技術領域

一般來說，本發明涉及電能的存儲。具體來說，它涉及用于采取熱能存儲裝置中的熱能形式來存儲電能的系統和方法。

背景技術

諸如核電站之類的基底負載發電機以及諸如風力渦輪機和太陽能電池板之類的具有隨機間斷能源的發電機在低電力需求時間期間生成多余電力。大規模電能存儲系統是將這種多余能量轉向峰值需求時間的方式，并且平衡總電力生成和消耗。

在先前專利申請EP1577548中，申請人已經描述熱電能量存儲(TEES)系統的思路。TEES在充電循環中將多余電力轉換成熱量，存儲該熱量，并且在需要時，在放電循環中將熱量重新轉換成電力。這種能量存儲系統是健壯、緊湊、地點無關的，并且適合于大量地存儲電能。能夠采取經由溫度的變化的顯熱形式或者采取經由相位變化的潛熱形式或者它們兩者的組合來存儲熱能。顯熱的存儲介質能夠是固態、液態或氣態的。用于潛熱的存儲介質經由相位變化而發生，并且能夠涉及這些相位的任一個或者涉及它們的串聯的組合或并聯的組合。

電能存儲系統的往返效率能夠定義為能夠從存儲裝置放電的電能與用于對該存儲裝置充電的電能相比的百分比，條件是能量存儲系統的狀態在放電之后返回到對存儲裝置充電之前的其初始狀態。往返效率在使熱力學可逆性因子為最大時得到增加。但是，重要的是要指出，所有電能存儲技術固有地具有受限的往返效率。因此，對于用于對存儲裝置充電的電能的每一個單元，在放電時，只有某個百分比被恢復為電能。電能的其余部分丟失。例如，如果存儲在TEES系統中的熱量通過電阻加熱器來提供，則它具有大約40%的往返效率。由于來源于熱力學第二定律的各種原因而限制了熱電能量存儲的效率。首先，熱機中將熱量轉換成機械功受限于卡諾效率。其次，任何熱泵的性能系數隨輸入溫度水平與輸出溫度水平之間差的增加而下降。第三，從工作流體到熱存儲裝置或者從熱存儲裝置到工作流體的任何熱流為了發生都需要溫度差。這個事實不可避免地使溫度水平降級，并且因而使熱量作功的能力降級。

還要注意，TEES系統的充電循環又稱作熱泵循環，而TEES系統的放電循環又稱作熱機循環。在TEES概念中，熱量需要在熱泵循環期間從熱工作流體傳遞到熱存儲介質，并且在熱機循環期間又從熱存儲介質傳遞回工作流體。熱泵需要功來使熱能從冷源移動到較熱的散熱器。由于在熱端所貯存的能量的量大于與取自冷端的能量相等的量所要求的功，所以與電阻熱生成相比，熱泵將“增大”熱量。熱輸出與消耗功的比率稱作性能系數，并且它是大于一的值。這樣，熱泵的使用將增加TEES系統的往返效率。

在先前專利申請EP08162614中，申請人已經描述利用跨臨界熱力循環來改進TEES系統的思路。圖1示出跨臨界TEES系統的充電循環和放電循環期間與熱存儲介質相接觸的熱交換器中的溫度曲線。橫坐標表示系統中所提供的熱量，縱坐標表示溫度，以及圖表上的線條是等壓線。實線指示跨臨界TEES充電循環中的工作流體的溫度曲線。虛線指示跨臨界TEES放電循環中的工作流體的溫度曲線。直對角短劃線指示跨臨界TEES循環中的熱存儲介質的溫度曲線。熱量只能從較高溫度流動到較低溫度。因此，充電循環中的冷卻期間的工作流體的特性曲線必須高于熱存儲介質的特性曲線，其又必須高于放電循環中的加熱期間的工作流體的特性曲線。溫度曲線因熱存儲介質中的顯熱存儲而在時間上是固定的。因此，雖然熱交換器中的熱存儲介質的容積保持恒定，但是熱流體和冷流體存儲池中存儲的熱和冷的熱存儲介質的容積發生變化。另外，熱交換器中的溫度分布保持恒定。

跨臨界循環被定義為熱力循環，其中工作流體經過次臨界狀態和超臨界狀態二者。在超過臨界點情況下的氣相與汽相之間不存在區別，并且因此在跨臨界循環中不存在蒸發或沸騰(按照常規含義)。

已經證實，對于大溫度差的熱量的傳遞是熱力學不可逆性因子。圖1中，不僅示出放電時的熱存儲介質與工作流體之間的最大溫度差ΔTmax，而且示出充電時的熱存儲介質與工作流體之間的最小溫度差Δtmin。為了使最大溫度差ΔTmax為最小，能夠構成較大的熱交換器，或者相變材料能夠用于熱存儲。問題在于，這些解決方案引起高資本費用，并且因而一般是不實用的。

此外，即使使用較大的熱交換器，工作流體的熱力性質起作用而限制溫度差的最小化。這通過圖1中的工作流體溫度曲線(等壓線)中的曲率示出。該曲率引起“內窄點”，并且增加平均溫度差，而與熱交換器的大小無關。“窄點分析”是用于在處理系統中通過確定在熱力學上可行的熱交換網絡來使能量消耗為最小的已知方法。