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1、(10)申请公布号 CN 103987925 A (43)申请公布日 2014.08.13 C N 1 0 3 9 8 7 9 2 5 A (21)申请号 201280061822.X (22)申请日 2012.11.13 102011088380.0 2011.12.13 DE F01K 3/00(2006.01) F01K 13/00(2006.01) F01K 23/02(2006.01) (71)申请人西门子公司 地址德国慕尼黑 (72)发明人 C.格莱伯 C.布鲁恩休伯 G.齐默曼 (74)专利代理机构北京市柳沈律师事务所 11105 代理人任宇 (54) 发明名称 有开放式蓄能回路。
2、的存储季节性过剩电能的 能量存储设备 (57) 摘要 本发明涉及一种用于存储热能的能量存储设 备(1)，带有用于工作气体(3)的蓄能回路(2)，该 蓄能回路包括压缩机(4)、热存储器(5)和膨胀涡 轮机(6)，其中压缩机(4)和膨胀涡轮机(6)布置 在共同的轴(14)上，且其中压缩机(4)在出口侧 通过用于工作气体(3)的第一管路(7)与膨胀涡 轮机(6)的入口连接，且热存储器(5)接入第一管 路(7)内，其中压缩机(4)在入口侧与相对于大气 (A)开放的管路(30)连接，且膨胀涡轮机(6)在 出口侧与相对于大气(A)开放的管路(31)连接， 使得形成相对于环境空气开放的回路，且其中膨 胀涡轮。
3、机(6)通过用于热气体的管路(33)与热存 储器(5)连接，使得工作气体(3)在膨胀涡轮机 (6)内可由来自热存储器(5)的热量加热。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.06.13 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/EP2012/072450 2012.11.13 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/087321 DE 2013.06.20 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 10398792。
4、5 A CN 103987925 A 1/1页 2 1.一种用于存储热能的能量存储设备(1)，该能量存储设备带有用于工作气体(3)的 蓄能回路(2)，所述蓄能回路包括压缩机(4)、热存储器(5)和膨胀涡轮机(6)，且其中所述 压缩机(4)和所述膨胀涡轮机(6)布置在共同的轴(14)上，且其中所述压缩机(4)在出口 侧通过用于工作气体(3)的第一管路(7)与所述膨胀涡轮机(6)的入口连接，且所述热存 储器(5)接入所述第一管路(7)内，且其中所述压缩机(4)在入口侧与相对于大气(A)开 放的管路(30)连接，且膨胀涡轮机(6)在出口侧与相对于大气(A)开放的管路(31)连接， 使得形成相对于环境。
5、空气开放的回路，其特征在于， 所述膨胀涡轮机(6)通过用于热气体的管路(33)与所述热存储器(5)连接，使得所述 工作气体(3)在所述膨胀涡轮机(6)内通过来自热存储器(5)的热量加热。 2.根据权利要求1所述的能量存储设备(1)，其特征在于，尤其是与所述第一管路(7) 不同的管路(33)保证将所述热存储器后的热空气的部分流导引至所述膨胀涡轮机。 3.根据前述权利要求中一项所述的能量存储设备(1)，其特征在于，提供有换热器 (34)，所述换热器(34)在初级侧接入热存储器(5)后的第一管路(7)内，且在次级侧接入 所述管路(30)内，使得来自所述工作气体(3)的热量能在所述管路(30)内传递给。
6、抽吸的 环境空气。 4.根据前述权利要求中一项所述的能量存储设备(1)，其特征在于，提供有第一附加 加热器(35)，所述第一附加加热器(35)接入所述膨胀涡轮机(6)前方的第一管路(7)内， 使得所述工作气体(3)在进入所述膨胀涡轮机(6)之前被加热。 5.根据前述权利要求中一项所述的能量存储设备(1)，其特征在于，提供有第二附加 加热器(36)，所述第二附加加热器(36)接入所述热存储器(5)前方的第一管路(7)内，使 得所述工作气体(3)在进入所述热存储器(5)之前被加热。 6.根据前述权利要求中一项所述的能量存储设备(1)，还包括释能回路(9)，在所述释 能回路(9)中接入所述热存储器(。
7、5)且此外接入带有水-蒸汽回路(41)的蒸汽涡轮机设 备(16)，其中通过所述换热器产生用于在所述蒸汽涡轮机设备(16)内膨胀的蒸汽。 7.根据权利要求6所述的能量存储设备(1)，其特征在于，所述换热器(5)接入所述蒸 汽涡轮机设备(16)的水-蒸汽回路(41)内，使得所述蒸汽能在所述换热器(5)内直接产 生。 8.根据权利要求6所述的能量存储设备(1)，其特征在于，提供有废热蒸汽生成器 (40)，所述废热蒸汽生成器(40)在初级侧通过用于热空气的回路(45)与所述热存储器(5) 连接，且在次级侧与所述蒸汽涡轮机设备(16)的水-蒸汽回路(41)连接。 9.根据前述权利要求中一项所述的能量存储。
8、设备(1)，其特征在于，所述换热器(5)的 存储材料是多孔性材料、沙、砾石、岩石、混凝土、水或盐溶液。 10.根据前述权利要求中一项所述的能量存储设备(1)，其特征在于，所述能量存储设 备(1)使用在以可再生能量运行的发电厂中，以便存储季节性的过剩电能。 权 利 要 求 书CN 103987925 A 1/3页 3 有开放式蓄能回路的存储季节性过剩电能的能量存储设备 0001 能量存储的必要性尤其是源自日益增长的来自可再生能量领域的发电厂的份额。 能量存储的目的在于，在输电网络中可使用具有可再生能量的发电厂，使得也可时间延迟 地利用可再生产生的能量，以因此节约化石能源且因此降低CO 2 排放。。
9、 0002 US2010/0257862A1描述一种已知的能量存储设备的原理，其中使用了活塞式机 器。此外，根据US5,436,508已知，通过用于存储热能的能量存储设备在利用风能发电时也 可中间存储过剩容量。 0003 此类能量存储器在存储器蓄能时将电能转化为热能且将热能存储。在释能时，将 热能又转化为电能。 0004 由于能量存储器得跨越的时间段，即能量存入能量存储器内或从能量存储器取出 的时间，且由于应存储的功率，提出了对于热能存储器的尺寸相应较高的要求。因此，仅由 于结构尺寸即可能使得热能存储器的购置昂贵。如果能量存储器为此而昂贵地构造或实际 的热存储介质在购置或在运行中是昂贵的，则对。
10、于热能存储器的购置和运行成本很快带来 能量存储的经济性问题。 0005 由于廉价的存储材料的导热能力经常是低的，所以换热面积经常应设置得很大。 换热管的大数量和长度在此明显提高换热器的成本，这自身不再能通过廉价的存储材料补 偿。 0006 目前，基于廉价材料的换热器主要构造为使例如空气的热载体和例如沙或石的存 储材料的直接交换的形式，以替代大的换热器。在技术中原理上已知的漩涡层技术目前为 止未被应用于可再生的过剩能量的季节性存储所要求的尺寸布置上。直接换热此外导致与 固体的相对复杂的交互作用，这对于大型存储器是不经济的。 0007 将例如空气的工作气体用作热载体介质。工作气体在此可选择地在封闭。
11、式或开放 式蓄能回路或附加回路中导引。 0008 开放式蓄能回路总是使用环境空气作为工作气体。所述环境空气从环境中抽取且 在过程结束时又释放到环境中，使得环境将开放式回路闭合。封闭式回路也允许使用不同 于环境空气的工作气体。此工作气体在封闭式回路中导引。因为在调节环境压力和环境温 度的同时取消了到环境中的卸压，所以在封闭式回路的情况中工作气体必须导引通过换热 器，所述换热器允许工作气体散热到环境中。因为在封闭式回路中也可使用去湿的空气或 另外的工作气体，所以可省去压缩机和水分离器的多级构造。但在此缺点是用于膨胀涡轮 机后或压缩机前的用于将工作气体加热到用于压缩机的工作温度的附加换热器的购置和 。
12、运行的附加成本费用。在运行中，因此使得能量存储设备的效率降低。 0009 替代地可建议使得用于热存储器内的热能存储的蓄能回路也形成为开放式回路， 且压缩机由两级构成，其中在这两级之间提供用于工作气体的水分离器。在此，考虑到如下 情况，即在环境空气中包含空气湿度。通过工作气体在唯一一级中的卸压，可能出现的情况 是空气湿度由于工作气体到例如-100的强冷却而凝结且因此损坏膨胀涡轮机。尤其是， 涡轮机叶片可能由于冻结而被不利地损坏。但工作气体在两步中的卸压实现将凝结的水在 第一级后方的水分离器内例如在5下分离，使得所述凝结的水在工作气体在第二涡轮机 说 明 书CN 103987925 A 2/3页 。
13、4 级中进一步冷却时已去湿，且可防止或至少降低冰的形成。但在此缺点也是购置多级压缩 机和水分离器的成本升高。在运行中，此类设备的效率也降低。 0010 本发明所要解决的技术问题是给出一种具有提高的效率的基于廉价的存储材料 的用于存储热能的廉价的能量存储器。在此，被认为尤其是避免了现有技术中的缺点。本 发明还要解决的技术问题是给出一种方法，通过所述方法在提高的效率下可在廉价的存储 材料内存储热能。 0011 本发明的针对设备的技术问题通过权利要求1的特征解决。 0012 据此，用于存储热能的能量存储设备包括用于工作气体的蓄能回路，所述蓄能回 路包括压缩机、热存储器和膨胀涡轮机，其中压缩机和膨胀涡。
14、轮机布置在共同的轴上，且其 中压缩机在出口侧通过用于工作气体的第一管路与膨胀涡轮机的入口连接，且热存储器接 入第一管路内，且压缩机在入口侧与相对于大气开放的管路连接，且膨胀涡轮机在出口侧 与相对于大气开放的管路连接，使得形成相对于环境空气开放的回路。根据本发明，现在膨 胀涡轮机通过用于热气体的管路与热存储器连接，使得工作气体在膨胀涡轮机内通过来自 热存储器的热量可加热。尤其是不与第一管路相同的此管路保证将热存储器后的热空气的 部分流导引至膨胀涡轮机。 0013 本发明的核心在于将热存储器后的热空气的部分流导引至膨胀涡轮机，以便类似 于在燃气涡轮机中的情况将其导引到涡轮机叶片内，以避免在膨胀涡轮。
15、机的冷端上的冻结 问题。 0014 由于压缩机废热在蓄能回路中的回收和冷的膨胀空气向环境的释放，获得了明显 高于100的热泵效率。压缩机废热的回收通过在热量存储器内仅利用例如320的高温 热量来实现。更低温度水平的热量用于环境空气在压缩机入口处的预热，以此降低了准绝 热压缩的电能需求且实现了高的热泵效率。回收时的换热或者直接在空气-空气换热器内 进行，或者通过中间回路以有效的热载体介质(例如，热油)进行。 0015 在最简单的情况中，回路如在焦耳过程中包括压缩和卸压。但带有空气的中间冷 却的压缩机级和膨胀器级的准确数量可自由选择，且必须根据技术经济性观点优化。空气 蓄能回路用于产生实现了有效的。
16、电流反转化的高温热，但替代地也可将其直接用于例如远 程供热。在热量存储器或热存储器中，基于更高的效率潜能，优选的是与热压力空气的直接 温度交换(在蓄能时)以及存储材料与水/蒸汽的温度交换(在释能时)。 0016 膨胀涡轮机此外通过它布置在与压缩机共同的轴上且明显地辅助压缩机而降低 了用于压缩的能量花费。 0017 因为工作气体在低温下的冷却要求很大的换热面积，所以通过放弃使用更低的温 度也可使热存储器更廉价，因为热存储器尺寸可以设计得更小。 0018 总之，通过根据本发明的措施实现了能量存储器的效率的明显升高。此外，根据本 发明的能量存储设备在购置上比其中工作气体很大程度上完全在换热器内冷却的。
17、常规能 量存储设备明显更廉价。 0019 在本发明的有利的扩展中建议一种换热器，所述换热器在初级侧接入热存储器后 的用于工作气体的第一管路内，且在次级侧接入通向压缩机的管路内，使得来自工作气体 的热量在通向压缩机的管路内传递给抽吸的环境空气。 0020 在本发明的另外的有利的构造中提供了第一附加加热器，所述第一附加加热器在 说 明 书CN 103987925 A 3/3页 5 膨胀涡轮机前方接入用于工作气体的第一管路内，使得工作气体在进入到膨胀涡轮机内之 前被加热。附加加热可以是电加热。通过附加加热，升高换热器前方的最高存储器温度升 高，从而实现效率的进一步提高。作为其替代或补充，在另外的扩展中提供了第二附加加热 器，所述第二附加加热器接入到热存储器前方的第一管路内，使得工作气体在进入到热存 储器内之前可被加热。通过第二附加加热，可进一步提高可调节性和可利用性。 0021 所存储的能量的取出可例如通过蒸汽回路进行。 0022 热能可以是具有可再生能量的发电厂的季节性出现的过剩能量。作为用于换热过 程的热存储器的存储材料，特别合适的是多孔性材料，例如沙、砾石、岩石、混凝土、水或盐 溶液。 说 明 书CN 103987925 A 1/2页 6 图1 说 明 书 附 图CN 103987925 A 2/2页 7 图2 说 明 书 附 图CN 103987925 A 。