CN102869854B

CN102869854B - 改进的热存储系统

Info

Publication number: CN102869854B
Application number: CN201180021711.1A
Authority: CN
Inventors: 乔纳森·塞巴斯蒂安·豪斯; 詹姆斯·麦克纳斯滕
Original assignee: Isentropic Ltd
Current assignee: Institutt for Energiteknikk IFE
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2031-02-24
Also published as: JP5990711B2; BR112012021268A2; EP2539549B1; CN102869854A; EP2539549A2; GB201003105D0; CA2790688A1; CA2790688C; JP2013520630A

Abstract

一种用于存储能量的设备(1)，包括：用于接收高压气体的高压存储容器(10)，该高压存储容器(10)包括具有容放第一透气性热存储结构(14)的第一腔的高压热存储装置；用于接收低压气体的低压存储容器(11，12)，该低压存储容器(11，12)包括具有容放第二透气性热存储结构(16，18)的第二腔的低压热存储装置；其中所述第一热存储结构(14)的单位体积平均表面积高于所述第二热存储结构(16，18)的单位体积平均表面积。

Description

改进的热存储系统

技术领域

本发明涉及能量存储设备，尤其是但非排他性地涉及用于接收和返回电形式能量的设备(在下文称作“电存储”设备)。

背景技术

现在已有许多存储压缩空气的热量并吸收空气膨胀所做的功的电存储系统。

常提的这样例子称作绝热CAES，其中典型的是使用盐洞穴作为压缩空气存储器。当要存储电时，发动机驱动压缩机将空气压缩到所述洞穴内。所述压缩过程升高了所述空气的温度，为了有效地回收能量，有必要用某种形式的热存储器存储这个“压缩热”。

所述洞穴在正常情况下保持在最小压力，比如40巴，在充气过程中，这增加到较高的极限值，例如60巴。这些压力有可能使用空气产生峰值温度，在650摄氏度的范围内。这在正常情况下会被热量交换机传递到未加压的热存储器，或者直接存储在加压容器内所包含的热存储基质内。为了回收电力，使所述过程反向，压缩后的气体在膨胀之前被所述热存储器重新加热。膨胀所做的功用来驱动发电机发电。

如果在加压容器内使用的是热交换机而不是热存储基质，其目标是仅用压缩空气温度和存储材料温度之间的小温差来存储所述热量，使得当所述过程反向时，所述空气被加热到其原始温度附近。

这类热交换极难以实现，因为没有在0-650摄氏度范围内工作的热量传递液体。这意味着需使用多种液体，或者经由气体进行热交换(意味着需要气-气热交换机)。

多种热量传递液体难以掌握，需要多个存储容器，通常不便宜，但是它们可以有效地工作，避免了高压的容器的成本。

用气体到气体的热交换机，所述温度范围需要使用优质的钢，所述气流需要非常大的热交换机来避免压力下降。这样做的结果是，这些热交换机通常非常昂贵，并且不是非常有效，在每次热传递过程之后，有大温差，比如50摄氏度。

最有效的解决方案是使用包含在绝热的压力容器内的热存储基质，比如颗粒结构，将所述热量传递给所述气体，或者从所述气体传递热量，方式类似于非常大的再生器。这具有最佳的热传递，但是所述存储物质必须都包含在所述压力容器内，这非常昂贵。

因此，本申请人意识到需要一种改进的能量存储系统，克服或者至少减轻与现有技术相关的一些问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供能量存储设备，包括：用于接收高压气体的高压存储容器，该高压存储容器包括用于从气体接收热能的高压热存储装置；以及连接装置，用于将所述高压存储容器连接到用于存储暴露在所述高压热存储装置之后的高压气体的气体存储装置，以及连接到用于接收暴露在所述高压热存储装置之后的高压气体的气体处理装置；其中所述设备进一步包括：具有用于从气体接收热能的低压热存储装置的低压存储容器(例如，仅适于接收低压气体)，所述低压存储容器有选择地可连接到所述高压存储容器；以及用于在所述高压存储容器和所述低压存储容器之间传递低压气体的气体传递装置，这样，通过在所述高压存储容器和所述低压存储容器之间传递低压气体，在所述高压热存储装置和所述低压热存储装置之间传递存储的热能(即，直接地而不用热交换机)。

用这种方式，提供能量存储设备，其中热能从配置来容纳高压气体的存储容器中所包含的热存储装置传递到配置来保持低气压的存储容器(例如，低压或者未加压的存储容器)中所包含的热存储装置，热量直接传递(即，在所述高压侧和低压侧的所述气体和固体热存储装置之间)。相应地，本发明潜在地提供一种具有和直接热交换类似性能的高效热存储器，其成本接近于使用未加压的存储器的成本。本发明可以适用于绝热CAES技术，以及在申请人早先提交的申请WO2009/044139中所披露的改进的能量存储设备(其中，通过在充气阶段气体的膨胀来产生额外的“冷存储器”，并且然后在放气阶段的压缩之前用这个冷存储器来冷却气体)以及太阳热能生成。此外，由于在放气阶段加热的高压气体(例如，从所述气体存储装置或者气体处理装置回收的经过所述高压热能存储装置的高压气体)可以随后在随后的能量回收步骤膨胀，所述高压气体另外可以作为用于膨胀的工作流体(例如，在发电阶段)。

在实施例中，所述高压存储容器是配置来从气体源接收加热后的高压气体。在实施例中，所述气体源包括压缩气体源。例如，所述设备可以包括用于压缩气体的压缩机装置，所述高压存储容器是配置来接收所述压缩机装置所压缩的气体。所述压缩机装置可以由电源供电。通过这种方式，所述设备可以用来将电能转换成存储的热能，供所述设备随后的回收。在另一个实施例中，所述气体源包括太阳能采集器。在这些实施例中，通过使低压气体在所述高压存储容器和所述低压存储容器之间经过，将所述高压热存储装置存储的热能传递给所述低压热存储装置(例如，周期性地，在每个周期，所述高压热存储装置存储的热能的一部分传递给所述低压热存储装置)。

在另一个实施例中，所述低压存储容器是配置来从气体源接收加热后的低压气体。在一个实施例中，所述气体源包括太阳能采集器。有利的是，这个装置允许以低(可能是周围环境)压力采集和存储热量，从而减少了与从高压系统漏气相关的问题。

所述气体存储装置可以有比所述高压或者低压存储容器的体积大的体积(例如，气体存储体积至少是所述设备的存储容量的1000倍)。例如，所述气体存储装置可以是加压的地下洞穴，比如盐穹、蓄水层或者其它合适的地下空间。可替换的是，它可以是压力容器。它可以是固定体积空间、固定压力空间或者二者的结合。

所述气体处理装置可以包括用于在充气阶段使从所述高压存储容器接收的高压气体膨胀的膨胀机装置。所述气体处理装置可以进一步包括用于将热能传递给由所述膨胀机装置膨胀的气体的进一步的热存储装置(例如，容放在冷存储容器内的冷存储装置)。可以配置所述设备，在闭合的循环中，用在所述高压存储容器和所述进一步的热存储装置之间传递的气体来操作(例如，用在由所述压缩装置压缩以加热所述加压的气体之前，通过暴露在所述进一步的热存储装置而使气体变温(在充气阶段))。

所述高压热存储装置和所述低压热存储装置中至少有包括用于接收气体的腔和容放在所述腔内的粒状材料。所述粒状材料可以包括固体颗粒和/或多孔介质和/或纤维和或泡沫材料(例如，金属、矿物或者陶瓷颗粒和/或纤维和/或泡沫)，这些材料被填充以形成透气性热存储装置。

所述高压热存储装置和低压热存储装置可以相同。但是，所述高压热存储装置和低压热存储装置可以不同。例如，所述高压热存储装置可以是配置来提供比所述低压热存储装置的放热/充热效率高(实质上高)的放热/充热效率。在一个实施例中，所述高压热存储装置具有表面面积与体积的比率，这个比率比所述低压热存储装置的表面面积与体积的比率高(例如，实质上高于，例如2倍、4倍或者甚至10倍高)。另外，或者可替换的是，所述高压热存储装置可以具有比所述低压热存储装置的平均颗粒尺寸小(例如，实质上小于，例如2、4或者甚至10倍小)的平均颗粒尺寸。通过这种方式，所述高压热存储装置可以有利的是配置来迅速接收和发送热能量，以产生陡的热前缘，从而提高所述高压存储装置的常规的充气/放气效率。

在一个实施例中，所述低压热存储装置可以有利的具有不同的存储材料和形状，使得其体积热容量、经过所述存储器的(气)压降、空隙分数和所述颗粒的导热性和尺寸与所述高压热存储装置不同。例如，所述低压热存储装置可以包括一种矿物颗粒，比如砂砾，所述高压存储装置是不规则的细铜纤维网或者泡沫材料。

所述低压热存储装置可以具有实质上比所述高压存储装置的体积大的体积(例如5倍、10倍或者甚至100倍)。另外，所述存储器的横截面面积和长度可以改变，以减少压降，或者改变经过所述存储器的气体的热前缘的外形。

所述高压热存储装置可以包括热基质，用于直接从所述气体接收热量。所述低压热存储装置可以包括用于直接从气体接收热能的热基质。例如，所述低压和高压热存储装置中至少有可以包括一种颗粒热存储介质。

在一个实施例中，所述气体传递装置包括泵装置。

所述设备可以进一步包括用于在连接到所述低压存储容器之前，降低存储在所述高压存储容器内的气压的降压装置。在一个实施例中，所述降压装置包括膨胀装置，膨胀的能量可以由所述设备回收(例如是电的形式，或者可以直接用来升高不同的高压容器内的压力-见下文)。

所述设备可以进一步包括增压装置，用于在断开所述高压存储容器与所述低压存储容器之后，增加存储在所述高压存储容器内的气体的压力。

在一个实施例中，所述设备包括用于接收高压气体(例如，由所述压缩机装置压缩的)的进一步的高压存储容器(例如，如前文所定义那样)，所述进一步的高压存储容器可以经由所述连接装置连接到所述气体存储装置或者气体处理装置，并包括用于从所述高压气体接收热能的进一步的高压热存储装置。

所述第一次提到的高压存储容器和进一步的高压存储容器可以被配置为轮流地可充气。在一个实施例中，所述设备是配置来将接收到的高压气体(例如，由所述压缩机装置压缩的)基本上连续地供应给所述轮流地可充气的第一次提到的高压存储容器和进一步的高压存储容器。通过这种方式，对于所述设备的充气或者放气，所述热传递过程是有效地连续的。

在一个实施例中，所述设备包括具有用于从气体接收热能的进一步的低压热存储装置的进一步的低压存储容器(例如，如前面所定义的)。例如，所述设备可以包括数个进一步的低压存储容器(例如，十个或者二十个低压存储容器)，每个如前所定义那样，包括用于从气体接收热能的进一步的低压热存储装置。

所述进一步的低压存储容器可以是有选择地可连接到所述第一次限定的或者所述进一步的高压存储容器其中的。在一个实施例中，所述设备是配置来对所述第一次提到的和进一步的低压热存储装置以串行、并行或者二者结合的方式充气。

在一个实施例中，所述第一次提到的低压存储容器保持在第一压力下的气体，所述进一步的低压存储容器保持在与所述第一压力不同的第二压力下的气体。

当在具有所述进一步的高压存储容器的设备的情况下，所述设备可以进一步包括用于在将每个高压存储容器连接到所述第一次提到的或者进一步的低压存储容器之前，降低存储在每个高压存储容器中的气体的压力的降压装置。另外，或者相反，所述设备可以进一步包括增压装置，用于在将每个高压存储容器与所述第一次提到的或者所述进一步的低压存储容器断开之后，增加每个高压存储容器内存储的气体的压力。

在一个实施例中，所述降压装置包括膨胀机装置，在其中高压存储容器的降压期间回收的膨胀能量可以由所述装置回收。例如，在一个实施例中，所回收的膨胀能量被所述增压装置用来增加另一个高压存储容器内的压力。

所述设备可以包括用于接收(例如，由所述压缩机装置压缩的或者由所述太阳能采集器加热的)高压气体的至少两个再进一步的高压存储容器(例如，每个如前面所限定那样)，每个再进一步的高压存储容器可以经由所述连接装置连接到所述气体存储装置或者气体处理装置，并包括用于从所述高压气体接收热能的再进一步高压热存储装置。

在一个实施例中，所述设备在充气模式下可操作，其中在任何时间：其中高压存储容器充有高压气体(例如，由所述压缩机装置压缩或者由所述太阳能采集器加热的)；其中高压存储容器包含有压力由所述降压装置降低的气体；其中高压存储容器包含有由气体传递装置在所述高压存储容器和所述低压存储容器之间传输的气体；以及其中高压存储容器包含有压力由所述增压装置增加的气体。通过这种方式，至少高压存储容器和至少低压存储容器可以在任何时间充气，以提供对所述设备的连续高压和低压充气。

所述设备可以包括至少用于接收高压气体(例如，由所述压缩机装置压缩的或者由所述太阳能采集器加热的)的再进一步的高压存储容器(例如，如前面所定义那样)，所述至少再进一步的高压存储容器可以经由所述连接装置连接到所述气体存储装置或者气体处理装置，并包括用于从所述高压气体接收热能的再进一步的高压热存储装置。通过这种方式，至少两个高压存储容器可以是可操作的，以同时给所述低压存储容器提供低压气体。在一个实施例中，所述设备在充气模式下可操作，以同时从所述第一次提到的和进一步的高压存储容器传递低压气体，每个在比所述设备配置来接收高压气体(例如，从所述压缩机装置或者太阳能采集器)的传输速率低的传输速率。另外，或者可替换的是，所述设备在放气模式下可操作，以同时将低压气体传递到所述第一次提到的和进一步的高压存储容器，每个在比所述设备配置来放高压气体的传输速率低的传输速率。通过这种方式，可以在所述高压存储容器和所述低压存储容器之间进行低压气体的迅速循环，以降低所述低压流经过所述容器的泵送损耗(或者压降)，而保持充气期间加压气体的输入/放气期间加压气体的输出之间的平衡。

所述气体可以是空气、氩气或者氖气或者另一种适当的气体。例如，所述气体可以包括来自于周围大气的空气。

所述第一次提到的低压存储容器或者进一步的低压存储容器可以存储基本上在大气压力的气体。

所述设备可以进一步包括用于回收存储在所述设备(例如，在放气阶段)中的能量的膨胀机装置。在一个实施例中，所述压缩机装置和膨胀机装置是由配置来有选择地在压缩模式下或者膨胀模式下可操作的组合的压缩机/膨胀机装置提供的。

根据本发明的第二个方面，提供一种存储以及随后获取能量的方法，包括：在充气阶段：接收加热的高压气体；将这个高压气体经由高压存储容器传递给气体存储装置或者气体处理装置，所述高压存储容器包括用于从所述气体接收热能的高压热存储装置；将气体从所述高压存储容器以低压(例如，通过降低包含在所述高压存储容器内的气体的压力)在所述高压存储容器和低压存储容器之间传递，所述低压存储容器包括用于从气体接收热能的低压热存储装置，这样，所述高压热存储装置所存储的热能由在所述高压存储容器和所述低压存储容器之间经过的低压气体传递给所述低压热存储装置；以低压在所述低压存储容器和所述高压存储容器之间以低压传递气体，在放气阶段，在所述低压存储容器和所述高压存储容器之间传递低压气体，从而通过使气体在所述低压存储容器和所述高压存储容器之间经过，将所述低压热存储装置存储的热能传递给所述高压热存储装置；随后，使高压气体(例如，使用从所述气体存储装置或者气体处理装置获得的高压气体)经过所述高压存储容器，以将所述气体暴露在所述高压热存储装置；使所述加热后的高压气体膨胀。

通过这种方式，使用直接热量传递的低压存储器提供一种存储高压气体的热量的方法(即，在所述气体和固体热存储装置之间直接地，不用热交换机)。

在一个实施例中，在充气阶段，在所述高压存储容器和所述低压存储容器之间周期性地传递气体，在放气阶段，在所述低压存储容器和所述高压存储容器之间周期性地传递气体。

在一个实施例中，所述高压加热气体是从气体源接收的。在一个实施例中，所述气体源是压缩气体源。在另一个实施例中，所述气体源是太阳能采集器。

前面限定的本发明第一方面的所有特征可以形成本发明第二个方面的特征。

根据本发明的第三个方面，提供一种存储及随后获取能量的方法，包括：在充气阶段：接收加热后的低压气体；使所述气体经过包括用于从所述气体接收热能的低压热存储装置的低压存储容器；在放气阶段：以低压在所述低压存储容器和包括用于从所述气体接收热能的高压热存储装置的高压存储容器之间传递来自于所述低压存储容器的气体，从而通过使低压气体在所述低压存储容器和所述高压存储容器之间经过，将所述低压热存储装置所存储的热能传递给所述高压热存储装置；随后使气体以高压经过所述高压存储容器，以将所述高压气体暴露在所述高压热存储装置下；使所述加热后的高压气体膨胀。

通过这种方式，用所述低压存储器和高压存储器之间的直接热传递(即，在所述气体和固体热存储装置之间直接地进行，不用热交换机)，提供一种存储来自于低压气体的热量的方法。

在一个实施例中，所述低压加热气体是从气体源接收的。在一个实施例中，所述气体源是太阳能采集器。

前面限定的本发明第方面的所有特征可以形成本发明第三个方面的特征。

根据本发明的第四个实施例，提供一种存储能量的设备，其包括用于接收压缩气体的高压存储容器，该高压存储容器包括用于从经过所述高压存储容器的压缩气体接收热能的高压热存储装置，以及用于从所述高压存储容器放气的出口；其中所述设备进一步包括：具有从气体接收热能的低压热存储装置的低压存储容器，所述低压存储容器有选择地可连接到所述高压存储容器；以及用于在所述高压存储容器和所述低压存储容器之间传递气体的气体传递装置，从而用在所述高压存储容器和所述低压存储容器之间经过的气体，将所述高压热存储装置存储的热能传递到所述低压热存储装置。

前面限定的本发明第一方面的所有特征可以形成本发明第四方面的特征。

根据本发明第五方面，提供一种能量存储设备，其包括：用于接收高压气体的高压存储容器(例如，在充气阶段的高压加热的气体)，该高压存储容器包括具有容放第一透气性热存储结构的第一腔的高压热存储装置；以及用于接收低压气体的低压存储容器，该低压存储容器包括具有容放第二透气性热存储结构的第二腔的低压热存储装置；其中所述第一热存储结构的单位体积平均表面积大于所述第二热存储结构的单位体积平均表面积。

有利的是，申请人确定，提供在所述高压侧具有较高的每单位体积(即，所述热存储结构的每单位体积)表面面积、在所述低压侧具有较低的每单位体积表面面积的热存储结构，结果使充气/放气性能改进。尤其是，申请人确定，在充气/放气循环不可逆下降，可以在所述高压存储器中实现热前缘长度超过使气体经过所述高压存储容器所经历的压降的增加。

所述高压存储容器是可连接到所述低压存储容器。在一个实施例中，在充气阶段，所述低压热存储装置是配置来从气体(例如，从所述高压存储容器接收的低压气体)接收热能。在另一个实施例中，在充气阶段，所述低压热存储装置是配置来将热能传递给气体(例如，给所述低压存储容器接收的膨胀的低压气体，以产生冷存储器)。

在一个实施例中，所述第一热存储结构包括容放在所述第一腔内的粒状材料。

在一个实施例中，所述第二热存储结构包括容放在所述第二腔内的粒状材料。

在一个实施例中，所述第一和第二热存储结构中有包括耐火材料(例如，耐火块料)，所述第一和第二热存储结构中的另一个包括金属材料。

在一个实施例中，所述第一和第二热存储结构中有包括金属材料，所述第一和第二热存储结构中的另一个包括天然矿物材料(例如，粉碎的矿物，比如是砂砾)。

在一个实施例中，所述粒状材料包括下列至少一种：固体颗粒；多孔性介质；纤维；和泡沫材料(例如，金属、矿物或者陶瓷颗粒和/或纤维和/或泡沫)，这些材料被填充以形成透气性热存储装置。

在一个实施例中，所述第一腔是配置来从入口接收气体(例如，高压加热气体)，所述第一热存储结构具有区域，在该区域内，所述第一热存储结构的单位体积平均表面积随着与所述入口(例如，在经过所述腔的气流的方向)的距离增加而减小。通过这种方式，提供高压热存储装置，其中第一高表面面积层产生短的热前缘，并将气体供应给第二个相对较低的表面面积层。有利的是，在所述高表面面积层之后提供所述低表面面积层(在充气过程中，在气流方向)，让所述高压侧的压降减少，而产生较短的热前缘，改进热量吸收并降低不可逆性。

在一个实施例中，所述区域从所述第一热存储结构基本上最接近所述入口的一部分延伸。

在一个实施例中，每单位体积的平均表面面积的变化渐进地出现在所述区域的长度上(例如稳定地、基本上等增量地)。在一个实施例中，所述区域内的单位体积平均表面积的变化基本上平滑地出现(例如，在第一热存储结构包括容放在所述第一腔内的粒状材料的情况下，粒状物质层尺寸逐渐增加)。在另一个实施例中，所述区域内的单位体积平均表面积的变化是以离散步长的形式出现的(例如，在第一热存储结构包括容放在所述第一腔内的粒状材料的情况下，所述第一层粒状物质和第二层粒状物质具有基本上不同的尺寸)。每个离散步长可以具有基本上相近的长度。

在离散步长的情况下，所述区域可以限定第一和第二子区域，所述第一子区域具有比所述第二子区域的单位体积平均表面积大的单位体积平均表面积。在一个实施例中，所述第一子区域具有长度，它是所述热存储结构的长度的至少10％。在另一个实施例中，所述第一子区域具有长度，它是所述热存储结构的长度的至少20％。在热存储结构包括容放在所述腔内的粒状材料的情况下，所述第一和第二区域中至少有包括多个粒状物质层，每一层具有不同的平均颗粒尺寸。

在一个实施例中，所述区域沿着所述第一热存储结构的整个长度延伸。

在另一个实施例中，所述区域沿着所述第一热存储结构的长度的一部分延伸，所述第一热存储结构包括进一步的区域，该区域具有比所述第一限定的区域的最小的单位体积平均表面积高的单位体积平均表面积。通过这种方式，可以配置所述第一热存储结构，以当所述流逆行经过所述高压热存储装置时，产生较短的热前缘。

在一个实施例中，所述进一步的区域具有随着与所述入口的距离增加而增加的单位体积平均表面积。

在一个实施例中，所述进一步区域内的单位体积平均表面积的改变是在所述区域的长度上渐进地出现的(例如，基本上等增量地稳定地)。在所述区域内，每单位体积的平均表面面积的改变是基本上平滑地出现(例如，粒状物质层的尺寸逐渐增加)。在另一个实施例中，所述区域内的单位体积平均表面积的改变是以离散步长的形式出现的(例如，第一和第二粒状物质层尺寸基本上不同)。每个离散步长可以具有基本上相近的长度。

在一个实施例中，所述进一步的区域具有沿着所述进一步区域的长度基本上保持不变的单位体积平均表面积。

在一个实施例中，所述第一腔的有效长宽比比所述第二腔的有效长宽比大。

在一个实施例中，所述第一腔的有效长宽比比所述第二腔的有效长宽比大至少10％。

在一个实施例中，所述高压热存储装置具有比所述低压热存储装置的空隙分数低的空隙分数。有利的是，降低所述设备高压侧的空隙分数，允许当要在所述高压侧的压降有可接受的增量时，高压存储容器的体积缩减。

在一个实施例中，所述高压热存储装置的空隙分数比所述低压热存储装置的空隙分数低至少5％。

在一个实施例中，所述高压热存储装置的空隙分数比所述低压热存储装置的空隙分数低至少10％。

在一个实施例中，所述高压热存储装置是配置来产生绝对压降，它是所述低压热存储装置所产生的绝对压降的两倍。

在一个实施例中，所述高压热存储装置是配置来产生绝对压降，它是所述低压热存储装置所产生的绝对压降的三倍。

在一个实施例中，所述高压热存储装置是配置来产生绝对压降，它是所述低压热存储装置所产生的绝对压降的五倍。

在一个实施例中，所述高压热存储装置是配置来产生绝对压降，它是所述低压热存储装置所产生的绝对压降的十倍。

在一个实施例中，所述第一热存储结构和所述第二热存储结构包括基本上相同的材料，在是混合材料的情况下，同种材料的比例基本上相同。

在一个实施例中，所述第一热存储结构和所述第二热存储结构包括不同的材料或者同一种材料的比例不同。

在一个实施例中，所述第一热存储结构的每单位质量的平均热容量大于所述第二热存储结构的每单位质量的平均热容量。

在一个实施例中，所述第一热存储结构的每单位质量的平均热容量比所述第二热存储结构的每单位质量的平均热容量大至少10％。

在一个实施例中，所述第一热存储结构的每单位体积的平均热容量大于所述第二热存储结构的每单位体积的平均热容量。

在一个实施例中，所述第一热存储结构的每单位体积的平均热容量比所述第二热存储结构的每单位体积的平均热容量大至少10％。

在一个实施例中，所述第一热存储结构的平均密度比所述第二热存储结构的平均密度大至少10％。

在一个实施例中，所述第一和第二热存储装置每个具有隔热。

在一个实施例中，所述第一和第二热存储装置其中的基本上所有的隔热都在它各腔内，所述第一和第二热存储装置中的另一个的基本上所有的隔热都在它的各腔外。

根据本发明的第六个方面，提供一种能量存储设备，包括：接收高压气体的高压存储容器(例如在充气阶段的高压加热气体)，所述高压存储容器包括具有容放第一透气性热存储结构的第一腔的高压热存储装置；接收低压气体的低压存储容器，该低压存储容器包括具有容放第二透气性热存储结构的第二腔的低压存储装置；其中，所述高压热存储装置具有比所述低压热存储装置的空隙分数低的空隙分数。

有利的是，降低所述设备高压侧的空隙分数，让高压侧压力下降有可接受的增加值时，高压存储容器的体积缩减(从而潜在地降低了制造成本)。

所述高压存储容器可以连接到所述低压存储容器。在一个实施例中，在充气阶段，所述低压热存储装置是配置来从气体(例如，从所述高压存储容器接收的低压气体)接收热能。在另一个实施例中，在充气阶段，所述低压热存储装置是配置来将热能传递给气体(例如，使所述低压存储容器接收的低压气体膨胀，产生冷的存储器)。

在一个实施例中，所述第一和第二热存储结构中有包括金属材料，所述第一和第二热存储结构中的另一个包括天然矿物材料(例如，粉碎的矿物，比如砂砾)。

在一个实施例中，所述粒状材料包括下列至少一种：固体颗粒；多孔性介质；纤维；和泡沫材料(例如，金属、矿物或者陶瓷颗粒和/或纤维和/或泡沫)，这些材料被填充以形成透气性热存储装置

在一个实施例中，所述第一腔具有比所述第二腔的有效长宽比大的有效长宽比。

在一个实施例中，所述高压热存储装置是配置来产生绝对压降值，该绝对压力下降值是所述低压热存储装置所产生的绝对压降值的两倍。

在一个实施例中，所述高压热存储装置是配置来产生绝对压降值，该绝对压降值是所述低压热存储装置所产生的绝对压降值的三倍。

在一个实施例中，所述高压热存储装置是配置来产生绝对压降值，该绝对压降值是所述低压热存储装置所产生的绝对压降值的五倍。

在一个实施例中，所述高压热存储装置是配置来产生绝对压降值，该绝对压降值是所述低压热存储装置所产生的绝对压降值的十倍。

在一个实施例中，所述第一热存储结构和所述第二热存储结构包括基本上相同的材料，或者在混合材料的情况下，同种材料的比例基本上类似。

在一个实施例中，所述第一和第二热存储装置其中它基本上所有的隔热都在各腔内，所述第一和第二热存储装置中的另一个它基本上所有的隔热都在它的各腔外。

根据本发明的第七个方面，提供一种热存储装置，包括：用于从入口接收气体的腔(例如在充气阶段的加热气体)，所述腔容放透气性热存储结构；其中所述热存储结构有区域，在该区域，所述热存储结构的单位体积平均表面积随着与所述入口的距离增加而减小(例如，在经过所述腔的气流方向)。

在一个实施例中，所述热存储结构包括容放在所述腔内的粒状材料。

在一个实施例中，所述区域从所述热存储结构基本上最靠近所述入口的一部分延伸。

在一个实施例中，所述单位体积平均表面积的改变是在所述区域的长度上渐进地出现(例如，基本上等增量地稳定地)。在一个实施例中，所述区域内的每单位体积的平均表面面积的改变是基本上平滑地出现(例如，粒状物质层尺寸逐渐增加)。在另一个实施例中，所述区域内的单位体积平均表面积的改变是以离散步长的形式出现(例如，第一和第二粒状物质层尺寸基本上不同)。每个离散步长可以具有基本上相近的长度。

在一个实施例中，所述区域沿着所述热存储结构的整个长度延伸。

在另一个实施例中，所述区域沿着所述第一热存储结构的长度的一部分延伸，所述热存储结构包括进一步的区域，该区域具有比所述第一限定的区域的最小的单位体积平均表面积高的单位体积平均表面积。

在一个实施例中，所述进一步区域内的单位体积平均表面积的变化在所述区域的长度上渐进地(例如，基本上等增量稳定地)出现。在一个实施例中，所述区域内的单位体积平均表面积的变化是基本上平滑地出现(粒状物质层的尺寸逐渐增加)。在另一个实施例中，所述区域内的单位体积平均表面积的变化是以离散步长的形式出现(例如，所述第一和第二粒状物质层的尺寸基本上不同)。每个离散步长可以具有基本上相近的长度。

在一个实施例中，所述热存储装置是高压热存储装置。

在一个实施例中，所述热存储装置是低压热存储装置。

附图说明

通过参考附图用示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1所示为根据本发明第一实施例的电存储系统的示意图；

图2所示为根据本发明第二实施例的电存储系统的示意图；

图3所示为图2的电存储系统的一部分的示意图；

图4图示的是在充气过程中的点，图2的电存储系统的不同高压存储器的热前缘(thermal front)的状态；

图5所示为根据本发明的第三实施例的电存储系统的示意图；

图6所示为根据本发明的一个实施例的太阳能发电系统的一部分的示意图；

图7所示为根据本发明的另一个实施例的太阳能发电系统的一部分的示意图；

图8图示在热存储器内热前缘的形成；

图9a所示为根据本发明的又一个实施例的储电系统在充气阶段的示意图；

图9b所示为在放气阶段的图9a的储电系统；

图10所示为根据本发明再一个实施例的储电系统在充气阶段的示意图；

图11所示为用在图10的储电系统内的高压热存储器的示意图。

具体实施方式

图1示出了储电系统1，包括由电源3供电、并连接到高压热存储器10的压缩机/膨胀机(例如压缩机/膨胀机涡轮)2和气体存储器20。高压热存储器10转而连接到低压热存储器11和12。空气通过管道30进入和离开所述系统，并经由管道31、32、33、34、35、36、37和38传递。阀40、41、42、43、44和46可以用来有选择地关闭/打开不同的管道。空气泵50连接到管道36，可以在两个方向中的任一方向上泵送空气。热交换机60用于将经过管道36的气体的温度保持于大体周围环境温度或者固定的基础温度。

高压热存储器10包括带有热基质14的绝热高压容器13，所述压缩气体可以经过所述热基质14，并且在充气时传递其热量，在放气时从热基质14接收热量。

所述低压热存储器11和12包括带有热基质16和18的绝热低压容器15和17，所述气体可以经过所述热基质16和18，并且在充气时传递其热量，在放气时从热基质16和18接收热量。

气体存储器20可以是加压的地下洞穴，比如盐穹，地下蓄水层或者其它适当的地下空间。可替换的是，它可以是压力容器。它可以是固定体积空间、固定压力空间或者二者的组合。

当充气时，压缩机/膨胀机2作为由电动马达(图中未示)驱动的压缩机，当放气时，所述压缩机/膨胀机2作为驱动发电机(图中未示)的膨胀机(即，如果是回转式机器的话是涡轮机)。所述压缩机和膨胀机可以像图中所示的那样是同一装备，或者它们可以是为每个过程优化的单独的单元。

在所述系统内暴露于高压的所有管道、阀和容器可以设计用于相关的温度和负荷。

如图所示，高压容器13的存储体积基本上比各低压容器15、17存储体积小。

所述低压和高压热存储器可以各自包括颗粒状热存储介质，提供非常高的热交换面积。如果所述材料是要用在加压的热存储器内，那么优选的是，所述材料具有高的体积热容量，使所需要的存储体积的量最小，但是，如果所述高压存储器相对于所述未加压的存储器而言是小的，那么这个额外的成本不会很高。相对于所述高压存储器的长度而言经过所述高压存储器的热前缘保持短的长度也是重要的。这意味着，如果所述存储器要经常循环的话，小的颗粒尺寸和高传导性是重要的，例如可以使用细的铜网。如果所述存储器经常循环，那么所述锋的长度不那么显著，可以使用传导性稍逊颗粒尺寸较大的颗粒，例如砂砾。如果使用的是未加压的存储器，那么容放成本显著下降，用具有较低的热加热能力的便宜一些的材料可以提供成本-效果最好的解决方式。在所描述的实施例中，高压容器13包括固体颗粒(solid particulate)热存储介质其平均颗粒尺寸小于所述低压容器15、17的固体颗粒热存储介质，这对应较高的单位体积平均表面积。

如果需要高温，那么正常情况下必须使用人造耐火材料，比如是氧化铝或者氧化镁形式，或者金属成分。如果要使用较低的温度，那么其它材料就会适合，比如石英岩、磁铁矿、铁燧岩或者其他低成本的材料。其目的是提供一种具有合理的体积热容量并可以被热循环的低成本材料。

在运行过程中，当在充气阶段存储电时，大气空气经过管道30被吸入，并在进入管道31之前在压缩机/膨胀机2中压缩。阀40和41都打开。阀42和43都关闭。管道31内的空气的压力和温度都比它进入压缩机/膨胀机2时高。热基质14、16和18开始时基本上是周围环境温度。

所述空气经过阀40进入高压热存储器10，经过高压容器13的内部并穿过热基质14。随着所述高压空气进入热基质14，它将它的压缩热量传递给热基质14。现在冷却了的高压空气离开热基质14，经由阀41出了高压容器13，进入管道32。管道32可以安装有附加的热交换机以在任何空气进入气体存储器20之前进行冷却。然后所述空气进入气体存储器20，其容积比高压容器13的容积大得多。

当热基质14已经存储了足量的压缩热量，压缩机/膨胀机2停止。阀40和41都关闭，高压容器13内的压力降低到低压容器15、17内的压力(例如使用与下文参考图3所讨论的平衡泵对应的平衡泵(图中未示))。

当所述压力基本上相等时，阀42、43和44设置在打开位置，阀46关闭。泵50启动，经由热交换机60将空气从管道36泵经阀43，进入高压容器13。所述空气经过热基质14，在那里所述空气从所述热基质接收热量。所述空气经过所述高压容器，经由阀42进入管道33。所述空气经由阀44到管道34，进入所述低压容器15。所述空气经过热基质16，将热量传递给所述基质。所述空气以大约周围环境温度的温度离开所述热基质，经由管道37离开低压容器15，进入管道36。所述空气返回泵50，所述将热量从所述高压热存储器传递到所述低压热存储器的过程继续。当适当比例的所述热量被传递后，泵50停止，阀42和43关闭。

给所述高压热存储器增加空气(例如，使用具有用于接收大气空气并升高其压力的压缩机的平衡泵(图中未示))，直到所述存储器内的压力基本上等于管道31和32内的压力。阀40和41打开，压缩机/膨胀机2又开始压缩空气。

重复上述过程，直到低压热存储器11“完全充满”热量。在这个阶段，阀44关闭，阀46打开，现在可以用类似方式对低压热存储器12充气。

当所有的存储器都充好气时，所述系统是“满的”，但是有可以在任意阶段回收所存储的电力，甚至当存储器是部分充气时。所述系统的充气/放气效率总是小于100％，因为在不同阶段有大量的损耗。

为了在放气阶段‘回收’电力，加压的空气通过管道32抽入，经由阀41进入高压容器13。如果完全充好的话，那么各热基质14、16和18应处在‘热’状态。阀40和41都打开。阀42和43都关闭。

高压空气经过热基质14，从所述热基质接收热量。现在加热后的空气经由阀40离开高压容器13，进入管道31。所述空气进入压缩机/膨胀机2，在所述过程中，膨胀做功，驱动发电机产生电，输给电源3。

所述过程一直继续，直到热基质14已经传递了适当量的热量，即，完全放气。在循环操作过程中，有益的是在所述存储器内留下一部分热前缘，供后续阶段再用。所述压缩机/膨胀机2停止。阀40和41都关闭，高压容器13内的压力降低到低压容器15和17内的压力。

当所述压力基本上相等时，阀42、43和44设置在打开位置，阀46关闭。泵50启动，将空气从管道36泵入管道37，进入低压容器15。所述空气通过热基质16，从所述基质接收热量。所述空气出了低压容器15进入管道34，经由阀44进入管道33。所述空气经由阀42进入高压容器13。所述空气经过热基质14，将热量传递给所述基质。所述空气离开所述基质时的温度接近于周围环境或者基础温度，并经由阀43进入管道36。所述空气经过热交换机60，如果必要的话，它在热交换机那里被冷却，以接近周围环境或者基础温度离开所述热交换机。

所述系统可以在周围环境温度之上的基础温度工作。所述系统内的损耗容易累积成较低位的热量，这个热量需要从所述系统中除去，以阻止整体温度升高。热交换机60用于除去这个热量，但是为了简单起见，如果所述系统温度高于环境温度则较容易除去去所述热量，即，如果有较大温差的话，热交换机设计比较简单，且较小。因此，所述基础系统温度可以接近于周围环境或者可以高于周围环境，例如比它高50摄氏度。

所述空气返回所述泵50，所述将热量从所述低压热存储器传递到所述高压热存储器的过程继续。当传递适当比例的热量之后，泵50停止，阀42和43关闭。

空气被添加到所述高压热存储器内，直到所述存储器内的压力基本上等于管道31和32内的压力为止。阀40和41打开，压缩机/膨胀机2启动以再次使空气膨胀。

一直重复这个过程，直到所述低压热存储器11‘完全放气’。在这个阶段，阀44关闭，阀46打开，低压热存储器12可以以类似方式放气。

图2显示了储电系统1’，用于让热传输作为连续过程来工作而不是图1中所示的‘批式’处理系统。

储电系统1’包括由电源3’供电、并连接到高压/低压热传输系统100和气体存储器20’的压缩机/膨胀机2’。高压热存储器10’转而连接到分别具有带有热基质16’和18’的绝热低压容器15’和17’的低压热存储器11’和12’。空气通过管道30’进入和离开所述系统，并经由管道31’、32’、33’、34’、35’、36’、37’和38’传递。阀44’和46’可以用来有选择地关闭/打开不同的管道。所示的空气泵50’是在管道36’中，可以在两个方向中的任何方向上泵送空气。热交换机60’用来保持经过所述管道的气体的温度基本上在周围环境温度或者固定的基础温度。管道32’可以安装额外的热交换机，来(图中未示)进一步冷却任何进入气体存储器20的空气。

热量传输系统100，在图3中详细展示，包括连接在选择阀105和106上的高压热存储器111、112、113、114和115。所述系统还包括高压输入/输出装置101和102以及低压输入/输出装置103和104。如图所示，高压存储器111、112、113、114和115都包括固体颗粒热存储介质，其平均颗粒尺寸小于所述低压容器15’、17’的固体颗粒热存储介质的平均颗粒尺寸，这对应较高的单位体积平均表面积。

在操作过程中，在开始时，热存储器111-112处于周围环境温度附近和高压，热存储器113-115处于周围环境温度附近和低压。热的高压气体经由高压输入/输出装置101进入系统100，经由选择阀105被引导到热存储器111内，现已冷却了的高压气体经由选择阀106离开热存储器111，经由高压输入/输出装置102退出所述系统。

当热存储器111完全充满‘热量’时，所述热的高压输入流经由选择阀105和106切换，使得所述流现在经过热存储器112。平衡泵120经由连接管121将热存储器111内的压力降低到所述低压，并将热存储器113内的压力升高到所述高压。平衡泵120可以包括压缩机，根据需要吸收大气中的空气和升高所述热存储器内的压力。压力的降低可以通过平衡泵120用膨胀阀来实现。当与所述存储器内的热能相比，所述加压空气中的能量是低的，因此没有必要回收。但是，如果要回收它，那么可以通过使用膨胀机来实现，如果膨胀机是独的话，其连接到发电机，或者如果所述膨胀机连接于压缩机，那么所述膨胀空气的能量可以用来帮助驱动压缩机来升高其它热存储器内的压力。这会使得用于降低和升高所述热存储器内的压力的能量损耗最低。所述平衡泵120应当被认为是根据需要来降低或者升高所述热存储器内的压力的装置，还根据需要使用额外的大气中的空气或者排气到大气中以保持所述存储器内有恰当的压力。因为可能需要功的净输入来实现这个过程，需要给所述装置供电，虽然从整个系统的功来看，这个功输入非常低。

因为所述热存储器内的热质量远高于所述气体的热容，所述存储器内的这些压力变化基本上是等温的。

当热存储器112完全充满热量时，所述热的高压输入流经由选择阀105和106切换，使得所述流现在经过热存储器113。平衡泵120经由连接管道121将热存储器112内的压力降低到所述低压，将热存储器114内的压力升高到所述高压。热存储器111进行如下的放气。近周围环境温度的低压气体经由低压输入/输出装置104进入，经由选择阀106进入热存储器111，当所述气体通过所述存储器时所述气体被加热。所述气体经由选择阀105离开所述热存储器，并作为热的低压气体通过低压输入/输出装置103离开所述系统。经过热存储器111的质量流速约为经过热存储器113的质量流速的一半。

当热存储器113完全充满热量时，所述热的高压输入流经由选择阀105和106进行切换，使得所述流现在经过热存储器114。平衡泵120经由连接管道121将热存储器113内的压力降低到所述低压，将热存储器115中的压力升高到所述高压。热存储器111继续被放气，热存储器112如下进行放气。近周围环境温度的低压气体经由低压输入/输出装置104进入，并经由选择阀106进入热存储器112，当所述气体经过该存储器时被加热。所述气体经由选择阀105退出热存储器112，并经过低压输入/输出装置103作为热的低压气体离开所述系统。经过热存储器111和112的质量流速大约等于经过热存储器114的质量流速，使得流入和流出所述系统的热平衡。图4显示的是在这个阶段所述不同存储器的温度特性曲线。

通过这种方式，一个热存储器总是正从所述高压气体充气，而另一个存储器将其压力正被降低到所述低压侧的压力，两个存储器放气到所述低压侧，最后，一个存储器的压力从所述低压升到所述高压。

流经所述热存储器的气体可能会有压降。在高压侧的这个压降相对舒适流速而言可能是低的，但是对于所述低压侧，这个压力降低可能相当显著。为了减少这个，有必要降低所述存储器放气的速度，这会导致所述系统不平衡，除非增加了额外的热存储器。通过具有额外的热存储器，可以以所述高压侧的质量流速度的一半对所述低压侧的例如两个存储器放气，保持所述系统平衡。高低压之间的压力差越大，这个差异有可能更为显著。但是，如果当所述低压气体经过所述热存储器时，所述压降不认为是显著的，那么最简单的系统可以只有四个存储器，其中所述高压和低压以等速度充气/放气。

未被充气的热存储器正常情况下会保持在基础温度，这正常情况下是在环境温度附近，但是有一些应用中可以优选地并非环境温度的基础温度。

为了将热量返回到所述系统，所述过程和流都被反向，使得热的低压气体经由低压输入/输出装置103进入所述系统，并经由高压输入/输出装置101离开所述系统。

图4所示的是在所述充气过程的一段中，图3中的不同存储器的热前缘的状态：

图形1所示为低压状态下的热存储器正在放气

图形2所示为低压状态下的热存储器正在放气

图形3所示为在完全充气状态下的热存储器，其压力正从所述高压状态下降到低压状态

图形4所示为在高压状态下的热存储器正在充气

图形5所示为在完全放气状态下的热存储器，其压力正从所述低压状态升高到高压状态。

图5所示为闭环电存储系统1”，它具有由电源3”供电并连接到高压热存储器10’和冷存储器150的压缩机/膨胀机对2A和2B。高压热存储器10’转而连接到低压热存储器11”和12”。气体(可以是空气、氩气、氮气或者其它适当的工作流体)经过管道31”、32”、33”、34”、35”、36”、37”和38”在所述装置1”中传输。阀40’、41’、42’、43’、44’、和46”可以用来有选择地打开/关闭不同的管道。所示气泵50”是在管道36”中，可以在两个方向中的任意方向上泵送气体。热交换机60”用来保持经过所述管道的气体的温度基本上在周围环境温度的或者固定的基础温度。管道31”和32”可以安装有额外的热交换机(图中未示)以朝相同的基准温度进一步冷却或者加热所述管道内的气体，这个基准温度可以接近于周围环境温度。可替换的是，对于每个热交换机，所述基准温度可以不同。

高压热存储器10’包括带有热基质14’的绝热高压容器13’，所述压缩气体可以通过所述热基质，当充气时，传递其热量，当放气时，从所述热基质接收热量。

低压热存储器11”和12”每个包括带有热基质16”和18”的绝热低压容器15”和17”，所述气体可以经过所述热基质16”和18”，当充气时传递其热量，当放气时从所述热基质接收热量。

冷存储器150包括带有热基质170的绝热低压容器160，所述热基质170被配置来传递热量给经过所述冷存储器150的冷却的、膨胀的气体。通过这种方式，能量存储设备1”设置为其中的高压热存储器10’和冷存储器150处在热加热泵循环内以分别在充气过程中成为热的和冷的存储器。然后通过让气体经过所述冷却的冷存储器150、使用压缩机/膨胀机2B压缩由冷存储器150冷却的气体、在通过使低压气体在高压热存储器10’和低压热存储器11”和12”之间经过，热能已经从低压热存储器11”和12”传递到热基质14’之后，使所述冷却的压缩气体暴露在热基质14’加热所述冷却的压缩气体、以及通过在压缩机/膨胀机2A上做功让所述加热后的气体膨胀，从而在放气模式下回收能量。

如图所示，高压容器13’包括固体颗粒热存储介质，其平均颗粒尺寸小于所述低压容器15”、17”热基质170的固体颗粒热存储介质的平均颗粒尺寸，对应较高的单位体积平均表面积。

图6所示为太阳能发电系统301，它包括由太阳能采集器303供电、并连接到高压热存储器210的热引擎302。热引擎302将包括排热系统和功输出系统，比如连接于膨胀机(比如，涡轮机)上的发电机，这些没有在图中示出。高压热存储器310210转而连接到低压热存储器211和212。气体(可以是空气、氩气、氮气或者其它一些适当的工作流体)经由管道231、232、233、234、235、236’、237、238、331、332、333和334在装置301中传递。阀240、241、242、243、244和246可以用来有选择地关闭/打开不同的管道。所示气泵250是在管道236中，可以在两个方向中的任意方向上泵送气体。所示气泵330是在管道332上，仅可以将所述气体泵送经过太阳能采集器303。所述太阳能采集器可以是集中式采集器，比如槽、塔、盘或者夫瑞奈(Fresnel)采集器。

在发电操作时，热的高压气体从管道331或者231进入管道333，并进入热引擎302。优选的是，首先将气体从来自于太阳能采集器303的管道331(优先于来自于热存储器210的管道231)抽出。热引擎302吸收这个热的高压气体，用它来给所述热引擎提供动力，然后所述气体以相近的压力但是以较低的温度返回管道334。在所述热引擎内，所述热量可以通过将热量传递给所述热引擎的工作流体的热交换机，或者通过使用所述气体直接作为工作流体的所述热引擎传递给所述热引擎循环。如果所述热引擎是直接使用所述气体作为工作流体，那么重要的是使所述回路压力与所述热引擎循环匹配。所述热引擎包括泵送机械(图中未示)，使得它可以让气体绕着所述回路运动。

然后所述高压低温气体通过所述太阳能采集器303、高压热存储器310或者二者的结合返回。如果没有太阳，或者天气不好，使得所述太阳能采集器仅部分工作，或者不提供动力，那么会从所述热的热存储器提供额外的热量。高压热存储器310进行循环从低压热存储器211和212传递该热量，如前所描述那样。

在非发电操作中，其中所述太阳能采集器工作，但是热引擎302不工作，在管道333和334内没有气体流动，所述高压气体由气泵350泵送经由管道332进入太阳能采集器303。在太阳能采集器303中，所述气体的温度升高，它以相近的压力但是较高的温度经由管道331退出。所述气体经过管道231经由阀340进入高压热存储器310。高压热存储器210进行循环以将这个热量传递给低压热存储器211和212，如前所描述那样。

在局部发电模式下(其中所述热引擎在部分负荷下运转)，如果太阳能采集器303正在产生超过了所需量的热气体，那么管道331内离开采集器的气体将进入两个管道333和231，其中进入管道333以供应所述热引擎，进入管道231以补充高压热存储器210。通过这种方式，在太阳能采集器303中产生的任何热量优选地是总是首先用在热引擎302中，并作为第二选项仅存储在热存储器210中。所述热存储器在那里以确保所述热引擎可以根据需要来操作。高压热存储器310进行循环以将这个热量传递给低压热存储器211和212，如前面所描述那样。

高压热存储器310包括带有热基质314的绝热高压容器213，所述压缩气体可以经过所述热基质314，当充气时，传递其热量，当放气时，从所述热基质接收热量。

低压热存储器211和212每个包括带有热基质216和218的绝热压力容器215和217，所述气体可以经过所述热基质216和218，当充气时，传递其热量，当放气时从所述热基质接收热量。

应当注意，在图中只显示了高压热存储器210，因此它必须以循环的方式工作。但是，如果使用多个高压热存储器(如图2的系统)，那么有可能使这个系统以连续过程运转，因此，例如一个存储器总是在充气，另一存储器总是在放气，存储器的压力在降低，存储器的压力在升高。同样，可以有多个低压热存储器。

这个系统的优点在于，所述采集器回路可以是高度加压的(例如60巴)，使得对于给定的横截面积，泵送损耗非常低以及质量流速度高。使用气体作为工作流体，避免了与热油(最大温度约400摄氏度)和熔盐(如果根据实际的混合物，如果冷却到低于大约230摄氏度的温度下它们会固化)相关联的问题。所述采集器回路甚至可以直接与所述热引擎回路连接在一起，这意味着是所述太阳能采集器有效地将所述热量交换到所述引擎的热侧。这提高了效率，剔除了对二级热交换机的需求。以高压将大量的热存储在压力容器中是不经济的，因此过多的热量可以存储在低成本热存储器中，然后当需要时返回到所述高压系统。

图7展示了太阳能发电系统501，其包括由太阳能采集器503经由高压热存储器410间接供能的热引擎502。热引擎502会包括热排热系统和功输出系统，比如没有示出的连接在膨胀机(例如，涡轮机)上的发电机。高压热存储器410转而还连接至低压热存储器411和412以及太阳能采集器503。气体(可以是空气、氩气、氮气或者其它一些适当的工作流体)可以在设备501中经由管道431、432、433、434、435、436、437、438、531和532传递。阀440、441、442、443、444和446可以用来有选择地关闭/打开不同的管道。所示气泵450是在管道436中且可以在两个方向中的任意方向上泵送所述气体。所示气泵550是在管道532中且可以将所述气体只泵送经过太阳能采集器503。所述太阳能采集器可以是集中式采集器，比如槽、塔、凹处或者夫瑞奈采集器。

在发电操作中，热的高压气体从高压热存储器410进入管道431，并进入热引擎502。处于类似压力但温度较低的高压气体经由管道432退出所述热引擎返回高压热存储器410。在所述热引擎内所述热量可以由热交换机或者直接使用所述气体作为工作流体的所述热引擎传递到所述热引擎中的热引擎回路。如果所述热引擎正在使用所述气体作为工作流体，又重要的是使所述回路压力与所述热引擎循环相匹配。所述热引擎包括泵送机械(图中未示)，使得它可以让气体绕着所述回路运动。在特定的周期之后，高压热存储器410重新充有自于所述低压回路的高温气体。气体优选地首先从直接来自于太阳能采集器503的管道531抽取，优先于来自低压热存储器411或者412的气体。只要在所述存储器内有足够的热量，和/或者所述太阳能采集器采集到了足够多的热量，那么所述热引擎可以保持发电。

当热存储器410正在以较低温度被充气时，低压气体离开所述热存储器并进入低压热存储器411和412或者太阳能采集器503。优选的是，气体流经所述采集器优先于流经所述热存储器。流经所述太阳能采集器的流速取决于落在它上面的太阳曝晒量，因而这个流速有可能会随着外部条件而改变。

在非发电操作中，在管道431和432中没有气体流动。相反，低压气体由气泵550泵送，经由管道532进入太阳能采集器503。在太阳能采集器503中，所述气体的温度升高，并以与它进入时的压力相近的压力但以较高的温度经由管道531退出。所述气体经过管道531进入低压热存储器511或者低压热存储器512。

在局部发电模式下(其中所述热引擎是在部分负荷情况下运行)，如果太阳能采集器503正在产生超过所需量的热气体，那么离开采集器的管道531中的气体将周期性地进入高压热存储器410以供应热引擎502以及管道434和/或435以补充低压热存储器411和412。通过这种方式，在太阳能采集器503中产生的任何热量总是首先经由高压热存储器410传递给热引擎502，而作为第二个选项只存储在低压热存储器411和412中。所述热存储器在那里以确保所述热引擎可以根据需要来工作。

高压热存储器410包括带有热基质414的绝热高压容器413，所述压缩的气体可以经过所述热基质414，当充气时传递其热量，当放气时从所述热基质接收热量。

低压热存储器411和412每个包括带有热基质416和418的绝热低压容器415和417，所述气体可以经过所述热基质416和418，当充气时传递其热量，当放气时从所述热基质接收热量。

应当注意，图中显示只有一个高压热存储器410，因此它必须以循环的方式工作。但是，如果用多个高压热存储器，那么有可能使所述系统像连续的过程那样运行，因此，例如一个存储器总是在充气，一个总是在放气，一个存储器的压力降低，一个存储器的压力升高。同样，可以有多个低压热存储器。

这个系统的优点是，所述采集器回路可以处于低压下且可能是周围压力下，这样减少泄漏问题。泵送损耗会更高，对于气体的给定质量流速，所述采集器的横截面积会需要增加。但是，所述热量可以以连续的过程直接馈送给所述低压热存储器，所述热量根据所述热引擎的需要，‘收回’和传递给所述高压回路。使用气体作为工作流体的好处以及低压热存储器的好处在前面已经提到了。

参考图8，任何不可逆过程降低所存储的能量的品质，即所存储的能量的‘可用性’降低了，这会导致整体效率降低。

热传递和随之而来的这些损耗的规模是多个不同变量的函数，变量包括颗粒形状和尺寸、导热性和密度。固体的单位体积的比表面积是重要的参数，称作‘比表面积’。在热传输的情况下，高的比表面积带来更好的热传输。具有同样几何形状的较小的颗粒具有较高的比表面积。

经过所述存储器的气体流有效地是经过容器内的颗粒的‘填充床’的气流。所述流体流经所述存储器的流体流速是Q，所述存储器横截面面积是A。因此，所述表观(或者空管)速度U₀是所述总流速除以所述横截面面积所得。所述存储器内存在所述颗粒会降低可供流体流动用的面积，即，为了保持流体与进入的表观速度连贯，所述流体必须挤过较小的面积；因此，在存储介质/颗粒的体积内的流体速度(U＝填隙速度)比所述表面速度U₀大。

在计算流量时，重要的是固体体积分数，而不是质量分数(计算热传输不是这样)。所述固体体积分数定义为固体体积除以总体积，类似地，所述空隙分数是空隙体积除以总体积。所述固体体积分数和所述空隙分数之和应当是1。

所述空隙分数通常是各向同性的特性(即，在所有方向上相同)；因而通过下列表达式，所述填隙速度简单地与所述表面速度相关，所述表达式考虑了流体连续性。

U＝U₀/空隙分数

对流体流动的阻力随着所述空隙分数的减小而增加，并升高所述流体的压降(dP)。压力不是向量，但是可以根据距离来定义压力梯度。对于热存储器，在长度为L的存储器上有一定的压降dP，在这种情况下意味着所述压力梯度为dP/L。所述压力在所述流体速度方向上下降，因此在所述气体经过所述存储器之后气体压力会变低。

存储器的空隙分数(或者孔隙率)取决于其所述颗粒的形状以及它们的填充方式。带有简单的立方体填料的球体床会有大约50％的空隙分数，如果是紧密填充的六角结构接近于25％。随机填充的球体具有在40-50％范围内的空隙分数。类似于砂砾的材料会具有36-37％左右的空隙分数，处于35-40％的范围。但是，经过仔细填充并使用不同尺寸的颗粒，可以将所述空隙分数降低到更接近于25％，但是这需要费些心思。但是，较小的空隙分数导致较高的压力损耗。

所述存储器的成本与所述存储器的压力密切相关。压力越高，容纳它所需的材料(比如钢铁)的量越大。对于一定体积的压力容器，如果你要成倍压力的话，容纳它所需的钢铁的成本加倍。

因此，有利的是使所述高压存储器内的空隙分数最小。通过这种方式，使所述热的热存储器装置的体积最小，代价是压力损耗增加，但是降低了整体的成本。如前面提到的，所述存储器内相对压降(fractional pressure drop)是重要的测量值，当所述压力高的时，这个相对压降可以保持为低。在所述冷的热存储器中，所述存储器的成本不那么重要，所述压力损耗更为重要，因此所述空隙分数可以较高。通过这种方式，通过使具有低空隙分数的高压存储器与具有较高空隙分数的低压存储器相组合，可以改进所述系统。

在这些热存储器中，目的是降低产生不可逆性的程度，不可逆性会产生损耗，转而降低可从所述存储器内提取的能量的量。这个不可逆性可以通过基于理想的热量泵产生热所需的功的量，以及基于理想的热引擎从来自所述热存储器的气体可以产生的功的量来测量。

理想的热引擎从热源吸收热量，执行内部过程，排出较少的热量到冷却散热器(冷槽)。所述功输出是从所述热源吸收的热量和排到所述冷却散热器的热量之间的差。由于给予和排出的热能的量与给予和排出的温度成正比，可以从这个简单的模型直接获得周知的卡诺(Carnot)关系。“热量”和“温度”不一样，即，它们热力学的意义上使用，“热量”指的是一定量的热能，“温度”是处理所述热能的温度。

从所述热源供应的热量＝kTh

排到冷槽中的热量＝kTc

循环功输出＝k(Th-Tc)

理想的循环效率＝功输出/功输入

＝(Th-Tc)/Th＝(1-Tc)/Th

完美的热泵仅是热引擎的反向，因为机械功是用来从冷源抽取热量，执行内部过程并将该热量输给热储。

输给热储的热量＝kTh

从冷源抽取的热量＝kTc

循环功输入＝k(Th-Tc)

理想的性能系数＝热量输出/热量输入＝Th/(Th-Tc)

示例：热泵，其中Th是733开氏度(degree Kelvin)(500摄氏度)，Tc是293开氏度(20摄氏度)时，具有为1.61的理想COP(理想性能系数)，即，每供应kWh能量，所述热引擎将提供500摄氏度的1.61kWh的热量。

如果因为所述热存储器内有热损耗，返回温度现在降低25开氏度，那么Th为748开氏度(475摄氏度)、Tc为293开氏度(20摄氏度)的热引擎具有理想的循环效率60.8％，因此，当流经所述理想的热引擎时，475摄氏度的1.61kWh的热量会产生0.98kWh的能量。

在这个理想的例子中，1kWh的能量输入有0.02kWh的损耗，即效率的总损耗是2％。注意，在这种情况下，引擎和热泵二者都是理想的，所述损耗仅是因为返回的温度较低。

在热存储的情况下，这个损耗是由于热交换所必需的温差造成的。这个温差产生不可逆的热混合，降低了可以达到的返回温度，是导致可用能量损耗的因素。在这种混合情况下，不会有热量损失，但是传递所述热量的温度降低了。

所述两个数之间的差异是所述容器产生的‘热损耗’。应当将这与通过所述存储器的绝热壁的简单环境损耗区分开。产生这个损耗是因为在所述气体和颗粒之间必须有温差，因此，所述颗粒经常是比所述气体稍微冷一些。当所述气体在反方向吹回时，所述气体必须现在比所述颗粒冷一些，因此所述气体出来时有较低的温度。这个程度或者不可逆性可以通过减小所述颗粒的尺寸来降低，但是这个较小的颗粒尺寸还会导致所述存储器内较高的压降。

使所述存储器内的热前缘的长度最小也是重要的，因为较平缓的热前缘意味着所述存储器的利用率下降，有效能量密度也下降。这个存储器利用率还可以通过减小所述颗粒尺寸来降低。但是这个较小的颗粒尺寸又会导致较高的压降。

但是，对效率有实际的影响的是相对压降。例如，以12巴经过存储媒介的0.1巴的压力损耗不那么显著，因为其相对压力损耗小于1％。但是，如果同样的存储器在1巴时，那么其相对压力损耗将会在10％，显然是更加显著。

如图8所示，这个充气过程，热存储器在所述存储器内形成了热前缘，初始时相当‘陡’，但是随着继续放气，渐进地变缓。

在这个例子中，所述热气体以Th1进入，所述存储器初始时在Ta1开氏，所述前缘的长度会覆盖低于Th2开氏且高于Ta2开氏的所有存储介质。

陡峭的前缘是热前缘的长度相对于热存储器的长度较小。缓的前缘是所述热前缘的长度相对于所述热存储器的长度较大。

可以看出，L1＜L2＜L3，使得所述锋随着它从所述开始的‘陡’的坡度L1充气，渐进地变长，具有较缓的梯度。

图9a显示了通过热存储设备600的横截面，所述热存储设备包括高压容器610和可与之连接的低压热容器640。热存储设备600可以形成前面描述的图1-6的任意系统的热存储部分。假设用适当的绝热材料，所有的容器都是绝热的。

高压热存储器610包括具有紧密填充的颗粒材料630的高压热存储器620。低压热存储器640包括具有紧密填充的粒状物质660的低压存储器650，粒状物质660的平均颗粒尺寸比粒状物质630的平均颗粒尺寸大(例如，具有较大的平均等价直径)。每个热容器610、650存储器的内部横截面面积是A，因此长度为L的存储器的体积V是

V＝L×A

如果高压存储器610中的颗粒的平均尺寸是低压存储器640内的颗粒的体积的约10倍，那么，对于给定长度L，存储器610内会有10倍那么多的颗粒。应当注意的是，如果所述颗粒形状类似，那么两个存储器的空隙分数可以基本上相同。

主要差异是，对于单位体积材料，较小的颗粒产生较高的热传递表面积，所述颗粒内的温度梯度还因为它们的横截面尺寸减小而降低。这是有利的，因为它意味着所述‘热前缘’的长度减小了，所述存储器的充/放热效率增加。

这可以从每个存储器附近的图形中看到。所述存储器开始时在周围温度Ta，正在以Th的气体进行充气，使得产生热前缘，在所述存储器内在箭头方向移动。其中实线代表所述气体的温度，虚线代表所述固体颗粒的平均温度。可以看出，所述固体的温度落后于所述气体的温度，对于较大的颗粒，所述气体的温度和所述颗粒之间的温度差异更大。这导致‘不可逆’增加，由这个热混合效果在所述存储器内有较大的热损耗。较小颗粒的缺点是，每单位长度的存储器L的压降随着颗粒尺寸的减小而增加。

图9b显示了在放气阶段存储器610、640放气，在这种情况下，所述热前缘反向，使得所述气体温度落后于所述颗粒温度。

图10显示了热存储器700，它具有高压存储容器710和可以连接到该高压存储容器710的低压存储器容器740。热存储设备700可以形成前面描述的图1-6的系统中任意系统的热存储部分。

高压存储容器710包括高压热存储器720，高压热烈存储器720具有高压热存储结构730、用于在充气阶段接收加热的高压气体的入口705以及用于将气体传递到低压存储容器740的出口706。高压热存储结构730包括在介质支持结构707上的第一层紧密填充的粒状物质732和第二层紧密填充的粒状物质734。所述第一层的粒状物质732具有较小的平均颗粒尺寸，因此有比第二层的粒状物质734高的比表面积。所述第一层粒状物质732的空隙分数比所述第二层粒状物质734的空隙分数小：所述第一层的粒状物质732具有大约为25％的密实填充的六角形空隙分数，而第二层粒状物质734相比具有大约为50％的简单的立方体填充空隙分数(虽然，实际上所述颗粒可以是不规则填充的，根据所述颗粒的几何形状得到不同的空隙分数)。

低压存储容器740包括低压热存储器750，其具有低压热存储结构760、用于在充气阶段接收加热的低压气体的入口701和出口702。低压热存储结构760包括填充的粒状物质708，其平均颗粒尺寸和空隙分数接近高压热存储器710中的第二层粒状物质734的平均颗粒尺寸和空隙分数。

在使用时，高压存储容器710充满了热量时，气体以高压从其顶部经由入口705进入，在经过高压热存储器720时冷却并将热量传递给所述高压热存储结构730中所包含的粒状物质。类似地，当加热后的气体随后传递给低压存储容器740时，气体以低压从所述顶部经由入口701进入，经过低压热存储器750。经过所述热存储器的加热后气体的T形通道产生热前缘示于图中每个存储器附近。可以看出，在高压热存储器720内的第一层粒状物质732内的热前缘比只有大颗粒的低压热存储器中的热前缘陡得多。随着所述高压热存储器内的热前缘进入包含有较大颗粒的第二层粒状物质734，它会变得比较平缓。但是，在与在第二层粒状物质734中三个热前缘的产生相关联的可用能量损耗比所含粒状物质的平均颗粒尺寸与第二层粒状物质734的平均颗粒尺寸对应的存储器少，因此允许所述高压热存储器720回收更多的能量。颗粒尺寸的变化可以是渐进的，如果通过渐进增加所述颗粒尺寸的话，这会进一步得到改善。在这个例子中，只有两个颗粒尺寸，但是这个方法可以具有3种或4种或更多颗粒尺寸。

图11显示了用于热存储器700或者热存储器740中的可替代的存储容器710’。

存储容器710’包括热存储器720’，其具有热存储结构730’和用于在充气阶段接收气体的入口705’和出口706’。高压热存储结构730’包括在介质支撑结构707’上的第一层的填充的粒状物质732’、第二层填充的粒状物质730’和第三层填充的粒状物质736。热介质732’和736具有较小的颗粒尺寸，以及因此有比热介质734’的比表面积高的比表面积。这还意味着当气体穿过存储介质732’和736时，有较大的压降和较低的温差。有利的是，提供第三层736允许容器710’在两个方向上都接收气体。

Claims

1.用于存储能量的设备，包括：

用于接收高压气体的高压存储容器，该高压存储容器包括用于从气体接收热能的高压热存储装置；以及

连接装置，用于将所述高压存储容器连接到用于存储暴露到所述高压热存储装置之后的加压气体的气体存储装置，或者连接到用于接收暴露到所述高压热存储装置之后的加压气体的气体处理装置；

其中所述设备进一步包括：

具有用于从气体接收热能的低压热存储装置的低压存储容器，该低压存储容器可选择地连接到所述高压存储容器；以及

用于在所述高压存储容器和低压存储容器之间传递低压气体的气体传递装置，藉此通过使低压气体在所述高压存储容器和所述低压存储容器之间流动而在所述高压热存储装置和所述低压热存储装置之间传递存储的热能。

2.根据权利要求1的设备，其中所述气体传递装置包括泵装置。

3.根据权利要求1的设备，其进一步包括降压装置，用于在将所述高压存储容器连接到所述低压存储容器之前，降低存储在所述高压存储容器内的气体的压力。

4.根据权利要求3的设备，其中所述降压装置包括膨胀机装置，膨胀能量通过所述设备可回收。

5.根据权利要求1-4任意一项权利要求的设备，其包括增压装置，用于在断开所述高压存储容器与所述低压存储容器之间的连接之后，增加存储在所述高压存储容器内的气体的压力。

6.根据权利要求1-4任意一项权利要求的设备，其中所述设备包括用于接收高压气体的另外的高压存储容器，该另外的高压存储容器经由所述连接装置可连接到所述气体存储装置或者气体处理装置，所述另外的高压存储容器包括另外的高压热存储装置，用于从气体接收热能。

7.根据权利要求6的设备，其中第一次提到的所述高压存储容器和所述另外的高压存储容器配置为可交替充气。

8.根据权利要求7的设备，其中所述设备配置成基本上连续地供应气体至所述交替充气的第一次提到的高压存储容器和另外的高压存储容器。

9.根据权利要求1的设备，其中所述设备包括另外的低压存储容器，该另外的低压存储容器包括用于从气体接收热能的另外的低压热存储装置。

10.根据权利要求6的设备，其中所述设备包括另外的低压存储容器，该另外的低压存储容器包括用于从气体接收热能的另外的低压热存储装置，且其中所述另外的低压存储容器可选择地连接至第一次提到的所述高压存储容器和所述另外的高压存储容器中的至少之一。

11.根据权利要求9的设备，其中所述设备配置成给第一次提到的所述低压热存储装置以及所述另外的低压热存储装置串联地充气。

12.根据权利要求9的设备，其中所述设备配置成给第一次提到的所述低压热存储装置以及所述另外的低压热存储装置平行地充气。

13.根据权利要求9的设备，其中第一次提到的所述低压存储容器保持气体在第一压力，所述另外的低压存储容器保持气体在与所述第一压力不同的第二压力。

14.根据权利要求10的设备，其进一步包括降压装置，用于在将各高压存储容器连接到第一次提到的所述低压存储容器或者所述另外的低压存储容器之前，降低存储在各高压存储容器内的气体的压力。

15.根据权利要求10的设备，其进一步包括增压装置，用于在将各高压存储容器与第一次提到的所述低压存储容器或者所述另外的低压存储容器断开连接之后，增加存储在各高压存储容器内的气压。

16.根据权利要求14的设备，其中所述降压装置包括膨胀机装置，在其中一个高压存储容器内的压力下降期间回收的膨胀能量由所述设备可回收。

17.根据权利要求16的设备，其中所述回收的膨胀能量由增压装置用来增加另一个高压存储容器内的压力。

18.根据权利要求6的设备，其中所述设备包括用于接收高压气体的至少两个再另外的高压存储容器，每个再另外的高压存储容器经由所述连接装置可连接到所述气体存储装置或者气体处理装置并包括用于从气体接收热能的再另外的高压热存储装置。

19.根据权利要求18的设备，其中所述设备在充气模式下是可操作的，其中在任意时刻：有一个高压存储容器在充气；有一个高压存储容器包含其压力由降压装置降低的气体；有一个高压存储容器包含由气体传递装置在所述高压存储容器和所述低压存储容器之间传递的气体；并且有一个高压存储容器包含有其压力由增压装置增加的气体。

20.根据权利要求6的设备，其中所述设备在充气模式下可操作，以同时从第一次提到的所述高压存储容器和所述另外的高压存储容器传递低压气体，各传递速率均低于所述设备配置来接收高压气体的传递速率。

21.根据权利要求6的设备，其中所述设备在放气模式下可操作，以同时将低压气体传递到第一次提到的所述高压存储容器和所述另外的高压存储容器，各传递速率均低于所述设备配置来排放高压气体的传递速率。

22.根据权利要求1-4任意一项权利要求的设备，其中所述气体是空气、氩气或氖气。

23.根据权利要求9的设备，其中第一次提到的所述低压存储容器或者所述另外的低压存储容器存储处于基本上大气压力的气体。

24.一种存储以及随后收回能量的方法，包括：

在充气阶段：

接收加热的高压气体，

经由高压存储容器将所述高压气体传递到气体存储装置或气体处理装置，所述高压存储容器包括用于从所述气体接收热能的高压热存储装置；

以低压在所述高压存储容器和低压存储器之间传递来自于所述高压存储容器的气体，所述低压存储容器包括用于从气体接收热能的低压热存储装置，这样，通过在所述高压存储容器和所述低压存储容器之间流动的低压气体将所述高压热存储装置所存储的热能传递给所述低压热存储装置；

在放气阶段：

以低压在所述低压存储容器和所述高压存储容器之间传递气体，从而通过在所述低压存储容器和所述高压存储容器之间流动的低压气体将所述低压热存储装置存储的热能传递给所述高压热存储装置；

随后，使气体以高压经过所述高压存储容器，以将该高压的气体暴露于所述高压热存储装置；以及

使加热后的高压气体膨胀。

25.根据权利要求24的方法，其中在所述充气阶段，气体在所述低压存储容器和高压存储容器之间循环地传递。

26.根据权利要求24或25的方法，其中在所述放气阶段，气体在所述低压存储容器和高压存储容器之间循环地传递。

27.一种存储以及随后收回能量的方法，包括：

在充气阶段：

接收加热的低压气体；

使所述低压气体经过低压存储容器，所述低压存储容器具有用于从所述气体接收热能的低压热存储装置；

在放气阶段：

以低压在所述低压存储容器和高压存储容器之间传递来自于所述低压存储容器的气体，其中所述高压存储容器具有用于从所述气体接收热能的高压存储装置，从而通过在所述低压存储容器和所述高压存储容器之间流动的低压气体将所述低压热存储装置所存储的热能传递给所述高压热存储装置；

随后，使气体以高压经过所述高压存储容器以将所述高压气体暴露于所述高压热存储装置；并且

使加热后的高压气体膨胀。