用于存儲熱能的設備及其運行方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于借助蓄熱器(14)和蓄冷器(16)存儲熱能的設備。此外，本發明還涉及一種用于給此蓄熱器蓄能和釋能的方法。借助該設備例如可以利用風力發電廠(22)的過剩電能，以便借助電機(M)將來自壓縮機(13)和渦輪機(15)的機械功轉化為熱能，該熱能在蓄熱器(14)和蓄冷器(16)中提供以便然后借助發電機(G)獲得電能。按本發明規定，在給蓄熱器(14)存儲熱能并且給蓄冷器(16)存儲冷能時，釋放用于熱量(12)的中間存儲器中的熱量，該中間存儲器將用于壓縮機(13)的工作氣體預熱到例如80℃。由此可以在蓄熱器(14)中可以達到500℃的溫度，通過工作氣體的壓縮還可以達到僅15巴。用于將工作氣體壓縮到15巴的壓縮機在此有利地是一種良好的技術折中方案。若蓄熱器(14)和蓄冷器(16)通過渦輪機(18)和壓縮機(19)釋能以獲得電能，則中間存儲器(12)又可以蓄能，因此其中已存儲的熱量又可以供用于蓄熱器(14)和蓄冷器(16)之后的蓄能過程使用。
【專利說明】用于存儲熱能的設備及其運行方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于存儲熱能的設備，該設備具有用于工作氣體的回路。在此，在該回路中下列單元以給定的順序通過用于工作氣體的管道相互連接:第一熱流體能機器、蓄熱器、第二熱流體能機器和蓄冷器。
[0002]在工作氣體的流通方向上從蓄熱器到蓄冷器看，第一熱流體能機器作為做功機器連接，第二熱流體能機器作為原動機連接。
[0003]此外，本發明涉及兩種用于運行該設備的方法。在用于存儲熱能的方法中，在蓄熱器到蓄冷器的方向上通過回路，這相應于上面給定順序的結構單元。按另一種本發明同樣涉及的方法，已存儲的來自設備的熱能也可以轉換為例如機械能。在此，以相反的順序通過這些單元，換句話說，工作氣體的流通方向反向。然后，它首先經過蓄冷器，之后經過蓄熱器，其中，在這種情況下，第一熱流體能機器作為原動機工作，第二熱流體能機器作為做功機器工作。
【背景技術】
[0004]在本申請的框架內使用概念原動機和做功機器，使得做功機器吸收機械功，以滿足其目的。因此，用作做功機器的熱流體能機器使用作為壓縮機或壓氣機。與之相對，原動機做功，其中，用于做功的熱流體能機器轉換工作氣體中存在的熱能。在該情況下，熱流體能機器因此作為電機工作。
[0005]概念“熱流體能機器”形成機器的上位概念，該機器可以從工作流體中，在本申請的情況下是從工作氣體中提取熱能或輸入熱能。熱能理解為熱能和冷能。熱流體能機器例如可以設計成活塞式發動機。優選也可以使用流體動力的熱流體能機器，其葉輪允許工作氣體連續的流動。優選可以使用軸向作用的渦輪機或壓縮機。
[0006]開頭給定的原理例如按US2010/0257862A1描述。在此使用活塞式發動機，以便執行上述的方法。此外，按US5，436，508已知，借助開頭給定的用于存儲熱能的設備也可以中間存儲在利用發電的風能時過剩的生產能力，以便在需要的情況下又可以調用它。

【發明內容】

[0007]本發明所要解決的技術問題在于，提供一種開頭給定的類型的用于存儲熱能的設備或用于轉換熱能的方法(通過之后的存儲例如將機械能轉換為熱能或將已存儲的熱能轉換為機械能)，通過該設備或方法可以在所使用的結構單元的合理開銷的同時實現較高的效率。
[0008]該技術問題通過開頭給定的設備按本發明解決，在第一流體能機器之前，在回路中附加地設置低溫蓄熱器。該蓄熱器稱作低溫蓄熱器，因為通過熱量的存儲達到的溫度水平受原理所限地處于蓄熱器的溫度水平之下。因此，蓄熱器相比低溫蓄熱器在本發明的意義上也可以稱作高溫蓄熱器。此外，熱量參照設備的環境溫度定義。所有在環境溫度以上的是熱，而所有在環境溫度以下的是冷。因此也清楚的是，蓄冷器的溫度水平在環境溫度以下。
[0009]使用低溫蓄熱器有下列優點。若使用存儲熱能的設備，則在通過在該情況下作為做功機器(壓縮機)工作的第一流體能機器之前流過低溫蓄熱器。由此，將工作氣體已經加熱超過環境溫度。這樣的優點是，做功機器要達到工作氣體所需的溫度所必需接收的功率較低。具體地，若蓄熱器加熱超過50(TC，這有利地在預熱工作氣體之后也可以通過技術上可用的熱力學壓縮機實現，該壓縮機允許工作氣體壓縮到15巴。因此，可以有利地與用于該設備的結構單元的構件有關，這些構件可以在無需昂貴的修改的情況下從市場上獲得。
[0010]工作氣體可以根據選擇在閉合的回路或開路中導引。開路不斷地使用環境空氣作為工作氣體。該環境空氣從周圍環境中吸進并且在該過程的末尾也又排放到周圍環境中，以便該周圍環境封閉該開路。閉合的回路也允許其他工作氣體用作環境空氣。該工作氣體在閉合的回路中導引。因為在調節環境壓力和環境溫度的同時省掉在周圍環境中的減壓，所以工作氣體必須在閉合回路的情況下導引通過熱交換器，該熱交換器允許工作氣體的熱量釋放到周圍空氣中或從周圍空氣中吸收。
[0011]按本發明一種有利的結構方案規定，回路設計成開路，第二熱流體能機器由兩級構成，其中，在這兩級之間設有用于工作氣體的水分離器。在此要考慮到，在環境空氣中包含空氣濕度。通過工作氣體在唯一級中的減壓會導致，空氣濕度由于工作氣體劇烈冷卻到例如-114°C而結冰，并在此損壞熱流體能機器。尤其是渦輪機葉片可以通過結冰而造成永久性損壞。但工作氣體的減壓在兩個步驟中實現，冷凝水在第一級后方的水分離器中例如在5°C時析出，以便它在工作氣體進一步冷卻時已在第二渦輪級中除濕并且可以防止或至少減少結冰。以此，有利地降低損壞第二流體能機器的風險。
[0012]若使用閉合的回路并且，如已描述，在回路中裝入熱交換器，則可以省去水分離器的使用以及兩級的第二熱流體能機器的使用。作為工作氣體也可以在該情況下使用例如除濕的環境空氣，通過回路的完整性排除對環境空氣的加濕。但也可以使用另外的工作氣體。
[0013]按本發明的設備的特別的結構方案規定，在回路中與第一熱流體能機器并聯有第三熱流體能機器和/或與第二熱流體能機器并聯有第四熱流體能機器。在此，分別在第一和第三熱流體能機器之間和/或在第二和第四熱流體能機器之間設置閥機構。通過連接閥機構，可以僅有利地根據工作氣體的流通方向分別選擇一個流體能機器或另一個流體能機器。這樣的優點是，分別使用的流體能機器可以在待接通的工作狀態上得以優化。因為在使用僅兩個流體能機器時，兩者必須根據流通方向既用作做功機器又用作原動機，可以在不必設置附加的流體能機器的條件下選擇僅一種結構上的折中方案。但因為力圖既在熱蓄能工作中，也在熱釋能工作中盡可能高的效率，所以允許流體能機器的并聯，實施在最佳效率時用于存儲熱能的方法和轉換熱能的方法。
[0014]該技術問題的解決方案還通過開頭所述的用于存儲熱能的方法這樣地實現，工作氣體在第一流體能機器的前方流過低溫蓄熱器。亦即，工作氣體通過低溫蓄熱器加熱并且饋送到第一流體能機器中。由此，實現已闡述的優點。工作氣體可以有利地在低溫蓄熱器中加熱到60°C和100°C之間的溫度，特別有利地加熱到80°C的溫度。然后，如已提到那樣，按本發明的另一種結構方案可以將工作氣體壓縮到最高15巴，由此，可以實現工作氣體直至550°C的溫度。
[0015]同樣，該技術問題通過開頭所述的用于轉換熱能的方法解決，(在工作氣體的流動方向反向時)工作氣體在第一流體能機器的后方流過低溫蓄熱器。在此，就所使用的設備而言，當然是使用在上述用于存儲熱能的方法中的相同的低溫蓄熱器。這樣的優點即是，在轉換低溫蓄熱器的熱能的過程之后又蓄能，而蓄熱器和蓄冷器釋能。若該過程在用于存儲熱能的方法中又反轉，則現在存在低溫蓄熱器中中間存儲的能量用于預熱工作氣體。只需在設備啟動時，在首次實施用于存儲熱能的方法情況下以另外的方式提供熱量，因為它之前還未能通過轉換熱能的方法提供。若不提供該還在低溫蓄熱器中已存儲的能量，則用于存儲熱能的方法即使未以期望的效率工作但還能正常工作。但在該過程的多次轉向時即使無外部能量協助也能達到該設備要求的額定狀態。
[0016]有利地，工作氣體在低溫蓄熱器中可以加熱到100°C和160°C之間的溫度。特別有利地加熱到130°C。此外，在此有利的是，工作氣體通過第二熱流體能機器壓縮到最高10巴。在此也可以是在成本和收益之間權衡的一種合理的技術折中方案。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]下列根據附圖描述本發明的其他詳情。相同或相應的附圖元件在此分別配有相同的附圖標記并因此僅多次闡述各附圖之間的區別。附圖中:
[0018]圖1以線路圖示出按本發明的設備的實施例和
[0019]圖2和圖3根據另外的線路圖示出按本發明的方法的實施例。
【具體實施方式】
[0020]按圖1的用于存儲熱能的設備具有管道11，多個單元通過該管道11相互連接成，使得工作氣體可以流過這些單元。工作氣體流過低溫蓄熱器12，然后流過第一熱流體能機器13，該第一熱流體能機器設計成流體力學的壓縮機。此外，然后管道導引至蓄熱器14。該蓄熱器14與第二熱流體能機器15連接，該第二熱流體能機器15設計成流體動力的渦輪機。管道11從渦輪機導引至蓄冷器16。蓄冷器16通過管道11與低溫蓄熱器12連接，其中，在該管道段中還設置熱交換器17，通過該熱交換器17，工作氣體可以將熱量散發到周圍環境中或可以從環境中吸收熱量(根據工作方式)。
[0021]因此，在圖1中設置用于工作氣體的閉合回路。然而，以相同的方式可設想，以未示出的方式，省掉蓄冷器16和低溫蓄熱器12之間的管道段連同熱交換器17。在該情況下，回路通過周圍環境閉合，其中，在該情況下由環境空氣構成的工作氣體在低溫蓄熱器12處吸入，并且在蓄冷器16之后又排出到周圍環境中。
[0022]此外，在圖1中設置流體動力的渦輪機形式的第三熱流體能機器18和流體動力的壓縮機形式的第四熱流體能機器19。此外，應當指出，第一流體動力的流體能機器13在管道11中與第三流體動力的流體能機器18并聯，第二流體能機器15在管道11中與第四流體能機器19并聯。閥機構20通過打開和關閉保證，分別流過僅第一和第二流體能機器或者第三和第四流體能機器。第一和第二流體能機器13和15通過第一軸21機械地相互聯接并且通過電機M驅動，該電機由風力發電廠22饋電，只要在電網中未需求已產生的電能。在該工作狀態中，給蓄熱器14和蓄冷器16蓄能，如之后還更詳細地闡述。若對電能的需求相比當前產生的電能的量更大，則通過風力發電廠22產生的電流直接地饋送到電網中。附加地該設備在另外的工作狀態下有助于發電，方式是給蓄熱器14和蓄冷器16釋能并且以第二軸23通過流體能機器18和19驅動發動機G。第二軸23為此機械地與第三流體能機器18和第四流體能機器19聯接。
[0023]在按圖1的設備中低溫蓄熱器12，蓄熱器14和蓄冷器16的結構分別相同并且通過局部剖面放大圖結合蓄冷器16進一步闡述。設置容器，其壁24配有絕緣材料25，該絕緣材料具有較大的孔26。在容器的內部中設有混凝土 27，該混凝土用作蓄熱器或蓄冷器。在混凝土 27的內部平行延伸地鋪設管子28，工作氣體流動通過該管子并且在該處釋放熱量或吸收熱量(根據工作方式和存儲類型)。
[0024]根據按圖2和圖3的設備，熱蓄能和釋能過程應當進一步闡述。在圖2中首先示出蓄能過程，該蓄能過程按照熱力泵的原理作用。與圖1不同，在圖2和圖3中示出一條開路，但該開路，如用點劃線示意，可以通過最佳地設置熱交換器17而封閉。在圖2和圖3的實施例中由空氣組成的工作氣體在管道中的狀態分別用圓圈表示出。左上方是以巴表示的壓力。右上方是以kj/kg表示的焓。左下方是以。C表示的溫度，右下方是以kg/s表示的質量流。氣體的流動方向通過管道11中的箭頭表明。
[0025]在模型計算中，一巴和20°C的工作氣體進入(之前蓄能的)低溫蓄熱器并且以80°C的溫度離開。通過借助以壓縮機工作的第一流體能機器13壓縮，導致壓力升高到15巴，并因此還導致溫度升高到547°C。該這種計算基于下列公式
[0026]T2=T1+ (T2s-Tl) / η c ; T 2s= T IΠ (k-1/k)，其中，
[0027]T 2是壓縮機出口處的溫度，
[0028]TI是壓縮機入口處的溫度，
[0029]n c是壓縮機的等熵效率，
[0030]Π是壓力比(在此15:1)以及
[0031]K是壓縮率，空氣為1.4。
[0032]對于壓縮機來說，等熵效率η c可以假設為0.85。
[0033]已加熱的工作氣體現在流過蓄熱器14，其中，存儲了可用熱能的主要部分。在存儲時，工作氣體冷卻到20°C，而壓力(除了流動引起的壓力損失)保持在15巴。然后，工作氣體在第二流體能機器的兩個串聯的級15a，15b中減壓，以便它到達一巴的壓力水平上。在此，工作氣體在第一級之后冷卻到5°C，在第二級之后冷卻到_114°C。該計算的基礎同樣是上面給出的公式。
[0034]在管道11連接高壓渦輪機和低壓渦輪機形式的第二流體能機器15a，15b的兩級的部分內附加地設有水分離器29。該水分離器在第一次減壓之后能夠實現空氣的干燥，因此其中包含的空氣濕度在第二流體能機器15的第二級15b中未導致渦輪葉片的結冰。
[0035]在進一步過程中，減壓的并因此冷卻的工作氣體從蓄冷器16中提取熱量并由此加熱到0°c。以這種方式，冷能存儲在之后獲取能量時可以利用的蓄冷器16中。若比較工作氣體在蓄冷器16的出口處的溫度和在低溫蓄熱器12的入口處的溫度，則明顯的是，為什么必須為閉合回路的情況提供熱交換器17。在此，又可以將工作氣體加熱到20°C的環境溫度，由此從周圍環境中抽走給該過程提供的熱量。在工作氣體直接從環境中吸入時當然可以省掉這種措施，因為它已經具有環境溫度。
[0036]借助圖3，可以理解蓄熱器14和蓄冷器16的釋能循環，其中，在發電機G上產生電能。與圖1不同，在圖3中既在蓄能也在釋能循環中使用第一流體能機器13和第二(兩級的)流體能機器15。這不損壞設備的功能原理，但通過更低的效率換取。因此，在使用附加的第三和第四流體能機器時權衡更高的投資成本相對效率收益，該效率的收益通過在使用四個流體能機器時可以分別優化相應的工作狀態來實現。此外，又以點劃線示出閉合回路的備選方案。水分離器29在按圖3的圖示中未示出，因為它還未使用到。
[0037]工作氣體導引通過蓄冷器16。在此，它從20°C冷卻到_92°C。該措施用于減小功率消耗，以便以壓縮機工作的第二流體能機器運行。該功率消耗減少一個與以開爾文表示的溫度差相應的因子，也就是說293K/181K=1.62。在該實施例中，壓縮機將工作氣體壓縮到10巴。在此，溫度升高到100°C。在技術上也可行的是不超過15巴的壓縮。已壓縮的工作氣體流過蓄熱器14并由此加熱到500°C，其中，壓力略微減小到9.8巴。然后，工作氣體通過第一流體能機器減壓，該第一流體能機器因此在該工作狀態中以渦輪機工作。它減壓到I巴，其中，在工作氣體中，在第一流體能機器的出口上總還存在183°C的溫度。
[0038]然后，為了同樣可以利用這些余熱，工作氣體導引通過低溫蓄熱器并且由此冷卻到130°C。該熱量必須被存儲，以便在蓄熱器14和蓄冷器16的下列蓄能過程中用于將工作氣體預熱到80°C (如上面所描述)。因此，低溫蓄熱器以中間存儲器工作，然后恰好在兩個另外的存儲器，亦即，蓄熱器14和蓄冷器16釋能時才不斷地蓄能，反之亦然。
【權利要求】
1.一種用于存儲熱能的設備，該設備具有用于工作氣體的回路，其中，在所述回路中，下列單元以給定的順序通過用于工作氣體的管道(11)相互連接: ?第一熱流體能機器(13)， ?蓄熱器(14)， ?第二熱流體能機器(15)，和 ?蓄冷器(16)， 其中，在工作氣體的流通方向上從蓄熱器(14)到蓄冷器(15)看，所述第一熱流體能機器(13)作為做功機器連接，第二熱流體能機器(15)作為原動機連接， 其特征在于， 在所述回路中所述第一流體能機器(13)的前方設有低溫蓄熱器(12)，其中， ?所述回路設計成閉合的回路，在所述回路中所述蓄冷器(16)和所述低溫蓄熱器(12)之間設置熱交換器(17)或 ?所述蓄冷器(16)和所述低溫蓄熱器之間的回路是開放的。
2.按權利要求1所述的設備， 其特征在于， 所述回路設計成開路，所述第二熱流體能機器(15)由兩個級(15a，15b)構成，其中，在所述級(15a，15b)之間設有用于工作氣體的水分離器(29)。
3.按權利要求1或2所述的設備， 其特征在于， 在所述回路中，與所述第一熱流體能機器(13)并聯有第三熱流體能機器(18)和/或與所述第二熱流體能機器(15)并聯有第四熱流體能機器(19)，其中，各閥機構(20)設置在所述第一和第三熱流體能機器之間和/或在所述第二和第四熱流體能機器之間。
4.一種用于存儲熱能的方法，其中，工作氣體流過回路，其中，在所述回路中以給定的順序流過下列單元: ?第一熱流體能機器(13)， ?蓄熱器(14)， ?第二熱流體能機器(15)和蓄冷器(16)， 其中，所述第一熱流體能機器(13)作為做功機器工作，所述第二熱流體能機器(15)作為原動機工作， 其特征在于， 在所述第一流體能機器(13)之前工作氣體流過低溫蓄熱器(12)。
5.按權利要求4所述的方法， 其特征在于， 在所述低溫蓄熱器中將所述工作氣體加熱到60°C至100°C之間的溫度，尤其是加熱到80。。。
6.按權利要求4或5所述的方法， 其特征在于， 所述工作氣體通過第一熱流體能機器壓縮到最高20巴，優選最高15巴。
7.一種用于轉換熱能的方法，其中，工作 氣體流過回路，其中，在所述回路中以給定的順序流過下列單元: ?蓄冷器(16)， ?第二熱流體能機器(15)和 ?蓄熱器(14)， ?第一熱流體能機器(13)，其中，所述第一熱流體能機器(13)作為原動機工作，所述第二熱流體能機器(15)作為做功機器工作， 其特征在于， 在所述第一流體能機器(13)的后方，工作氣體流過低溫蓄熱器(12)。
8.按權利要求7所述的方法， 其特征在于， 在所述低溫存儲器中，所述工作氣體冷卻到100°C至160°C之間的溫度，尤其是冷卻到130。。。
9.按權利要求7或8所述的方法， 其特征在于， 所述工作氣體通過所·述第二熱流體能機器壓縮到最高15巴，優選最高10巴。
【文檔編號】F25B27/00GK103827448SQ201280046812
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年9月26日 優先權日:2011年9月29日
【發明者】D.雷茲尼克, H.斯蒂斯達爾 申請人:西門子公司