用于能量产生和存储的设备和方法技术

一种用于存储能量的设备(1)，该设备包括：壳体(5)，该壳体用于存储非大气空气的处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体；容器(9)，该容器用于存储在接近临界温度的温度下处于液相或超临界相的所述工作流体；其中，所述临界温度接近环境温度。设备(1)配置成在所述壳体(5)与所述容器(9)之间首先以充注配置沿一个方向并且然后以排放配置沿相反的方向执行闭合式循环热力学转换(CTT)；其中，设备(1)在充注配置中存储热和压力，并且设备在排放配置中产生能量。设备(1)还配置成限定闭合回路，并且配置成可选地在设备(1)处于充注配置或排放配置的同时在闭合回路中利用工作流体中的至少一部分工作流体执行闭合式热力学循环(TC)。循环(TC)。循环(TC)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于能量产生和存储的设备和方法


[0001]本专利技术的目的是用于产生和存储能量的设备和方法。
[0002]更准确地说，本专利技术的目的是下述系统：该系统能够吸收/使用能量、能够随时间推移保持所存储的能量并且能够将所存储的能量转换成机械能以用于致动一个或更多个从动机，并且/或者能够将所存储的能量转换成电能并在需要所述电能时将所述电能重新引入电网，而且能够从外部能量源(例如：回收热/WHR、太阳能、氢(H2)、生物质、废物、化石燃料)产生电能。
[0003]更详细地，本专利技术涉及通过热力学循环和/或循环热力学转换的致动，从各种源产生电能并以势能(压力)和热/热力学能的形式存储这些电能的系统。
[0004]本专利技术涉及用于陆地和海洋应用两者的中大型规模的从各种源产生能量并存储能量的系统的领域，该系统通常具有从数百kW至数十MW(例如20MW至25MW)、但也可以是数百MW的范围内的功率，并且具有从数百kWh至数百MWh并且甚至达若干GWh的范围内的存储容量。
[0005]本专利技术还可以涉及用于家用和商业应用、陆地和海洋两者的小规模的从各种源产生能量并存储能量的系统的领域，该系统通常具有从数kW至数百kW的范围内的功率并且具有从数kWh至数百kWh的范围内的存储容量。
[0006]定义
[0007]在本说明书和所附权利要求书中，将参照以下定义。
[0008]·
热力学循环(TC)：从点X至点Y的热力学转换，其中，X与Y重合；与下面提及的CTT(循环热力学转换)不同，TC在循环内没有质量积聚(对于能量目的而言意义重大)，而CTT通常在两个工作流体存储器、即一个初始工作流体存储器与另一个最终工作流体存储器之间工作；
[0009]·
循环热力学转换(CTT)：从点X至点Y以及从点Y至点X的热力学转换，不一定通过相同的中间点；
[0010]·
闭合式TC和/或CTT：与大气没有质量交换(对于能量目的而言意义重大)；
[0011]·
开放式TC和/或CTT：与大气有质量交换(对于能量目的而言意义重大)。

技术介绍

[0012]近来，由于从可再生能源并且特别是从风力和光伏能源生产能量的系统——这些系统的特点在于生产可变性和不可预测性——日益普及，因此电能存储系统已经变得越来越重要。
[0013]与上述需要一起，还越来越需要在没有“能量存储”的情况下从非常规和非可编程源、比如说例如从热力学太阳能源产生和回收能量的系统。
[0014]同一申请人名下的公开文献WO/2020/039416说明了一种能量存储设备以及方法。该设备包括：壳体，该壳体用于存储非大气空气的处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体；容器，该容器用于存储具有接近临界温度的温度、处于液相或超临界相的这样的工
作流体，其中，所述临界温度接近环境温度。该设备配置成在壳体与容器之间首先以充注配置沿一个方向并且然后以排放配置沿相反的方向执行闭合式循环热力学转换。在充注配置中设备存储热和压力，并且在排放配置中设备产生能量。

技术实现思路

[0015]申请人已经观察到的是，WO/2020/039416中描述的方法和设备可以被进一步改进、特别地关于该方法和设备的灵活性被进一步改进。
[0016]申请人还已经观察到的是，该方法可以被改进达到集成和构成用于从不可编程的源和从其他源产生机械能/电能的系统。
[0017]申请人特别感觉到需要制造用于产生机械能/电能的系统，这些系统能够调节吸收和产生的能量、特别是以与能量输入不成比例的方式与电网交换的电能，从而获得原动机(或反之亦然，热泵)，该原动机能够输送与能量输入不成比例或更好地与这种输入成比例但随时间偏移的动力。
[0018]在这种情况下，申请人已经设定了构思和实现用于能量产生和存储的设备和方法的目的，其允许：暂时将机械/电输出从能量输入中释放和/或调节电网频率(超快速和初级调节两者)；执行快速斜坡操作、平衡操作等。
[0019]申请人已经发现的是，上述目的和其他目的可以通过下述能量存储系统达到：该能量存储系统通过如WO/2020/039416中所说明的工作流体的循环热力学变换(CTT)与由相同工作流体中的至少一部分工作流体进行的闭合式热力学循环(TC)组合来操作。
[0020]能量存储(CTT)系统在工作流体的呈两个独立的容器的存储器之间首先沿一个方向并且然后沿相反的方向操作，工作流体的一种状态(较低温度下的状态)是大气压的，但该工作流体不是由大气空气而是由与大气处于压力平衡的另一种气体构成。所述系统的特征还在于：该系统存储能量，从而在温度接近临界温度的情况下(例如，小于以开尔文为单位的临界温度的1.2倍、优选地在0.5倍与1.2倍之间)将工作流体从初始的气态/蒸汽状态转变为最终的液态或超临界状态。其特征还在于：所述临界温度优选地离环境温度不远，优选地接近环境温度(优选地在0℃与200℃之间，更优选地在0℃与100℃之间)。
[0021]闭合式热力学循环(TC)可以是亚临界、超临界或跨临界的，并且利用能量存储(CTT)系统的相同机器致动，这些机器作为原动机(或作为热泵)工作。总体而言，因此该系统是混合的并且既作为电池(能量存储器CTT)工作也作为原动机/热泵(TC)工作。
[0022]工作流体优选地为二氧化碳(CO2)，但是为了改善系统的性能，也与系统操作的特定环境条件有关，可以使用CO2和其他物质的混合物，以便校正流体的临界温度T
C
。可以以始终是纯的或与其他物质混合的方式使用其他流体，比如SF6、N2O等。在提出的系统中，存在从压缩机的输送中回收的热的存储器。当系统可能利用不同的调节策略在亚临界和超临界条件下操作时，高压容器和低压容器两者均在恒定压力下工作，或者在任何情况下均在某些明确限定的范围内调节的压力下工作。
[0023]特别地，上述目的和其他目的基本上通过所附权利要求中要求保护的和/或在以下方面中描述的类型的用于能量产生和存储的设备和方法来实现。
[0024]在独立方面，本专利技术涉及一种能量产生和存储设备。
[0025]优选地，该设备包括：工作流体，该工作流体非大气空气；壳体，该壳体构造成存储
处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体；容器，该容器构造成存储在接近临界温度的温度下处于液相或超临界相的所述工作流体。
[0026]优选地，所述临界温度接近环境温度、优选地在0℃与100℃之间。
[0027]优选地，设备配置成在所述壳体与所述容器之间首先以充注配置沿一个方向并且然后以排放配置沿相反的方向执行闭合式循环热力学转换(CTT)；其中，设备在充注配置中存储热和压力，并且设备在排放配置中产生能量。
[0028]优选地，设备还配置成限定/界定闭合回路并且配置成在所述闭合回路中利用所述工作流体中的一部分工作流体执行闭合式热力学循环(TC)。
[0029]优选地，设备还配置成在所述设备处于充注配置或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种能量产生和存储设备，所述设备包括：工作流体，所述工作流体非大气空气；壳体(5)，所述壳体(5)构造成存储处于气相并且与大气处于压力平衡的所述工作流体；容器(9)，所述容器(9)构造成存储在接近临界温度的温度下处于液相或超临界相的所述工作流体，其中，所述临界温度接近环境温度、优选地在0℃与100℃之间；其中，所述设备配置成在所述壳体(5)与所述容器(9)之间首先以充注配置沿一个方向并且然后以排放配置沿相反的方向来执行闭合式循环热力学转换(CTT)；其中，所述设备在所述充注配置中存储热和压力，并且所述设备在所述排放配置中产生能量；其中，所述设备还配置成限定闭合回路，并且配置成可选地在所述设备(1)处于所述充注配置或所述排放配置的同时在所述闭合回路中利用所述工作流体中的至少一部分工作流体来执行闭合式热力学循环(TC)。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述工作流体具有以下化学
‑
物理特性：在0℃与200℃之间的临界温度，在25℃时在0.5kg/m3与10kg/m3之间的密度；并且/或者所述工作流体优选地选自包括以下各者的组：CO2、SF6、N2O。3.根据权利要求1或2所述的设备，包括：
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压缩机(3)和马达，所述压缩机(3)和所述马达彼此机械连接；
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涡轮机(2)和发电机(4b)和/或从动机(300)，所述涡轮机(2)和所述发电机(4b)和/或所述从动机(300)彼此机械连接；
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所述壳体(5)，所述壳体(5)在外部与大气接触并且在所述壳体(5)的内部界定构造成容纳处于大气压或基本大气压下的所述工作流体的容积部，其中，所述容积部选择性地与所述压缩机(3)的入口(3a)或与所述涡轮机(2)的出口(2b)流体连通，其中，可选地，所述壳体(5)是压力球囊；
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初级热交换器(7)，所述初级热交换器(7)选择性地与所述压缩机(3)的出口(3b)或与所述涡轮机(2)的入口(2a)流体连通；
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所述容器(9)，所述容器(9)与所述初级热交换器(7)流体连通以积聚所述工作流体；
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次级热交换器(10)，所述次级热交换器(10)在所述初级热交换器(7)与所述容器(9)之间或在所述容器(9)中操作地作用；
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附加的热交换器(13)，所述附加的热交换器(13)操作性地置于所述壳体(5)与所述压缩机(3)之间和/或置于所述壳体(5)与所述涡轮机(2)之间；
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另一热交换器(220)，所述另一热交换器(220)操作性地置于所述涡轮机(2)与所述初级热交换器(7)之间；所述设备(1)配置成以所述充注配置或以所述排放配置操作；其中，在所述充注配置中，所述壳体(5)与所述压缩机(3)的所述入口(3a)流体连通，并且所述初级热交换器(7)与所述压缩机(3)的所述出口(3b)流体连通，所述涡轮机(2)是静止的，所述马达(4a)操作并且驱动所述压缩机(3)以对来自所述壳体(5)的所述工作流体进行压缩，所述初级热交换器(7)作为冷却器工作以从被压缩的所述工作流体中移除热、使被压缩的所述工作流体冷却并且存储热能，所述次级热交换器(10)作为冷却器工作以从被压缩的所述工作流体中移除更多的热并且存储更多的热能，所述容器(9)接纳并存储被压缩
且被冷却的所述工作流体，其中，存储在所述容器(9)中的所述工作流体具有接近所述工作流体自身临界温度的温度；其中，在所述排放配置中，所述壳体(5)与所述涡轮机(2)的所述出口(2b)流体连通，并且所述初级热交换器(7)与所述涡轮机(2)的所述入口(2a)流体连通，所述压缩机(3)是静止的，所述次级热交换器(10)作为加热器工作以向来自所述容器(9)的所述工作流体释放热，所述初级热交换器(7)作为加热器工作以向所述工作流体释放更多的热并且对所述工作流体进行加热，所述涡轮机(2)通过被加热的所述工作流体而旋转并且驱动所述发电机(4b)和/或所述从动机(300)，从而产生能量，所述工作流体在所述壳体(5)中返回至大气压或基本大气压；所述设备(1)配置成限定所述闭合回路并执行所述闭合式热力学循环(TC)；其中，在所述闭合回路中，所述压缩机(3)的所述出口(3b)与所述另一热交换器(220)流体连通，所述涡轮机(2)的所述出口(2b)与所述压缩机(3)的所述入口(3a)流体连通，并且所述附加的热交换器(13)操作性地置于所述涡轮机(2)的所述出口(2b)与所述压缩机(3)的所述入口(3a)之间。4.根据权利要求3所述的设备，包括：第一旁路导管(310)，所述第一旁路导管(310)包括相应的第一阀(311)，其中，所述第一旁路导管(310)构造成将所述压缩机(3)的所述出口(3b)与所述另一热交换器(220)连接，并且构造成绕过所述初级热交换器(7)和所述容器(9)；第二旁路导管(320)，所述第二旁路导管(320)包括相应的第二阀(321)，其中，所述第二旁路导管(320)构造成将所述涡轮机(2)的所述出口(2b)与所述压缩机(3)的所述入口(3a)连接并且构造成绕过所述壳体(5)。5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第一阀(311)和所述第二阀(321)能够被节流以调节所述闭合式热力学循环(TC)中的工作流体的流量。6.根据权利要求3、4或5所述的设备，包括回热器(400)，所述回热器(400)在所述初级热交换器(7)与所述另一热交换器(220)之间以及在所述涡轮机(2)的所述出口(2b)与所述附加的热交换器(13)之间操作性地作用。7.根据权利要求3至6中的一项所述的设备，其中，所述压缩机(3)是多级且中间冷却的。8.根据权利要求1至7中的一项所述的设备，其中，所述另...

【专利技术属性】
技术研发人员：克劳迪奥，
申请(专利权)人：能源穹顶公司，
类型：发明
国别省市：