有開放式蓄能回路的存儲季節(jié)性過剩電能的能量存儲設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于存儲熱能的能量存儲設備(1)，帶有用于工作氣體(3)的蓄能回路(2)，該蓄能回路包括壓縮機(4)、熱存儲器(5)和膨脹渦輪機(6)，其中壓縮機(4)和膨脹渦輪機(6)布置在共同的軸(14)上，且其中壓縮機(4)在出口側通過用于工作氣體(3)的第一管路(7)與膨脹渦輪機(6)的入口連接，且熱存儲器(5)接入第一管路(7)內，其中壓縮機(4)在入口側與相對于大氣(A)開放的管路(30)連接，且膨脹渦輪機(6)在出口側與相對于大氣(A)開放的管路(31)連接，使得形成相對于環(huán)境空氣開放的回路，且其中膨脹渦輪機(6)通過用于熱氣體的管路(33)與熱存儲器(5)連接，使得工作氣體(3)在膨脹渦輪機(6)內可由來自熱存儲器(5)的熱量加熱。
【專利說明】有開放式蓄能回路的存儲季節(jié)性過剩電能的能量存儲設備
[0001]能量存儲的必要性尤其是源自日益增長的來自可再生能量領域的發(fā)電廠的份額。能量存儲的目的在于，在輸電網絡中可使用具有可再生能量的發(fā)電廠，使得也可時間延遲地利用可再生產生的能量，以因此節(jié)約化石能源且因此降低CO2排放。
[0002]US2010/0257862A1描述一種已知的能量存儲設備的原理，其中使用了活塞式機器。此外，根據US5，436，508已知，通過用于存儲熱能的能量存儲設備在利用風能發(fā)電時也可中間存儲過剩容量。
[0003]此類能量存儲器在存儲器蓄能時將電能轉化為熱能且將熱能存儲。在釋能時，將熱能又轉化為電能。
[0004]由于能量存儲器得跨越的時間段，即能量存入能量存儲器內或從能量存儲器取出的時間，且由于應存儲的功率，提出了對于熱能存儲器的尺寸相應較高的要求。因此，僅由于結構尺寸即可能使得熱能存儲器的購置昂貴。如果能量存儲器為此而昂貴地構造或實際的熱存儲介質在購置或在運行中是昂貴的，則對于熱能存儲器的購置和運行成本很快帶來能量存儲的經濟性問題。
[0005]由于廉價的存儲材料的導熱能力經常是低的，所以換熱面積經常應設置得很大。
換熱管的大數(shù)量和長度在此明顯提高換熱器的成本，這自身不再能通過廉價的存儲材料補m
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[0006]目前，基于廉價材料的換熱器主要構造為使例如空氣的熱載體和例如沙或石的存儲材料的直接交換的形式，以替代大的換熱器。在技術中原理上已知的漩渦層技術目前為止未被應用于可再生的過剩能量的季節(jié)性存儲所要求的尺寸布置上。直接換熱此外導致與固體的相對復雜的交互作用，這對于大型存儲器是不經濟的。
[0007]將例如空氣的工作氣體用作熱載體介質。工作氣體在此可選擇地在封閉式或開放式蓄能回路或附加回路中導引。
[0008]開放式蓄能回路總是使用環(huán)境空氣作為工作氣體。所述環(huán)境空氣從環(huán)境中抽取且在過程結束時又釋放到環(huán)境中，使得環(huán)境將開放式回路閉合。封閉式回路也允許使用不同于環(huán)境空氣的工作氣體。此工作氣體在封閉式回路中導引。因為在調節(jié)環(huán)境壓力和環(huán)境溫度的同時取消了到環(huán)境中的卸壓，所以在封閉式回路的情況中工作氣體必須導引通過換熱器，所述換熱器允許工作氣體散熱到環(huán)境中。因為在封閉式回路中也可使用去濕的空氣或另外的工作氣體，所以可省去壓縮機和水分離器的多級構造。但在此缺點是用于膨脹渦輪機后或壓縮機前的用于將工作氣體加熱到用于壓縮機的工作溫度的附加換熱器的購置和運行的附加成本費用。在運行中，因此使得能量存儲設備的效率降低。
[0009]替代地可建議使得用于熱存儲器內的熱能存儲的蓄能回路也形成為開放式回路，且壓縮機由兩級構成，其中在這兩級之間提供用于工作氣體的水分離器。在此，考慮到如下情況，即在環(huán)境空氣中包含空氣濕度。通過工作氣體在唯一一級中的卸壓，可能出現(xiàn)的情況是空氣濕度由于工作氣體到例如-100°C的強冷卻而凝結且因此損壞膨脹渦輪機。尤其是，渦輪機葉片可能由于凍結而被不利地損壞。但工作氣體在兩步中的卸壓實現(xiàn)將凝結的水在第一級后方的水分離器內例如在5°c下分離，使得所述凝結的水在工作氣體在第二渦輪機級中進一步冷卻時已去濕，且可防止或至少降低冰的形成。但在此缺點也是購置多級壓縮機和水分離器的成本升高。在運行中，此類設備的效率也降低。
[0010]本發(fā)明所要解決的技術問題是給出一種具有提高的效率的基于廉價的存儲材料的用于存儲熱能的廉價的能量存儲器。在此，被認為尤其是避免了現(xiàn)有技術中的缺點。本發(fā)明還要解決的技術問題是給出一種方法，通過所述方法在提高的效率下可在廉價的存儲材料內存儲熱能。
[0011]本發(fā)明的針對設備的技術問題通過權利要求1的特征解決。
[0012]據此，用于存儲熱能的能量存儲設備包括用于工作氣體的蓄能回路，所述蓄能回路包括壓縮機、熱存儲器和膨脹渦輪機，其中壓縮機和膨脹渦輪機布置在共同的軸上，且其中壓縮機在出口側通過用于工作氣體的第一管路與膨脹渦輪機的入口連接，且熱存儲器接入第一管路內，且壓縮機在入口側與相對于大氣開放的管路連接，且膨脹渦輪機在出口側與相對于大氣開放的管路連接，使得形成相對于環(huán)境空氣開放的回路。根據本發(fā)明，現(xiàn)在膨脹渦輪機通過用于熱氣體的管路與熱存儲器連接，使得工作氣體在膨脹渦輪機內通過來自熱存儲器的熱量可加熱。尤其是不與第一管路相同的此管路保證將熱存儲器后的熱空氣的部分流導引至膨脹渦輪機。
[0013]本發(fā)明的核心在于將熱存儲器后的熱空氣的部分流導引至膨脹渦輪機，以便類似于在燃氣渦輪機中的情況將其導引到渦輪機葉片內，以避免在膨脹渦輪機的冷端上的凍結問題。
[0014]由于壓縮機廢熱在蓄能回路中的回收和冷的膨脹空氣向環(huán)境的釋放，獲得了明顯高于100%的熱泵效率。壓縮機廢熱的回收通過在熱量存儲器內僅利用例如>320°C的高溫熱量來實現(xiàn)。更低溫度水平的熱量用于環(huán)境空氣在壓縮機入口處的預熱，以此降低了準絕熱壓縮的電能需求且實現(xiàn)了高的熱泵效率。回收時的換熱或者直接在空氣-空氣換熱器內進行，或者通過中間回路以有效的熱載體介質(例如，熱油)進行。
[0015]在最簡單的情況中，回路如在焦耳過程中包括壓縮和卸壓。但帶有空氣的中間冷卻的壓縮機級和膨脹器級的準確數(shù)量可自由選擇，且必須根據技術經濟性觀點優(yōu)化?？諝庑钅芑芈酚糜诋a生實現(xiàn)了有效的電流反轉化的高溫熱，但替代地也可將其直接用于例如遠程供熱。在熱量存儲器或熱存儲器中，基于更高的效率潛能，優(yōu)選的是與熱壓力空氣的直接溫度交換(在蓄能時)以及存儲材料與水/蒸汽的溫度交換(在釋能時)。
[0016]膨脹渦輪機此外通過它布置在與壓縮機共同的軸上且明顯地輔助壓縮機而降低了用于壓縮的能量花費。
[0017]因為工作氣體在低溫下的冷卻要求很大的換熱面積，所以通過放棄使用更低的溫度也可使熱存儲器更廉價，因為熱存儲器尺寸可以設計得更小。
[0018]總之，通過根據本發(fā)明的措施實現(xiàn)了能量存儲器的效率的明顯升高。此外，根據本發(fā)明的能量存儲設備在購置上比其中工作氣體很大程度上完全在換熱器內冷卻的常規(guī)能量存儲設備明顯更廉價。
[0019]在本發(fā)明的有利的擴展中建議一種換熱器，所述換熱器在初級側接入熱存儲器后的用于工作氣體的第一管路內，且在次級側接入通向壓縮機的管路內，使得來自工作氣體的熱量在通向壓縮機的管路內傳遞給抽吸的環(huán)境空氣。
[0020]在本發(fā)明的另外的有利的構造中提供了第一附加加熱器，所述第一附加加熱器在膨脹渦輪機前方接入用于工作氣體的第一管路內，使得工作氣體在進入到膨脹渦輪機內之前被加熱。附加加熱可以是電加熱。通過附加加熱，升高換熱器前方的最高存儲器溫度升高，從而實現(xiàn)效率的進一步提高。作為其替代或補充，在另外的擴展中提供了第二附加加熱器，所述第二附加加熱器接入到熱存儲器前方的第一管路內，使得工作氣體在進入到熱存儲器內之前可被加熱。通過第二附加加熱，可進一步提高可調節(jié)性和可利用性。
[0021]所存儲的能量的取出可例如通過蒸汽回路進行。
[0022]熱能可以是具有可再生能量的發(fā)電廠的季節(jié)性出現(xiàn)的過剩能量。作為用于換熱過程的熱存儲器的存儲材料，特別合適的是多孔性材料，例如沙、礫石、巖石、混凝土、水或鹽溶液。
【權利要求】
1.一種用于存儲熱能的能量存儲設備(I)，該能量存儲設備帶有用于工作氣體(3)的蓄能回路(2)，所述蓄能回路包括壓縮機(4)、熱存儲器(5)和膨脹渦輪機(6)，且其中所述壓縮機(4)和所述膨脹渦輪機(6)布置在共同的軸(14)上，且其中所述壓縮機(4)在出口側通過用于工作氣體(3)的第一管路(7)與所述膨脹渦輪機(6)的入口連接，且所述熱存儲器(5)接入所述第一管路(7)內，且其中所述壓縮機(4)在入口側與相對于大氣(A)開放的管路(30)連接，且膨脹渦輪機(6)在出口側與相對于大氣(A)開放的管路(31)連接，使得形成相對于環(huán)境空氣開放的回路，其特征在于， 所述膨脹渦輪機(6)通過用于熱氣體的管路(33)與所述熱存儲器(5)連接，使得所述工作氣體(3)在所述膨脹渦輪機(6)內通過來自熱存儲器(5)的熱量加熱。
2.根據權利要求1所述的能量存儲設備(I)，其特征在于，尤其是與所述第一管路(7)不同的管路(33)保證將所述熱存儲器后的熱空氣的部分流導引至所述膨脹渦輪機。
3.根據前述權利要求中一項所述的能量存儲設備(I)，其特征在于，提供有換熱器(34)，所述換熱器(34)在初級側接入熱存儲器(5)后的第一管路(7)內，且在次級側接入所述管路(30)內，使得來自所述工作氣體(3)的熱量能在所述管路(30)內傳遞給抽吸的環(huán)境空氣。
4.根據前述權利要求中一項所述的能量存儲設備(I)，其特征在于，提供有第一附加加熱器(35)，所述第一附加加熱器(35)接入所述膨脹渦輪機(6)前方的第一管路(7)內，使得所述工作氣體(3)在進入所述膨脹渦輪機(6)之前被加熱。
5.根據前述權利要求中一項所述的能量存儲設備(I)，其特征在于，提供有第二附加加熱器(36)，所述第二附加加熱器(36)接入所述熱存儲器(5)前方的第一管路(7)內，使得所述工作氣體(3)在進入所述熱存儲器(5)之前被加熱。
6.根據前述權利要求中一項所述的能量存儲設備(I)，還包括釋能回路(9)，在所述釋能回路(9)中接入所述熱存儲器(5)且此外接入帶有水-蒸汽回路(41)的蒸汽渦輪機設備(16)，其中通過所述換熱器產生用于在所述蒸汽渦輪機設備(16)內膨脹的蒸汽。
7.根據權利要求6所述的能量存儲設備(I)，其特征在于，所述換熱器(5)接入所述蒸汽渦輪機設備(16)的水-蒸汽回路(41)內，使得所述蒸汽能在所述換熱器(5)內直接產生。
8.根據權利要求6所述的能量存儲設備(I)，其特征在于，提供有廢熱蒸汽生成器(40)，所述廢熱蒸汽生成器(40)在初級側通過用于熱空氣的回路(45)與所述熱存儲器(5)連接，且在次級側與所述蒸汽渦輪機設備(16)的水-蒸汽回路(41)連接。
9.根據前述權利要求中一項所述的能量存儲設備(I)，其特征在于，所述換熱器(5)的存儲材料是多孔性材料、沙、礫石、巖石、混凝土、水或鹽溶液。
10.根據前述權利要求中一項所述的能量存儲設備(I)，其特征在于，所述能量存儲設備(I)使用在以可再生能量運行的發(fā)電廠中，以便存儲季節(jié)性的過剩電能。
【文檔編號】F01K13/00GK103987925SQ201280061822
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年11月13日 優(yōu)先權日:2011年12月13日
【發(fā)明者】C.格萊伯, C.布魯恩休伯, G.齊默曼 申請人:西門子公司