СИСТЕМА АККУМУЛИРОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ АККУМУЛИРОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
SYSTEM TO ACCUMULATE THERMOELECTRIC ENERGY AND METHOD TO ACCUMULATE THERMOELECTRIC ENERGY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в общем к аккумулированию электрической энергии. В частности, оно относится к системе и способу для аккумулирования электрической энергии в форме тепловой энергии в устройстве аккумулирования тепловой энергии.
Уровень техники
Генераторы базовой нагрузки, такие как ядерные электростанции и генераторы со случайными прерывающимися источниками энергии, такими как ветровые турбины и солнечные панели, генерируют избыточную электрическую энергию в течение интервалов времени низкого потребления электроэнергии. Крупномасштабные системы аккумулирования электрической энергии являются средствами для отвода этой избыточной энергии в течение времени пикового потребления электроэнергии и поддержания баланса общей выработки и потребления электроэнергии.
В заявке на патент ЕР 1577548 заявитель описал идею системы аккумулирования термоэлектрической энергии (системы АТЭЭ). Эта система преобразует избыточную электроэнергию в тепло, сохраняет это тепло и преобразует тепло обратно в электроэнергию, когда это необходимо. Такая система аккумулирования энергии является надежной, компактной, независимой от места расположения и подходит для аккумулирования электрической энергии в больших количествах. Тепловая энергия может накапливаться в форме физической теплоты при изменении температуры, или в форме скрытой теплоты при изменении фазового состояния, или как их комбинация. Среда для аккумулирования физической теплоты может быть твердой, жидкой средой или газообразной. Использование среды для аккумулирования скрытой теплоты происходит при изменении фазового состояния и может включать в себя любое из этих фазовых состояний или их комбинацию, последовательную или параллельную.
Технологии аккумулирования электрической энергии по своей природе имеют ограниченную эффективность при преобразовании энергии в одну сторону и обратно. Таким образом, на каждую единицу электрической энергии, используемой для зарядки накопителя энергии, только определенный процент возвращается в виде электрической энергии при разрядке. Остальная часть электрической энергии теряется. Если, например, тепло, сохраняемое в системе АТЭЭ, обеспечивается с помощью нагревателей в виде резисторов, то такой тип системы имеет кпд приблизительно 40% при преобразовании энергии в одну сторону и обратно. Эффективность аккумулирования термоэлектрической энергии ограничивается по различным причинам, в основе которых лежит второй закон термодинамики. Во-первых, преобразование тепла в механическую работу ограничивается кпд цикла Карно. Во-вторых, кпд любого теплового насоса уменьшается с увеличением разности температуры между входным уровнем и выходным уровнем. В-третьих, для существования теплового потока от рабочей текучей среды к тепловому аккумулирующему устройству и обратно требуется разность температур. Это неизбежно снижает уровень температуры и, таким образом, способность тепла к совершению работы.
Следует отметить, что многие промышленные процессы включают в себя предоставление тепловой энергии и ее накопление. Примерами таких процессов являются холодильные установки, тепловые насосы, кондиционирование воздуха и обрабатывающая промышленность. В солнечных тепловых энергетических установках теплота генерируется, возможно, накапливается и преобразуется в электрическую энергию. Однако все эти применения отличаются от систем АТЭЭ, поскольку они не связаны с теплотой, предназначенной исключительно для аккумулирования электрической энергии.
В технике существующего уровня известно, что теплота может поступать в теплоаккумулирующее устройство через тепловой насос. Например, машина Стирлинга (для справки, см. патент США 3080706, колонка 2, строки 22-30). Кроме того, публикация международной заявки WO 2007/134466 раскрывает систему АТЭЭ, имеющую встроенный тепловой насос.
Тепловой насос должен совершать работу для перемещения тепловой энергии из холодного источника к более теплому поглотителю тепла. Поскольку количество энергии, находящейся на горячей стороне, больше, чем требуемая работа на величину, равную энергии, взятой с холодной стороны, то тепловой насос будет «умножать» теплоту по сравнению с резистивным выделением теплоты. Отношение теплового выхода к совершенной работе называется коэффициентом полезного действия, при этом его значение больше, чем единица. Таким образом, использование теплового насоса будет увеличивать эффективность при преобразовании энергии в одну сторону и обратно термоэлектрической системы аккумулирования энергии. Эффективностью преобразования энергии в одну сторону и обратно является количество электроэнергии, поступающей из аккумулирующего устройства, разделенной на количество электроэнергии, поступающей в аккумулирующее устройство.
Патент США 4089744 раскрывает способ аккумулирования тепловой энергии с помощью реверсивного теплового накачивания. Излишек выработки электроэнергии сохраняется в форме физической теплоты за счет его использования для повышения температуры текущей среды, аккумулирующей теплоту. В этой схеме источник тепла низкого уровня сохраняется с помощью горячей воды, которая также служит в качестве рабочей текучей среды в тепловом насосе и турбинных циклах. Термодинамический анализ такого типа, как анализ, показанный на фиг.6, показывает, что эффективность схем, эквивалентных схеме в патенте US 4089744, ограничивается значением около 50%.
Таким образом, существует необходимость обеспечить эффективное аккумулирование термоэлектрической энергии, имеющей эффективность при преобразовании энергии в одну сторону и обратно предпочтительно больше чем 55%.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является обеспечение системы аккумулирования термоэлектрической энергии для преобразования электрической энергии в тепловую энергию, которая должна сохраняться и преобразовываться обратно в электрическую энергию с повышенным кпд замкнутого цикла. Выполнение этой задачи достигается с помощью системы аккумулирования термоэлектрической энергии по п.1 формулы изобретения и способа по п.7. Предпочтительные варианты осуществления изобретения очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно первому аспекту изобретения обеспечивается система аккумулирования термоэлектрической энергии, содержащая блок горячего хранения, соединенный с теплообменником и содержащий термоаккумулирующую среду, контур рабочей текучей среды для циркуляции рабочей текучей среды через теплообменник для теплообмена с термоаккумулирующей средой, причем разность температур между рабочей текучей средой и термоаккумулирующей средой в блоке горячего хранения минимизирована во время теплообмена.
Когда система аккумулирования термоэлектрической энергии находится в цикле зарядки (или «теплового насоса»), термодинамическая машина включает в себя турбину, а когда система аккумулирования термоэлектрической энергии находится в цикле разрядки (или «турбинном цикле»), термодинамическая машина включает в себя компрессор.
Предпочтительно блок горячего хранения содержит по меньшей мере два блока горячего хранения, причем каждый блок горячего хранения соединен с теплообменником и содержит термоаккумулирующую среду.
В предпочтительном варианте теплообменник или теплообменники являются общими для циклов зарядки и разрядки. Однако также могут быть отдельные теплообменники для циклов зарядки и разрядки. Два или более теплообменников, используемых в последовательной схеме, предпочтительно соединены гидравлически.
Кроме того, термоаккумулирующая среда может быть жидкостью, а расход термоаккумулирующей среды может корректироваться таким образом, чтобы разность температур между рабочей текучей средой и термоаккумулирующей средой в каждом блоке горячего хранения была минимизирована во время теплопередачи.
Термоаккумулирующая среда может быть твердым материалом или жидкостью. Отдельный вариант осуществления изобретения, проиллюстрированный на фиг.3 и 4, вариант, в котором термоаккумулирующая среда является жидкостью.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения для обоих циклов зарядки и разрядки используется один вид рабочей текучей среды в одном контуре рабочей текучей среды. Однако также возможно использование отдельных контуров рабочей текучей среды для циклов зарядки и разрядки. Кроме того, каждый отдельный контур рабочей текучей среды может содержать другой вид рабочей текучей среды.
Предпочтительно температура термоаккумулирующей среды в точках входа и выхода каждого присоединенного теплообменника установлена таким образом, чтобы разность температур между рабочей текучей средой и термоаккумулирующей средой в каждом блоке горячего хранения была минимизирована во время теплопередачи.
Кроме того, по меньшей мере один из блоков горячего хранения может содержать другой вид термоаккумулирующей среды, так чтобы разность температур между рабочей текучей средой и термоаккумулирующей средой в каждом блоке горячего хранения была минимизирована во время теплопередачи.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения блок или блоки горячего хранения содержат термоаккумулирующую среду для сохранения физического тепла и аккумулирующую среду с фазовым переходом для аккумулирования скрытого тепла, которые расположены так, чтобы разность температур между рабочей текучей средой и термоаккумулирующей средой в каждом блоке теплообменника была минимизирована во время теплопередачи.
Предпочтительно разность температур между рабочей текучей средой и термоаккумулирующей средой в каждом блоке горячего хранения меньше 50° во время теплопередачи.
Во втором аспекте настоящего изобретения обеспечивается способ аккумулирования термоэлектрической энергии в системе для аккумулирования термоэлектрической энергии, включающий зарядку блока горячего хранения путем передачи тепла через теплообменник в термоаккумулирующей среде посредством сжатия рабочей текучей среды, разрядку блока горячего хранения посредством расширения с помощью термодинамической машины рабочей текучей среды, нагретой через теплообменник от термоаккумулирующей среды, и корректирование параметров термоаккумулирующей среды так, чтобы обеспечить минимальную разность температур между рабочей текучей средой и термоаккумулирующей средой во время зарядки и разрядки.
Предпочтительно на этапе корректирования параметров термоаккумулирующей среды корректируют расход термоаккумулирующей среды.
Кроме того, на этапе корректирования параметров термоаккумулирующей среды корректируют начальную температуру и конечную температуру термоаккумулирующей среды.
Предпочтительно на этапе корректирования параметров термоаккумулирующей среды корректируют вид термоаккумулирующей среды.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет объясняться более подробно в последующей части описания со ссылкой на предпочтительные показательные варианты осуществления изобретения, которые проиллюстрированы на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг.1 - упрощенная схема электрических соединений системы для аккумулирования термоэлектрической энергии;
фиг.2 - диаграмма энтальпия-давление цикла теплового насоса и турбинного цикла в типичной системе АТЭЭ;
фиг.3 - схематическая иллюстрация, показывающая цикл теплового насоса в качестве части системы АТЭЭ настоящего изобретения;
фиг.4 - схематическая иллюстрация, показывающая турбинный цикл в качестве части системы АТЭЭ настоящего изобретения;
фиг.5a-5f - упрощенные диаграммы энтальпия-температура для рабочих текучих сред и термоаккумулирующей среды в теплообменниках во время циклов зарядки и разрядки;
фиг.6 - диаграмма энтальпия-температура при передаче теплоты из циклов в системе АТЭЭ настоящего изобретения;
фиг.7 - диаграмма энтальпия-температура при передаче теплоты из циклов по оптимизированной схеме в системе АТЭЭ настоящего изобретения.
Для сохранения последовательности одинаковые цифровые позиции используются для обозначения одинаковых элементов, показанных на всех прилагаемых фигурах.
Варианты осуществления изобретения
Фиг.1 схематично изображает систему 10 АТЭЭ в соответствии с настоящим изобретением, которая содержит блок 12 горячего хранения и блок 14 холодного хранения, которые соединяются между собой с помощью системы 16 цикла теплового насоса и системы 18 турбинного цикла. Блок 12 горячего хранения содержит термоаккумулирующую среду, блок 14 холодного хранения является поглотителем тепла, при этом как цикл теплового насоса, так и турбинный цикл содержат рабочую текучую среду.
Система 16 цикла теплового насоса содержит, в направлении потока рабочей текучей среды: испаритель 20, компрессорную линию 22, теплообменник 24 и расширительный клапан 26. Система 18 турбинного цикла содержит, в направлении потока рабочей текучей среды: подающий насос 28, теплообменник 30, турбину 32 и конденсатор 34. Теплообменники 24 и 30 как в системе цикла теплового насоса, так и в системе турбинного цикла расположены таким образом, чтобы обмениваться теплом с блоком 12 горячего хранения. Испаритель 20 и конденсатор 34 соответственно в системе 16 цикла теплового насоса и системе 18 турбинного цикла располагаются таким образом, что они обмениваются теплом с блоком 14 холодного хранения.
Блок 14 холодного хранения является тепловым резервуаром, имеющим температуру ниже температуры блока горячего хранения. Однако температура холодного хранения может быть выше или ниже температуры окружающей среды. Фактически блок холодного хранения может быть другим поглотителем тепла, таким как охлаждающая вода или воздух из окружающего пространства. В альтернативном варианте осуществления изобретения турбина и компрессорная линия могут быть термодинамическими машинами, основанными на изменении объема, такими как возвратно-поступательные или роторные расширители или компрессоры.
Компрессорная линия 22 может содержать один или несколько отдельных компрессоров с возможным внутренним охлаждением (не показано). Турбина 32 может содержать одну или несколько отдельных турбин с возможным промежуточным перегревом пара (не показано). Аналогично, испаритель 20, конденсатор 34, подающий насос 28 и расширительный клапан 26 могут содержать один или множество модулей.
Во время работы системы рабочая текучая среда протекает в системе 10 АТЭЭ следующим образом. Рабочая текучая среда в компрессоре 22 изначально находится в виде пара, и избыточная электрическая энергия используется для того, чтобы сжать и нагреть рабочую текучую среду. Рабочая текучая среда пропускается через теплообменник 24, где она передает тепло в термоаккумулирующую среду. Сжатая рабочая текучая среда выходит из теплообменника и поступает в расширительный клапан 26. Здесь рабочая текучая среда расширяется до более низкого давления испарителя. Рабочая текучая среда протекает из расширительного клапана в испаритель 20, где она нагревается до испарения. Это осуществляется с использованием доступного тепла из блока холодного хранения.
В конденсаторе 34 рабочая текучая среда конденсируется за счет теплообмена с блоком 14 холодного хранения. Сконденсированная рабочая текучая среда выходит из конденсатора через выпускное отверстие и нагнетается в теплообменник 30, расположенный в блоке горячего хранения, с помощью подающего насоса 28. Здесь рабочая текучая среда нагревается, испаряется и перегревается за счет сохраненного тепла в термоаккумулирующей среде. Рабочая текучая среда выходит из теплообменника 30 и входит в турбину 32, где рабочая текучая среда расширяется, таким образом заставляя турбину генерировать электрическую энергию.
Расширительный клапан 26, испаритель 20 и компрессор 22 находятся в работе во время периода зарядки или «цикла теплового насоса». Аналогично, турбина 32, конденсатор 34 и подающий насос 28 находятся в работе во время периода разрядки или «турбинного цикла». Блок 12 горячего хранения находится в работе все время, т.е. во время зарядки, аккумулирования и разрядки. Эти два цикла наглядно показаны на диаграмме энтальпия-давление, например, такой как на фиг.2.
Цикл, показанный на фиг.2 сплошной линией, представляет цикл теплового насоса, который является зарядкой блока горячего хранения, при этом цикл теплового насоса следует в направлении против часовой стрелки, как обозначено стрелками. Предполагается, что рабочей текучей средой является вода для этого показательного варианта осуществления изобретения. Цикл теплового насоса начинается в момент испарения в точке А, где водяной пар испаряется с образованием пара, используя тепло из блока холодного хранения (переход А→В1 на фиг.2). На следующем этапе цикла теплового насоса пар сжимают, используя электрическую энергию, в два этапа: из точки В1 к С1 и из точки В2 к С2. В том случае, когда сжатие происходит в два этапа, это происходит в результате использования компрессорной линии, содержащей два отдельных блока. В промежутке между этими двумя стадиями сжатия рабочая текучая среда охлаждается, переходя из точки С1 к точке В2. Горячий, сжатый, перегретый пар выходит из компрессорной линии в точке С2, где он охлаждается до температуры насыщения в D1, конденсируется в D2 и дополнительно охлаждается до точки D3. Эти охлаждение и конденсация реализуются за счет передачи тепла от рабочей текучей среды в блок горячего хранения, таким образом сохраняя тепловую энергию. Охлажденная рабочая текучая среда возвращается в первоначальное состояние низкого давления в точке А через расширительный клапан.
Цикл, показанный на фиг.2 пунктирной линией, представляет турбинный цикл Ренкина, который является разрядкой блока горячего хранения, при этом турбинный цикл следует в направлении по часовой стрелке, как обозначено стрелками. Турбинный цикл Ренкина начинается в точке Е, когда используется насос, чтобы закачать рабочую текучую среду в жидком состоянии из точки Е к F1. Затем из точки F1 к точке G рабочая текучая среда получает тепло от термоаккумулирующей среды. Если более подробно, то тепло передается из термоаккумулирующей среды к рабочей текучей среде, вызывая нагрев рабочей текучей среды в F2, до кипения в F3, и достигая определенной степени перегрева в G. Перегретый пар рабочей текучей среды в точке G расширяется, вниз до точки Н, в механическом устройстве, таком как турбина, для генерирования электричества. После расширения рабочая текучая среда поступает в конденсатор, где она конденсируется и переходит в первоначальное состояние в точке Е за счет теплообмена с блоком холодного хранения.
Кпд полного процесса аккумулирования и преобразования энергии, т.е. цикла теплового насоса и турбинного цикла Ренкина, рассчитывается следующим образом:
работа, совершенная за счет расширения в турбине, деленная на работу, затраченную в компрессоре теплового насоса:
G
H
C2
B2
C1
B1
(h-h)/(h-h+h-h),
где h обозначает энтальпию соответствующей точки. Для показательных условий, изображенных на фиг.2, эффективность преобразования энергии в одну сторону и обратно составляет 50,8%. По одной диаграмме энтальпия-давление невозможно судить, является ли эффективной эта отдельная система АТЭЭ или как может быть улучшен ее кпд.
Что касается системы АТЭЭ, показанной на фиг.1, теплообменник 24 в системе 16 цикла теплового насоса и теплообменник 30 в системе 18 турбинного цикла могут содержать несколько отдельных теплообменников, расположенных последовательно, как проиллюстрировано на фиг.3 и 4 соответственно.
Фиг.3 изображает упрощенную схематическую диаграмму компонентов 16 цикла теплового насоса в системе 10 аккумулирования термоэлектрической энергии согласно настоящему изобретению. Здесь три отдельных блока х, y, z горячего хранения расположены последовательно. Каждый блок х, y, z горячего хранения содержит теплообменники 36, 38, 40, которые соединены с парой 42, 44, 46 резервуаров для хранения. Каждая пара 42, 44, 46 баков для хранения содержит холодный бак и горячий бак, при этом поток термоаккумулирующей среды направляется из холодного бака к горячему баку через связанный с ними теплообменник. Три блока горячего хранения на фиг.3 обозначены как х, y, z слева направо, как они изображены на диаграмме. В настоящем варианте осуществления изобретения теплообменники являются противоточными теплообменниками, а рабочей текучей средой цикла является вода.
Компоненты 16 цикла теплового насоса на фиг.3 выполняют работу, по существу, аналогично компонентам 16 цикла теплового насоса системы АТЭЭ, описанной в отношении фиг.1 и 2. Кроме того, рабочая текучая среда протекает через два дополнительных отдельных теплообменника. В иллюстративной ситуации, показанной на фиг.3, в направлении потока рабочей текучей среды первоначальная и конечная температуры рабочей текучей среды, когда она проходит через теплообменник 40, составляют 510°С и 270°С, через теплообменник 38 - 270°С и 270°С, а через теплообменник 36 - 270°С и 100°С. Таким образом, достигается общее падение температуры 410°С.
Характеристики рабочей текучей среды (показана как сплошная линия) и среды для аккумулирования тепла (показана как пунктирная линия) каждого из трех теплообменников 36, 38, 40 и связанных с ними пар 42, 44, 46 баков для хранения во время процесса зарядки показаны на фиг.5 соответственно в виде графиков а), b) и с) энтальпии-температуры. Температура термоаккумулирующей среды на каждом этапе увеличивается, а температура рабочей текучей среды уменьшается только на этапах а) и с).
Фиг.4 изображает упрощенную схематическую диаграмму компонентов 18 турбинного цикла в системе 10 аккумулирования термоэлектрической энергии согласно настоящему изобретению. Здесь три отдельных блока х, y, z горячего хранения, расположенные последовательно, являются теми же самыми блоками, как блоки, показанные на фиг.3. Аналогично, каждая пара 42, 44, 46 баков для хранения содержит холодный бак и горячий бак, однако поток термоаккумулирующей среды направляется из горячего бака к холодному баку через теплообменник.
Компоненты 18 турбинного цикла на фиг.4 выполняют работу, по существу, аналогичную компонентам 18 турбинного цикла системы АТЭЭ, описанной в отношении фиг.1 и 2. Кроме того, рабочая текучая среда протекает через два дополнительных отдельных теплообменника. В иллюстративной ситуации, показанной на фиг.4, в направлении потока рабочей текучей среды, первоначальная и конечная температуры рабочей текучей среды, когда она проходит через теплообменник 36, составляют 80°С и 240°С, через теплообменник 38 - 240°С и 240°С, и через теплообменник 40 - 240°С и 490°С. Таким образом, достигается общее увеличение температуры, составляющее 410°С.
Когда компоненты 16 цикла теплового насоса находятся в работе, трубопровод рабочей текучей среды для цикла теплового насоса присоединяется к блокам х, y, z горячего хранения. Когда компоненты 18 турбинного цикла находятся в работе, то вместо предыдущего случая к блокам х, y, z горячего хранения присоединяется трубопровод рабочей текучей среды для турбинного цикла. Таким образом, турбинный цикл получает тепловую энергию из блоков горячего хранения, которая была запасена с помощью цикла теплового насоса.
Характеристики рабочей текучей среды (показаны как сплошная линия) и термоаккумулирующей среды (показана как пунктирная линия) каждого из трех теплообменников 36, 38, 40 и связанных с ними пар 42, 44, 46 баков для хранения во время процесса разрядки показаны на фиг.5 соответственно в виде графиков d), e) и f) энтальпии-температуры. Температура термоаккумулирующей среды на каждом этапе уменьшается, а температура рабочей текучей среды увеличивается только на этапах d) и f).
Фиг.6 показывает изобары, т.е. линии постоянного давления из фиг.5a)-f) на едином графике температура-энтальпия для варианта с конкретной системой. Кроме того, большие буквы соответствуют обозначениям на фиг.2. Таким образом, фиг.6 иллюстрирует процесс теплопередачи в трех отдельных блоках х, y, z горячего хранения во время зарядки и разрядки системы 10 АТЭЭ.
Изобары С2 - D3, показанные сплошной линией, представляют цикл теплового насоса, изобары F1 - G, показанные пунктирной линией, представляют турбинный цикл Ренкина, а изобары X1-Х2, Y1-Y2, Z1-Z2 представляют термоаккумулирующую среду соответственно в трех блоках х, y, z горячего хранения.
Поток тепла может быть направлен только от более высокой температуры к более низкой. Следовательно, характеристические изобары для рабочей текучей среды во время охлаждения в цикле теплового насоса должны быть выше, чем характеристические изобары термоаккумулирующей среды, которые, в свою очередь, должны быть выше, чем характеристические изобары для рабочей текучей среды во время нагревания в турбинном цикле. Наклон этих характеристических изобар определяется произведением массового расхода (кг/с) и теплоемкости (Дж/кг/К) каждой термоаккумулирующей среды, относительно массового расхода рабочей текучей среды. Это произведение является различным для каждой из трех подсекций теплопередачи; нагревание/охлаждение жидкой воды в блоке Х горячего хранения, интенсивное газообразование/конденсация в блоке Y горячего хранения и подача/удаление тепла в область перенасыщения в блоке Z горячего хранения.
Профили температуры остаются стабильными во времени благодаря сохранению физического тепла в термоаккумулирующей среде. Таким образом, в то время как объем термоаккумулирующей среды в каждом теплообменнике остается постоянным, объем горячей и холодной термоаккумулирующей среды, сохраняемой в горячем и холодном баках, изменяется. Кроме того, распределение температуры в теплообменниках остается постоянным.
Важно отметить, настоящее изобретение определяет, что чем меньше средняя разница температур между рабочей текучей средой и термоаккумулирующей средой во время теплопередачи, тем больше эффективность системы АТЭЭ. В графике энтальпия-температура эта особенность наблюдается как относительно более близкое положение характеристических изобар циклов зарядки и разрядки, как показано на фиг.7.
Настоящее изобретение определяет, что термоаккумулирующая среда может быть одинаковой или отличной жидкостью в каждом блоке х, у, z горячего хранения. Кроме того, настоящее изобретение определяет, что термоаккумулирующая среда может иметь различные температуры в каждом блоке х, y, z горячего хранения. Также расход термоаккумулирующей среды внутри каждого блока горячего хранения может различаться. В частности, чтобы достичь оптимальной эффективности преобразования энергии системы АТЭЭ в одну и другую стороны, могут быть использованы различные комбинации термоаккумулирующей среды, начальной и конечной температуры термоаккумулирующей среды и ее расход.
В варианте с улучшенной эффективностью, показанном на фиг.7, расход термоаккумулирующей среды через теплообменник 38 блока Y горячего хранения увеличивается с коэффициентом, равным трем, по сравнению с вариантом, показанным на фиг.6. (Следует отметить, что расход в теплообменнике 38 на фиг.6 составлял произвольную величину, большую, чем расход в теплообменниках 36 и 40, но величина расхода не была оптимальной, как на фиг.7). Можно отметить уменьшение средней разности температур между термоаккумулирующей средой и рабочей текучей средой во время теплообмена в теплообменнике 38 блока Y горячего хранения. Следовательно, полученная в результате система АТЭЭ имеет более высокую температуру насыщения в теплообменнике 38 в турбинном цикле, чем ранее (отмечены как F2' и F3' на фиг.7 по сравнению с F2 и F3 на фиг.6). Эта температура составляет 230°С на фиг.7 в сравнении с 200°С на фиг.6. Следовательно, кпд системы АТЭЭ по замкнутому циклу в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.7, составляет 61,1% по сравнению с кпд 50,8% на фиг.2.
Другими словами, в настоящем изобретении требуется, чтобы разность температур между рабочей текучей средой цикла теплового насоса и термоаккумулирующей средой, а также разность температур между рабочей текучей средой турбинного цикла и термоаккумулирующей средой была довольно небольшой (например, менее 50°С в среднем). Это достигается посредством изменения определенных параметров системы АТЭЭ, как показано выше.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения три термоаккумулирующие среды являются текучими средами. Например, эти текучие среды могут быть тремя различными жидкими термоаккумулирующими средами, такими как вода, масло или расплавленные соли. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения теплообменники являются противоточными теплообменниками, имеющими минимальный перепад температур 10 К (т.е. минимальная разность температур между двумя текучими средами, осуществляющими теплообмен, составляет 10 К), а расширительное устройство предпочтительно является термостатическим расширительным клапаном.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления изобретения теплота в теплообменнике 38 испарения/конденсации передается как скрытая теплота фазового перехода термоаккумулирующей среды, обеспечивая еще более близкое совпадение профилей температуры в области испарения/конденсации. В предпочтительном варианте осуществления изобретения используется водяной пар в качестве рабочей текучей среды для обоих циклов, цикла теплового насоса и турбинного цикла.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления изобретения не существует холодного резервуара для хранения, а испаритель и конденсатор используют теплоту из окружающей среды как (бесконечно большого) резервуара для холодной стороны цикла теплового насоса и турбинного цикла. Блок холодного хранения на фиг.1, являющийся вторым резервуаром хранения тепла, имеет скрытую форму аккумулирования тепла при температуре около 100°С на холодной стороне цикла теплового насоса и турбинного цикла. Благодаря температурной зависимости давления насыщения рабочих текучих сред, таких как вода, такой дополнительный резервуар хранения тепла может привести в результате к большей экономии для компрессора и турбины. Предполагается, что эта экономия будет достаточно большой, чтобы компенсировать дополнительные затраты на этот резервуар при умеренно долгом времени хранения.
Специалисту в данной области техники понятно, что система АТЭЭ, как проиллюстрировано на фиг.1, 3 и 4, может быть реализована несколькими различными способами. Например, блок горячего хранения может состоять из:
- сплошной структуры с встроенными теплообменниками, оборудованными подходящими средствами управления расширения/сжатия термоаккумулирующей среды с изменением температуры;
- системы аккумулирования с использованием расплавленной соли и двумя баками, с теплообменниками между баками и потоком расплавленной соли из холодного в горячий бак во время процесса зарядки и из горячего в холодный бак во время разрядки;
- термоаккумулирующей среды в виде жидкости и расплавленной соли с множеством горячих баков и множеством холодных баков, образующих каскады с различными температурами, между рабочей температурой испарителя и температурой рабочей текучей среды теплового насоса на выходе из процессов сжатия;
- материала с подходящей температурой изменения фазового состояния ниже температуры конденсации рабочей текучей среды теплового насоса при высоком рабочем давлении и выше точки кипения рабочей текучей среды турбинного цикла при высоком рабочем давлении;
- любой комбинации упомянутых выше вариантов аккумулирования тепла в последовательной и параллельной схемах;
- двух, трех (как показано на фиг.3 и 4), четырех или более модулей горячего хранения в блоке горячего хранения.
Специалисту в данной области техники понятно, что конденсатор и испаритель в системе АТЭЭ могут быть заменены многоцелевым теплообменным устройством, которое может выполнять обе функции, поскольку испарение для цикла теплового насоса и конденсация для турбинного цикла будут выполняться в различные временные интервалы. Аналогично, функции турбины и компрессора могут быть реализованы с помощью того же самого оборудования, называемого выше термодинамической машиной, способного выполнять обе задачи.
Предпочтительной рабочей текучей средой для настоящего изобретения является вода, главным образом благодаря более высокому кпд основанных на воде цикла теплового насоса и турбинного цикла, а также привлекательным свойствам воды в качестве рабочей текучей среды, т.е. отсутствие негативного влияния на глобальное потепление, истощение озонового слоя, здоровье человека и т.д. Для реализации настоящего изобретения при температуре окружающей среды ниже точки замерзания воды может быть выбран промышленный хладагент в качестве рабочей текучей среды теплового насоса или второй «нижний» цикл теплового насоса может быть каскадно размещен с циклом, основанным на воде, чтобы обеспечить тепло для испарения.