Система аккумулирования тепловой энергии, содержащая комплексную холодильно-нагревательную установку, и способ использования такой системы
Изобретение относится к системе аккумулирования тепловой энергии, содержащей аккумулятор (2) энергии, обладающий вертикальным температурным градиентом, и внутреннюю комбинированную холодильно-нагревательную машину (15). Данная машина адаптирована для выведения энергии, соответствующей первой температуре, из аккумулятора энергии с одновременным возвратом энергии, соответствующей, после подогрева, второй, более высокой температуре, и энергии, соответствующей, после охлаждения, третьей, более низкой температуре. Изобретение относится также к способу использования системы аккумулирования тепловой энергии. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники
Изобретение относится к системе аккумулирования тепловой энергии, содержащей аккумулятор энергии, обладающий вертикальным температурным градиентом, и внутреннюю комбинированную холодильно-нагревательную машину.
Уровень техники
В настоящее время обеспечение электроэнергией осуществляется, в основном, путем ее генерирования с помощью турбин. Подача электричества в электрическую сеть необходимо постоянно балансировать по отношению к суммарному потреблению электричества и любым потерям в сети. Появление дисбаланса влияет на частоту сети таким образом, что перепроизводство энергии приводит к повышению частоты, а недостаточное производство - к понижению частоты относительно стандартной частоты 50 Гц. Определенное балансирование обеспечивается за счет допущения небольших отклонений частоты сети. Если отклонение становится слишком большим, сеть выходит из строя.
Производство электричества можно разделить на две основные части: генерирование базовой мощности и мощности, следующей за нагрузкой. Базовая мощность генерируется при постоянной производительности и обеспечивается, например, атомными электростанциями, теплоэлектростанциями, работающими на угле или на газе, или системами, вырабатывающими тепло или электроэнергию. Для стабилизации частоты у 50 Гц огромное значение имеет возможность немедленного регулирования (т.е. регулирования отклонений в течение секунд) вращающейся массы в синхронных генераторах/турбинах.
Для стабилизации в течение более длительных периодов, от часов до дней, баланс производства и потребления электричества обеспечивается регулированием потребления, в том числе подключением/отключением потребителей к/от сети и/или регулированием производства электроэнергии, т.е. использованием электростанций, отслеживающих нагрузку, таких как гидроэлектростанции в Швеции или работающие на газе электростанции в континентальной Европе.
При соединении различных сетей переменного тока создаются крупные мультинациональные сети с взаимодействием частей общей вращающейся массы. Однако солнечные и ветровые источники генерируют электроэнергию без использования вращающейся массы. Поэтому производство определенной доли электричества все еще должно использовать турбины или предусматривать наличие вращающегося оборудования, не генерирующего электричество. Оценки ожидаемого соотношения энергии от источников различного типа в сети Швеции при выработке электроэнергии за год на уровне 55 ТВтч указывают, что 25% энергии должно вырабатываться с использованием турбин, тогда как остальные 75% (45 ТВтч) могут получаться на основе энергии ветра или солнца (10 ТВтч).
Следовательно, продолжающийся переход к возобновляемой электроэнергии, получаемой от ветра и солнца, ведет к совершенно иным условия для производства энергии, поскольку это производство зависит от погоды, т.е. имеют место сезонные, суточные, часовые и другие колебания, вплоть до секундных, причем генерированию электроэнергии на основе солнечной или ветровой энергии в настоящее время не соответствует никакая вращающаяся масса. Ожидается, что в будущем необходимая стабилизация будет достигнута путем дополнительного регулирования турбин ветровых электростанций.
Кроме того, любые будущие избытки в производстве электроэнергии могут, с применением современной технологии, использоваться внутри страны или рассматриваться как отходы, или направляться на экспорт или в системы централизованного теплоснабжения. Отходы просто соответствуют тому, что избыточная энергия остается неиспользованной, т.е. что некоторое количество солнечных или ветровых электростанций будет закрыто, чтобы понизить уровень производства электроэнергии. Экспорт означает, что избыточная электроэнергия поставляется в другую страну. Однако экспорт не всегда возможен, поскольку для этого должен существовать рынок, на который может экспортироваться электроэнергия. Если производство энергии в соседних странах в будущем увеличится, также за счет ветровой и солнечной энергий, возможности для экспорта окажутся ограниченными. Привлечение систем централизованного теплоснабжения означает, что какое-то количество избыточной электроэнергии поступит в эти системы, использующие электрические бойлеры. Поскольку избыток существует только в короткий период года, инвестиции в электрические бойлеры необходимо сделать очень эффективными. Кроме того, невозможно использовать всю генерируемую электроэнергию в системах централизованного теплоснабжения, поскольку избыточное производство обычно имеет место весной и летом, в периоды низкого электропотребления, т.е. производство и потребление несбалансированы. Подобные ситуации могут быть также результатом трудностей в предсказании погоды и электропотребления.
Таким образом, существует потребность в усовершенствованной системе аккумулирования энергии, которая использует избыточную электроэнергию и применяется для сглаживания и регулирования любых колебаний в производстве электроэнергии независимо от того, являются ли они сезонными, суточными, часовыми или даже секундными.
Раскрытие изобретения
Изобретение согласно одному своему аспекту направлено на создание системы, в которой избыточная электроэнергия может аккумулироваться как тепло для последующего использования, например для балансирования избыточного производства электроэнергии по отношению к потреблению электричества в течение сезонов, суток, часов или даже секунд.
Согласно первому аспекту изобретения эти задачи решены разработкой системы аккумулирования тепловой энергии, содержащей аккумулятор энергии, обладающий вертикальным температурным градиентом, и внутреннюю комбинированную холодильно-нагревательную машину, адаптированную для выведения из указанного аккумулятора энергии, соответствующей первой температуре, с одновременным возвратом тепловой энергии, соответствующей второй, более высокой температуре, а также энергии, соответствующей третьей, более низкой температуре.
Одно из преимуществ системы аккумулирования тепловой энергии состоит в возможности оптимизации аккумулирования энергии путем выбора температурных уровней для выведения и подачи энергии в зависимости от конкретных условий в сети и в аккумуляторе энергии в определенный период времени. Другими преимуществами являются утилизация имеющейся в сети избыточной электроэнергии и возможность легко балансировать производство электроэнергии и ее потребление.
Внутренняя комбинированная холодильно-нагревательная машина может содержать по меньшей мере два тепловых насоса, чтобы одновременно обеспечивать нагрев и охлаждение при высокой производительности и максимальном коэффициенте преобразования энергии.
Каждый тепловой насос может содержать по меньшей мере два компрессора, чтобы облегчить построение эффективной и гибкой системы аккумулирования тепловой энергии, обеспечивающей тепловую мощность, и в сочетании с использованием группы тепловых насосов повысить коэффициент преобразования энергии.
В одном варианте внутренняя комбинированная холодильно-нагревательная машина выполнена с возможностью альтернативного соединения по меньшей мере двух компрессоров последовательно или параллельно, чтобы достичь увеличения как аккумулирующей способности для нагретой и охлажденной текучей среды, так и нагревательной способности аккумулятора. Еще одним преимуществом является то, что внутренняя комбинированная холодильно-нагревательная машина позволяет оптимизировать аккумулирование тепла за счет выбора температурных уровней для выведения и подачи энергии в зависимости от конкретных потребностей в централизованных холодильно-нагревательных системах и в аккумуляторе энергии в определенный период времени.
Система аккумулирования тепловой энергии может дополнительно содержать высоконапорный электрический паровой бойлер, установленный в указанной системе с возможностью преобразования избыточной электроэнергии, имеющейся в электросети, в тепловую энергию пара, пригодного для прямого инжектирования в аккумулятор тепловой энергии.
Система аккумулирования тепловой энергии может также содержать по меньшей мере один погружной нагреватель, введенный в аккумулятор энергии, благодаря чему избыточная электроэнергия в электросети может быть эффективно преобразована в тепловую энергию и непосредственно введена в аккумулятор тепловой энергии.
Система аккумулирования тепловой энергии может, кроме того, содержать по меньшей мере одну теплопоглощающую систему.
Теплопоглощающая система может быть низкотемпературной или высокотемпературной.
Система аккумулирования тепловой энергии может дополнительно содержать теплопроизводящую систему для регулирования электросети.
Теплопроизводящая система может содержать установку для совместного производства тепла и электроэнергии и обеспечивать возможность подачи в аккумулятор энергии только тепла.
Теплопроизводящая система может также содержать электрический водяной и/или паровой бойлер, для ограничения пиковых значений избыточной электроэнергии.
Согласно второму аспекту изобретения названные выше задачи решены посредством способа использования описанной системы аккумулирования тепловой энергии. Способ по изобретению включает операции: выведения энергии из аккумулятора энергии при первой температуре, соответствующей его первому температурному уровню, возврата энергии, соответствующей, после подогрева, второй, более высокой температуре, на соответствующий температурный уровень аккумулятора энергии или ее подачи в теплопроизводящую систему, и возврата энергии, соответствующей, после охлаждения текучей среды, третьей, более низкой температуре, на соответствующий температурный уровень аккумулятора энергии или ее подачи в теплопоглощающую систему.
Одно из преимуществ способа по изобретению заключается в возможности оптимизации аккумулирования энергии путем выбора температурных уровней для выведения и подачи энергии в зависимости от конкретных условий в сети и в аккумуляторе энергии в определенный период времени. Другие преимущества состоят в утилизации избыточной электроэнергии в сети и в возможности легко балансировать производство электроэнергии и ее потребление.
Все термины, используемые в формуле изобретения, должны интерпретироваться согласно их обычным значениям в соответствующей технической области, если их иные значения не разъяснены подробно в тексте. При отсутствии определенных разъяснений все ссылки на “элемент, устройство, компонент, средство и т.д.” должны интерпретироваться как указания на наличие по меньшей мере одного указанного элемента, устройства, компонента, средства и т.д. При этом термины “содержащий/содержащая/содержащее” в описании и формуле означают “не вносящее ограничений наличие”.
Краткое описание чертежа
Далее эти и другие аспекты изобретения будут описаны более подробно со ссылками на прилагаемый чертеж, иллюстрирующий предпочтительный вариант изобретения.
На чертеже схематично представлена система аккумулирования энергии согласно варианту изобретения.
Осуществление изобретения
На чертеже представлена система 1 аккумулирования энергии согласно первому варианту изобретения. Система содержит аккумулятор 2 энергии, которым может быть резервуар, подземная полость или аккумулятор тепловой энергии, специально сконструированный в расчете на высокие показатели по приему/выдаче энергии и обладающий большой емкостью, требуемой для сезонной аккумуляции.
В аккумуляторе 2 энергии энергия хранится при различных температурах. Верхние слои аккумулятора энергии имеют более высокие температуры, чем более холодные нижние слои. В переходной зоне между этими слоями присутствуют также слои, имеющие промежуточные температуры. Температуры слоев аккумулятора энергии могут быть заданы в виде температурных интервалов T1, T2, и T3, которые могут быть адаптированы к любым конкретным рабочим условиям. В одном примере первый температурный интервал T1 составляет 15-65°C, второй температурный интервал T2 - 50-100°C, а третий температурный интервал T3 - 4-25°C. В некоторые периоды времени температуры в интервале Т2 могут повышаться, например, до 150°C.
Наличие слоев в аккумуляторе 2 энергии обусловлено различиями в плотности текучей среды, например жидкой воды, при различных температурах. Плотность теплой жидкой воды ниже, чем воды, охлажденной до уровня около 4°C. В результате массы воды с различными температурами будут находиться в аккумуляторе энергии на различных вертикальных уровнях, т.е. имеет место вертикальная стратификация температуры. Различия по плотности генерируют градиентный поток при извлечении тепла из аккумулятора энергии, поскольку теплая вода, имеющая меньшую плотность, течет по аккумулятору вверх, к теплообменнику, в котором она охлаждается. Различия по плотности генерируют также направленный вниз поток более холодной воды по возвратной трубе. Это приводит к наличию двух столбов из воды различной плотности, вызывающих появление гравитационной силы, которую можно использовать для градиентного течения, чтобы сократить потребление электроэнергии. При зарядке аккумулятора энергии теплом данный эффект реверсируется, так что для создания требуемых потоков требуется дополнительный электрический источник энергии, такой как насос или двигатель.
Зарядка аккумулятора энергии проводится, в основном, в течение лета, тогда как его разрядка осуществляется, в основном, зимой. Отсюда следует, что дополнительная электроэнергия для прокачки требуется летом, но может генерироваться зимой, когда потребность в ней и ее стоимость выше, поскольку это соответствует периоду сезонного аккумулирования электроэнергии. Дополнительная электроэнергия будет обеспечиваться летом посредством насоса, связанного с электродвигателем. Зимой тот же самый электродвигатель будет использоваться в качестве комбинации турбины и электрогенератора. Данный эффект будет усиливаться за счет большого вертикального размера аккумулятора энергии.
Чтобы полностью реализовать потенциал аккумулятора, важно обеспечить эффективное использование различных доступных температур. Одно из условий такого использования состоит в том, чтобы аккумулятор имел входы и выходы на различных высотах. Поэтому применяются средства 11 переноса энергии, например телескопические трубы, которые отходят от зоны обработки и способны выводить часть энергии с подходящих вертикальных уровней аккумулятора, чтобы обеспечить возможность обработки энергии посредством по меньшей мере одного теплообменника 9. В данном варианте средства переноса энергии основаны на использовании текучей среды, причем эти средства способны после обработки возвращать энергию в аккумулятор энергии, на его подходящий вертикальный уровень.
Аккумулятор 2 энергии может быть подсоединен через теплообменники 9 к теплопоглощающей системе 3, 4 и/или к теплопроизводящей системе 7.
Теплопоглощающая система 3 может представлять собой, например, низкотемпературную систему, такую как нагревательная система для нагревания зданий. Первая теплопоглощающая система 3 подсоединена к теплообменнику 10. Энергия при первой температуре, например, находящейся в температурном интервале T1, выводится из аккумулятора 2 энергии и используется для нагрева здания с помощью теплообменника 10. Хотя на фиг. 1 показано только одно здание, можно и даже желательно подсоединить систему к множеству зданий. Теплопоглощающая система 3 может использоваться также как теплопроизводящая система, направляющая тепло от потребителей в систему.
Другим примером теплопоглощающей системы является высокотемпературная система 4, предпочтительно система централизованного теплоснабжения. Теплопоглощающая система 4 может быть заряжена энергией, соответствующей температуре в интервале Т2, забираемой из аккумулятора 2 энергии, или энергией, также соответствующей температуре в интервале Т2, но получаемой непосредственно от внутренней комбинированной холодильно-нагревательной машины 15, которая будет подробно рассмотрена далее. Теплопоглощающая система 4 тоже может использоваться и как теплопроизводящая система, направляющая тепло от потребителей в систему.
Теплопроизводящая система 7 поставляет энергию, которая может производиться промышленным предприятием или другими источниками сбросного тепла, установкой для совместного производства тепла и электроэнергии, солнечными панелями, применяемыми для генерирования электроэнергии и/или нагрева, тепловым насосом, котлом на биотопливе, электрическим водяным и/или паровым бойлером или бойлером на органическом топливе. В качестве устройств для регулирования электросети наиболее полезными и важными являются установка для совместного производства тепла и электроэнергии и электрический водяной и/или паровой бойлер.
Установка для совместного производства тепла и электроэнергии, входящая в состав теплопроизводящей системы 7, генерирует как тепло, так и электроэнергию, как правило, в отношении 2:1 применительно к крупным установкам. В периоды, когда цена на электричество является низкой, может оказаться предпочтительным производство энергии без генерирования электричества. Таким образом, бойлерные возможности в этом случае полностью используются для генерирование тепла, что соответствует его производству в количестве 150% от нормально генерируемого. В усовершенствованной установке для совместного производства тепла и электроэнергии данное отношение может составить 1:1, а бойлерная производительность 200%. Однако для этого в состав установки должны входить конденсатор, а также дополнительное оборудование, такое как паровой умформер (для преобразования перегретого пара в насыщенный). Совместно с аккумулятором 2 энергии к электросети через синхронный генератор может быть подключена турбина, которая может работать без генерирования электричества в дневное время, поставляя только тепло в аккумулятор энергии. Если это потребуется, ночью установка для совместного производства тепла и электроэнергии может генерировать также и электричество с использованием ее полной мощности (для компенсации ветровой и солнечной энергии). Введение установки для совместного производства тепла и электроэнергии, работающей совместно с тепловым аккумулятором энергии, как это описано выше, означает включение в систему вращающейся массы, что обеспечивает компенсацию секундных колебаний в сети.
Электрический водяной и/или паровой бойлер, введенный в теплопроизводящую систему 7, может быть использован для ограничения пиковых значений избыточной электроэнергии, например для электропотребления в дневное время (для сглаживания потребления солнечно-ветровой энергии).
В качестве вышеупомянутой установки для совместного производства тепла и электроэнергии и электрического водяного и/или парового бойлера может быть использовано либо новое, либо уже существующее оборудование.
Система дополнительно содержит внутреннюю (т.е. входящую в ее состав) холодильно-нагревательную машину 15, которая подсоединена к аккумулятору 2 энергии. Согласно одному аспекту система используется, чтобы расширить возможности аккумулятора 2 энергии для целей нагрева и охлаждения. Согласно другому аспекту система используется для расширения возможностей аккумулятора в отношении нагрева.
Внутренняя холодильно-нагревательная машина 15 содержит по меньшей мере два тепловых насоса. Она подсоединена к аккумулятору 2 энергии с помощью средств 11 переноса энергии аналогично тому, как это описано выше.
В качестве примера, внутренняя холодильно-нагревательная машина 15 отбирает энергию с одного уровня температурного интервала T1 аккумулятора энергии, одновременно возвращая энергию, соответствующую более высокой температуре, в интервал T2, а энергию, соответствующую более низкой температуре, в интервал T3, т.е. на соответствующий уровень в аккумуляторе энергии или, например, непосредственно к теплопоглощающей системе 4. Однако энергия может выводиться также с одного уровня температурного интервала T1 и возвращаться, после нагрева, на более высокий уровень того же самого температурного интервала T1 и, после охлаждения, на более низкий уровень того же температурного интервала T1. Таким образом, энергия после нагрева и охлаждения может быть возвращена в любой слой текучей среды в аккумуляторе энергии, расположенный как выше, так и ниже уровня, с которого текучая среда была выведена, т.е. на уровни, имеющие более высокие и более низкие температуры.
Как уже было упомянуто, внутренняя холодильно-нагревательная машина 15 содержит по меньшей мере два тепловых насоса. Каждый тепловой насос содержит по меньшей мере два компрессора, которые могут быть включены последовательно или параллельно на холодной стороне насоса. При этом может использоваться любое подходящее количество тепловых насосов и любое подходящее количество компрессоров в каждом тепловом насосе. Чем большим является количество тепловых насосов/компрессоров, тем выше эффективность внутренней холодильно-нагревательной машины 15. Однако этот фактор должен сопоставляться с увеличением стоимости, к которому приводит увеличение количества компонентов.
Внутренняя холодильно-нагревательная машина 15 отводит энергию от первого уровня аккумулятора энергии в пределах температурного интервала T1, например соответствующего промежуточному температурному уровню. Тепловые насосы используются в целях одновременного преобразования этой энергии в энергию для нагрева и охлаждения. Энергия для нагрева и охлаждения возвращается на нужные, соответствующие температурные уровни аккумулятора энергии или, например, переносится непосредственно в теплопоглощающую систему 4, такую как система централизованного теплоснабжения. Каждый тепловой насос может использовать свой, отличный от других хладагент. Чтобы получить максимальной коэффициент преобразования энергии (КПЭ), поток на водяной стороне испарителей, конденсаторов и переохладителей целесообразно сделать последовательным, чтобы уменьшить требуемое повышение температуры на каждом тепловом насосе.
В первом примере каждый из первого и второго тепловых насосов содержит по меньшей мере два компрессора, соединенных последовательно. Такое соединение предпочтительно используется, когда цена электроэнергии является низкой. В данном примере тепловой насос будет генерировать энергию для верхнего температурного интервала T2 (95°C) и для нижнего температурного интервала T3 (5°C), используя энергию из зоны, соответствующей температурному интервалу T1 (45°C). Достигаемый при этом КПЭ для нагрева составляет 3-4. С учетом эффекта охлаждения КПЭ равен 5-6. Фактическое значение зависит от количества тепловых насосов, количества компрессоров и эффективности системы.
Во втором примере каждый из первого и второго тепловых насосов содержит по меньшей мере два компрессора, соединенных параллельно. Такое соединение предпочтительно используется, когда цена электроэнергии является относительно высокой. В этом примере тепловой насос будет генерировать энергию для верхнего температурного интервала T2 (90-95°C) и для промежуточного температурного интервала T1 (40°C), используя энергию из зоны, соответствующей верхнему уровню температурного интервала T1 или нижнему уровню температурного интервала T2 (65°C). Обеспечивается КПЭ для нагрева и охлаждения, который примерно втрое выше, чем КПЭ для компрессоров, соединенных последовательно. Фактическое значение зависит от количества тепловых насосов, количества компрессоров и эффективности системы.
В третьем примере каждый из первого и второго тепловых насосов также содержит по меньшей мере два компрессора, соединенных параллельно. В этом примере тепловой насос будет генерировать энергию для промежуточного температурного интервала T1 (55°C) и для нижнего температурного интервала T3 (5°C), используя энергию из верхнего уровня температурного интервала Т3 или нижнего уровня температурного интервала T1 (20°C). Обеспечивается КПЭ для нагрева и охлаждения, который примерно втрое выше, чем КПЭ для компрессоров, соединенных последовательно. Фактическое значение зависит от количества тепловых насосов, количества компрессоров и эффективности системы.
Параллельное соединение согласно второму примеру иллюстрирует, каким образом энергия, соответствующая промежуточному температурному уровню, может быть преобразована в энергию, соответствующую высокой температуре на уровнях нагрева, соответствующих традиционным централизованным системам, при одновременном генерировании энергии, соответствующей температурам, отвечающим низкотемпературной системе. В третьем примере то же самое оборудование может извлекать энергию из аккумулятора на нижнем уровне, чтобы оптимизировать производство охлаждающей энергии на температурном уровне у 5°C и для обеспечения низких температур для низкотемпературной системы.
Таким образом, одно из преимуществ описанной системы аккумулирования тепловой энергии состоит в возможности оптимизировать аккумулирование энергии путем осуществления выбора температурных уровней, с которых должна выводиться энергия, учитывающего конкретные условия в сети и в аккумуляторе энергии в заданный период времени.
Альтернативное функционирование компрессоров в режимах как последовательного, так и параллельного соединения может потребовать использования компрессоров различного размера в зависимости от количества компрессорных блоков, соединяемых последовательно. В такой схеме компрессоры могут быть подключены к единственному общему двигателю. Альтернативно, возможно применение компрессоров одинакового размера, но в этом случае последовательное соединение потребует регулировки относительных скоростей компрессора и двигателя. Для этой цели могут быть использованы различные решения, например механические шестерни или регулирование частоты электродвигателей. Вместо электродвигателей можно использовать гидравлические двигатели или паровые турбины.
Система аккумулирования энергии может быть снабжена также дополнительными энергопотребляющими устройствами, например высоконапорным электрическим бойлером, обеспечивающим непрямой нагрев в аккумуляторе 2 энергии, и/или погружным нагревателем, обеспечивающим прямой нагрев в аккумуляторе 2 энергии. Подобные устройства целесообразно применять при крайней избыточности электроэнергии, например при низком потреблении электроэнергии в условиях очень солнечной или ветреной погоды. В этом случае активируют данные устройства, т.е. осуществляют потребление избыточной электроэнергии, предотвращая перегрузку сети.
Высоконапорный электрический бойлер, установленный на поверхности, генерирует тепловую энергию в форме пара, который инжектируется непосредственно в аккумулятор энергии. Пар распределяется по аккумулятору 2 посредством по меньшей мере одной, предпочтительно нескольких вертикальных паровых труб, снабженных направляющими головками в нижней части температурного интервала T1 или в верхней части температурного интервала T3. В зависимости от высоты/глубины участка аккумулирования статическое давление жидкости в бойлере сделает возможным перенос энергии в соответствии с температурой, связанной с фактическим давлением. В качестве примера, этот процесс имеет место в аккумуляторе энергии с толщиной слоя воды 150 м при температуре около 200°C. Эта температура быстро падает в результате диффузии в окружающую текучую среду (подобно тому, как это имеет место в резервуаре, питающем водой бойлер). Текучая среда, циркулирующая в бойлере, должна быть, насколько это возможно, чистой с минимальным содержанием суспендированных твердых веществ и растворенных примесей, например, вызывающих коррозию, пенообразование или накипь. В связи с этим текучая среда, например вода, нагнетается в бойлер из аккумулятора через установку для обработки воды, которая очищает текучую среду до уровня, приемлемого для бойлера (например выдавая деионизированную воду). Такая обработка воды будет также составлять часть процесса очистки текучей среды в аккумуляторе 2 энергии. Если аккумулятор энергии полностью заполнен водой, вода будет нагнетаться в бойлер из вспомогательного объема. Деионизированная вода будет содержаться в буферном резервуаре, чтобы уменьшить производительность установки для обработки воды и обеспечить питание бойлера на пиковых режимах.
Погружные нагреватели генерируют электроэнергию для подачи тепла непосредственно в аккумулятор энергии. По меньшей мере один, предпочтительно несколько таких нагревателей размещены в нижней части температурного интервала T1 или в верхней части температурного интервала T3. В зависимости от высоты/глубины аккумулятора 2 энергии статическое давление жидкости у погружного нагревателя сделает возможным перенос энергии в соответствии с температурой, связанной с фактическим давлением в аккумуляторе 2 энергии. В качестве примера, этот процесс имеет место в аккумуляторе энергии с толщиной слоя воды 150 м (с давлением около 1,5 МПа) при температуре около 200°C. Перенос тепла от погружных нагревателей происходит посредством градиентного потока. Температура вблизи погружных нагревателей быстро падает в результате диффузии в окружающую текучую среду. Данная конструкция является надежной вследствие отсутствия подвижных частей.
Трубы для инжектирования пара и погружные нагреватели, используемые в аккумуляторе 2 энергии, будут установлены в вертикальных трубчатых каналах, чтобы обеспечить возможность их обслуживания из рабочей зоны или из туннеля, проложенного над аккумулятором 2 энергии.
Специалисту будет понятно, что изобретение никоим образом не ограничено его предпочтительными вариантами, описанными выше. Напротив, изобретение охватывает и многие другие модификации и усовершенствования в объеме прилагаемой формулы.
1. Система аккумулирования тепловой энергии, содержащая аккумулятор (2) энергии, обладающий вертикальным температурным градиентом, и внутреннюю комбинированную холодильно-нагревательную машину (15), адаптированную для выведения из указанного аккумулятора текучей среды, имеющей первую температуру, с одновременным возвратом нагретой текучей среды, имеющей вторую, более высокую температуру, и охлажденной текучей среды, имеющей третью, более низкую температуру, при этом указанная машина (15) содержит по меньшей мере два тепловых насоса, каждый из которых содержит по меньшей мере два компрессора, и выполнена с возможностью альтернативного соединения по меньшей мере двух компрессоров последовательно или параллельно.
2. Система по п. 1, дополнительно содержащая высоконапорный электрический паровой бойлер, установленный в указанной системе с возможностью преобразования избыточной электроэнергии, имеющейся в электросети, в тепловую энергию пара, пригодного для прямого инжектирования в аккумулятор (2) тепловой энергии.
3. Система по п. 1, дополнительно содержащая по меньшей мере один погружной нагреватель, введенный в аккумулятор (2) энергии.
4. Система по п. 1, дополнительно содержащая по меньшей мере одну теплопоглощающую систему (3, 4).
5. Система по п. 4, в которой по меньшей мере одна теплопоглощающая система (3) является низкотемпературной системой.
6. Система по п. 4, в которой по меньшей мере одна теплопоглощающая система (4) является высокотемпературной системой.
7. Система по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащая теплопроизводящую систему (7).
8. Система по п. 7, в которой теплопроизводящая система (7) содержит установку для совместного производства тепла и электроэнергии.
9. Система по п. 7, в которой теплопроизводящая система (7) содержит электрический водяной и/или паровой бойлер.
10. Способ использования системы аккумулирования тепловой энергии, выполненной в соответствии с любым из пп. 1-9, включающий операции:
выведения текучей среды из первого температурного уровня аккумулятора (2),
возврата нагретой текучей среды, имеющей вторую, более высокую температуру, на соответствующий температурный уровень аккумулятора (2) энергии или ее подачи в теплопроизводящую систему (7), и
возврата охлажденной текучей среды, имеющей третью, более низкую температуру, на соответствующий температурный уровень аккумулятора (2) энергии или ее подачи в теплопоглощающую систему (3, 4).
