Система аккумулирования термоэлектрической энергии и способ аккумулирования термоэлектрической энергии
Изобретение относится к энергетике. Система аккумулирования термоэлектрической энергии включает в себя теплообменник, содержащий термоаккумулирующую среду, и контур рабочей среды для прокачивания рабочей среды через теплообменник, посредством которого осуществляют теплообмен между рабочей средой и термоаккумулирующей средой. При теплообмене с термоаккумулирующей средой рабочая среда подвергается транскритическому охлаждению в цикле зарядки и транскритическому нагреву в цикле разрядки. Улучшенный кпд замкнутого цикла достигается за счет минимизации в рабочих циклах максимальной разности температур, между температурой рабочей среды и термоаккумулирующей среды. Также представлен способ аккумулирования термоэлектрической энергии в системе согласно настоящему изобретению. Изобретение позволяет повысить КПД замкнутого цикла. 2 н., 5 з. п. ф-лы, 5 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится в целом к аккумулированию электрической энергии. В частности оно относится к системе и способу аккумулирования электрической энергии в виде тепловой энергии в аккумуляторе тепловой энергии.
Уровень техники
Генераторы, рассчитанные на базовую нагрузку, такую как атомные электростанции и генераторы, работающие на источниках энергии, наличие которых носит вероятностный или периодический характер, таких как ветровые турбины и солнечные панели, генерируют избыточную электроэнергию в периоды низкого потребления энергии. Крупные системы для аккумулирования электроэнергии позволяют отводить эту избыточную энергию для ее использования в периоды пикового потребления электроэнергии и балансировать общую генерацию и потребление электроэнергии.
В более ранней патентной заявке ЕР 1577548 заявитель описал концепцию системы аккумулирования термоэлектрической энергии (АТЭЭ). АТЭЭ преобразует избыточную электроэнергию в теплоту в ходе цикла зарядки, запасает теплоту и преобразует ее в случае необходимости обратно в электроэнергию в ходе цикла разрядки. Такая система для аккумулирования энергии надежна, компактна, не зависит от специального места размещения и подходит для аккумулирования электроэнергии в больших количествах. Тепловая энергия может быть запасена в виде физической теплоты при изменении температуры, или в виде скрытой теплоты при изменении фазового состояния, или как комбинация обоих видов. Средой для аккумулирования физической теплоты может быть твердое тело, жидкость или газ. Среда для аккумулирования скрытой теплоты при изменении фазового состояния вещества может быть в любом из этих фазовых состояний или представлять собой их комбинацию, достигаемую последовательно или одновременно.
Кпд замкнутого цикла системы для аккумулирования электроэнергии может быть определен как процентное отношение величины электроэнергии, которая может быть отдана системой, к величине электроэнергии, использованной для ее аккумулирования в системе, при условии, что состояние системы для аккумулирования энергии после разрядки соответствует исходному состоянию указанной системы до ее зарядки. Следует указать на то, что все технологии аккумулирования электроэнергии характеризуются по существу ограниченным кпд замкнутого цикла. Таким образом, электроэнергия, отдаваемая системой, соответствует лишь некоторой процентной доле электроэнергии, аккумулируемой в системе. Остальная часть электроэнергии теряется. Если, к примеру, теплота, аккумулируемая в системе АТЭЭ, вырабатывается резистивными нагревателями, то такая система характеризуется кпд замкнутого цикла, равным около 40%. Кпд аккумулятора термоэлектрической энергии ограничен по различным причинам, которые кроются во втором начале термодинамики. Во-первых, степень преобразования теплоты в механическую работу тепловым двигателем ограничена кпд цикла Карно. Во-вторых, тепловой коэффициент любого теплового насоса тем меньше, чем больше разница между температурами на его входе и выходе. В-третьих, любая передача теплоты от рабочей среды к тепловому аккумулятору, и наоборот, требует перепада температуры. В силу этого факта неизбежно понижается температура вещества, а значит, и потенциал совершения работы теплом.
Следует отметить, что многие производственные процессы протекают с использованием тепловой энергии и аккумуляторов тепловой энергии. Примерами являются холодильные устройства, тепловые насосы, устройства кондиционирования воздуха и средства обрабатывающей промышленности. В солнечных тепловых электростанциях образуется теплота, которая аккумулируется (при необходимости) и преобразуется в электрическую энергию. Однако все эти устройства отличны от систем АТЭЭ, поскольку в первых теплота используется не только для аккумулирования электроэнергии.
Следует также отметить, что цикл зарядки системы АТЭЭ также называется циклом теплового насоса, а цикл разрядки системы АТЭЭ - циклом теплового двигателя. В рамках концепции АТЭЭ в режиме теплового насоса теплота должна передаваться от горячей рабочей среды к термоаккумулирующей среде, а в режиме теплового двигателя - от термоаккумулирующей среды к рабочей среде. Чтобы перенести тепловую энергию от холодного источника к теплому, тепловой насос должен совершить работу. Энергия на горячей стороне превышает величину совершенной работы на величину, равную энергии, отобранной от холодной стороны, поэтому тепловой насос будет «умножать» теплоту в отличие от резистивных нагревателей. Отношение теплоты на выходе к затраченной работе называется тепловым коэффициентом, который больше единицы. Таким образом, использование теплового насоса позволит повысить кпд замкнутого цикла системы АТЭЭ.
Термодинамические циклы, выбранные для зарядки и разрядки системы АТЭЭ, затрагивают многие практические аспекты аккумулирования. К примеру, объем аккумулятора тепловой энергии, необходимый для аккумулирования заданного количества электрической энергии в ходе цикла зарядки в АТЭЭ, зависит от температуры теплового аккумулятора, если в качестве холодного источника в ходе цикла разрядки используется окружающая среда. Чем выше температура теплового аккумулятора по сравнению с температурой окружающей среды, тем ниже относительная доля аккумулированной тепловой энергии, которая не может быть преобразована обратно в электроэнергию. Таким образом, если цикл зарядки осуществляется при относительно низкой максимальной температуре, то для аккумулирования того же количества электроэнергии требуется аккумулировать большее количество теплоты по сравнению с циклом аккумулирования при относительно большей максимальной температуре.
На фиг.1 изображены графики температур, соответствующие известной системе АТЭЭ. Ось абсцисс соответствует изменению энтальпии в системе, ось ординат - температуре, а кривые на графике - изобары. Сплошная линия обозначает изменение температуры рабочей среды в ходе цикла зарядки обычного АТЭЭ, при этом изображены (справа налево) следующие последовательные этапы: понижение 10 температуры перегретого пара, конденсация 12 и переохлаждение 14. Точечный пунктир обозначает изменение температуры рабочей среды в ходе цикла разрядки обычного АТЭЭ, при этом изображены (слева направо) следующие последовательные этапы: предварительный нагрев 16, кипение 18 и перегрев 20. Пунктирная диагональная прямая обозначает изменение температуры термоаккумулирующей среды в ходе одного из циклов, осуществляемых при обычном АТЭЭ. Теплота может перетекать только от участка с большей температурой к участку с меньшей температурой. Следовательно, типичная кривая, соответствующая охлаждению рабочей среды в ходе цикла зарядки, должна лежать выше типичной кривой изменения температуры термоаккумулирующей среды, а та, в свою очередь, должна лежать выше типичной кривой, соответствующей нагреву рабочей среды в ходе цикла разрядки.
Установлено, что коэффициент термодинамической необратимости соответствует теплопередаче при больших перепадах температуры. Из фиг.1 видно, что на отрезке 12 графика зарядки, соответствующем конденсации, и на отрезке 18 графика разрядки, соответствующем кипению, температура рабочей среды постоянна. Это ведет к относительно большому максимальному перепаду температуры, обозначенному как ΔТmах, между термоаккумулирующей средой и рабочей средой (как при зарядке, так и разрядке), а значит, - к уменьшению кпд замкнутого цикла. Чтобы свести к минимуму этот максимальный перепад температуры, для аккумулирования теплоты могут быть сконструированы относительно большие теплообменники или использованы вещества с фазовым переходом. К сожалению, эти решения влекут за собой большие капитальные затраты и поэтому обычно непрактичны.
Таким образом, существует необходимость создания эффективного аккумулятора термоэлектрической энергии, который характеризуется высоким кпд замкнутого цикла, при сведении к минимуму площади теплообменника и количества необходимой термоаккумулирующей среды, а также капитальных затрат.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения - обеспечить систему аккумулирования термоэлектрической энергии, способную преобразовывать электрическую энергию в тепловую энергию, которая должна аккумулироваться и преобразовываться обратно в электрическую энергию с повышенным кпд замкнутого цикла. Эта задача решается с помощью системы аккумулирования термоэлектрической энергии по п.1 формулы настоящего изобретения и способа по п.7 указанной формулы. Предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения очевидны из зависимых пунктов формулы.
Первый объект настоящего изобретения касается системы аккумулирования термоэлектрической энергии, которая включает в себя теплообменник, содержащий термоаккумулирующую среду, контур рабочей среды для прокачивания рабочей среды через теплообменник, с тем чтобы осуществлять теплообмен с термоаккумулирующей средой, при этом в ходе теплообмена рабочая среда подвергается транскритическому процессу.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения термоаккумулирующая среда представляет собой жидкость. Более того, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения термоаккумулирующая среда является водой.
В ходе цикла зарядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии рабочая среда подвергается в теплообменнике транскритическому охлаждению. Когда система аккумулирования термоэлектрической энергии осуществляет цикл зарядки (или цикл «теплового насоса»), система задействует детандер, испаритель и компрессор.
В ходе цикла разрядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии рабочая среда подвергается в теплообменнике транскритическому нагреву. Когда система аккумулирования термоэлектрической энергии осуществляет цикл разрядки (или цикл «теплового двигателя»), система включает в себя насос, конденсатор и турбину.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения в ходе цикла зарядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии рабочая среда, поступающая в теплообменник, находится в сверхкритическом состоянии. Кроме того, рабочая среда находится в сверхкритическом состоянии на выходе теплообменника, в ходе цикла разрядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии.
Далее, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения система, соответствующая первому объекту изобретения, включает в себя детандер, который входит в состав контура рабочей среды и служит для отбора энергии от рабочей среды в ходе цикла зарядки, причем отобранная энергия подается к компрессору, входящему в состав контура рабочей среды, для сжатия рабочей среды до сверхкритического состояния.
Предпочтительно система АТЭЭ, работа которой основана на транскритических циклах, может функционировать без холодильника (т.е. обмениваться теплотой с окружающей средой, а не с холодильником) и без материалов с изменяющимся фазовым состоянием, одновременно обеспечивая приемлемый коэффициент обратной работы для высокого коэффициента замкнутого цикла.
Второй объект настоящего изобретения касается способа аккумулирования термоэлектрической энергии в системе аккумулирования термоэлектрической энергии. Способ включает в себя прокачивание рабочей среды через теплообменник для теплообмена с термоаккумулирующей средой и осуществления теплообмена с термоаккумулирующей средой в транскритическом режиме.
Предпочтительно в ходе цикла зарядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии стадия теплообмена включает в себя транскритическое охлаждение рабочей среды.
Кроме того, в ходе цикла разрядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии стадия теплообмена включает в себя транскритический нагрев рабочей среды.
Предпочтительно способ, соответствующий второму объекту настоящего изобретения, включает в себя дополнительную стадию корректировки параметров системы аккумулирования термоэлектрической энергии, чтобы гарантировать, что максимальный перепад между температурами рабочей среды и термоаккумулирующей среды в ходе зарядки и разрядки сведен к минимуму.
Чтобы гарантировать, что максимальный перепад между температурами рабочей среды и термоаккумулирующей среды в ходе циклов зарядки и разрядки сведен к минимуму, могут быть откорректированы следующие параметры системы: уровни рабочей температуры и давления, тип используемой рабочей среды, тип используемой термоаккумулирующей среды, площадь теплообменника.
Важной целью системы АТЭЭ на основе теплового насоса - теплового двигателя и способа функционирования такой системы -является достижение работы с максимально возможной обратимостью термодинамических циклов. Поскольку циклы связаны между собой через механизм аккумулирования тепла, а значит, через графики температуры-энтальпии, для достижения обратимой работы важным требованием является аппроксимация кривых рабочей среды кривой термоаккумулирующей среды.
Краткое описание чертежей
Объект настоящего изобретения подробнее описан ниже со ссылкой на предпочтительные варианты его выполнения, проиллюстрированные прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 - график тепловой энергии-температуры при теплообмене в ходе циклов, осуществляемых в обычной системе АТЭЭ;
фиг.2 - упрощенная схема цикла зарядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии;
фиг.3 - упрощенная схема цикла разрядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии;
фиг.4 - график тепловой энергии-температуры при теплообмене в системе АТЭЭ по настоящему изобретению;
фиг.5а - график энтальпии-давления в циклах, осуществляемых в системе АТЭЭ по настоящему изобретению;
фиг.5b - график энтропии-температуры в циклах, осуществляемых в системе АТЭЭ по настоящему изобретению;
Для единообразия все схожие элементы, изображенные на чертежах, обозначены одинаковыми цифровыми позициями.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг.2 и 3 изображены соответственно схема системы для цикла зарядки и схема системы для цикла разрядки, входящие в состав системы АТЭЭ, которая соответствует варианту выполнения настоящего изобретения.
Система 22 для цикла зарядки включает в себя детандер 24 для использования работы, испаритель 26, компрессор 28 и теплообменник 30. Через эти компоненты циркулирует рабочая среда, как показано сплошной линией со стрелками (фиг.2). Кроме того, резервуар 32 для холодной среды и резервуар 34 для горячей среды, содержащие текучую термоаккумулирующую среду, соединены между собой через теплообменник.
Во время работы система 22 для цикла зарядки осуществляет транскритический цикл, и рабочая среда циркулирует по системе АТЭЭ следующим образом. Рабочая среда, попадая в испаритель 26, поглощает тепло из окружающей среды или холодильника и испаряется. Испарившаяся рабочая среда подается в компрессор 28, который использует избыточную электроэнергию для сжатия и нагрева рабочей среды до сверхкритического состояния. (В таком состоянии среда находится при температуре, превышающей критическую, и давлении, превышающем критическое.) Эта стадия является важнейшим признаком транскритического цикла. Затем рабочая среда проходит через теплообменник 30, где она передает тепловую энергию термоаккумулирующей среде.
Следует отметить, что давление рабочей среды в теплообменнике будет превышать критическое, но температура рабочей среды может стать ниже критической. Таким образом, хотя рабочая среда поступает в теплообменник, находясь в сверхкритическом состоянии, она может выходить из теплообменника, находясь в докритическом состоянии.
Сжатая рабочая среда выходит из теплообменника 30 и поступает в детандер 24. Здесь она расширяется и ее давление понижается до давления среды в испарителе. Из детандера 24 рабочая среда поступает обратно в испаритель 26.
Термоаккумулирующая среда, изображенная на фиг.2 пунктиром, перекачивается из резервуара 32 для холодной среды в резервуар 34 для горячей среды через теплообменник 30. Тепловая энергия, передаваемая от рабочей среды к термоаккумулирующей среде, аккумулируется в виде физической теплоты.
Под транскритическим циклом следует понимать термодинамический цикл, в ходе которого рабочая среда проходит через докритическое и сверхкритическое состояния. При давлении среды, превышающем сверхкритическое, не существует отличия между газовой фазой и паровой фазой, и поэтому в ходе транскритического цикла не происходит испарения или кипения (в обычном смысле слова).
Система 36 для цикла разрядки, изображенная на фиг.3, включает в себя насос 38, конденсатор 40, турбину 42 и теплообменник 30. Рабочая среда циркулирует через эти компоненты, как показано точечным пунктиром со стрелками (фиг.3). Кроме того, резервуар 32 для холодной среды и резервуар 34 для горячей среды, содержащие текучую термоаккумулирующую среду, соединены между собой через теплообменник 30. Термоаккумулирующая среда, изображенная на фиг.3 пунктиром, перекачивается из резервуара 34 для горячей среды в резервуар 32 для холодной среды через теплообменник 30.
Во время работы система 36 для цикла разрядки также осуществляет транскритический цикл, и рабочая среда циркулирует по системе АТЭЭ следующим образом. Тепловая энергия передается от термоаккумулирующей среды к рабочей среде, в результате чего последняя подвергается транскритическому нагреву. Затем рабочая среда выходит из теплообменника 30, находясь в сверхкритическом состоянии, и поступает в турбину 42, где данная среда расширяется, за счет чего турбина вырабатывает электроэнергию. После этого рабочая среда поступает в конденсатор 40, где она конденсируется за счет обмена тепловой энергией с окружающей средой или холодильником. Конденсированная рабочая среда выходит из конденсатора 40 через выходное отверстие и снова закачивается насосом 38 в теплообменник 40, при этом давление рабочей среды превышает критическое.
Хотя система 22 для цикла зарядки, изображенная на фиг.2, и система 36 для цикла разрядки, изображенная на фиг.3, показаны отдельно, теплообменник 30, резервуар 32 для холодной среды, резервуар 34 для горячей среды и термоаккумулирующая среда являются общими для обеих систем. Циклы зарядки и разрядки могут быть осуществлены последовательно, а не одновременно. Эти два полных цикла наглядно изображены на графике энтальпии-давления, таком как на фиг.5а.
В данном примере осуществления настоящего изобретения теплообменник 30 является противоточным, при этом предпочтительно рабочая среда представляет собой диоксид углерода. Кроме того, термоаккумулирующая среда является жидкостью, при этом предпочтительно она является водой. Компрессор 28 в данном примере осуществления настоящего изобретения имеет электрический привод.
В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения противоточный теплообменник 30 может характеризоваться минимальным сближением ΔТmin температуры, равным 5 К (т.е. минимальная разность температур двух текучих сред, обменивающихся теплотой, равна 5 К). Разность температур должна быть как можно меньше.
На фиг.4 изображен график тепловой энергии-температуры, который характеризует передачу тепла в теплообменнике в ходе циклов, осуществляемых в системе АТЭЭ по настоящему изобретению. Сплошная линия обозначает график температуры рабочей среды в ходе цикла зарядки АТЭЭ. Точечный пунктир обозначает график температуры рабочей среды в ходе цикла разрядки АТЭЭ. Пунктир обозначает график температуры термоаккумулирующей среды в ходе циклов АТЭЭ. Теплота может перетекать только от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой. Следовательно, типичная кривая охлаждения рабочей среды в ходе цикла зарядки должна быть расположена выше типичной кривой температуры термоаккумулирующей среды, а последняя из упомянутых кривых должна, в свою очередь, быть расположена выше типичной кривой нагрева рабочей среды в ходе цикла разрядки.
Кривые температуры стационарны во времени благодаря аккумулированию физической теплоты в термоаккумулирующей среде. Таким образом, хотя объем термоаккумулирующей среды в теплообменнике остается постоянным, объемы горячей и холодной термоаккумулирующих сред в соответствующих резервуарах изменяются. Распределение температуры в теплообменнике также постоянно.
Из фиг.4 видно, что в ходе цикла зарядки в системе АТЭЭ происходит плавное транскритическое охлаждение рабочей среды и стадия конденсации отсутствует. Точно так же в ходе цикла разрядки в системе АТЭЭ происходит плавный транскритический нагрев рабочей среды и стадия кипения отсутствует. Поэтому максимальная разность ΔТmах между температурой термоаккумулирующей среды и рабочей жидкости (как при зарядке, так и при разрядке) относительно мала, что ведет к увеличению кпд замкнутого цикла и приближению к обратимому режиму работы.
Четырехугольник, образованный сплошной линией на графике энтальпии-давления (фиг.5а), соответствует как циклу аккумулирования, так и циклу отдачи теплоты системы АТЭЭ по настоящему изобретению. Более конкретно, цикл зарядки соответствует обходу четырехугольника против часовой стрелки, а цикл разрядки - по часовой. Далее описан транскритический цикл зарядки. Предполагается, что в данном примере осуществления настоящего изобретения рабочая среда представляет собой диоксид углерода.
Цикл начинается в точке I, которая соответствует состоянию рабочей среды перед сообщением ей тепла от испарителя. В этой точке давление рабочей среды относительно мало, а ее температура может составлять от 0°С до 20°С, испарение рабочей среды происходит в точке II при постоянном давлении и температуре, после чего полученный пар сжимается изоэнтропически в компрессоре до состояния III. В точке III рабочая среда находится в сверхкритическом состоянии, при этом ее температура может составлять примерно от 90°С до 150°С, а давление - достигать порядка 20 МПа. Однако это зависит от используемой комбинации рабочей среды и термоаккумулирующей среды, а также от достигнутой температуры. При прохождении рабочей среды через теплообменник тепловая энергия передается изобарически от рабочей среды к термоаккумулирующей среде, в результате чего рабочая среда охлаждается. Это показано на фиг.5а в виде отрезка, соединяющего точки III и IV. При прохождении рабочей среды через детандер она расширяется (отрезок IV-I), в результате чего выделяется энергия. Выделяемая энергия может быть использована для одновременного приведения в действие компрессора через механическое или электрическое соединение. Таким образом, рабочая среда возвращается в свое исходное состояние, соответствующее ее низкому давлению.
Транскритический цикл разрядки также описывается графиком, изображенным на фиг.5а, но обход графика осуществляется по часовой стрелке, поскольку процессы происходят в противоположных направлениях. Следует отметить, что сжатие, соответствующее отрезку от точки I до точки IV, должно предпочтительно быть изоэнтропическим.
В альтернативном примере осуществления настоящего изобретения на стадии IV-I цикла зарядки, на которой рабочая среда расширяется, может быть использован вентиль адиабатического расширения. При этом энергия будет теряться из-за необратимости такого процесса адиабатического изоэнтальпического расширения.
Четырехугольник, образованный сплошной линией на графике энтропии-температуры (фиг.5b), соответствует как циклу аккумулирования, так и циклу отдачи системы АТЭЭ по настоящему изобретению. Более конкретно, транскритический цикл зарядки соответствует обходу четырехугольника против часовой стрелки, а транскритический цикл разрядки - по часовой. Предполагается, что в данном примере осуществления настоящего изобретения рабочая среда представляет собой диоксид углерода. На этом графике отчетливо видно, что при повышении энтропии между точками I и II температура постоянна, а при повышении температуры между точками II и III - постоянна энтропия. В примере осуществления, проиллюстрированном фиг.5b, в ходе цикла зарядки энтропия рабочей среды уменьшается с 1,70 кДж/кгК до 1,20 кДж/кгК при плавном транскритическом охлаждении среды от 120°С (точка III) до 42°С (точка IV). Переход от точки IV к точке I соответствует уменьшению температуры рабочей среды при ее постоянной энтропии.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что система АТЭЭ, изображенная на фиг.2 и 3, может быть выполнена несколькими различными способами. Альтернативные варианты выполнения настоящего изобретения включают в себя:
использование различных рабочих сред, чтобы довести до максимума кпд замкнутого цикла, для осуществления циклов зарядки и разрядки. Примерами подходящих рабочих сред являются любые теплоносители, критическая температура которых лежит между наименьшей и наибольшей температурами, достигаемыми в ходе циклов;
использование различных теплоносителей для оптимизации процесса в ходе циклов зарядки и разрядки;
вместо окружающей среды может быть использован специальный холодильник, который служит источником теплоты в ходе цикла зарядки и источником холода - в ходе цикла разрядки. Таким холодильником может служить водоледяная смесь, которую готовят в ходе цикла зарядки и используют для конденсации рабочей среды в ходе цикла разрядки. Если температура холодильника может быть повышена для зарядки (к примеру, с помощью нагреваемых солнцем прудов или использованной теплоты) или понижена для разрядки, это может быть использовано для увеличения кпд замкнутого цикла;
благодаря близости циклов к критической точке рабочей среды, использование работы расширения с помощью вентиля расширения может быть существенной частью работы сжатия при условиях, близких к критической точке. Таким образом, использование работы расширения может быть включено в проект системы АТЭЭ;
хотя термоаккумулирующая среда обычно представляет собой воду (хранящуюся при необходимости в емкости под давлением), могут быть использованы и другие вещества, к примеру, масло или расплав солей. Преимуществом воды являются ее относительно хорошие теплофизические и транспортные свойства и большая удельная теплоемкость, поэтому для обеспечения заданной теплоемкости требуется относительно малый объем. Очевидно, что вода негорюча, нетоксична и экологически безопасна. Выбор дешевой термоаккумулирующей среды будет способствовать уменьшению общей стоимости системы.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что конденсатор и испаритель системы АТЭЭ могут быть заменены многофункциональным теплообменным устройством, которое может выполнять обе задачи, поскольку использование испарителя (26) в ходе цикла зарядки и использование конденсатора (40) в ходе цикла разрядки будут происходить в разные промежутки времени. Аналогичным образом роль турбины (42) и компрессора (28) может выполнять одно и то же оборудование (упоминается в настоящем описании как «термодинамическая машина»), способное работать в двух режимах.
Предпочтительной рабочей средой для настоящего изобретения является диоксид углерода, в основном, из-за его большей эффективности в процессах теплопередачи;
кроме того, диоксиду углерода как натуральной рабочей среде присущи такие привлекательные свойства как негорючесть, отсутствие влияния на озонный слой, безопасность для здоровья и т.д.
1. Система аккумулирования термоэлектрической энергии для преобразования электрической энергии в тепло в ходе цикла зарядки, аккумулирования тепла и обеспечения термодинамической машины тепловой энергией для обратного преобразования тепла путем генерации электричества в ходе цикла разрядки, содержащая:
теплообменник, содержащий термоаккумулирующую среду,
контур рабочей среды для прокачивания рабочей среды через теплообменник, для осуществления теплообмена с термоаккумулирующей средой, причем при работе системы аккумулирования термоэлектрической энергии рабочая среда прокачивается через указанный контур рабочей среды,
отличающаяся тем, что рабочая среда подвергается транскритическому процессу, при котором
рабочая среда находится в сверхкритическом состоянии при поступлении в теплообменник в цикле зарядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии, и
рабочая среда находится в сверхкритическом состоянии при выходе из теплообменника в цикле разрядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии.
2. Система по п.1, в которой рабочая среда подвергается транскритическому охлаждению в теплообменнике в течение цикла зарядки, когда система аккумулирования термоэлектрической энергии функционирует.
3. Система по п.1 или 2, в которой рабочая среда подвергается транскритическому нагреву в теплообменнике в течение цикла разрядки, когда система аккумулирования термоэлектрической энергии функционирует.
4. Система по любому из пп.1-3, дополнительно содержащая:
детандер в контуре рабочей среды для получения энергии от рабочей среды в цикле зарядки, при этом полученная энергия подается к компрессору в контуре рабочей среды, выполненному с возможностью сжатия рабочей среды до сверхкритического состояния.
5. Способ аккумулирования термоэлектрической энергии в системе аккумулирования термоэлектрической энергии, включающий
прокачивание рабочей среды через теплообменник для осуществления теплообмена между рабочей средой и термоаккумулирующей средой,
отличающийся тем, что
обеспечивают теплообмен с термоаккумулирующей средой в транскритическом процессе, при котором стадия теплообмена включает в себя транскритическое охлаждение рабочей среды в цикле зарядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии.
6. Способ по п.5, в котором стадия теплообмена включает в себя транскритический нагрев рабочей среды в цикле разрядки системы аккумулирования термоэлектрической энергии.
7. Способ по п.5 или 6, дополнительно включающий стадию, на которой:
корректируют параметры системы аккумулирования термоэлектрической энергии, с тем чтобы обеспечить минимизацию максимальной разности (ΔТmах) между температурой рабочей среды и температурой термоаккумулирующей среды в циклах зарядки и разрядки.
