專利名稱：能量存儲裝置與分開的熱過程的結(jié)合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱和熱力學(xué)能量存儲裝置(尤其是低溫能量存儲裝置)與其它共定位熱過程(co-located thermal processes)的結(jié)合方法,該熱過程產(chǎn)生熱或冷,包括在經(jīng)濟(jì)上得益于向能量存儲裝置傳遞熱或冷或從能量存儲裝置傳遞熱或冷。
背景技術(shù)：
電力輸送和分布網(wǎng)絡(luò)(或電網(wǎng))必須平衡電力的產(chǎn)生與來自消費(fèi)者的需求。這通常通過借助于打開和關(guān)閉發(fā)電站以及在低負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)一些發(fā)電站來調(diào)節(jié)發(fā)電側(cè)(供應(yīng)側(cè))來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榇蟛糠脂F(xiàn)有的熱電站和核電站當(dāng)在滿負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是最有效的，因此在以該方式平衡電力系統(tǒng)的供應(yīng)側(cè)時(shí)存在效率損失。預(yù)期將重要的間歇式可再生發(fā)電容量比如風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽能收集器引入網(wǎng)絡(luò)將通過在發(fā)電機(jī)群的部分的可利用性中產(chǎn)生不確定性而進(jìn)一步使電網(wǎng)的平衡復(fù)雜化。在低需求時(shí)間期間存儲能量以供稍后在高需求時(shí)間期間使用或者在來自間歇式發(fā)電機(jī)的低輸出期間使用的設(shè)備將具有平衡電網(wǎng)和提供供應(yīng)保障的主要益處。當(dāng)在傳輸或分布網(wǎng)絡(luò)上存在發(fā)電容量短缺時(shí)，電力存儲裝置在高度間隙的基礎(chǔ)上操作。這可通過在當(dāng)?shù)仉娏κ袌鲋械母唠妰r(jià)或者通過來自負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)操作的組織請求額外的容量來向存儲裝置操作者發(fā)信號。在某些國家，比如英國，網(wǎng)絡(luò)操作者與發(fā)電廠的操作者簽署網(wǎng)絡(luò)后援儲備供應(yīng)的合約，其中發(fā)電廠的操作者具有快速啟動能力。這種合約可覆蓋幾個(gè)月或甚至幾年，但是電力提供者將操作(發(fā)電)的時(shí)間通常是非常短的。這在圖1中示出，圖1示出了用于存儲裝置的典型操作曲線。W02007-096656A1和GB1100569.1公開了低溫電力存儲裝置(CPSD)，其利用低溫流體(比如液態(tài)氮或液態(tài)空氣)作為存儲介質(zhì)以將作為用于提供電力存儲和網(wǎng)絡(luò)支持服務(wù)的熱勢能的能量存儲到電力傳輸和分布網(wǎng)絡(luò)。W02007-096656A1中描述的低溫能量存儲系統(tǒng)(CES)為第一種類型的低溫電力存儲裝置(CPSD)且為僅需要電力和可選地作為輸入的熱的完全集成的存儲裝置。GB1100569.1中描述的冷凍機(jī)組(cryogenset)為另一種類型的低溫電力存儲裝置(CPSD)且為使用由遠(yuǎn)離冷凍機(jī)組的工業(yè)氣體液化工廠制造的低溫流體的簡化的存儲/發(fā)電裝置，低溫流體通過管線或罐車被輸送到冷凍機(jī)組場所。上述專利申請中描述的兩個(gè)CPSD得益于從共定位過程接收低級廢熱(熱的熱能)。此外，兩個(gè)裝置產(chǎn)生對于其它需求冷的使用者有益的低溫冷的熱能(冷能)，其它需求冷的使用者例如空氣調(diào)節(jié)(辦公室)；冷卻(比如，數(shù)據(jù)中心)；冷凍或制冷(比如，食品加工工廠)。然而，CPSD僅在間歇基礎(chǔ)上操作，比如當(dāng)存在高消費(fèi)需求或間歇式可再生能源發(fā)電量低時(shí)，且通常每年約250至1000小時(shí)，且取決于應(yīng)用甚至低至每年〈100小時(shí)。這對于CPSD與共定位過程的結(jié)合來說造成至少三個(gè)問題，該共定位過程通常在連續(xù)的基礎(chǔ)上操作。首先，對廢熱的需求是間歇式的，因此，基于高峰熱負(fù)荷的廢熱的總體利用將很低，因而是低效的。第二，冷能的供應(yīng)也將是間隙式的，且難以在以連續(xù)基礎(chǔ)而操作的共定位過程中有效利用。第三，來自共定位過程的傳熱速率可能與CPSD的最佳效率所需的傳熱速率不同。這些問題也與其它熱過程相互結(jié)合有關(guān)，其中要結(jié)合的熱過程具有不同的供需標(biāo)準(zhǔn)。供應(yīng)和/或需求的間歇性可以小時(shí)、天、周、月、季或年為基礎(chǔ)。熱存儲器可結(jié)合在能量存儲裝置內(nèi)，比如低溫能量存儲裝置，以便優(yōu)化熱性能。其它能量存儲技術(shù)，其示例包括但不限于絕熱壓縮空氣能量存儲和埃里克森循環(huán)(Ericssoncycle)技術(shù)，也可得益于與存儲裝置內(nèi)和/或存儲裝置和共定位過程之間結(jié)合的熱存儲的使用和廢熱的結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種將第一熱過程和第二熱過程相結(jié)合的方法，其中，來自第一熱過程的傳熱速率與到第二熱過程的傳熱速率不同，所述方法包括:提供第一熱存儲器；通過以第一能量傳遞速率把來自第一熱過程的第一熱能傳遞到第一熱存儲器來利用第一熱能對第一熱存儲器蓄能；以及通過以第二能量傳遞速率將所存儲的第一熱能從第一熱存儲器傳遞到第二熱過程的部件來對第一熱存儲器釋能，其中，該第二速率不同于第一速率。本發(fā)明允許提供將第一低溫電力存儲裝置(CPSD)與第二過程結(jié)合的方法，其中，該第二過程提供熱的熱能和/或接收冷的熱能，并且其中，來自第一過程和第二過程的熱能的需求和供應(yīng)不同且具有不同的傳熱速率。在很多情形中，需求和供應(yīng)中的這種不等性是由連續(xù)操作或至少幾乎連續(xù)操作或在與CPSD過程不同的時(shí)刻操作的第二過程引起的。第一熱能可包括熱的能量或冷的能量?？稍趯Φ谝粺岽鎯ζ餍钅艿牟襟E稍后的時(shí)間執(zhí)行對第一熱存儲器釋能的步驟。該延遲的長短取決于具體應(yīng)用。如果該方法用于控制共定位過程的高峰需求，則蓄能和釋能可涉及常規(guī)日需求模式。然而，對于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，這種延遲可以更不規(guī)律?？稍谶B續(xù)或間歇的基礎(chǔ)上執(zhí)行對第一熱存儲器蓄能和釋能的步驟。第二熱過程或第一熱過程可包括能量存儲裝置。該能量存儲裝置可包括低溫能量存儲裝置。替代地，該能量存儲裝置也可包括可替代的熱過程，例如壓縮空氣能量存儲裝置。所述第二過程可與第一過程共定位。如果第二過程包括CPSD，則第一過程可例如為熱電站和工業(yè)過程，比如煉鋼廠和化學(xué)制造工廠。第一熱過程可包括借助于由間歇式可再生能量源提供動力的加熱裝置直接加熱該熱存儲器。電力存儲裝置本質(zhì)上間歇地操作，S卩，當(dāng)存在對來自網(wǎng)絡(luò)的電力的高需求且因此電價(jià)高時(shí)，或者當(dāng)存在網(wǎng)絡(luò)故障危險(xiǎn)且需要額外支持時(shí)。操作的該間歇性可以小時(shí)、天、周、月、季或年為基礎(chǔ)。因此，在第一 CPSD過程和第二共定位過程之間的最佳傳熱速率存在明
顯差異。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在兩個(gè)過程之間安裝熱存儲器，熱能的接收和供應(yīng)可被更好地管理，以提高兩個(gè)系統(tǒng)的總體性能。具體地，因?yàn)镃PSD需要熱并以通常超過類似能量容量的連續(xù)共定位過程的速率的20倍來輸送冷能，所以，需要熱存儲器來優(yōu)化熱性能。第一速率可以是第二速率的至少5倍。第一速率可以是第二速率的至少10倍。第一速率可以是第二速率的至少20倍。熱存儲器可具有GB1013578.8中公開的任何特征。具體地，熱存儲器可包括非對稱的熱存儲器。熱存儲器可包括:第一熱質(zhì)量；第二熱質(zhì)量；以及第二熱質(zhì)量；其中:第一熱質(zhì)量、第二熱質(zhì)量和第三熱質(zhì)量中的至少兩個(gè)熱質(zhì)量的縱橫比彼此不同；以及由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)，所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為用于引導(dǎo)熱傳遞流體通過所述熱質(zhì)量中的一個(gè)或多個(gè)熱質(zhì)量的組合，其中，所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)使得熱質(zhì)量能夠相互隔離。在一優(yōu)選實(shí)施例中，所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成允許熱傳遞流體(HTF)被引導(dǎo)穿過如下質(zhì)量:i)第一熱質(zhì)量、第二熱質(zhì)量和第三熱質(zhì)量中的所有熱質(zhì)量,或者ii)第一熱質(zhì)量、第二熱質(zhì)量和第三熱質(zhì)量中的兩個(gè)熱質(zhì)量，或者iii)第一熱質(zhì)量、第二熱質(zhì)量和第三熱質(zhì)量中的一個(gè)熱質(zhì)量。所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)可使得HTF能夠被引導(dǎo)穿過并聯(lián)的第一熱質(zhì)量和第二熱質(zhì)量以及與之串聯(lián)的第三熱質(zhì)量中的兩個(gè)熱質(zhì)量，替代地，穿過并聯(lián)的第一熱質(zhì)量和第二熱質(zhì)量中的兩個(gè)熱質(zhì)量。所述HTF可包括氣體或液體。HTF用于加熱或冷卻熱質(zhì)量。熱質(zhì)量是能夠吸收和發(fā)出熱能的物質(zhì)。熱能存儲裝置可包括多于三個(gè)熱質(zhì)量。至少三個(gè)熱質(zhì)量中的每一個(gè)可包括單個(gè)熱單元或相互并聯(lián)布置的多個(gè)熱單元。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)熱質(zhì)量包括多個(gè)熱單元時(shí)，熱質(zhì)量內(nèi)的每個(gè)熱單元可具有相同或不同的平均橫截面積。當(dāng)熱質(zhì)量包括相互并聯(lián)布置的不止一個(gè)熱單元時(shí)，熱質(zhì)量的縱橫比是熱單元的平均長度與熱單元的平均橫截面流速之和的比值。第一熱質(zhì)量、第二熱質(zhì)量和第三熱質(zhì)量可包括固體顆粒，且第一熱質(zhì)量、第二熱質(zhì)量和第三熱質(zhì)量中的至少兩個(gè)熱質(zhì)量中的顆粒直徑可彼此不同。可替代地，第一熱質(zhì)量、第二熱質(zhì)量和第三熱質(zhì)量中的至少兩個(gè)熱質(zhì)量的顆粒直徑可彼此相同。當(dāng)提到“顆粒直徑”時(shí)，它是指:熱質(zhì)量內(nèi)的所有顆粒的平均等效球面直徑。每個(gè)熱單元可包括以下項(xiàng)中的一個(gè)或其組合:i)固體顆粒填充床,HTF能夠直接穿過該固體顆粒填充床，以將熱能攜帶到熱能存儲裝置以及從熱能存儲裝置帶走熱能，ii)布置在至少一個(gè)導(dǎo)管周圍的固體顆粒填充床，HTF能夠穿過所述至少一個(gè)導(dǎo)管，iii)包括多個(gè)通路的固體質(zhì)量“基質(zhì)”,HTF能夠穿過所述多個(gè)通路,或者iv) 一定體積的相變材料。當(dāng)?shù)谝粺豳|(zhì)量、第二熱質(zhì)量和第三熱質(zhì)量包括固體顆粒時(shí),熱單元可包括選項(xiàng)i)和ii)中的一個(gè)或其組合。所述相變材料是這樣的材料:它能夠通過改變其狀態(tài)，例如從固體改變成液體或者從液體改變成氣體并且從液體改變成固體或者從氣體改變成液體來存儲和釋放能量。在選項(xiàng)ii)中，填充床通過至少一個(gè)導(dǎo)管與HTF隔離。在選項(xiàng)i)和ii)中，顆?？蔀榍蛐位蚪蛐晤w粒。顆粒的平均等效球面直徑優(yōu)選為I至25_。每一個(gè)熱單元可包括具有相同等效球面直徑或不同等效球面直徑的多個(gè)固體顆粒。此外或可替代地，每個(gè)固體顆粒可由不同材料形成。每個(gè)熱單元內(nèi)的顆粒的等效球面直徑可沿?zé)釂卧拈L度從入口到出口逐漸增大或減小。形成每個(gè)熱單元內(nèi)的顆粒的材料可沿?zé)釂卧拈L度變化。一個(gè)熱單元中的顆粒的平均等效球面直徑可與另一熱單元中的平均等效球面直徑不同或相同。通過改變熱質(zhì)量之間的顆粒直徑，可優(yōu)化熱存儲器的壓降/傳熱特性。每個(gè)熱單元可具有圓形、六邊形、正方形、菱形或能夠容易被封裝到支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)的任何其它形狀。每一個(gè)熱質(zhì)量可具有聞的熱容量，以最小化熱質(zhì)量的體積。優(yōu)選地，每一種熱質(zhì)量具有低的導(dǎo)熱率。優(yōu)選地，每一種熱質(zhì)量具有小于20W/mK的導(dǎo)熱率。更優(yōu)選地，每一種熱質(zhì)量具有小于5w/mK的導(dǎo)熱率。希望每一種熱質(zhì)量具有高的熱容量/導(dǎo)熱率比值。優(yōu)選地，每一種熱質(zhì)量具有Cp*p /k>180s/mm，更優(yōu)選地，每一種熱質(zhì)量具有Cp*p/k>500s/mm，其中Cp為特定比熱容，P為密度，而k為包含熱質(zhì)量的顆粒的導(dǎo)熱率。巖石是用于每一種熱質(zhì)量的顆粒的優(yōu)選材料。優(yōu)選地，該巖石包括花崗巖、玄武巖或人造陶瓷材料?？商娲兀问降乃捎糜诿恳环N熱質(zhì)量的顆粒。優(yōu)選地，冰在存儲器的操作范圍內(nèi)不會改變其狀態(tài)。所述熱能存儲裝置還可包括用于支撐熱質(zhì)量的支撐結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)還可支撐所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)的至少一部分。熱能存儲裝置還可包括隔離物以隔離每一種熱質(zhì)量，以最小化在存儲期間從熱質(zhì)量損失的熱。該隔離物可包括施用到支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的隔熱材料和/或位于熱質(zhì)量的基部與支撐結(jié)構(gòu)之間的熱中斷部。該熱中斷部是用于防止熱通過熱中斷部進(jìn)行傳導(dǎo)的低傳導(dǎo)性材料層或空氣空間。每一個(gè)熱單元可在其內(nèi)側(cè)被隔離。在特定實(shí)施例中，內(nèi)隔離物包括雙皮層設(shè)計(jì)，在該雙皮層設(shè)計(jì)中，外部支撐結(jié)構(gòu)通過隔離物以及與所述熱質(zhì)量或單元接觸的內(nèi)側(cè)薄皮層而與所述熱質(zhì)量或單元隔離?？商娲?，隔熱材料的噴涂涂層可被施用到支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，或者，封裝的隔離材料可裝配到支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)。所述熱能存儲裝置還可包括隔離物，該隔離物隔離所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)以最小化來自存儲裝置的熱損失。通過使熱質(zhì)量相互隔離，有助于防止在蓄能和釋能之間的存儲階段期間來自熱能存儲器的對流損失。具體地，可在每一個(gè)熱質(zhì)量的入口和出口處設(shè)有閥。所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)可使得HTF能夠被引導(dǎo)穿過所述熱質(zhì)量中的串聯(lián)的兩個(gè)或更多個(gè)熱質(zhì)量。所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)還可使得所述熱質(zhì)量中的第一熱質(zhì)量和第二熱質(zhì)量并聯(lián)并且所述熱質(zhì)量中的第三熱質(zhì)量與第一熱質(zhì)量及第二熱質(zhì)量串聯(lián)。
所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)還可使得HTF能夠被引導(dǎo)穿過所述熱質(zhì)量中的并聯(lián)的兩個(gè)或更多個(gè)熱質(zhì)量。每個(gè)熱質(zhì)量的縱橫比是該熱質(zhì)量的平均長度與熱質(zhì)量的平均橫截面之比。可通過提供不同平均橫截面積的熱質(zhì)量來提供具有不同縱橫比的熱質(zhì)量。每一種熱質(zhì)量可沿其長度具有均勻的橫截面。可替代地，每一種熱質(zhì)量可沿其長度具有變化的橫截面積。例如，每一種熱質(zhì)量可具有逐漸減小的橫截面。當(dāng)熱質(zhì)量包括多于一個(gè)熱單元時(shí)，熱單元中的一個(gè)或多個(gè)可具有逐漸減小的橫截面。第一熱質(zhì)量、第二熱質(zhì)量和第三熱質(zhì)量中的至少兩個(gè)熱質(zhì)量的縱橫比可彼此不同。優(yōu)選地，所述熱質(zhì)量中的所有三個(gè)熱質(zhì)量的縱橫比彼此不同。優(yōu)選地，第三熱質(zhì)量的平均橫截面積小于第二熱質(zhì)量的平均橫截面積。優(yōu)選地，第二熱質(zhì)量的平均橫截面積小于第一熱質(zhì)量的平均橫截面。優(yōu)選地，在這三個(gè)熱質(zhì)量中，在最終釋能期間所述HTF流過的最后一個(gè)熱質(zhì)量具有最小的平均橫截面。在該情形中，在釋能期間存儲器的最后部分中的這種較小流通面積允許實(shí)現(xiàn)最佳的熱效率。熱能存儲裝置可包括多于三個(gè)熱質(zhì)量。至少三個(gè)熱質(zhì)量中的每一種可包括單個(gè)熱單元或相互并聯(lián)布置的多個(gè)熱單元。優(yōu)選地，第一熱質(zhì)量包括比第二熱質(zhì)量多的熱單元，第二熱質(zhì)量又包括比第三熱質(zhì)量多的熱單元。在示例性實(shí)施例中，第一熱質(zhì)量包括并聯(lián)的五個(gè)熱單元，第二熱質(zhì)量包括并聯(lián)的四個(gè)熱單元，而第三熱質(zhì)量包括單個(gè)熱單元。上述類型的熱存儲器還可具有在其它能量存儲技術(shù)內(nèi)的益處，其示例包括但不限于:絕熱壓縮空氣能量存儲和埃里克森循環(huán)技術(shù)。熱存儲器可結(jié)合在存儲裝置內(nèi)和/或存儲裝置和共定位過程之間。圖2示出了與共定位熱過程200結(jié)合的CPSD100，該共定位熱過程200分別通過熱存儲器300貢獻(xiàn)熱(Qh)并且通過熱存儲器400接收冷能(Qc)。此外，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在共定位過程中通常存在熱能夠被提取的幾個(gè)地方。使用熱存儲器優(yōu)化熱能的提取速率能夠在正確施用的情況下向兩個(gè)過程輸送益處。可通過一個(gè)或多個(gè)熱能來源來產(chǎn)生第一熱能。第一熱能可包括熱的能量，且所述一個(gè)或多個(gè)熱能來源可包括以下項(xiàng)中一種或多種:來自熱電站或核電站的蒸汽冷凝液、來自熱電站的煙道氣；來自鍋爐的蒸汽；環(huán)境空氣；地面熱(地?zé)?；以及海水、河水或湖水。第一熱能來源可包括:借助于由間歇式可再生能量源提供動力的加熱裝置直接加熱該熱存儲器。例如，第一過程可包括蒸汽發(fā)電廠。許多蒸汽發(fā)電廠通過來自蒸汽渦輪機(jī)的排氣的蒸汽的冷凝而廢棄大量低級熱。通過減小穿過冷凝器所需的空氣流，在蒸汽發(fā)電廠的冷凝器前面提取熱以供稍后在CPSD中使用將減少蒸汽發(fā)電廠的寄生負(fù)荷。CPSD與蒸汽發(fā)電廠的結(jié)合因此有益于兩個(gè)過程:在向CPSD供應(yīng)“自由熱”中以及在減少蒸汽發(fā)電廠的寄生負(fù)荷(通常稱為廠用負(fù)荷)中。該過程的示例在圖3中示意性地示出，在圖3中蒸汽發(fā)電廠的鍋爐201使工作流體蒸發(fā)并過熱，工作流體驅(qū)動蒸汽發(fā)電廠的渦輪機(jī)202。借助于熱交換器203從由渦輪機(jī)排放的工作流體提取熱。隨后通過由動力空氣風(fēng)扇(在虛線框204內(nèi)示出)促進(jìn)的蒸汽發(fā)電廠的冷凝器204冷凝工作流體。隨后借助于鍋爐供給泵205將冷凝的工作流體泵送回鍋爐201。由熱交換器203從共定位過程的工作流體提取的熱存儲在熱存儲器300中直到CPSD100需要。然而，蒸汽發(fā)電站中的冷凝系統(tǒng)通常在30°C至70°C下操作，限制過程氣體能夠在CPSD中加熱的溫度且因此限制CPSD的效率。優(yōu)選地，供應(yīng)到CPSD的熱將為至少100°C，更優(yōu)選地為200°C?？蓮恼羝l(fā)電廠的煙道氣206提取額外的“中間等級”熱Qf，如圖3所示。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，限制從熱電廠的煙道氣提取的熱Qf的量是有益的。如果提取的熱太多，則煙道氣失去浮力且將不會正確地分散到大氣中，這可能導(dǎo)致發(fā)電廠附近高的地面水平排放。通過從冷凝系統(tǒng)提取大部分所需的熱，僅需要從煙道取出少量能量，因此最小化對煙道氣浮力及其后果的影響。本發(fā)明的方法還可包括:提供第二熱存儲器；通過以第三能量傳遞速率把來自第二熱過程的第二熱能傳遞到第二熱存儲器來利用第二熱能對第二熱存儲器蓄能；以及通過以第四能量傳遞速率將第二熱存儲器中存儲的第二熱能從第二熱存儲器傳遞到第三熱過程的部件來對第二熱存儲器釋能，其中，該第四速率不同于第三速率。第二熱存儲器可具有上述的任何特征。具體地，第二熱存儲器可包括非對稱的熱存儲器。第二熱能來源可包括借助于由間歇式可再生能量源提供動力的加熱裝置直接加熱該熱存儲器。第三熱過程可以是與第一熱過程相同的過程。可在對第二熱存儲器蓄能的步驟稍后的時(shí)間執(zhí)行對第二熱存儲器釋能的步驟?？稍谶B續(xù)或間隙的基礎(chǔ)上執(zhí)行對第二熱存儲器釋能的步驟?？稍谶B續(xù)或間隙的基礎(chǔ)上執(zhí)行對第二熱存儲器蓄能的步驟。蓄能的間隔能夠以小時(shí)、天、周、月、季度或年為基礎(chǔ)。第四速率可以是第三速率的至少5倍。第四速率可以是第三速率的至少10倍。第四速率可以是第三速率的至少20倍。第二熱能可包括熱的能量或冷的能量。在第一熱過程包括低溫能量存儲裝置的情況下，第一熱能可包括從低溫能量存儲裝置放出的冷的能量。第二熱過程可包括以下項(xiàng)中的一種或多種:用于建筑物的空調(diào)系統(tǒng)；制造過程中的制冷單元；氣體液化過程；以及數(shù)據(jù)中心的冷卻。
在第二熱過程包括CPSD且提供第二熱存儲器的情況下，第二熱能可包括從低溫能量存儲器放出的冷的能量。在該情形中，第三熱過程可包括以下項(xiàng)中的一種或多種:用于建筑物的空調(diào)系統(tǒng)；制造過程中的制冷單元；氣體液化過程；以及數(shù)據(jù)中心的冷卻。



現(xiàn)將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中:
圖1示出了典型的電力存儲裝置的操作時(shí)間；圖2示出了與通過熱存儲器貢獻(xiàn)熱并且接收冷能的共定位熱過程結(jié)合的CPSD ；圖3示出了與蒸汽發(fā)電廠結(jié)合的CPSD的示例；圖4a和4b分別示出了在電力和能量基礎(chǔ)上對于冷凍機(jī)組CPSD的森基熱平衡圖(Sankeydiagrams)；圖5a和5b分別示出了在電力和能量基礎(chǔ)上對于燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的森基熱平衡圖；圖6a和6b示出了冷凍機(jī)組CPSD、燃?xì)獍l(fā)動機(jī)和熱存儲器的構(gòu)造；圖7示出了具有熱存儲器和環(huán)境蒸發(fā)器的冷凍機(jī)組CPSD的構(gòu)造；圖8a)示出了可在本發(fā)明方法中使用的熱存儲器(示出了蓄能階段期間的裝置)；圖Sb)示出了在初始釋能階段期間的圖8a)的熱能存儲器；并且圖Sc)示出了在最終釋能階段期間的圖8a)的熱能存儲裝置。
具體實(shí)施例方式盡管W02007-096656A1和GBl 100569.1的裝置是不同的，但是均得益于接收熱的熱能和當(dāng)操作時(shí)提供冷的熱能，因此對本發(fā)明的內(nèi)容來說是相同的。為了簡化，將通過與冷凍機(jī)組CPSD結(jié)合來描述本發(fā)明，但是相同的發(fā)明原理可同等地適用于CES。使用圖1所不的不例性 呆作體系，在電力基礎(chǔ)(圖4a)和能量基礎(chǔ)(圖4b)上對于冷凍機(jī)組的典型森基熱平衡圖與在電力基礎(chǔ)(圖5a)和能量基礎(chǔ)(圖5b)上對于2MW燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的典型森基熱平衡圖相比較。圖5a和圖5b的2麗燃?xì)獍l(fā)動機(jī)以基本負(fù)荷操作，比如在填埋氣體場所或礦山氣體場所上，其中安裝的發(fā)動機(jī)通常具有給定容量。很明顯，熱電力需求(圖4a和5a)之間存在不匹配，但是能量需求(圖4b和圖5b)更好地匹配。實(shí)際上，可以看到，在能量基礎(chǔ)上，2MW燃?xì)獍l(fā)動機(jī)可支持三個(gè)3.5MW冷凍機(jī)組:每3.5W冷凍機(jī)組需要12.5MWh的熱來產(chǎn)生7MWh凈功率(圖4b) ;2MW燃?xì)鉁u輪機(jī)排放41.28MWh的熱(圖5b);，在允許損失的基礎(chǔ)上，從燃?xì)鉁u輪機(jī)排放的熱的41.28MWh對于三個(gè)3.5MW冷凍機(jī)組來說是足夠的，每個(gè)冷凍機(jī)組產(chǎn)生7MWh的凈功率。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)過程之間安裝熱存儲器能夠更好地利用兩個(gè)過程之間的能量流和調(diào)配更有用的存儲容量。例如，圖4和5所示的實(shí)施例對于來自共定位過程的給定水平的基本負(fù)荷熱生成提供額外IOMW的有用存儲容量，在示例中其為2MW燃?xì)獍l(fā)動機(jī)。然而，盡管熱存儲器的引入允許良好地利用兩個(gè)過程之間的能量流，但是熱蓄能和熱釋能過程的速率的不匹配在存儲器的設(shè)計(jì)和存儲器與冷凍機(jī)組和熱生成過程的結(jié)合中造成特定的挑戰(zhàn)。具體地，熱存儲器必須能夠以存儲器必須向冷凍機(jī)組供應(yīng)熱的速率的約10%的速率接收熱。該差異不可避免地導(dǎo)致在兩個(gè)過程和熱存儲器之間輸送熱能所使用的傳熱介質(zhì)的流速中的明顯差異。上面描述了特定類型的“非對稱”熱存儲器。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在將間歇式CPSD與基礎(chǔ)負(fù)荷熱源相結(jié)合時(shí)，具有這種非對稱操作的熱存儲器非常寶貴。圖8a)至圖Sc)示出了這種非對稱的熱存儲器。熱存儲器包括熱存儲材料的三個(gè)熱質(zhì)量。三個(gè)熱質(zhì)量具有不同的橫截面積。第一熱質(zhì)量I具有比第二熱質(zhì)量2大的平均橫截面積，第二熱質(zhì)量2又具有比第三熱質(zhì)量3大的平均橫截面積。因此，圖8a)、8b)和8c)所示的裝置具有可變的流通面積。該裝置以下面的方式操作:蓄能:在圖8a)所示的蓄能期間，HTF流穿過第一熱質(zhì)量I并隨后穿過熱質(zhì)量2和
3。熱質(zhì)量2和3并聯(lián)布置。熱質(zhì)量I與熱質(zhì)量2及3串聯(lián)布置。熱質(zhì)量I的橫截面積被選擇成使得在蓄能期間實(shí)現(xiàn)最佳的傳熱/壓降關(guān)系。存儲:熱質(zhì)量被相互隔離，以防止在儲存器釋能之前來自熱能存儲器的對流損失。初始釋能:在初始釋能期間，如圖8b)所示，HTF流起初穿過熱質(zhì)量1，隨后穿過熱質(zhì)量2，其中，熱質(zhì)量3從HTF流回路隔離。最終釋能:在經(jīng)歷一段時(shí)間的初始釋能之后，熱質(zhì)量2將幾乎完全釋能且HTF的出口溫度開始升高。在如圖8c)所示的最終釋能期間，熱質(zhì)量I與回路隔離，且來自熱質(zhì)量2的出口流被引導(dǎo)穿過熱質(zhì)量3。熱質(zhì)量3的橫截面流通面積相對于熱質(zhì)量I和2的橫截面流通面積減小，以便最小化減小的釋能流速的終端損失。熱質(zhì)量2因而充分釋能且熱質(zhì)量3中僅少量材料未充分釋能。因此，未從熱能存儲裝置釋能的熱能的量被最小化。在某些情形中，如果穿過熱質(zhì)量I的壓力損失低，則不需要繞過熱質(zhì)量1，因而簡化了流動回路。圖6a和6b示意性地示出了共定位過程200內(nèi)的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)210、冷凍機(jī)組100和熱存儲器300應(yīng)如何配置以實(shí)現(xiàn)最佳效率。在該實(shí)施例中，熱存儲器300通過與燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的排氣器211熱交換、借助于排放熱回收熱交換器212來蓄能。在熱存儲器的蓄能期間(圖6a)，因?yàn)闊醾鬟f流體的熱流和質(zhì)量流是低的，所以優(yōu)選地但不排他地由填充砂礫床形成的熱存儲單元301被串聯(lián)布置。在該配置中，熱存儲器300兩端的壓降將是可接受的，因?yàn)榱黧w質(zhì)量流將是低的。通過因?yàn)闊豳|(zhì)量存儲單元301串聯(lián)布置而熱存儲器300的長度與直徑比是高的事實(shí)，終端損失最小。在釋能期間，也稱為電力回收期間(圖6b)，傳熱速率和熱傳遞流體質(zhì)量流速需要比蓄能期間高；存儲器300的串聯(lián)構(gòu)造將導(dǎo)致不可接受地高的壓降。因此，代替串聯(lián)布置熱存儲單元301，熱存儲單元301被并聯(lián)布置，因而向熱傳遞流體提供較大的流通面積，且因此提供在熱存儲單元301內(nèi)可接受的流動速度并因此提供可接受的壓降。在上述示例中，通過燃?xì)獍l(fā)動機(jī)210的煙道氣供應(yīng)所有的熱的熱能。然而，本發(fā)明可適用于其它熱的熱能來源。在圖6a和6b所示的情形中，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)210是小的(僅2麗)，所以安裝連續(xù)的熱回收裝置，比如蒸汽底部組或有機(jī)Rankine循環(huán)(ORC)在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。因此在CPSD100的質(zhì)量足夠時(shí)，熱能在定義為大于100°C但小于250°C的“中間等級”下可用。具有約30麗至50麗以及更高的輸出的較大的發(fā)電裝備，比如轉(zhuǎn)廢為能(EfW)設(shè)備、組合式循環(huán)燃?xì)鉁u輪(CCGT)和較大的煤或生物質(zhì)點(diǎn)火蒸汽設(shè)備將通常配備額外的渦輪級或熱回收裝備以提高設(shè)備的總效率。排氣煙 中的熱能非常低且更多的熱以低等級可利用，低等級定義為低于100°c，例如，相比在圖6a和6b的示例中的，從蒸汽冷凝器可利用?？蛇M(jìn)一步通過使用來自兩個(gè)來源的熱來優(yōu)化熱電廠與CPSD的結(jié)合。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于冷凍機(jī)組的優(yōu)選實(shí)施例，低等級的熱能可供應(yīng)熱需求的50%。這減少需要的中間等級熱的量，其在較低質(zhì)量下可利用。表I概述了通常從多個(gè)候選熱過程可利用的中間等級熱的量和低等級熱的量，作為過程的額定發(fā)電能力的百分比:表I
權(quán)利要求
1.一種將第一熱過程和第二熱過程相結(jié)合的方法，其中，來自所述第一熱過程的傳熱速率與到所述第二熱過程的傳熱速率不同，所述方法包括: 提供第一熱存儲器； 通過以第一能量傳遞速率把來自所述第一熱過程的第一熱能傳遞到所述第一熱存儲器來利用所述第一熱能對所述第一熱存儲器蓄能；以及 通過以第二能量傳遞速率將所存儲的第一熱能從所述第一熱存儲器傳遞到所述第二熱過程的部件來對所述第一熱存儲器釋能，其中，所述第二速率不同于所述第一速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在對所述第一熱存儲器蓄能的步驟稍后的時(shí)間執(zhí)行對所述第一熱存儲器釋能的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中，在連續(xù)或間歇的基礎(chǔ)上執(zhí)行對所述第一熱存儲器釋能的步驟。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，在連續(xù)或間歇的基礎(chǔ)上執(zhí)行對所述第一熱存儲器蓄能的步驟。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述第一速率是所述第二速率的至少5倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述第一速率是所述第二速率的至少10倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述第一速率是所述第二速率的至少20倍。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的 方法，其中，所述第一熱能包括熱的能量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一熱能包括冷的能量。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述第二熱過程包括能量存儲裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述能量存儲裝置包括低溫能量存儲裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述能量存儲裝置包括壓縮空氣能量存儲裝置。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，通過一個(gè)或多個(gè)熱能來源而產(chǎn)生所述第一熱能。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述第一熱能包括熱量能，且所述一個(gè)或多個(gè)熱能來源包括以下項(xiàng)中的一種或多種: 來自熱電站或核電站的蒸汽冷凝液、來自熱電站的煙道氣； 來自鍋爐的蒸汽； 環(huán)境空氣； 地面熱(地?zé)?；以及 海水、河水或湖水。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，還包括: 提供第二熱存儲器； 通過以第三能量傳遞速率把來自所述第二熱過程的第二熱能傳遞到所述第二熱存儲器來利用所述第二熱能對所述第二熱存儲器蓄能；以及 通過以第四能量傳遞速率將所述第二熱存儲器中存儲的第二熱能從所述第二熱存儲器傳遞到第三熱過程的部件來對所述第二熱存儲器釋能，其中，所述第四速率不同于所述第二速率。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述第三熱過程是與所述第一熱過程相同的過程。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其中，在對所述第二熱存儲器蓄能的步驟稍后的時(shí)間執(zhí)行對所述第二熱存儲器釋能的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在連續(xù)或間歇的基礎(chǔ)上執(zhí)行對所述第二熱存儲器釋能的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求15至18中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在連續(xù)或間歇的基礎(chǔ)上執(zhí)行對所述第二熱存儲器蓄能的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求15至19中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第四速率是所述第三速率的至少5倍。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述第四速率是所述第三速率的至少10倍。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述第四速率是所述第三速率的至少20倍。
23.根據(jù)權(quán)利要求15至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第二熱能包括熱的能量。
24.根據(jù)權(quán)利要求1至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第二熱能包括冷的能量。
25.根據(jù)權(quán)利要求1至9或15至23中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一熱過程包括能量存儲裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述能量存儲裝置包括低溫能量存儲裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的 方法，其中，所述能量存儲裝置包括絕熱壓縮空氣能量存儲裝置或埃里克森循環(huán)壓縮空氣能量存儲裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述第一熱能包括從所述低溫能量存儲裝置放出的冷的能量。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述第二熱過程包括以下項(xiàng)中的一種或多種: 用于建筑物的空調(diào)系統(tǒng)； 制造過程中的制冷單元； 氣體液化過程；以及 數(shù)據(jù)中心的冷卻。
30.根據(jù)從屬于權(quán)利要求11、13和14中任一項(xiàng)時(shí)的權(quán)利要求15至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第二熱能包括從所述低溫能量存儲裝置放出的冷的能量。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述第三熱過程包括以下項(xiàng)中的一種或多種: 用于建筑物的空調(diào)系統(tǒng)； 制造過程中的制冷單元； 氣體液化過程；以及 數(shù)據(jù)中心的冷卻。
32.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中，所述第一熱存儲器包括非對稱的熱存儲器。
33.根據(jù)權(quán)利要求15或根據(jù)從屬于權(quán)利要求15的任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述第二熱存儲器包括非對稱的熱存儲器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將一個(gè)或多個(gè)熱過程相互結(jié)合的方法，其中，要結(jié)合的所述熱過程對熱能具有不同的供應(yīng)和需求標(biāo)準(zhǔn)。該方法涉及一個(gè)或多個(gè)熱存儲器的使用。
文檔編號F28D20/00GK103119390SQ201180039993
公開日2013年5月22日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月12日
發(fā)明者羅伯特·摩根, 斯蒂芬·加雷斯·布雷特 申請人:高維有限公司