于用于為存儲器充裝的電能的百分比，條件是能量存儲系統的狀態在卸放之后返回其對存儲器充裝之前的初始狀態。因此，為了實現高循環效率，兩種模式的效率需要最大化-只要它們的相互的依賴性允許。

重要的是指出所有電能儲存技術固有地都具有有限的循環效率。因而，對于用于為存儲器充裝的每單位電能，在卸放時只有一定百分比(的能量)被收回為電能。剩余的電能損失了。例如，如果通過電阻加熱器提供儲存在TEES系統中的熱量，那么其具有大約40％的循環效率。TEES系統的循環效率由充裝效率和卸放效率構成。

TEES系統的循環效率出于各種根源于熱力學第二定律的原因而受到限制。第一種原因涉及系統的性能系數。當系統處于充裝模式時，其理想效率受性能系數(COP)支配。COP依賴于如下式給出的冷側溫度(T_c)和熱側溫度(T_h)：

COP=ThTh-Tc.]]>

因此，可以看出，熱泵的COP隨著輸入溫度水平和輸出溫度水平之間的差值增加而下降。其次，在熱力發動機中熱量至機械功的轉換受限于卡諾效率。當系統處于卸放模式時，效率(η)由下式給出：

η=Th-TcTh.]]>

因此，可以看出，當冷側溫度降低時效率提高。第三，從工作流體至熱存儲器的任何熱流(且反之亦然)都需要溫差以便發生。該情況不可避免地降低了溫度水平并因而降低了熱做功的能力。

注意到，許多工業工藝涉及熱能的提供和熱能的儲存。例子有制冷裝置、熱泵、空調和加工工業。在太陽能熱電站中，熱量被提供、可能被儲存并轉換成電能。然而，所有這些應用都不同于TEES系統，因為它們不涉及用于儲存電力這唯一目的的熱量。

注意到，TEES系統的充裝循環也被稱為熱泵循環，并且TEES系統的卸放循環也被稱為熱力發動機循環。在TEES思想中，需要在充裝循環期間將熱量從熱的工作流體轉移至儲熱介質，并且在卸放循環期間將熱量從儲熱介質轉換回至工作流體。熱泵需要功來使熱能從冷源移動至較熱的吸熱設備。因為存放在熱側(即TEES的儲熱介質部分)的能量的量比壓縮功大了與從冷側帶走的能量(即由工作流體在低壓下吸收的熱量)相等的量，與電阻發熱相比，熱泵存放了更多的向熱存儲器輸入的每(單位)功熱量。熱輸出與功輸入的比被稱為性能系數，并且其是大于1的值。這樣，熱泵的使用將提高TEES系統的循環效率。