СИСТЕМА АККУМУЛИРОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ДВУМЯ ТЕПЛОВЫМИ ВАННАМИ И СПОСОБ АККУМУЛИРОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
THERMOELECTRIC ENERGY ACCUMULATION SYSTEM WITH TWO THERMAL BATHS, AND THERMOELECTRIC ENERGY ACCUMULATION METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к аккумулированию электрической энергии. В частности оно относится к системе и способу аккумулирования электрической энергии в форме тепловой энергии в накопителе тепловой энергии.
Уровень техники
Генераторы базовой нагрузки, такие как атомные электростанции и генераторы со стохастическими, непостоянными источниками энергии, такими как ветряные турбины и солнечные батареи, вырабатывают избыток электрической энергии в период низкого энергопотребления. Крупномасштабные системы аккумулирования электрической энергии являются средством перераспределения указанного избытка энергии в период времени наибольшего энергопотребления и баланса общего производства и потребления электричества.
В более раннем патенте ЕР 1577548 заявитель описал принцип системы аккумулирования термоэлектрической энергии (TEES). Система TEES преобразует избыток электричества в тепло в цикле зарядки, сохраняет это тепло и, когда это необходимо, преобразует его обратно в электричество в цикле разрядки. Такая система аккумулирования энергии устойчива, компактна, не зависит от месторасположения и пригодна для аккумулирования электрической энергии в больших количествах. Тепловую энергию можно сохранять в форме теплосодержания путем изменения температуры или в форме скрытой теплоты путем изменения фазы или в виде сочетания этих форм. Средой для аккумулирования теплосодержания может быть твердая фаза, жидкость или газ. Среда для аккумулирования скрытой теплоты возникает при изменении фазы и может включать в себя любую из этих фаз или их последовательное или параллельное сочетание.
Эффективность цикла зарядки-разрядки системы аккумулирования электроэнергии может быть определена как отношение электрической энергии, которую можно извлечь разрядкой из накопителя, к электрической энергии, использованной для зарядки накопителя, при условии что состояние системы аккумулирования энергии возвращается к исходным условиям до зарядки накопителя. Таким образом, для достижения высокой эффективности цикла зарядки-разрядки необходимо максимизировать эффективности обоих режимов в той мере, в какой это позволяет их взаимозависимость.
Необходимо отметить, что все технологии аккумулирования электрической энергии в своей основе характеризуются ограниченной эффективностью цикла зарядки-разрядки. Таким образом, на каждую единицу электрической энергии, использованной для зарядки в накопитель, только определенный процент извлекается как электрическая энергия после разрядки. Остальная часть электроэнергии теряется. Например, если тепло, сохраненное в системе TEES, подается через резистор нагревателя, то эффективность цикла зарядки-разрядки составляет приблизительно 40%. Эффективность цикла зарядки-разрядки системы TEES складывается из эффективности зарядки и разрядки.
c
h
Эффективность цикла зарядки-разрядки системы TEES ограничена различными причинами, в основе которых лежит второй закон термодинамики. Первая причина относится к коэффициенту преобразования энергии системы. В режиме загрузки идеальная эффективность системы регулируется коэффициентом преобразования энергии (СОР). СОР зависит от температуры холодильника (T) и нагревателя (T) следующим образом
<mrow><mi>C</mi><mi>O</mi><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mi>h</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>h</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
Из чего следует, что СОР теплового насоса уменьшается с увеличением разности между уровнями температуры на входе и выходе. Во-вторых, преобразование тепла в механическую работу в тепловом двигателе ограничено КПД цикла Карно (η). В режиме разгрузки КПД (η) системы можно представить следующим образом:
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mi>h</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>h</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
Так, можно видеть, что КПД увеличивается при снижении температуры холодильника. В-третьих, для течения теплового потока от рабочей жидкости к накопителю и наоборот необходима разность температур. Этот факт неизбежно снижает уровень температуры и, следовательно, способность тепла производить работу.
Следует отметить, что многие промышленные процессы включают в себя снабжение и аккумулирование тепловой энергии. Примерами являются холодильные устройства, тепловые насосы, кондиционирование воздуха и перерабатывающая отрасль промышленности. На солнечных теплоэнергетических станциях тепло запасают, по возможности, аккумулируют и преобразуют в электрическую энергию. Однако все эти виды применения отличны от системы TEES, так как в них тепло не рассматривается исключительно с целью аккумулирования электричества.
Следует отметить, что цикл зарядки системы TEES также относится к циклу теплового насоса, а цикл разрядки относится к циклу теплового двигателя.
В концепции системы TEES тепло должно быть преобразовано из горячей рабочей жидкости в термоаккумулирующую среду в ходе цикла зарядки и обратно, из термоаккумулирующей среды в рабочую жидкость в ходе цикла разрядки. Для теплового насоса необходим перенос тепловой энергии от холодного источника к более нагретому теплоотводу. Поскольку количество энергии, накопленное в нагревателе, т.е. в части термоаккумулирующей среды системы TEES, больше, чем работа сжатия, производимая равным количеством энергии, взятым из холодильника, т.е. теплом, поглощенным рабочей жидкостью при низком давлении, тепловой насос вносит больше тепла на произведенную работу в горячий накопитель, чем резистивный нагрев. Отношение выхода тепла к произведенной работе называется коэффициентом эксплуатации, и его величина превышает единицу. В связи с этим использование теплового насоса увеличивает эффективность цикла зарядки-разрядки системы TEES.
Цикл зарядки известной TEES системы содержит рабочий рекуперирующий детандер, испаритель, компрессор и теплообменник, при этом все части последовательно соединены контуром рабочей жидкости. Дополнительно холодный резервуар-накопитель и горячий резервуар-накопитель, содержащие жидкую термоаккумулирующую среду, соединены посредством теплообменника. Пока рабочая жидкость проходит через испаритель, она поглощает тепло из окружающей среды или из тепловой ванны и испаряет его. Цикл разрядки известной системы TEES содержит насос, конденсатор, турбину и теплообменник, последовательно соединенные контуром рабочей жидкости. Кроме того, холодный резервуар-накопитель и горячий резервуар-накопитель, содержащие жидкую термоаккумулирующую среду, соединены посредством теплообменника. И в этом случае при прохождении через конденсатор рабочая жидкость обменивается тепловой энергией с окружающей средой или тепловой ванной и конденсируется. Такая же тепловая ванна, как например, река, озеро или бассейн с водно-ледяной смесью использована как в цикле зарядки, так и в цикле разрядки.
Здесь необходимо обеспечить эффективное аккумулирование термоэлектрической энергии с высокой эффективностью цикла зарядки-разрядки при минимизации вовлеченных затрат системы.
Раскрытие изобретения
Цель данного изобретения заключается в разработке системы аккумулирования термоэлектрической энергии, преобразующей электрическую энергию в тепловую с целью аккумулирования и преобразования обратно в электрическую энергию с повышенной эффективностью цикла зарядки-разрядки. Эта цель достигается системой аккумулирования термоэлектрической энергии по п.1 и способом по п.5. Предпочтительные варианты осуществления очевидны из зависимых пунктов формулы.
Согласно первому аспекту изобретения предложена система аккумулирования термоэлектрической энергии, которая содержит цикл зарядки для снабжения тепловой энергией теплового накопителя и циклом разрядки для генерации электричества извлечением тепловой энергии из теплового накопителя. Система аккумулирования термоэлектрической энергии содержит контур рабочей жидкости для циркуляции рабочей жидкости через первый и второй теплообменники, а также контур термоаккумулирующей среды для циркуляции термоаккумулирующей среды. Контур термоаккумулирующей среды содержит по меньшей мере один горячий резервуар-накопитель, соединенный с холодным резервуаром-накопителем через первый теплообменник. В ходе цикла зарядки второй теплообменник соединен с первой тепловой ванной и разность температур между первой тепловой ванной и горячим резервуаром-накопителем минимальна. В ходе цикла разрядки второй теплообменник соединен со второй тепловой ванной и разность температур между второй тепловой ванной и горячим резервуаром-накопителем максимальна.
Другими словами, температуры тепловых ванн выбраны таким образом, чтобы температура первой тепловой ванны была выше относительно температуры второй тепловой ванны.
Термоаккумулирующей средой является жидкость, предпочтительно вода. Рабочей жидкостью настоящего изобретения предпочтительно является диоксид углерода.
В предпочтительном варианте осуществления устройство охлаждения соединено с холодным резервуаром-накопителем в ходе цикла зарядки или после него. Предпочтительно, это приводит к снижению температуры термоаккумулирующей среды в холодном резервуаре-накопителе, таким образом, температура холодного резервуара-накопителя регулируется относительно температуры, требуемой для цикла разрядки.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления нагревательное устройство соединено с холодным резервуаром-накопителем в ходе цикла разрядки или после него. Предпочтительно, это приводит к повышению температуры термоаккумулирующей среды в холодном резервуаре-накопителе, таким образом, температура холодного резервуара-накопителя регулируется относительно температуры, требуемой для цикла зарядки.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один этап цикла зарядки или разрядки протекает в сверхкритическом состоянии.
Во втором аспекте настоящего изобретения предлагается способ аккумулирования и извлечения энергии в системе аккумулирования термоэлектрической энергии. Способ включает в себя зарядку системы путем нагрева термоаккумулирующей среды, причем термоаккумулирующая среда циркулирует по меньшей мере между одним горячим резервуаром-накопителем и соединенным с ним холодным резервуаром-накопителем, и разрядку системы путем нагрева рабочей жидкости в контуре рабочей жидкости теплом от термоаккумулирующей среды и расширения рабочей жидкости с помощью термодинамической машины. Способ дополнительно содержит соединение первой тепловой ванны с контуром рабочей жидкости в процессе зарядки, что дает возможность минимизировать разность температур между первой тепловой ванной, и горячим резервуаром-накопителем и, следовательно, соединяет вторую тепловую ванну с контуром рабочей жидкости в процессе разрядки, что обеспечивает достижение максимальной разности температур между второй тепловой ванной и горячим резервуаром-накопителем. И в этом случае температуры тепловых ванн выбраны таким образом, чтобы температура первой тепловой ванны была выше температуры второй тепловой ванны.
Предпочтительно, достижение минимальной разности температур между первой тепловой ванной и горячим резервуаром-накопителем в процессе зарядки приводит к уменьшению потребления электричества. Кроме того, достижение максимальной разности температур между второй тепловой ванной и горячим резервуаром-накопителем в процессе разрядки приводит к большему извлечению энергии.
В предпочтительном варианте осуществления способ второго аспекта настоящего изобретения дополнительно содержит соединение охлаждающего устройства с холодным резервуаром-накопителем в ходе цикла зарядки или после него.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления способ дополнительно содержит соединение нагревательного устройства с холодным резервуаром-накопителем в ходе цикла разрядки или после него.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один этап цикла зарядки или разрядки выполняется в сверхкритическом состоянии.
Таким образом, для специалиста в этой области техники очевидно, что в настоящем изобретении предложено эффективное аккумулирование термоэлектрической энергии с относительно высоким коэффициентом цикла зарядки-разрядки при минимизации затрат системы.
Краткое описание чертежей
Предмет настоящего изобретения более детально объяснен в тексте со ссылками на предпочтительные типовые варианты осуществления, которые проиллюстрированы в приложенных чертежах, в которых:
на фигуре 1 показана упрощенная схема цикла зарядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии в соответствии с настоящим изобретением;
на фигуре 2 показана упрощенная схема цикла разрядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии в соответствии с настоящим изобретением;
на фигуре 3 продемонстрирована энтропийно-температурная диаграмма теплопереноса из циклов системы TEES настоящего изобретения, использующей относительно низкую температуру тепловой ванны;
на фигуре 4 продемонстрирована энтропийно-температурная диаграмма теплопереноса из циклов системы TEES настоящего изобретения, использующей относительно высокую температуру тепловой ванны;
на фигуре 5 показана упрощенная схема дополнительного варианта осуществления системы аккумулирования термоэлектрической энергии настоящего изобретения;
на фигуре 6 показана энтропийно-температурная диаграмма теплопереноса из циклов в системе TEES для фигуры 5.
Для согласованности для обозначения подобных элементов, представленных на фигурах, использованы одинаковые номера позиций.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
На фигурах 1 и 2 схематически изображены соответственно системы цикла зарядки и разрядки системы TEES согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Система 10 цикла разрядки, показанная на фигуре 1, содержит рабочий рекуперирующий детандер 12, испаритель 14, компрессор 16 и теплообменник 18, при этом испаритель 14 соединен с первой тепловой ванной 20. Рабочая жидкость циркулирует через элементы, обозначенные на фигуре 1 сплошной линией со стрелками. Дополнительно, холодный резервуар-накопитель 22 и горячий резервуар-накопитель 24, содержащие жидкую термоаккумулирующую среду, соединены вместе посредством теплообменника 18. Жидкость теплового накопителя протекает между холодным резервуаром-накопителем 22 и горячим резервуаром-накопителем 24, как показано пунктирной линией со стрелками. Дополнительно, среда первой тепловой ванны циркулирует между первой тепловой ванной 20 и испарителем 14, как это показано штрихпунктирной линией со стрелками.
В процессе эксплуатации в системе 10 цикла зарядки осуществляется термодинамический цикл, и рабочая жидкость течет внутри системы TEES следующим образом. Рабочая жидкость в испарителе 14 поглощает тепло из среды первой тепловой ванны и испаряется. Типично, что температура первой тепловой ванны выше, чем температура окружающей среды, например от 25°С до 400°С. Испаренная рабочая жидкость циркулирует к компрессору 16 и излишки электрической энергии используются на сжатие и нагрев рабочей жидкости. Рабочая жидкость подается через теплообменник 18, где тепло рабочей жидкости сбрасывается в теплоаккумулирующую среду.
Сжатая рабочая жидкость покидает теплообменник 18 и входит в детандер 12. Здесь рабочая жидкость расширяется при более низком давлении, которое соответствует входному давлению испарителя. Рабочая жидкость течет из детандера 12 обратно в испаритель 14.
Жидкую термоаккумулирующую среду перекачивают из холодного резервуара-накопителя 22 через теплообменник 18 в горячий резервуар-накопитель 24. Тепловая энергия, сброшенная рабочей жидкостью в термоаккумулирующую среду, сохраняется в виде теплосодержания.
Система 26 цикла разрядки, представленная на фигуре 2, содержит насос 28, конденсатор 30, турбину 32 и теплообменник 18, причем конденсатор 30 контактирует со второй тепловой ванной 34. Рабочая жидкость циркулирует через указанные элементы, как показано на фигуре 2 пунктирной линией со стрелками. Дополнительно, холодный резервуар-накопитель 22 и горячий резервуар-накопитель 24, содержащие жидкую термоаккумулирующую среду, соединены вместе посредством теплообменника 18. Термоаккумулирующую среду, изображенную на фигуре 2 пунктирной линией, откачивают через теплообменник из горячего резервуара-накопителя 24 в холодный резервуар-накопитель 22. Среда второй тепловой ванны циркулирует между второй тепловой ванной 34 и конденсатором 30, как показано штрихпунктирной линией со стрелками.
В процессе работы системы 26 цикла разрядки также осуществляется термодинамический цикл, и рабочая жидкость течет внутри системы TEES следующим образом. Тепловая энергия передается из термоаккумулирующей среды в рабочую жидкость, вызывая нагрев рабочей жидкости. Рабочая жидкость покидает теплообменник 18 и поступает в турбину 32, где рабочая жидкость расширяется, тем самым происходит выработка электрической энергии турбиной 32, соединенной с генератором (не показан). Далее рабочая жидкость поступает в конденсатор 30, где рабочая жидкость конденсируется при передаче тепловой энергии среде второй тепловой ванны. Обычно, но не обязательно, температура второй тепловой ванны 34 является температурой окружающей среды, и следовательно, ниже температуры первой тепловой ванны, например от 0°С до 15°С. Конденсированная рабочая жидкость покидает конденсатор 30 через выпускное отверстие и ее снова перекачивают в теплообменник 18 через насос 28.
Несмотря на то что система цикла зарядки, изображенная на фигуре 1, и система цикла разрядки, изображенная на фигуре 2, представлены на фигурах отдельно, теплообменник 18, холодный резервуар-накопитель 22, горячий резервуар-накопитель 24 и термоаккумулирующая среда являются общими для обеих фигур. Цикл зарядки и цикл разрядки можно выполнять последовательно, но не одновременно.
В настоящем варианте осуществления теплообменник является противоточным теплообменником и рабочей жидкостью цикла является предпочтительно диоксид углерода. Кроме того, термоаккумулирующей средой является жидкость, предпочтительно вода. Компрессор настоящего варианта осуществления представляет собой электрический компрессор.
Как ранее было отмечено, коэффициент преобразования энергии (СОР) системы TEES увеличивается при уменьшении разности температур между холодной и горячей сторонами. Таким образом, в процессе зарядки, предпочтительно уменьшать уровень температуры горячей стороны или повышать уровень температуры холодной стороны. В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фигуре 1, первая тепловая ванна 20 повышает температуру холодной стороны цикла. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения дополнительное охлаждающее устройство может уменьшать температуру в холодном резервуаре-накопителе 22 в процессе зарядки или после нее. Такая система показана на фигуре 5 для цикла разрядки. Специалисту в этой области техники будет совершенно ясно, что может быть предусмотрен эквивалентный контур цикла зарядки, в котором дополнительное охлаждающее устройство соединено с холодным резервуаром-накопителем 22.
Как описано выше, в процессе разрядки эффективность системы TEES увеличивается, если повышается разность температур между холодной и горячей сторонами. Таким образом, предпочтительно увеличивать температуру горячей стороны или понижать температуры холодной стороны. В варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фигуре 2, вторая тепловая ванна 34 работает на снижение температуры холодной стороны цикла. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фигуре 5, дополнительное нагревательное устройство 36 работает на повышение температуры холодного резервуара-накопителя 22 в ходе цикла разрядки или после него. Дополнительное нагревательное устройство 36 соединено с холодным резервуаром-накопителем 22. Отмечено, что в каждом варианте осуществления настоящего изобретения температура горячего резервуара-накопителя 24 соответствует процессу цикла зарядки и цикла разрядки.
Таким образом, очевидно, что очень выгодным является подход, включающий две отдельные тепловые ванны 20, 34, из которых одна используется в течение цикла 10 зарядки, а вторая используется в течение цикла 26 разрядки. Конкретно, в цикле зарядки потребляется меньше электроэнергии, и в цикле разрядки извлекается больше энергии, за счет чего увеличивается общая эффективность цикла зарядки-разрядки и снижаются затраты.
Важно, что температура холодного резервуара-накопителя 22 и горячего резервуара-накопителя 24 должна быть в аналогичном диапазоне как в ходе цикла зарядки, так и в ходе цикла разрядки. Для специалиста в этой области техники будет очевидно, что в системе TEES, содержащей одну тепловую ванну при температуре окружающей среды, контактирующую как с испарителем, так и с конденсатором, температура холодного резервуара-накопителя 22 будет согласована с температурой горячего резервуара-накопителя 24 цикла зарядки и цикла разрядки естественным образом. Однако в системе TEES настоящего изобретения для цикла зарядки и цикла разрядки может потребоваться регулирование за счет различных значений температуры первой тепловой ванны 20 и второй тепловой ванны 34. Что касается возможностей регулирования, они представлены ниже;
i) вариант осуществления настоящего изобретения, в котором
- холодный резервуар-накопитель имеет одну и ту же температуру в процессе зарядки и разрядки;
- горячий резервуар-накопитель имеет одну и ту же температуру в процессе зарядки и разрядки;
- в процессе теплообмена с термоаккумулирующей средой давление рабочей жидкости является одинаковым в процессе зарядки и разрядки;
ii) вариант осуществления настоящего изобретения, в котором
- холодный резервуар-накопитель имеет различную температуру в процессе зарядки и разрядки;
- горячий резервуар-накопитель имеет одну и ту же температуру в процессе зарядки и разрядки;
- в процессе теплообмена с термоаккумулирующей средой давление рабочей жидкости является различным в процессе зарядки и разрядки;
i) В системе TEES, в которой холодный резервуар-накопитель 22 имеет одинаковую температуру в процессе зарядки и разрядки и горячий резервуар-накопитель 24 имеет равную температуру в процессе зарядки и разрядки, подходящий термодинамический цикл для этой системы определяется температурой первой тепловой ванны 20. Если температура первой тепловой ванны 20 относительно низка, т.е. находится в диапазоне от 30°С до 50°С, тогда допустимый термодинамический цикл представлен на фигуре 3.
тв1
Цикл зарядки изображен штрихпунктирной линией и соответствует направлению движения против часовой стрелки, тогда как цикл разрядки представлен сплошной линией и следует по направлению движения часовой стрелке на диаграмме энтропия-температура фигуры 3. В этом типовом варианте осуществления оба цикла протекают в сверхкритическом состоянии и в качестве рабочей жидкости предполагается диоксид углерода. Цикл зарядки состоит из предварительного нагрева, испарения и перегрева рабочей жидкости между точками V-VI, после которых рабочая жидкость достигает температуры, приблизительно равной Т, за исключением минимально допустимой температуры (т.е. минимальной разности температур между двумя жидкостями, участвующими в теплообмене), которая требуется для осуществления теплопереноса. Теплообмен с первой тепловой ванной протекает частично в докритическом интервале между точками V и VI фигуры 3. За теплообменом на холодной стороне следует сжатие между точками VI-III, в процессе которого энергия передается рабочей жидкости компрессором с электрическим приводом. Между точками III-IV тепло переносится от рабочей жидкости к жидкой термоаккумулирующей среде в противоточном теплообменнике. Цикл завершается расширением рабочей жидкости между точками IV-V. Для завершения расширения требуются изобары, соответствующие давлению, при котором жидкость испаряется в процессе теплообмена V, VI.
тв2
Цикл разрядки изображен сплошной линией в последовательности I-IV-III-II. Секция I-IV соответствует перекачке рабочей жидкости в область высокого давления, при этом работа сжатия выше, чем работа расширения в процессе зарядки. Теплообмен в сверхкритическом интервале, представленный в секции IV-III, имеет место при постоянном давлении рабочей жидкости и между температурами холодного и горячего резервуаров-накопителей. Расширение между точками III и II приводит к выработке большего количества работы, чем работа, использованная раннее на стадии сжатия (между точками VI и III) в процессе зарядки. Конденсация рабочей жидкости между точками II и I происходит путем теплообмена со средой второй тепловой ванны при Т.
Термодинамический цикл на фигуре 3 представлен таким образом, что максимальная температура и давление рабочей жидкости имеют одинаковые значения как в ходе цикла зарядки, так и в ходе цикла разрядки.
тв1
Кроме того, рассматривается система TEES, в которой холодный резервуар-накопитель 22 имеет равную температуру в процессах зарядки и разрядки и горячий резервуар-накопитель 24 имеет одинаковую температуру в процессах зарядки и разрядки. Если температура первой тепловой ванны Т относительно высока, т.е. в диапазоне от 75°С до 100°С, тогда подходящий термодинамический цикл представлен на фигуре 4.
тв1
Аналогично, цикл зарядки представлен штрихпунктирной линией, а цикл разрядки сплошной линией на энтропийно-температурной диаграмме. В этом типовом варианте осуществления цикл зарядки протекает в сверхкритической области и цикл разрядки протекает в докритической области. Теплообмен с первой тепловой ванной Т происходит в сверхкритическом диапазоне, между точками V и VI фигуры 4. Специалист в этой области техники может отметить, что диапазон давления рабочей жидкости в цикле зарядки на фигуре 4 меньше, чем в цикле зарядки на фигуре 3. Это предпочтительно, поскольку к компрессору 16 требуется подводить относительно меньше энергии, и таким образом, потребление электроэнергии на входе также пропорционально снижается.
Цикл разрядки сопоставим с тем, что представлен на фигуре 3.
Кроме того, термодинамический цикл разработан таким образом, что максимальные значения температуры и давления, достигаемые рабочей жидкостью в цикле зарядки, такие же, как в цикле разрядки.
хр
хр
хр
тв1
ii) В системе TEES, в которой рабочая жидкость функционирует при различных давлениях в процессе зарядки и разрядки, холодный резервуар-накопитель 22 может иметь различные значения температуры в процессе зарядки и разрядки (в таком случае требуется, чтобы максимальная температура горячего резервуара-накопителя 24 была одинакова в обоих циклах, зарядки и разрядки). Например, на фигурах 5 и 6 показан вариант осуществления системы TEES, в котором давление рабочей жидкости выше в ходе цикла зарядки, чем в ходе цикла разрядки, и температура холодного резервуара-накопителя Т в ходе цикла зарядки отличается от Т в цикле разрядки. Как было отмечено ранее, несмотря на то что на фигуре 5 представлен цикл разрядки, специалисту в этой области техники будет понятно, что предусматривается цикл зарядки аналогично фигуре 1. Как показано на фигурах 5 и 6, минимальная температура термоаккумулирующей среды в процессе зарядки выше, чем температура холодного накопителя, необходимая для процесса разрядки. С целью регулирования величины Т при переключении между циклами зарядки и разрядки, дополнительно используют соединение холодного резервуара-накопителя с нагревательным или охлаждающим устройством. В частности, термоаккумулирующую среду можно откачать в холодный резервуар-накопитель через холодильник или через нагреватель, как требуется. В качестве альтернативы нагрев может быть достигнут посредством соединения холодного резервуара-накопителя 22 с первой или второй тепловой ванной при Т также в отдельном контуре.
На фигуре 6 показана энтропийно-температурная диаграмма для системы TEES фигуры 5. Цикл зарядки показан пунктирной линией, следуя в направлении против часовой стрелки, тогда как цикл разрядки показан сплошной линией, следуя направлению по часовой стрелке. В этом типовом варианте осуществления оба цикла протекают в сверхкритическом состоянии.
тв1
В цикле зарядки между точками V-VI происходит испарение рабочей жидкости при Т. Сжатие между точками VI-VII сообщает механическую энергию рабочей жидкости. Между точками VII-VIII тепло передается от рабочей жидкости к жидкой среде аккумулирования. Расширение от точки VIII до точки V возвращает часть работы сжатия, завершая цикл.
В качестве дополнительного этапа между зарядкой и разрядкой температуру жидкой термоаккумулирующей среды, оставшейся в холодном резервуаре-накопителе 22, понижают для достижения температуры холодного накопителя в процессе разрядки. Наиболее просто этот этап осуществляется путем соединения резервуара со второй тепловой ванной 34.
тв2
В ходе цикла разрядки секция I-IV соответствует сжатию рабочей жидкости. Теплообмен в сверхкритической области, представленный в секции IV-III, происходит при постоянном давлении рабочей жидкости и в диапазоне между температурой холодного резервуара-накопителя и горячего резервуара-накопителя. Конденсация рабочей жидкости между точками II и I происходит за счет теплообмена со средой второй тепловой ванны при температуре Т.
До зарядки температура термоаккумулирующей среды в холодном резервуаре-накопителе 22 должна быть повышена до температуры, необходимой для зарядки, что может быть достигнуто, например, нагревом в незначительной степени от дополнительного источника отходящего тепла или с помощью электричества, возможно, в сочетании со вспомогательным тепловым насосом.
В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения может быть выполнено соединение дополнительного горячего резервуара-накопителя с основным горячим резервуаром-накопителем. Дополнительный горячий резервуар-накопитель заполняется параллельно с основным горячим резервуаром-накопителем и используется после цикла разрядки для увеличения температуры холодного резервуара-накопителя до требуемого уровня. Этот параметр особенно предпочтителен, если первая тепловая ванна не постоянно доступна.
В дополнительном альтернативном варианте осуществления, где относительно горячий источник, т.е. первая тепловая ванна доступна и характеризуется температурой, превышающей температуру горячего резервуара-накопителя (например, порядка от 150°С до 400°C), так что тепловой ресурс может быть использован непосредственно для нагрева горячего резервуара-накопителя в режиме зарядки. В этом случае цикл зарядки заменяют системой, содержащей только один теплообменник, который переносит тепло источника в горячий резервуар-накопитель системы TEES. Таким образом, отсутствует потребление электроэнергии, и поэтому цикл зарядки не зависит от доступности электричества и его цены.
В еще одном дополнительном варианте осуществления первая тепловая ванна может находиться при температуре окружающей среды и вторая тепловая ванна может быть водным пространством, таким как озеро, температура которого ниже температуры окружающей среды. Таким образом, полностью удовлетворяется требование поддержания холодной стороны системы в более холодном состоянии в ходе цикла разрядки.
В системе TEES настоящего изобретения предусмотрен дополнительный вариант осуществления, в котором холодный резервуар-накопитель характеризуется различной температурой в процессе зарядки и разрядки, горячий резервуар-накопитель характеризуется одинаковой температурой в процессе зарядки и разрядки, причем давление рабочей жидкости в процессе теплообмена с термоаккумулирующей средой одинаково в процессе зарядки и разрядки. Следовательно, для циклов зарядки и разрядки требуется регулирование за счет различной температуры холодного резервуара-накопителя.
тв1
тв2
В другом варианте осуществления может использоваться единственная тепловая ванна, температура в которой изменяется между двумя уровнями тепловой ванны, такой как солнечный пруд. Такой пруд может нагреваться в течение дня до температуры Т, чтобы подводить тепло, соответствующее первой тепловой ванне, для зарядки. Когда тепло исчерпано и пруд охлаждается до температуры Т, то может быть предоставлена вторая тепловая ванна при более низкой температуре для разрядки. В этом случае единственная тепловая ванна может функционировать, как описано выше, в режиме изменения двух уровней температуры ванн во времени.
Возможно, что некоторые виды тепловых ванн могут быть предметом изменения температуры даже в течение всего дня. В этих случаях, возможно, что вторая тепловая ванна может не обеспечивать достаточно высокой температуры для цикла разрядки TEES системы. В этом случае дополнительный резервуар может быть наполнен горячей термоаккумулирующей средой в ходе цикла зарядки, который позже будет использован в ходе цикла разрядки для доведения холодного резервуара-накопителя до требуемого температурного уровня.
Специалисту в этой области техники будет ясно, что возможно применение теплообменников двух различных типов на холодной стороне системы TEES для цикла зарядки и для цикла разрядки. Это технически предпочтительно, если первая и вторая тепловые ванны отличаются по характеристикам материала и/или температуры. Кроме того, в случае значительных различий первой и второй тепловых ванн по характеристикам материала и/или температуры для цикла зарядки и цикла разрядки могут быть использованы различные рабочие жидкости. Затем два цикла будут полностью разделены за исключением соединения с горячим и холодным резервуарами-накопителями. Примерами рабочих жидкостей, которые могут быть использованы, являются любые хладагенты, имеющие критическую температуру между низким и высоким значениями температуры цикла разрядки.
Также предусмотрено, что такой же теплообменник может быть использован на холодной стороне TEES системы для циклов зарядки и разрядки, если температура тепловой ванны может изменяться самопроизвольно, как в случае солнечного пруда.
Предпочтительно, дополнительная тепловая ванна для режима зарядки может быть обеспечена другим тепловым источником, находящимся на участке размещения TEES. Возможны различные формы таких дополнительных тепловых ванн в зависимости от местоположения аппарата TEES. Примерами источников тепла при умеренных температурах являются отходящее тепло из циклов паровых турбин электростанций, солнечные пруды, которые нагреваются солнцем до использования в системе, или геотермальная энергия. Кроме того, может быть использовано отходящее тепло промышленных процессов, что обеспечивает допустимые температуры в широком диапазоне (от 60°С до 400°С). Все эти тепловые ресурсы обычно характеризуются температурой выше температуры окружающей среды. Обычно температурный уровень указанных ресурсов недостаточно высок, чтобы быть пригодным для получения отходящей теплоты или других применений, таких как обогрев зданий, однако является достаточным, чтобы предпочтительно использоваться в цикле TEES настоящего изобретения.
Предпочтительно, можно использовать относительно низкую долю тепла для улучшения эффективности цикла зарядки-разрядки системы TEES. Например, в настоящем изобретении можно повысить качество низкокалорийного тепла с целью аккумулирования энергии в период низкой стоимости электричества, и затем указанное аккумулированное тепло может быть использовано в период высокого потребления электричества для того, чтобы повысить температуру первой тепловой ванны в процессе зарядки или холодного резервуара-накопителя в процессе разрядки. Кроме того, когда отходящая теплота доступна, за исключением периода низкой стоимости электричества, тепло можно аккумулировать, например, в дополнительном бассейне с теплой водой до периода низкой стоимости электричества, когда можно повысить качество низкокалорийного тепла и аккумулировать энергию.
Специалисту в этой области техники будет ясно, что термодинамические циклы настоящего изобретения обеспечивают увеличение эффективности цикла зарядки-разрядки уже в случае, когда все стадии цикла выполняются в докритическом режиме. В рамках настоящего изобретения большее преимущество достигается, когда один или несколько этапов термодинамического цикла выполняют в сверхкритическом режиме.
Хотя обычной термоаккумулирующей средой является вода (если необходимо, в резервуаре под давлением), также могут быть использованы другие материалы, такие как масло или расплавленная соль.
Специалистам в этой области техники известно, что конденсатор и испаритель в системе TEES можно заменить многоцелевым теплообменным устройством, который может выполнять обе функции, поскольку использование испарителя в цикле зарядки и использование конденсатора в цикле разрядки осуществляется в различные периоды. Аналогично, функции турбины и компрессора могут быть выполнены таким же устройством, называемым здесь термодинамической машиной, с помощью которой могут быть решены обе задачи.