[发明专利]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

说明书

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CO₂排放。

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。

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。

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。

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。

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。

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式或开放式蓄能回路或附加回路中导引。

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。

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。

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。

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。

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。

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，以避免在膨胀涡轮机的冷端上的冻结问题。