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CN113454313B - 能量存储设备以及方法 - Google Patents

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CN113454313B
CN113454313B CN201980092351.0A CN201980092351A CN113454313B CN 113454313 B CN113454313 B CN 113454313B CN 201980092351 A CN201980092351 A CN 201980092351A CN 113454313 B CN113454313 B CN 113454313B
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energy storage
primary
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Energy Dome SpA
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Abstract

一种能量存储设备(1)，该能量存储设备(1)包括：壳体(5)，该壳体(5)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(9)用于存储在温度接近临界温度的情况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)构造成在所述壳体(5)与所述容器(9)之间进行首先沿一个方向进入充注配置并且然后沿相反的方向进入排放配置的闭合式热力学循环转换(TTC)；其中，设备(1)在充注配置中存储热和压力，并且在排放配置中产生能量。

Description

能量存储设备以及方法
技术领域
本发明的目的是用于存储电能的设备和方法。更准确地说，本发明的目的是下述系统：该系统能够在表现出过剩的可用性和/或消耗的稀缺性时从电网或系统中吸收/使用电能、能够及时保持所存储的能量并且能够将所存储的能量转换成电能并且在需要所述电能时将其放回电网中。详细地，本发明涉及以势能(压力)和热/热力学能的形式存储电能的系统。本发明是用于陆地和海洋应用的中型和大型能量存储系统的一部分，通常具有数百kW直至数十MW(例如20MW至25MW)、但也可以是数百MW的功率，并且具有从数百kWh直至数百MWh并且甚至直至若干GWh的存储容量。本发明还可以安置在用于家用和商业应用、陆地和海洋的小型能量存储系统的领域中，通常具有从数kW直至数百kW的功率并且具有从数kWh直至数百kWh的存储容量。
定义
以下定义将用于本说明书和所附权利要求书中。
·热力学循环(CT)：从点X至点Y的热力学转换，其中，X与Y重合；与下面的TTC(热力学循环转换)不同，CT在循环内没有质量积聚(对于能量目的而言意义重大)，而TTC通常在工作流体的两个存储器之间工作，一个存储器是初始的并且另一存储器是最终的；
·热力学循环转换(TTC)：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；
·闭合式CT和/或TTC：与大气没有质量交换(对于能量目的而言意义重大)；
·开放式CT和/或TTC：与大气有质量交换(对于能量目的而言意义重大)。
背景技术
近来，由于用于生产来自可再生能源并且特别是来自风力和光伏能源的下述系统日益普及：这些系统的特点在于生产可变性和不可预测性，因此电能存储系统变得越来越重要。
电能存储系统可以为隔离的和互连的电网执行各种基本功能，包括频率的调节/动态惯性的供应，“灵活爬坡”系统的供应、即允许启动应急生产系统，从生产较多且需求较少的时间至在另一方面呈现出较大需求和/或缺乏生产、季节性补偿等的时间的“能量转移”。
除了根据通常具有高成本和有限的使用寿命的电化学原理(电池)操作的系统、仅适用于少量存储能量的机械装置(飞轮)之外，目前正在使用或正在开发或以其他方式已知的系统包括以下内容。
主要使用的系统是水电抽水蓄能系统(PUMPED HYDRO STORAGE-PHS)，目前所述系统占比超过全球安装存储容量的90％。这些系统适用于长期和短期存储，在成本方面极具竞争力，但是具有只能在具有特定地貌条件的地方建造的缺点。所述PHS系统可以以潜在形式并且特别是以重力形式算在能量存储系统中。在文件GB 2518125 A中公开的系统也属于重力系统族系。
使用的第二系统是所谓的CAES系统(压缩空气能量存储系统)，该系统包括开放式TTC，开放式TTC通过转换为势能(压力)和(可能的)热能而积聚。该CAES系统在基本(非绝热)配置和更高级的AA-CAES(高级绝热的CAES；参见US 4,147,205——压缩空气储能装置)配置中是已知的。这些系统适用于长期和短期存储，在成本方面极具竞争力，在“往返效率”方面比PHS系统效率低，并且这些系统也具有只能在具有特定地貌条件的地方建造的缺点。
CAES系统还具有另外的缺点，即容器/空穴的压力随其充注水平而变化。这会影响TTC的效率和执行CAES的涡轮机的效率。
已知该系统还可以弥补CAES系统缺少地下空穴的缺陷。特别地，已知的解决方案是寻求使其在地上容器中存储能量在经济上可行，而无需地下空穴。示例在LIGHTSAIL的US2011/0204064中，其中，提出了特殊结构的容器，以试图控制地上存储容器的成本，反之会使所述CAES地上系统的成本无利可图。这些解决方案也属于根据开放式TTC工作的系统。
结合两个前述系统的系统也是已知的(参见US 7,663,255 B2)，其中，CAES和PHS的组合也允许CAES系统在恒定的压缩压力下操作。这些系统也根据开放式TTC工作。
文件“压缩空气能量存储和热电能量存储的新概念(Novel concept ofcompressed air energy storage and thermos-electric energy storage)”-THESEN.5525(2012)-Ecole Polytechnique Federale de Lousanne公开了所有类型的CAES能量存储系统。其中，公开了非绝热、绝热、等温以及与PHS结合以允许恒定压缩压力的CAES系统，该系统被称为与PHS结合的恒压CAES。这些系统也是根据开放式TTC工作的系统。
同一文件还公开了由ABB公司研究中心提出的所谓的TEES(热电能量存储系统)(另外参见EP 2532843 A1和EP 2698506 A1)。这是根据闭合式CT工作的系统中的一个系统，并且可以算在PHES系统中。PHES系统(泵送热电存储系统)是用于通过使用例如Rankine、Brayton或Kalina CT将电能/机械能转化为热能而存储电能/机械能的系统。
除了上述使用跨临界和超临界CO2循环或其他流体循环以及因此使用可逆的跨超临界Rankine循环的系统之外，具有Brayton循环的PHES系统是已知的，该系统通常使用氩气，但也可以使用空气(参见Isoentropic EP 2220343B1和US 2010/0257862 A1以及Laughlin US 2016/0298455 A1。这是根据闭合式CT中工作系统中的一个系统，并且可以算在PHES系统中)。
可以算在PHES/TEES系统中的另一系统是Siemens-Gamesa系统(参见US 2014/0223910 A1和US 8,991,183 B2以及US 8,966,902 B2)，该系统结合了用于充注阶段和排放阶段的两个不同循环，并且特别是为高温热存储容器的充注阶段提供了Brayton循环或简单的电阻耗散并且为电能的排放/产生阶段提供了蒸汽Rankine循环。这种类型的解决方案是PHES系统中的一个系统。该系统是借助于多个开放和/或闭合式CT执行的。
应当注意的是，也被称为TEES的所有PHES系统都是基于“闭合式”且可逆的热力学循环原理。根据提出的不同的解决方案，所述循环可以是“闭合式”Rankine循环或Brayton循环，但是在任何情况下几乎可逆的马达/热泵的工作流体根据“闭合式”热力学循环执行转换，在该循环中，不存在根据所需存储容量而定尺寸的中间积聚物。
所有类型的所有CAES系统都是根据“开放式”热力学循环首先沿一个方向并且然后沿另一方向进行转换——也就是说，将空气吸入并返回至大气——的替代系统。
另一已知的能量存储方法是所谓的LAES系统(液体空气能量存储系统，参见US2009/0282840A1)。LAES方法涉及根据“开放式”热力学转换进行转换，即将空气吸入并返回至大气。此外，该系统在接近-200℃的低温下工作，具有很高的技术难度。这也属于根据开放式TTC工作的系统。
在Qing He，Yinping Hao，Hui Liu，Wenyi Liu的“基于正交法的超临界压缩二氧化碳能量存储系统的可用能效率分析(Analysis of the exergy efficiency of asuper-critical compressed carbon dioxide energy-storage system based on theorthogonal method)”中，还提出了将CO2作为用于能量存储系统的工作流体。所提出的系统(也被称为SC-CCES(超临界-压缩二氧化碳能量存储))按照规定使用“两个盐水层作为存储器”。在该SC-CCES系统中，来自压缩机输送的CO2被直接发送至存储器而不需要置入任何热交换器和/或热能存储系统。此外，在排放循环期间，从涡轮机排放的CO2通过同流换热器加热进入涡轮机的相同的CO2。该解决方案属于根据闭合式TTC工作的系统、即在两个封闭式容器之间工作的系统。
此外，文件“绿色能量存储(Green Energy Storage)”：“用以帮助维持恒定的电力供应的经压缩的液态CO2和大型地下空穴的潜在用途(The Potential Use of compressedLiquid CO2 and Large Sub-Terrain Cavities to Help Maintain a ConstantElectricity Supply)”-Dalgaard JZ(在名称和摘要以及文件的正文中)谈到了关于CO2在地下空穴中的使用。
发明内容
申请人指出的是，当前的电能存储系统不具有允许其在不同情况下经济地使用的特性。
特别地，在一些情况下(例如PHS和CAES)，系统需要很难找到的非常特殊的地貌情况。在一些情况下(例如PHS)，这种系统的实施需要制造对环境有严重影响的水库。
在其他情况下(AA-CAES)，热能存储系统的实现存在难以以低成本解决的问题，并且此外，仍然需要确定合适的地下空穴。以上问题也导致难以实现令人满意的往返效率(RTE)。在任何情况下，在存储容器中利用可变压力工作的问题仍然存在，除非CAES系统与PHS系统相结合，这会带来明显的额外的成本复杂性并且需要确定正确的地质条件。
申请人还观察到的是，建造表面CAES系统的尝试遇到了以具有竞争力的成本建造加压空气存储容器以使系统本身能够被建造的实际不可能性。
申请人还观察到的是，由于在低温条件下工作所固有的问题，构建LAES系统的尝试目前还不允许开发经济上可行的系统。在层间真空的双层容器和其他昂贵的装置中存储低温能量的问题使得该技术难以在成本方面进行优化。
申请人还观察到的是，构建具有几乎可逆的Rankine循环的PHES系统的尝试在实现令人满意的往返效率(RTE)(即60％以上的往返效率(RTE))并且同时具有合理的成本方面存在相当大的困难，RTE与设备中的温差有关。
类似地，基于Brayton循环的PHES系统必须应对以下事实：这些系统在每个循环中都使用压缩机和涡轮机以进行充注和排放。这需要更高的投资成本，但也需要更大的不可逆性，这种不可逆性只有通过在冷存储器与热存储器之间保持非常高的温差才可以被补偿以获得高TEN。
在这种情况下，申请人为自己设定了设计和实现能量存储方法和设备、即能量存储系统的目的，也就是说：
■能够在不同的地貌情况下完成，不需要实现特定的地理或地域条件，并且最终在一定规模下也可以用于海洋/近海应用；
■能够获得高RTE，并且在任何情况下都高于70％且高达75％，并且甚至高达80％，并且甚至更多；
■能够通过下面描述的各种系统以可调节的存储容器压力工作；
■简单且经济，优选地，以低于100美元/kWh的建造成本为目标，并且特别地，允许在压力下且以高能量密度(以m3 存储/kWh所存储的为单位)存储；
■能够通过使用环境温度的变化来增加其RTE；
■安全且环保，例如不使用特别危险的流体；
■模块化；
■紧凑；
■持续或具有30年的延长使用寿命；
■灵活并且能够迅速投入操作；
■能够容易且经济地维护；
■耐腐蚀(尤其对于海洋应用而言)；
■具有低水平的振动和噪音。
申请人已经发现的是，上述目的和其他目的可以通过能量存储系统借助于首先沿一个方向并且然后沿相反的方向进行的热力学循环转换(TTC)在两个不同容器中的工作流体的两次积聚之间实现，其中，所述工作流体中的一种工作流体(具有最低压力的工作流体)是大气，但该工作流体不是大气空气，而是与大气处于压力平衡的另一气体。该系统的特征还在于以下事实：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倍至1.2倍之间)将工作流体从初始气态/蒸汽状态转换为最终液态或超临界状态。其特征还在于以下事实：该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℃至200℃之间，更优选地在0℃至100℃之间)。
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TC。可以使用始终是纯的或与其他物质混合的其他流体，比如SF6、N2O等。
在本发明提出的系统中，存在从压缩机的输送中回收的热的存储。当系统可能利用不同的控制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。
特别地，所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类型和/或在以下方面中描述的类型的用于存储能量的设备和方法来实现。
在独立方面，本发明涉及一种能量存储设备(能量存储系统)。
优选地，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，在0.5倍至1.2倍之间)处于液相或超临界相的所述工作流体；其中，所述临界温度在0℃至200℃之间，更优选地在0℃至100℃之间，优选地接近环境温度；
其中，设备构造成在所述壳体与所述容器之间进行首先沿一个方向进入充注配置/阶段并且然后沿相反的方向进入排放配置/阶段的闭合式热力学循环转换(TTC)；其中，系统在充注配置中积聚热和压力，并且在排放配置中产生能量。
优选地，工作流体具有以下化学-物理性能：在0℃至100℃之间的临界温度，在25℃时，在0.5kg/m3至10kg/m3之间的密度，优选地在1kg/m3至2kg/m3之间的密度。
优选地，工作流体选自包括以下各者的组：CO2、SF6、N2O，或其混合物，或者甚至其与充当添加剂的其他组分的混合物，例如主要用于修改所得混合物的临界温度的参数，以优化系统的性能。
优选地，该能量存储设备包括：
-压缩机和马达，该压缩机和马达彼此机械连接；
-涡轮机和发电机，该涡轮机和发电机彼此机械连接；
-所述壳体，所述壳体在外部与大气接触并且在内部界定构造成容纳处于大气压或基本大气压的工作流体的容积部，其中，所述容积部选择性地与压缩机的入口或与涡轮机的出口连通；
-初级热交换器(或者甚至多个初级热交换器，所述多个初级热交换器也可以在其次级侧上利用不同的流体操作)，该初级热交换器选择性地与压缩机的出口或与涡轮机的入口流体连通；
-所述容器，所述容器与初级热交换器流体连通以积聚工作流体；
-次级热交换器，该次级热交换器在操作上作用在初级热交换器与容器之间或容器中。
该设备构造成以充注配置或以排放配置操作。
在充注配置中，壳体与压缩机的入口流体连通，并且初级热交换器与压缩机的出口流体连通，涡轮机处于静止，马达操作并且驱动压缩机以压缩来自壳体的工作流体，初级热交换器作为冷却器工作以从被压缩的工作流体中移除热、使工作流体冷却并且存储热能，次级热交换器作为冷却器工作以从被压缩的工作流体中移除额外的热并且存储额外的热能，容器接收并存储被压缩且被冷却的工作流体，其中，存储在容器中的工作流体具有接近其自身临界温度的温度(例如，在以开尔文为单位的临界温度的0.5倍与1.2倍之间)。
在排放配置中，壳体与涡轮机的出口流体连通，并且初级热交换器与涡轮机的入口流体连通，压缩机处于静止，次级热交换器作为加热器工作以向来自容器的工作流体释放热，初级热交换器作为加热器工作以向工作流体进一步释放热并且对工作流体进行加热，涡轮机通过被加热的工作流体而旋转并且驱动发电机，从而产生能量，工作流体在壳体中返回至大气压或基本大气压。
在独立方面，本发明涉及一种能量存储方法，可选地，涉及利用根据前述方面或根据以下方面中的至少一个方面来实现的能量存储方法。
优选地，该方法包括：在壳体与容器之间执行首先沿一个方向进入充注配置/阶段并且然后沿相反的方向进入排放配置/阶段的闭合式热力学循环转换(TTC)，壳体用于存储除大气空气以外的处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体，容器用于存储在温度接近临界温度(例如，温度在以开尔文为单位的临界温度的0.5倍与1.2倍之间)的情况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℃至100℃之间，但也可以高达200℃；其中，该方法在充注阶段积聚热和压力，并且在排放阶段产生能量。
优选地，所述工作流体具有以下化学-物理性能：在0℃至200℃之间的临界温度，更优选地，在0℃至100℃之间的临界温度，优选地，接近环境温度的临界温度。
优选地，该工作流体选自包括以下各者的组：CO2、SF6、N2O，或其混合物，或者甚至其与充当添加剂的其他组分的混合物，例如主要用于修改所得混合物的临界温度的参数，以优化系统的性能。
优选地，该方法包括能量充注的阶段和排放及产生能量的阶段。
充注阶段包括：
-压缩来自所述壳体的工作流体从而吸收能量，所述壳体在外部与大气接触并且在内部界定构造成容纳处于大气压或基本大气压的所述工作流体的容积部；
-将被压缩的工作流体注入穿过串联安置的初级热交换器(或者甚至多个初级热交换器，所述多个初级热交换器最终在其次级侧上利用不同的流体操作)和次级热交换器，使工作流体的温度接近其自身的临界温度；其中，初级热交换器作为冷却器工作以从被压缩的工作流体中移除热、使工作流体冷却并且存储热能，其中，次级热交换器作为冷却器工作以从被压缩的工作流体中进一步移除热并且进一步存储热能；
-将被冷却的工作流体积聚在所述容器中；其中，次级热交换器和初级热交换器操作工作流体的超临界转换，使得所述工作流体以超临界相积聚在容器中，或者其中，次级热交换器和初级热交换器操作工作流体的亚临界转换，使得所述工作流体以液相积聚在容器中(优选地，也具有将压力调节至相对最小值/较低值的目的)。
排放及动力产生的阶段包括：
-使来自容器的工作流体穿过次级热交换器和初级热交换器；其中，次级热交换器作为加热器工作以向来自容器的工作流体传递热(优选地，也具有将压力调节至相对较高值/最大值的目的)，其中，初级热交换器作为加热器工作以向工作流体释放额外的热并且对工作流体进行加热；
-使被加热的工作流体穿过涡轮机，其中，涡轮机通过被加热的工作流体而旋转并且驱动发电机，从而产生能量，其中，工作流体在涡轮机中膨胀和冷却；
-将来自涡轮机的工作流体在大气压或基本大气压下重新注入到壳体中。
申请人已经证实的是，根据本发明的方法和装置允许实现设定的目的。
特别地，申请人已经证实的是，本发明允许在没有特殊地貌特征的地方以安全的方式和低环境影响存储能量，甚至对于海洋/近海应用也是如此。
申请人还证实的是，根据本发明的装置的制造和后续维护相对便宜。
申请人还证实的是，本发明能够实现高RTE。
申请人还证实的是，本发明允许在有可能调节存储容器中的压力的情况下操作能量存储器，从而允许系统的更好的可操作性、涡轮机械和系统两者在RTE方面的更高的效率。
下面列出了本发明的各方面。
在一个方面，初级热交换器是热存储器(热能存储器-TES)或在操作上联接至热存储器(热能存储器-TES)。
在一个方面，在壳体与压缩机入口之间以及在壳体与涡轮机出口之间形成第一管路，以将流体壳体与压缩机和涡轮机连接。
在一个方面，至少一个阀在操作上安置在所述第一管路上，以交替地将流体与压缩机壳体或将涡轮机与壳体连接。
在一个方面，在涡轮机入口与初级热交换器之间以及在压缩机出口与初级热交换器之间形成第二管路，以使所述初级热交换器与所述压缩机和涡轮机流体连通。
在一个方面，至少一个阀在操作上安置在所述第二管路上，以使压缩机与初级热交换器或使初级热交换器与涡轮机流体连通。
在一个方面，在初级热交换器与次级热交换器之间形成第三管路，以使所述初级热交换器与所述次级热交换器流体连通。
在一个方面，附加的热交换器在操作上安置在壳体与压缩机之间以及壳体与涡轮机之间，以在充注配置中在压缩机中进行压缩之前对工作流体进行预热，或者在排放配置中对来自涡轮机的工作流体进行冷却。
在一个方面，附加的热交换器在操作上与第一管路相关联。
在一个方面，附加的热交换器包括附加的热能存储装置。
在一个方面，在充注配置中，附加的热交换器作为加热器工作以对工作流体进行预热。
在一个方面，在排放配置中，附加的热交换器作为冷却器工作以对工作流体进行冷却并且存储额外的热能，额外的热能在充注配置中用于对所述工作流体进行预热。
在一个方面，在连接至涡轮机的出口的第一管路的分支上安置有冷却器。
在一个方面，与附加的热源在操作上相关联的另一热交换器在操作上置于涡轮机与初级热交换器之间并且构造成在排放阶段在工作流体进入涡轮机之前进一步加热工作流体。
在一个方面，在排放配置中，附加的热源向工作流体提供额外的热。
在一个方面，在排放及产生能量的阶段，在初级热交换器与涡轮机之间，经由附加的热源进一步加热工作流体。
在一个方面，附加的热源是：太阳能源(例如，太阳能场)和/或工业废热回收(废热回收)和/或来自燃气涡轮机(GT)的余热。
在一个方面，工作流体在排放阶段且恰好进入涡轮机之前经由附加的热源和另一热交换器带来的温度高于在充注阶段期间工作流体在压缩结束时的温度。
在一个方面，工作流体经由附加的热源和附加的热交换器带来的温度与工作流体在压缩结束时的温度相比高约100℃，但是也可以高200℃或300℃或400℃。
申请人已经证实的是，通过附加的热源对工作流体的进一步加热允许显著提高往返效率(RTE)。
在一个方面，壳体是可变形的。
在一个方面，壳体具有气量计的结构。
在一个方面，壳体是压力球囊。
在一个方面，壳体由柔性材料制成，优选地由塑料、例如PVC涂覆的聚酯织物制成。
在一个方面，马达和发电机是不同的元件，其中，马达优选地永久地连接至压缩机，并且发电机优选地永久地连接至涡轮机。
在一个方面，马达和发电机由单个马达发电机限定。
在一个方面，该设备在马达发电机与压缩机之间以及还在马达发电机与涡轮机之间包括连接装置——优选地是离合器类型的连接装置——以将马达发电机机械且交替地连接至压缩机或涡轮机。
在一个方面，马达发电机、压缩机和涡轮机布置在同一轴线上。
在一个方面，工作流体在压缩机中的压缩是绝热的、中间冷却的或等温的。
在一个方面，工作流体在涡轮机中的膨胀是绝热的、中间加热的或等温的。
在一个方面，压缩机或涡轮机连接有辅助热存储器(热能存储器TES)。
在一个方面，辅助热存储器构造成在压缩机中并且在充注阶段期间利用一次或更多次中间冷却实现中间冷却压缩。
在一个方面，辅助热存储器构造成在涡轮机中并且在排放阶段期间利用一次或更多次中间加热执行中间加热膨胀。
在一个方面，设想的是，在充注阶段执行多次中间冷却并且仅使用中间冷却的一部分的热(积聚在辅助热存储器中)执行与中间冷却的次数相比更少次数的中间加热。
在一个方面，设想的是，在充注阶段执行多次中间冷却并且在排放阶段仅通过使用最后一次中间冷却的热(积聚在辅助热存储器中)执行单次中间加热。
申请人已经证实的是，通过附加的热源对工作流体的进一步加热以及中间冷却和上述中间加热的组合允许将往返效率(RTE)提高至大于100％的值。
在一个方面，初级热交换器是或包括固定床或移动床热再生器。
在一个方面，固定床或移动床热再生器包括至少一个热质量件，所述至少一个热质量件被工作流体包围。
在一个方面，固定床或移动床热再生器包括至少一个热质量件，所述至少一个热质量件未被工作流体包围而是通过壁与工作流体隔开，该壁通常由能够承受压力的金属制成，并且因此该质量件处于大气压下。
在一个方面，热质量件包括非粘结材料，可选地，包括砾石或金属或陶瓷球。
在一个方面，热质量件包括粘结材料，可选地，包括水泥或陶瓷或金属。
在一个方面，初级热交换器包括供初级流体穿过的初级回路或供若干初级流体——可选地为水、油或盐——穿过的若干初级回路。
在一个方面，初级回路包括构造成与工作流体交换热的热交换部分。
在一个方面，初级回路包括用于所述初级流体的至少一个初级存储室，优选地包括两个存储室。
在一个方面，初级回路包括在装置/方法的充注配置/阶段中用于在从工作流体中移除热之后积聚的初级热流体的初级热存储室以及在装置/方法的排放配置/阶段中用于在向工作流体传递热之后积聚的初级冷流体的初级冷存储室。
在一个方面，初级回路包括优选地在大气压下操作的固定床热再生器，该固定床热再生器被初级流体包围。
在一个方面，次级热交换器包括供次级流体——可选地为空气或水——穿过的次级回路。
在一个方面，次级回路包括构造成被工作流体包围的热交换部分。
在一个方面，次级回路包括用于该次级流体的至少一个次级存储室。
在一个方面，次级回路包括在装置/方法的充注配置/阶段中用于在从工作流体中移除热之后积聚的次级热流体的次级热存储室以及在装置/方法的排放配置/阶段中在向工作流体释放热之后积聚的次级冷流体的次级冷存储室。
在一个方面，次级热交换器位于初级热交换器与所述容器之间。
在一个方面，次级热交换器集成到容器中。
在一个方面，次级热交换器配备有用于调节次级流体——通常为水或空气——的流速和/或温度的系统，当系统在亚临界条件下操作时，所述系统能够在一定限度内调节存储容器中的压力。
温度控制可以通过从大气中增加热或向大气中移除热来进行，也可以利用在一天中的不同时间空气和水的环境温度的正常波动。
在一个方面，次级热交换器安置在装满水的包括一个室或两个室的储槽中。在所述次级热交换器中，工作流体借助于循环的水、优选地通过浸没式泵在充注阶段期间被冷凝并且在排放阶段期间被蒸发。所述储槽的两个室可以被覆盖或未覆盖并且与环境连通或不连通，使得在充注阶段水从其循环以用于冷凝的室总是被周围环境冷却，而在排放阶段水从其循环以用于蒸发的室总是被周围环境加热并且可以通过覆盖件保温。
在一个方面，以上内容可以通过特殊的交换系统得到进一步支持，所述交换系统以与环境对流和辐射的方式吸收热或释放热，所有这些都是为了提高系统的RTE。这样，当系统在亚临界条件下操作时执行压力调节。
在一个方面，次级热交换器的热交换部分容置在容器内部。
在一个方面，次级回路构造成在充注配置中从工作流体中移除热或者构造成在排放配置中向处于100℃以下的温度、可选地处于0℃至50℃之间的温度、可选地处于接近环境温度的温度下的工作流体传递热。
在一个方面，在充注配置/阶段中，因为次级热交换器在接近环境温度的条件下工作——由于流体具有接近环境温度的临界温度的事实，因此通过次级热交换器的除热阶段可以通过与大气直接或间接交换的阶段来辅助。
在一个方面，在排放配置/阶段中，因为次级热交换器在接近环境温度的条件下工作——由于流体具有接近环境温度的临界温度的事实，因此通过次级热交换器的供热阶段可以通过与大气直接或间接交换的阶段来辅助。
在一个方面，容器是球形的或基本球形的。
在一个方面，容器是筒形的或基本筒形的。
在一个方面，容器的外壁由金属制成。
在一个方面，积聚在容器中的工作流体的温度在0℃至100℃之间。
在一个方面，积聚在容器中的工作流体的压力在10bar至150bar之间，优选地在10bar至150bar之间，优选地在50bar至100bar之间，优选地在65bar至85bar之间。
在一个方面，工作流体在容纳在容器中时的密度与工作流体在容纳在壳体中时的密度之间的比率在200至500之间。
在一个方面，次级热交换器和初级热交换器构造成操作工作流体的超临界转换，使得所述工作流体以超临界相积聚在容器中。
在一个方面，提供用于从初级热交换器中的工作流体中移除热，直至工作流体在T-S图中达到临界温度以上的温度并且在Andrews钟形图以上。
在一个方面，提供用于通过使工作流体进入超临界相并且使工作流体遵循Andrews钟形图的右侧部分而从次级热交换器中的工作流体中移除热。
在一个方面，容器包括分离膜，该分离膜构造成将容器在内部分成具有可变容积的用于处于超临界相的工作流体的第一室和具有可变容积的与包含不可压缩流体的补偿回路流体连通的第二室，不可压缩流体可选地为水。
在一个方面，补偿回路构造成在包含在容器的第一可变容积室中的超临界工作流体中保持基本恒定的压力，或者至少构造成保持工作流体压力始终在某个最小值以上。
在一个方面，补偿回路包括用于不可压缩流体——可选地，处于大气压下——的与第二可变容积室流体连通的辅助容器。
在一个方面，补偿回路包括辅助涡轮机，该辅助涡轮机连接至辅助发电机并且构造成在装置/方法的充注配置/阶段中通过来自第二可变容积室的不可压缩流体而旋转。
在一个方面，补偿电路的液体(通常为水)在充注阶段的膨胀能量在存储系统通过压缩机的充注能量的1/100至7/100之间。
在一个方面，补偿回路包括泵，该泵连接至辅助马达并且构造成在装置/方法的排放配置/阶段中将不可压缩流体从辅助容器泵送到第二可变容积室中。
在一个方面，补偿回路的液体(通常为水)在排放阶段的泵送能量在存储系统通过涡轮机的排放能量的1/100至7/100之间。
在一个方面，次级热交换器和初级热交换器构造成执行工作流体的亚临界转换，使得工作流体以液相积聚在容器中。
在一个方面，提供用于从初级热交换器中的工作流体中移除热，直至工作流体在T-S图中达到临界温度以下的温度并到达Andrews钟形图的左侧部分的点。
在一个方面，提供用于通过使工作流体穿过饱和蒸汽区直至其达到液相而从次级热交换器中的工作流体中移除热。
在根据本发明的用于能量存储的设备和方法的优选但非排他性的实施方式的详细描述中，其他特征和优点将更详细地显现。
附图说明
下面将参照出于指示和非限制性的目的而提供的附图对该描述进行阐述，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的能量存储设备的实施方式；
图2示出了图1的设备的变型；
图3是示出了根据本发明的在图1或图2的设备中实施的方法的T-S图；
图4示出了根据本发明的能量存储设备的另一实施方式；
图5示出了图4的设备的变型；
图6是示出了根据本发明的在图4或图5的设备中实施的方法的T-S图；
图7是示出了根据本发明的在图4或图5的设备中实施的方法的一部分的T-Q图；
图8、图9和图10示出了图2的设备的一部分的相应的变型；
图11和图12示出了图1、图2、图4和图5中的设备的不同部分的变型；
图13示出了根据本发明的能量存储设备的另一实施方式。
具体实施方式
参照附图，根据本发明的用于存储能量(储能)的设备总体上用附图标记1指示。
例如，设备1使用除大气空气以外的工作流体进行操作。
例如，设备1使用选自包括二氧化碳CO2、六氟化硫SF6、一氧化二氮N2O的组的工作流体进行操作。在以下描述中，与所描述的设备1结合使用的工作流体是二氧化碳CO2。
设备1构造成执行首先沿一个方向进入充注配置/阶段并且然后沿相反的方向进入排放配置/阶段的闭合式热力学循环转换(TTC)，其中，设备1在充注配置中存储热和压力并且在排放配置中产生电能。
参照图1，设备1包括机械地连接至单个马达发电机4的轴的涡轮机2和压缩机3。马达发电机4、压缩机3和涡轮机2布置在同一轴线上。涡轮机2的轴借助于连接装置——例如离合器类型的连接装置——联接至马达发电机4的轴的一个端部，所述连接装置使得可以根据命令将涡轮机2与马达发电机4连接及断开连接。类似地，压缩机3的轴借助于连接装置——例如离合器类型的连接装置——联接至马达发电机4的轴的相对的端部，所述连接装置允许压缩机3根据命令与马达发电机4连接及断开连接。在此处未示出的其他实施方式中，马达牢固地连接至压缩机3并且发电机牢固地连接至涡轮机2。在这种情况下，马达永久地连接至压缩机3，并且发电机永久地连接至涡轮机2。
设备1包括壳体5，该壳体5优选地通过由柔性材料——例如PVC涂覆的聚酯织物——制成的压力球囊限定。压力球囊安置在地球表面并且在外部与大气空气接触。压力球囊在内部界定构造成容纳处于大气压或基本大气压、即与大气处于压力平衡的工作流体的容积部。壳体5还可以设计为气量计或具有低过压或没有过压的任何其他气体存储系统。
在壳体5与压缩机3的入口3a之间以及在壳体5与涡轮机2的出口2b之间形成第一管路6，以将壳体5的内部容积与所述压缩机3和所述涡轮机2连接。未示出的阀或阀系统可以在操作上安置在第一管路6上，以使壳体5与压缩机3的入口3a或使涡轮机2的出口2b与壳体5交替地流体连通。
设备1包括初级热交换器7，该初级热交换器7可以选择性地与压缩机3的出口3b或涡轮机2的入口2a流体连通。为此目的，在涡轮机2的入口2a与初级热交换器7之间以及在压缩机的出口3b与初级热交换器7之间形成第二管路8。未示出的阀或阀系统在操作上位于第二管路8上，以将初级热交换器7与涡轮机2的入口2a或将压缩机3的出口3b与初级热交换器7连接。在优选的实施方式中，第二管路8上仅定位有一个阀或阀系统。
容器9与初级热交换器7流体连通，并且容器9构造成存储处于液相或超临界相的工作流体。
容器9优选地由具有球形外壁的金属制成。
次级热交换器10在操作上作用在初级热交换器7与容器9之间或所述容器9中，并且次级热交换器10构造成对积聚在容器9中的或在容器9中处于积聚阶段的工作流体进行操作。根据图1的实施方式中所示出的，在下述意义上，次级热交换器10集成在容器9中：次级热交换器10具有其自身的热交换部分11，该热交换部分11容置在容器9内部并且构造成被容纳在所述容器9中的工作流体碰触。在初级热交换器7与容器9之间形成第三管12，以使所述初级热交换器7与所述容器9和所述次级热交换器10流体连通。
在图1的示意图中，设备1还可以包括附加的热交换器13和可能的冷却器13a，附加的热交换器13在操作上安置在壳体5与压缩机3之间以及壳体5与涡轮机2之间，冷却器13a定位在连接至涡轮机2的出口2b的第一管路6的分支上。
设备1还包括未示出的控制单元，该控制单元可操作地连接至同一设备1的不同元件并且被配置/编程成管理设备1的不同元件的操作。
设备1构造成在充注配置或排放配置下操作或构造成执行下述方法：该方法包括能量充注的阶段和排放及产生能量的阶段。
在充注配置中，设备1从其中在大气压或基本大气压和基本等于环境温度的温度下呈气态形式的工作流体(CO2)全部容纳在壳体5中的第一状态(图3中T-S图的点A)开始。壳体5通过阀系统连接至压缩机3的入口3a，同时与涡轮机2的出口2b的连通被阻断。此外，借助于阀系统，初级热交换器7与压缩机3的出口3b流体连通，并且与涡轮机2的入口2a的连通被阻断。马达发电机4仅联接至压缩机3并且与涡轮机2(涡轮机2处于静止)断开联接，并且马达发电机4作为马达工作以驱动压缩机3，从而压缩来自壳体5的工作流体。
在进入压缩机3之前，工作流体通过附加的热交换器13，该附加的热交换器用作加热器以预热工作流体(图3中的T-S图的点B)。然后工作流体在压缩机3中被压缩并升温(图3中的T-S图的点C)。然后工作流体流过初级热交换器7，该初级热交换器7作为冷却器工作以从被压缩的工作流体中移除热、冷却被压缩的工作流体(图3中T-S图的点D)并且存储从工作流体中移除的热能。在点D处，工作流体处于低于工作流体的临界温度的温度，并且在略微过热的情况下处于Andrews钟形图的左侧或钟形图略微外侧的点处。这种压缩可以是绝热的、中间冷却的或等温的。
工作流体进入容器9，在容器9中处，在该构型中作为冷却器工作的次级热交换器10从工作流体中进一步移除热并且进一步积聚热能。工作流体通过饱和蒸汽区直至其达到液相(图3中的T-S图的点E)为止。因此，容器9积聚在低于其自身临界温度TC的温度下处于液相的工作流体。在该第二状态下，例如在20℃下呈液体形式的工作流体(CO2，TC＝31℃)全部容纳在容器9中。因此，次级热交换器10和初级热交换器9构造成执行工作流体的亚临界转换，使得工作流体以液相积聚在容器9中。
在排放配置中，设备1从第二状态(图3中的T-S图的点F)开始。壳体5通过阀系统与涡轮机2的出口2b连通，同时与压缩机3的入口3a的连通被阻断。此外，借助于阀系统，初级热交换器7与涡轮机2的入口2a流体连通，并且与压缩机3的出口3b的连通被阻断。马达发电机4仅联接至涡轮机2并且与压缩机3(压缩机3处于静止)断开联接，并且马达发电机4作为由膨胀的工作流体驱动的涡轮机2旋转驱动的发电机工作。
次级热交换器10作为加热器工作并且将先前在充注配置中积聚的热中的一些热传递至容器9中的工作流体。工作流体通过饱和蒸汽区直到其达到蒸汽相(图3中的T-S图的点G)为止。工作流体通过初级热交换器7，该初级热交换器7现在作为加热器工作并且将先前在充注配置中积聚的额外的热释放至工作流体并且加热工作流体(图3中的T-S图的点H)。
被加热的工作流体进入涡轮机2，膨胀并冷却(图3中的T-S图的点I)，并且引起涡轮机2的旋转。通过被加热的工作流体而旋转的涡轮机2驱动马达发电机4，该马达发电机4作为发电机工作并且产生电能。涡轮机中的工作流体膨胀可以是绝热的、中间加热的或等温的。
来自涡轮机2的工作流体在附加的热交换器13中被冷却(图3中的T-S图的点J)并且在大气压或基本大气压下返回到壳体5中。在该阶段中，附加的热交换器13将附加的热能存储在相应的附加的热能存储装置中，该附加的热能存储装置将用于下一充注阶段中预热工作流体。
在图3中图示的转换中，次级回路20构造成在充注配置中从工作流体中移除热或者构造成在排放配置中将热传递至处于接近环境温度的温度、例如处于约20℃的温度的工作流体。
在充注配置/阶段和排放配置/阶段中，因为次级热交换器10在接近环境温度的条件下操作——由于流体具有接近环境温度的临界温度的事实，因此通过次级热交换器的除热阶段和/或供热阶段可以通过与大气直接或间接交换的阶段来辅助。
例如，积聚在容器9中的工作流体(CO2)的温度为24℃，并且积聚在容器9中的工作流体的压力为65bar。CO2在25℃和大气压下的密度为约1.8kg/m3。容器9中的CO2的密度为约730kg/m3。因此，工作流体在所示条件下容纳在容器9中时的密度与同一工作流体在大气条件下容纳在壳体5中时的密度之间的比率为约400。在这方面应当注意的是，如果使用在65bar和24℃下存储在容器9中的大气空气代替CO2，则其密度将仅为78kg/m3，并且理论上所需的容器9的容积将为约十倍以上。
例如，对于根据本发明的能够存储100MWh的能量的设备1而言，压力球囊的容积为约400000m3，而容器的容积为约1000m3。
图2的变型示出了一种类型的初级热交换器7、即固定床热再生器，其包括由例如金属球组成的热质量件14。在充注配置/阶段中，热质量件14被热的、经压缩的工作流体包围，热的、经压缩的工作流体将热传递至存储热能的金属球。在排放配置/阶段中，热质量件14被冷的工作流体包围，冷的工作流体从金属球吸收热并且升温。在未示出的变型中，热再生器也可以是移动床类型的热再生器。因此，初级热交换器7是热存储器(热能存储器TES)。
代替图2中示出的固定床热再生器，可以使用其他类型的热再生器。
例如，在图11中示出了可能的初级热交换器7。如图11中示出的，初级热交换器7包括供初级流体比如水、油或盐穿过的初级回路15。初级回路15包括构造成与工作流体交换热的热交换部分16。例如，在以上图示的示意性实施方式中，第二管路8的供工作流体流过的部段穿过热交换部分16，使得初级流体碰触所述部段。初级回路15包括在装置/方法的充注配置/阶段中用于在从工作流体中移除热之后积聚的初级热流体的初级热存储室17以及在装置/方法的排放配置/阶段中用于在向工作流体传递热之后积聚的初级冷流体的初级冷存储室18。热交换部分16安置在初级热存储室17与初级冷存储室18之间。在装置/方法的充注配置/阶段中，初级流体从初级冷存储室18流向初级热存储室17，从而从工作流体中移除热。在装置/方法的排放配置/阶段中，初级流体从初级热存储室17流向初级冷存储室18，从而从工作流体中释放热。
图12中示出了不同的可能的初级热交换器7。根据图12中图示的，初级热交换器7的初级回路15包括热交换部分16，该热交换部分16由初级回路15的被通过第二管路8的工作流体包围的部段限定。初级回路15还包括固定床热再生器19，该固定床热再生器19优选地在大气压下操作，并且优选地与上述的被初级流体包围的固定床热再生器类似。
图2的变型未配备有附加的热交换器13，因此未示出的对应的T-S图未相对于图3的图示出点B和点J。
图2中的变型还具有次级热交换器10的特殊结构。所示出的次级热交换器10包括供次级流体比如空气或水穿过的次级回路20。除了容置在容器9内部的热交换部分11之外，次级回路20还包括在装置/方法的充注配置/阶段中用于在从工作流体中移除热之后积聚的次级热流体的次级热存储室21以及在装置/方法的放电配置/阶段中用于在向工作流体释放热之后积聚的次级冷流体的次级冷存储室22。除了上述热交换部分11之外，上述室21、22还通过配备有风扇24和再循环管道的散热器23彼此连接，散热器23在夜间冷却次级流体并且在白天加热次级流体。
图8、图9和图10示出了与容器9相关联的次级热交换器10的其他变型。
在图8中，除了热交换部分11之外，次级回路20还配备有附加的热交换部分25，通过该附加的热交换部分25，次级回路20与例如空气或海水进行热交换。
在图9中，次级回路20配备有次级容器26，该次级容器26具有水/冰或在操作上连接至辅助冷却装置27的另一两相系统。
在图10中，次级回路20位于装满水的包括若干室28a、28b、28c的储槽中。图10中图示的实施方式示出了用于存储热水的室28a、用于存储冷水的室28b以及与次级回路20的壳体部分和其他部分流体连通的室28c。次级回路20中的次级流体被储槽中的水冷却或加热。工作流体借助于适当循环的水、优选地通过浸没式泵和次级流体在充注阶段被冷凝并且在排放阶段被蒸发。所述储槽的室28可以被覆盖或未覆盖并且与环境连通或不连通，使得在充注期间水从其循环以用于冷凝的室总是通过适当的面板29被周围环境冷却，而在排放期间水从其循环以用于蒸发的室总是被周围环境加热并且可以通过覆盖件保温。以上内容可以通过特殊的交换系统得到进一步支持，所述交换系统通过与环境对流和辐射来吸收热或释放热，所有这些都是为了提高系统的RTE。
图4和图5的实施方式在结构上与已经描述的实施方式不同，因为次级热交换器10安置在初级热交换器7与容器9之间，即次级热交换器10没有集成在容器9中。次级热交换器10与第三管路12成一条直线。图4示意性地图示了通用的二级热交换器10。图5示出了次级热交换器10的示意性设计示例。
图5中示出的次级热交换器10包括供次级流体比如水穿过的次级回路20。次级回路20具有热交换部分11，该热交换部分11被通过第三管路12的工作流体包围并且构造成与工作流体进行热交换。
图5的次级回路20包括在装置/方法的充注配置/阶段中用于在从工作流体中移除热之后积聚的次级热流体的次级热存储室21以及在装置/方法的充注配置/阶段中用于在向工作流体释放热之后积聚的次级冷流体的次级冷存储室22。
热交换部分11位于次级热存储室21与次级冷存储室22之间。在装置/方法的充注配置/阶段中，次级流体从次级冷存储室22流向次级热存储室21，从而从工作流体中移除热。在装置/方法的排放配置/阶段中，次级流体从次级热存储室21流向次级冷存储室21，从而从工作流体中释放热。次级回路20还包括一个或更多个中间次级存储室30，以调节/改变热交换部分11中的次级流体的流速以及与该次级流体进行热交换的工作流体的温度变化。图5示出了两个中间次级存储室30。
图4和图5的实施方式在结构上与已经描述的实施方式不同，还因为容器9包括分离膜31，该分离膜31构造成将容器9在内部分成具有可变容积32的用于处于超临界相的工作流体的第一室和具有可变容积33的与包含水的补偿回路34流体联通的第二室。补偿回路34构造成在来自次级热交换器20并包含在容器9的第一可变容积室32中的超临界工作流体中保持基本恒定的压力。
补偿回路34包括用于处于大气压下的水的辅助容器35，该辅助容器35通过适当的管路与容器9的下部部分和第二可变容积室33流体连通。辅助涡轮机36具有与第二可变容积室33连通的入口和连接至辅助容器35的出口。辅助涡轮机36连接至辅助发电机37并且构造成在装置/方法的充注配置/阶段中通过来自第二可变容积室33的水而旋转。泵38具有与辅助容器35连通的入口和连接至第二可变容积室33的出口。泵38连接至辅助马达39并且构造成在装置/方法的排放配置/阶段中将水从辅助容器35泵送到第二可变容积室33中。
图6示出了图4和图5的实施方式的T-S图。
图7示出了与由图5的实施方式进行的热力学转换的一部分有关的T-Q图。
图4和图5的实施方式的次级热交换器10和初级热交换器7构造成操作工作流体的超临界转换，使得所述工作流体以超临界相积聚在容器中。事实上，与图3中所示的不同，初级交换器7从工作流体中移除热，直至使其(图6的点D)达到高于临界温度的温度且在Andrews钟形图以上。随后，次级热交换器10使工作流体进入超临界相(点E)，使其遵循右侧的Andrews钟形图。图7示出了在充注阶段期间工作流体从点D到点E的温度降低以及图5的次级热交换器10的次级工作流体的对应的温度升高(点U、点V、点W、点Z)。相同的图7还图示了在排放阶段期间工作流体从点F到点G的温度升高以及图5的次级热交换器10的次级工作流体的对应的温度降低(点Z、点W、点V、点U)。
例如，以超临界相积聚在容器9中的工作流体(CO2)的温度为25℃并且以超临界相积聚在容器9中的工作流体的压力为100bar。CO2在25℃和大气压下的密度为约1.8kg/m3。容器9中的CO2的密度为约815kg/m3。因此，工作流体在指定条件下容纳在容器9中时的密度与同一工作流体在大气条件下容纳在壳体5中时的密度之间的比率为约450。
应当注意的是，在图4和图5的实施方式中也可以采用图10的次级热交换器的结构。
此外，次级热交换器可以配备有用于次级流体——通常为水或空气——的次级流体的流速控制系统和/或温度控制系统，当系统在亚临界条件下操作时，所述流速控制系统和/或温度控制系统能够在一定限度内调节存储容器中的压力。例如，温度控制可以通过从大气中增加热或向大气中移除热来进行，也可以利用在一天中的不同时间空气和水的环境温度的正常波动。
在使用CO2作为工作流体的图示的实施方式中，还优选地存在CO2脱水系统、除湿器例如具有沸石的除湿器，以避免在回路中可能形成碳酸。
图13示出了设备1的另一变型。图13示出了与图1共用的主要元件，即涡轮机2、压缩机3、马达发电机4、壳体5、初级热交换器7(TES热存储器)、容器9以及次级热交换器10。此处示出的设备1还包括附加的热交换器13。如图4中示出的实施方式，次级热交换器10位于初级热交换器7与容器9之间，即次级热交换器10没有集成在容器9中。类似于图2中示出的设备，次级热交换器10包括供次级流体比如水穿过的次级回路20。除了热交换部分11之外，次级回路20还包括次级存储室200，次级存储室200在装置/方法的充注配置/阶段中用于在从工作流体中移除热之后积聚的次级热流体以及在装置/方法的排放配置/阶段中用于在向工作流体释放热之后积聚的次级冷流体。上述次级存储室200还与配备有一个或更多个风扇24的散热器23相结合，所述一个或更多个风扇24安置在再循环管道上，散热器23例如在夜间冷却次级流体并且在白天加热次级流体。上述次级存储室200还经由对应的回路210连接至附加的热交换器13。
在该实施方式中，设备1还包括从附加的热源230接收热的至少一个附加的热交换器220。附加的热交换器220在涡轮机2的入口2a与初级热交换器7之间位于第二管路8上。附加的热源230例如但不排他地是太阳能源(例如太阳能场)、源自工业回收的余热(废热回收)、来自燃气涡轮机的余热等。附加的热源230在排放阶段期间提供额外的热。工作流体在排放阶段期间且恰好进入涡轮机2之前经由附加的热源230和附加的热交换器220带来的温度高于在充注阶段期间工作流体在压缩结束时获得的的温度。例如，由附加的热源230和附加的热交换器220带来的工作流体的温度与工作流体在压缩结束时的温度相比高约100℃，但是也可以高200℃或300℃或400℃。
设备1还配备有辅助热存储器240(热能存储器TES)，辅助热存储器240通过适当的回路连接至压缩机2和涡轮机2，以便在压缩机3中(在充注阶段期间)实现中间冷却压缩(利用一次或更多次中间冷却)并且在涡轮机2中(在排放阶段期间)实现中间加热膨胀(利用一次或更多次中间加热)。在中间冷却压缩期间积聚在辅助热存储器240中的热被全部或部分地用于实现中间加热膨胀。
在利用图13的设备执行的方法的实施方式中，设置的是，在充注阶段不进行中间冷却并且在排放阶段不进行中间加热，并且在排放阶段通过附加的热源230和附加的热交换器220提供额外的热。
在利用图13的设备执行的方法的变型中，设置的是，除了在排放阶段通过附加的热源230和附加的热交换器220提供额外的热之外，还在充注阶段进行一次或更多次中间冷却并且在排放阶段进行相同次数的中间加热。
在利用图13的设备执行的方法的另一实施方式中，设置的是，除了通过附加的热源230和附加的热交换器220利用额外的热进行加热之外，还在充注阶段进行多次中间冷却，并且在排放阶段仅使用最后一次中间冷却的热(积聚在辅助热存储器240中)进行单次中间冷却。存储在辅助热存储器240中的并且来自剩余的中间冷却的热可以用于其他目的，例如用于热电联产。
附图标记列表
1 能量存储设备
2 涡轮机
2a 涡轮机入口
2b 涡轮机出口
3 压缩机
3a 压缩机入口
3b 压缩机出口
4 马达发电机
5 壳体
6 第一管路
7 初级热交换器
8 第二管路
9 容器
10 次级热交换器
11 次级热交换器的热交换部分
12 第三管路
13 附加的热交换器
13a 冷却器
14 热质量件
15 初级回路
16 初级回路的热交换部分
17 初级热存储室
18 初级冷存储室
19 固定床热再生器
20 次级回路
21 次级热存储室
22 次级冷存储室
23 散热器
24 风扇
25 另一热交换部分
26 次级容器
27 辅助冷却装置
28a、28b、28c 水储槽室
29 面板
30 中间次级存储室
31 分离膜
32 第一可变容积室
33 第二可变容积室
34 补偿回路
35 辅助容器
36 辅助涡轮机
37 辅助发电机
38 泵
39 辅助马达
200 次级存储室
210 附加的热交换回路
220 附加的热交换器
230 附加的热源
240 附加的热存储器。

Claims (22)

1.一种能量存储设备，包括：
壳体(5)，所述壳体(5)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)，所述容器(9)用于存储在温度接近临界温度的情况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，
其中，所述能量存储设备构造成在所述壳体(5)与所述容器(9)之间执行首先沿一个方向进入充注配置并且然后沿相反的方向进入排放配置的闭合式热力学循环转换(TTC)；其中，所述能量存储设备在所述充注配置中存储热和压力，并且在所述排放配置中产生能量；
所述能量存储设备还包括：压缩机(3)和马达、涡轮机(2)和发电机、初级热交换器(7)和次级热交换器(10)；
其中，所述压缩机(3)和所述马达彼此机械连接；
所述涡轮机(2)和所述发电机彼此机械连接；
所述壳体(5)在外部与大气接触并且在内部界定构造成容纳处于大气压或基本大气压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；
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；
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；以及
所述次级热交换器(10)在操作上作用在所述初级热交换器(7)与所述容器(9)之间或所述容器(9)中；以及
其中，所述能量存储设备构造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)处于静止，所述马达操作并且驱动所述压缩机(3)压缩来自所述壳体(5)的所述工作流体，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额外的热并且存储额外的热能，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其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)处于静止，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进一步释放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，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。
2.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中，所述临界温度在0℃与100℃之间。
3.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中，所述壳体(5)是压力球囊或者具有气量计的结构。
4.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中，所述工作流体具有以下化学-物理性能：在0℃至200℃之间的临界温度，在25℃时在0.5kg/m3至10kg/m3之间的密度；和/或所述工作流体选自包括以下各者的组：CO2、SF6、N2O。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的能量存储设备，包括附加的热交换器(13)，所述附加的热交换器(13)在操作上安置在所述壳体(5)与所述压缩机(3)之间以及所述壳体(5)与所述涡轮机(2)之间，以在所述充注配置中在于所述压缩机(3)中进行压缩之前对所述工作流体进行预热或者在所述排放配置中对来自所述涡轮机(2)的所述工作流体进行冷却。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的能量存储设备，其中，所述马达和所述发电机是单独的元件；或者其中，所述马达和所述发电机由单个马达发电机(4)限定，并且所述能量存储设备包括位于所述马达发电机(4)与所述压缩机(3)之间以及所述马达发电机(4)与所述涡轮机(2)之间的连接装置，以将所述马达发电机(4)机械且交替地连接至所述压缩机(3)或所述涡轮机(2)。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的能量存储设备，其中，所述次级热交换器(10)和所述初级热交换器(7)构造成操作所述工作流体的超临界转换，使得所述工作流体以超临界相积聚在所述容器(9)中。
8.根据权利要求7所述的能量存储设备，其中，所述次级热交换器(10)安置在所述初级热交换器(7)与所述容器(9)之间。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的能量存储设备，其中，所述容器(9)包括分离膜(31)，所述分离膜(31)构造成将所述容器(9)在内部分成具有可变容积的用于处于超临界相的所述工作流体的第一室(32)和具有可变容积的与包含不可压缩流体的补偿回路(34)流体连通的第二室(33)。
10.根据权利要求9所述的能量存储设备，其中，所述不可压缩流体为水。
11.根据权利要求1至4中的任一项所述的能量存储设备，其中，所述次级热交换器(10)和所述初级热交换器(7)构造成操作所述工作流体的亚临界转换，使得所述工作流体以液相积聚在所述容器(9)中。
12.根据权利要求11所述的能量存储设备，其中，所述次级热交换器(10)集成在所述容器(9)中。
13.根据权利要求1至4中的任一项所述的能量存储设备，其中，所述初级热交换器(7)是固定床或移动床热再生器，或者所述初级热交换器(7)包括具有至少一个初级存储室(17、18)的供水、油或盐通过的初级回路(15)。
14.根据权利要求1至4中的任一项所述的能量存储设备，其中，所述次级热交换器(10)包括具有至少一个次级存储室(21、22)的供空气或水通过的次级回路(20)，并且所述次级热交换器(10)构造成在所述充注配置中从所述工作流体中移除热或者构造成在所述排放配置中向处于100℃以下的温度下的所述工作流体传递热。
15.根据权利要求1至4中的任一项所述的能量存储设备，其中，所述次级热交换器(10)包括具有至少一个次级存储室(21、22)的供空气或水通过的次级回路(20)，并且所述次级热交换器(10)构造成在所述充注配置中从所述工作流体中移除热或者构造成在所述排放配置中向处于0℃与50℃之间的温度下的所述工作流体传递热。
16.根据权利要求1至4中的任一项所述的能量存储设备，其中，所述次级热交换器(10)包括具有至少一个次级存储室(21、22)的供空气或水通过的次级回路(20)，并且所述次级热交换器(10)构造成在所述充注配置中从所述工作流体中移除热或者构造成在所述排放配置中向处于接近所述环境温度的温度下的所述工作流体传递热。
17.一种用于利用根据权利要求1至16中的任一项所述的能量存储设备来实现能量存储的方法，其中，所述方法包括：
在壳体(5)与容器(9)之间执行首先沿一个方向进入充注阶段并且然后沿相反的方向进入排放阶段的闭合式热力学循环转换(TTC)，所述壳体(5)用于存储不同于大气空气的、处于气相并且与大气处于压力平衡的工作流体，所述容器(9)用于存储在温度接近临界温度的情况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；其中，所述方法在所述充注阶段积聚热和压力，并且在所述排放阶段产生能量。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述充注阶段包括：
-压缩来自所述壳体(5)的所述工作流体从而吸收能量，所述壳体(5)在外部与大气接触并且在内部界定构造成容纳处于大气压或基本大气压的所述工作流体的容积部；
-将被压缩的所述工作流体注入穿过串联安置的初级热交换器(7)和次级热交换器(10)，以使所述工作流体的温度接近其自身的临界温度；其中，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、使所述工作流体冷却并且存储热能，其中，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进一步移除热并且进一步存储热能；
-将被冷却的所述工作流体积聚在所述容器(9)中；其中，所述次级热交换器(10)和所述初级热交换器(7)执行所述工作流体的超临界转换，使得所述工作流体以超临界相积聚在所述容器(9)中，或者其中，所述次级热交换器(10)和所述初级热交换器(7)执行所述工作流体的亚临界转换，使得所述工作流体以液相积聚在所述容器(9)中。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，积聚在所述容器(9)中的所述工作流体的温度在0℃与100℃之间，并且其中，积聚在所述容器(9)中的所述工作流体的压力在10bar与150bar之间。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，排放及产生能量的阶段包括：
-使来自所述容器(9)的所述工作流体穿过所述次级热交换器(10)和所述初级热交换器(7)；其中，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)的所述工作流体传递热，其中，所述初级热交换器(7)作为加热器工作以向所述工作流体进一步传递热并且对所述工作流体进行加热；
-使被加热的所述工作流体穿过涡轮机(2)，其中，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发电机，从而产生能量，其中，所述工作流体在所述涡轮机(2)中膨胀和冷却；
-将来自所述涡轮机(2)的所述工作流体在大气压或基本大气压下重新注入到所述壳体(5)中。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，在所述排放及产生能量的阶段，在所述初级热交换器(7)与所述涡轮机(2)之间，通过附加的热源(230)进一步加热所述工作流体。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述附加的热源(230)选自：太阳能源、工业废热回收、燃气涡轮机的余热。
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