Aparato de acumulación de energía y método para acumular energía.

Aparato (10) para acumular energía, que comprende:

unos medios de cámara de compresión (24) para recibir un gas;

unos medios de pistón de compresión (21) para comprimir el gas contenido en los medios de cámara de compresión (24);

unos primeros medios de acumulación de calor (50) para recibir y acumular energía térmica a partir del gas que se ha comprimido mediante los medios de pistón de compresión (21);

unos medios de cámara de expansión (28) para recibir el gas después de la exposición a los primeros medios de acumulación de calor (50);

unos medios de pistón de expansión (22) para expandir el gas recibido en los medios de cámara de expansión (28); y,

unos segundos medios de acumulación de calor (60) para transferir energía térmica al gas expandido mediante los medios de pistón de expansión (22),

donde el aparato se configura de tal modo que el gas pasa a través de cada uno de los medios de acumulación de calor primeros y segundos para la transferencia de energía térmica desde o hasta el gas.

Aparato de acumulación de energía y método para acumular energía.

La presente invención se refiere, en general, a aparatos para la acumulación de energía.

Las técnicas actuales de acumulación de energía o bien son costosas, o bien tienen unas malas eficiencias de carga / descarga o bien tienen unas consecuencias ambientales no deseadas debido a los tipos de productos químicos implicados o al tipo de uso del terreno.

Las técnicas de acumulación que se encuentran disponibles en la actualidad que no usan productos químicos son: acumulación de agua bombeada; acumulación de volante de inercia; y acumulación de energía por aire comprimido (CAES, compressed air energy storage) . Todas estas técnicas presentan ciertas ventajas y desventajas:

Agua bombeada - requiere una cierta preparación geológica y tiene una capacidad de acumulación limitada. Aumentar la acumulación requiere una gran área de terreno por unidad de potencia acumulada.

Volantes de inercia - buena eficiencia de carga / descarga, pero una acumulación de potencia limitada por unidad de masa y costosos.

Acumulación de energía por aire comprimido - el inconveniente principal del CAES es su dependencia de las estructuras geológicas: la falta de cuevas subterráneas adecuadas limita sustancialmente la facilidad de uso de este método de acumulación. No obstante, para las ubicaciones en las que sea adecuado, este puede proporcionar una opción viable para acumular grandes cantidades de energía durante periodos prolongados. Acumular aire comprimido en recipientes a presión artificiales es problemático debido a que, habitualmente, se requieren unos espesores de pared grandes. Esto quiere decir que no existen economías de escala que usen recipientes presurizados manufacturados. Además, la eficiencia de carga / descarga no es alta.

El documento WO 2008 / 148962 da a conocer otra técnica de acumulación de energía usando dos medios de acumulación de calor colocados en un ciclo para producir un acumulador caliente y uno frío. En consecuencia, existe un deseo de proporcionar una forma mejorada de acumulación de energía que supere, o que por lo menos mitigue, algunos de los problemas asociados con la técnica anterior. En particular, existe un deseo de proporcionar una alternativa a las técnicas actuales que sea económica, eficiente, relativamente compacta y ambientalmente inerte.

Acumulación de energía usando acumulación combinada caliente y fría De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato para acumular energía tal como se expone en la reivindicación 1 más adelante.

De esta forma, se proporciona un aparato de acumulación de energía en el que unos medios de acumulación de calor primeros y segundos se colocan dentro de un ciclo de bomba de calor térmica para producir, respectivamente, un acumulador caliente y frío durante la carga. La energía puede recuperarse entonces en un modo de descarga haciendo que pase gas a través de los segundos medios de acumulación de calor enfriados, comprimiendo gas enfriado mediante los segundos medios de acumulación de calor, calentando el gas comprimido enfriado exponiendo el gas a los primeros medios de acumulación de calor calentados, y permitiendo que el gas calentado se expanda mediante la realización de trabajo sobre unos medios de generador.

El gas puede ser aire a partir de la atmósfera circundante. Ventajosamente, el uso de aire atmosférico como el fluido de trabajo quiere decir que no existe necesidad alguna de usar refrigerantes potencialmente contaminantes. Como alternativa, el gas puede ser nitrógeno o un gas noble (por ejemplo, argón o helio) .

Puede hacerse que la presión de base del sistema (por ejemplo, la presión en los segundos medios de acumulación de calor) varíe desde inferior a la atmosférica hasta por encima de la atmosférica. Si la presión de base del sistema se eleva por encima de la atmosférica, entonces la presión pico se aumentará para un intervalo de temperaturas establecido y los medios de pistón de compresión y de expansión se harán más compactos. Existe una compensación recíproca debido a que los recipientes de acumulación se harán más costosos con el fin de abordar las presiones más altas. A la inversa, si la presión de sistema es inferior a la atmosférica, entonces las presiones pico serán más bajas y los recipientes de acumulación se harán menos costosos frente al aumento de tamaño de los medios de pistón de compresión y de expansión.

La compresión puede ser sustancialmente isentrópica o adiabática. La transferencia de calor desde el gas hasta los primeros medios de acumulación de calor puede ser sustancialmente isobárica. La expansión puede ser sustancialmente isentrópica o adiabática. La transferencia de calor desde los segundos medios de acumulación de calor hasta el gas puede ser sustancialmente isobárica. En realidad, no es posible lograr procesos isentrópicos perfectos debido a que, durante el proceso, tendrán lugar irreversibilidad en el proceso y transferencia de calor. Por lo tanto, debería observarse que, cuando se hace referencia a un proceso como isentrópico, debería entenderse como que quiere decir casi, o sustancialmente, isentrópico.

Ventajosamente, el uso de un compresor / expansor de pistón alternativo puede ofrecer una eficiencia significativamente mejorada sobre los compresores / expansores rotatorios aerodinámicos convencionales.

Por lo menos uno de los medios de acumulación de calor primeros y segundos puede comprender una cámara para recibir el gas, y un material particulado (por ejemplo, un lecho de material particulado) que está alojado en la cámara. El material particulado puede comprender unas partículas sólidas y / o fibras compactadas (por ejemplo, de forma aleatoria) para formar una estructura permeable a gases. Las partículas sólidas y / o fibras pueden tener una baja inercia térmica. Por ejemplo, las partículas sólidas y / o fibras pueden ser metálicas. En otra realización, las partículas sólidas y / o fibras pueden comprender un mineral o cerámica. Por ejemplo, las partículas sólidas pueden comprender grava.

El aparato puede comprender además unos medios de generador para recuperar la energía acumulada en los medios de acumulación de calor primeros y segundos. Los medios de generador pueden acoplarse con uno o ambos de los medios de pistón de compresión y los medios de pistón de expansión. Uno o ambos de los medios de pistón de compresión y los medios de pistón de expansión pueden ser configurables para funcionar en inversión durante la descarga (por ejemplo, cuando se están descargando, los medios de pistón de expansión pueden ser configurables para comprimir gas enfriado y los medios de pistón de compresión pueden ser configurables para permitir que el gas calentado se expanda) .

Se proporciona además un método tal como se expone en la reivindicación 17 más adelante.

Aparato de Almacenamiento intermedio de energía De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato para transmitir potencia mecánica desde un dispositivo de entrada hasta un dispositivo de salida tal como se expone en la reivindicación 12 más adelante.

De esta forma, se proporciona un sistema de transmisión termodinámica en el que puede acumularse energía en un “almacenamiento intermedio” en un primer modo de funcionamiento cuando la salida de potencia procedente del sistema es menor que la potencia suministrada y se recuperar de forma automática en un segundo modo de funcionamiento cuando la potencia requerida procedente del sistema aumenta por encima de la de la potencia suministrada. El cambio entre los modos primero y segundo de funcionamiento puede tener lugar de forma automática. Por ejemplo, el aparato puede configurarse para reaccionar de forma automática a un desequilibrio en las potencias de entrada y de salida. Cuando la potencia suministrada y usada están equilibradas, el sistema evita de forma automática los medios de acumulación de calor primeros y segundos.

El gas puede ser aire a partir de la atmósfera circundante.

La compresión que se proporciona mediante los medios de pistón de compresión primeros y segundos puede ser sustancialmente isentrópica o adiabática. La transferencia de calor desde el gas hasta los primeros medios de acumulación de calor puede ser sustancialmente isobárica. La expansión que se proporciona mediante los medios de pistón de expansión primeros y segundos puede ser sustancialmente isentrópica o adiabática. La transferencia de calor desde los segundos medios de acumulación de calor hasta el gas puede ser sustancialmente isobárica.

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1. Aparato (10) para acumular energía, que comprende:

unos medios de cámara de compresión (24) para recibir un gas; unos medios de pistón de compresión (21) para comprimir el gas contenido en los medios de cámara de compresión (24) ; unos primeros medios de acumulación de calor (50) para recibir y acumular energía térmica a partir del gas que se ha comprimido mediante los medios de pistón de compresión (21) ; unos medios de cámara de expansión (28) para recibir el gas después de la exposición a los primeros medios de acumulación de calor (50) ; unos medios de pistón de expansión (22) para expandir el gas recibido en los medios de cámara de expansión (28) ; y, unos segundos medios de acumulación de calor (60) para transferir energía térmica al gas expandido mediante los medios de pistón de expansión (22) , donde el aparato se configura de tal modo que el gas pasa a través de cada uno de los medios de acumulación de calor primeros y segundos para la transferencia de energía térmica desde o hasta el gas.

2. Aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1, donde el gas es aire atmosférico, nitrógeno o un gas noble.

3. Aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde el aparato se configura de tal modo que el gas vuelve a entrar en la cámara de compresión después de pasar a través de los segundos medios de acumulación de calor.

4. Aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, donde el aparato tiene una presión de sistema base por encima de la presión atmosférica.

5. Aparato (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde por lo menos uno de los medios de acumulación de calor primeros y segundos comprende una cámara para recibir el gas, y un material particulado que está alojado en la cámara.

6. Aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 5, donde el material particulado comprende partículas sólidas y / o fibras compactadas para formar una estructura permeable a gases.

7. Aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 6, donde las partículas sólidas y / o fibras son metálicas.

8. Aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 6, donde las partículas sólidas comprenden un mineral o cerámica.

9. Aparato (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además unos medios de generador para recuperar la energía acumulada en los medios de acumulación de calor primeros y segundos.

10. Aparato (10) de acuerdo con la reivindicación 9, donde los medios de generador se acoplan con uno o ambos de los medios de pistón de compresión y los medios de pistón de expansión.

11. Aparato (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde uno o ambos de los medios de pistón de compresión y los medios de pistón de expansión son configurables para funcionar en inversión durante la descarga.

12. Aparato (10’) para transmitir potencia mecánica desde un dispositivo de entrada hasta un dispositivo de salida, que comprende:

una sección de acumulación de energía que comprende:

unos primeros medios de cámara de compresión (24’) para recibir un gas; unos primeros medios de pistón de compresión (21’) para comprimir el gas contenido en los primeros medios de cámara de compresión (24’) ; unos primeros medios de acumulación de calor (50’) para recibir y acumular energía térmica a partir del gas que se ha comprimido mediante los primeros medios de pistón de compresión (21’) ; unos primeros medios de cámara de expansión (28’) para recibir el gas después de la exposición a los primeros medios de acumulación de calor (50’) ; unos primeros medios de pistón de expansión (22’) para expandir el gas recibido en los primeros medios de cámara de expansión (28’) ; y unos segundos medios de acumulación de calor (60’) para transferir energía térmica al gas expandido mediante los primeros medios de pistón de expansión (22’) ; donde el aparato se configura de tal modo que el gas pasa a través de cada uno de los medios de acumulación de calor primeros y segundos para la transferencia de energía térmica desde o hasta el gas, y una sección de motor térmico que comprende:

unos segundos medios de cámara de compresión (128) en comunicación de fluidos con los segundos medios de acumulación de calor (60’) y los primeros medios de acumulación de calor (50’) ; unos segundos medios de pistón de compresión (122) para comprimir el gas recibido en los segundos medios de cámara de compresión (128) para la transferencia a los primeros medios de cámara de acumulación de calor (50’) ; unos segundos medios de cámara de expansión (124) en comunicación de fluidos con los primeros medios de acumulación de calor (50’) y los segundos medios de acumulación de calor (60’) ; y unos segundos medios de pistón de expansión (121) para permitir una expansión del gas recibido en la segunda cámara de expansión (124) a partir de los primeros medios de acumulación de calor (50’) .

13. Aparato (10’) de acuerdo con la reivindicación 12, donde el aparato se configura para acumular energía en un primer modo de funcionamiento cuando la salida de potencia procedente del sistema es menor que la potencia suministrada y se configura para recuperar energía de forma automática en un segundo modo de funcionamiento cuando la potencia requerida procedente del sistema aumenta por encima de la de la potencia suministrada.

14. Aparato (10’) de acuerdo con la reivindicación 13, donde el aparato se configura para cambiar de forma automática entre los modos primero y segundo de funcionamiento.

15. Aparato (10’) de acuerdo con la reivindicación 14, donde el aparato se configura para reaccionar de forma automática a un desequilibrio en las potencias de entrada y de salida.

16. Aparato (10’) de acuerdo con la reivindicación 14 o la reivindicación 15, donde el aparato se configura para evitar de forma automática los medios de acumulación de calor primeros y segundos (50’, 60’) cuando la potencia suministrada y usada están equilibradas.

17. Un método de acumulación de energía en un aparato de acumulación de energía (10) de acuerdo con la reivindicación 1, comprendiendo el método:

recibir un gas en una cámara de compresión; comprimir el gas recibido en la cámara de compresión; transferir y acumular energía térmica desde el gas comprimido en unos primeros medios de acumulación de calor; recibir el gas en una cámara de expansión después de la exposición a los primeros medios de acumulación de calor; expandir el gas recibido en la cámara de expansión; transferir energía térmica al gas expandido en unos segundos medios de acumulación de calor;

donde el gas pasa a través de cada uno de los medios de acumulación de calor primeros y segundos para la transferencia de energía térmica desde o hasta el gas.

18. Un método de acuerdo con la reivindicación 17, donde la transferencia de calor desde el gas hasta los primeros medios de acumulación de calor es sustancialmente isobárica y / o la transferencia de calor desde los segundos medios de acumulación de calor hasta el gas es sustancialmente isobárica.

19. Un método de acuerdo con la reivindicación 17, donde la compresión y / o la expansión es sustancialmente adiabática o sustancialmente isentrópica.

20. Un método de acuerdo con la reivindicación 17, donde el aparato funciona en un modo de carga para acumular energía que comprende una fase de compresión sustancialmente isentrópica, una fase de enfriamiento sustancialmente isobárica, una fase de expansión sustancialmente isentrópica y una fase de calentamiento sustancialmente isobárica.

21. Un método de acuerdo con la reivindicación 17, donde el aparato puede accionarse en un modo de carga para acumular energía en el que los medios de acumulación de calor primeros y segundos se cargan, y puede accionarse en un modo de descarga para recuperar energía en el que los medios de acumulación de calor primeros y segundos se descargan.