CN103069247A - 用于存储热能的方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了用于存储热能的方法和设备。热能可以是热的或冷的。该方法和设备允许热存储器在不同的速率下蓄能和释能。该方法和设备还允许以多个阶段和/或中断阶段对热存储器蓄能和释能。

Description

用于存储热能的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于存储热能的方法和设备。

背景技术

热能存储装置（或热存储器）用于接收热、冷或热能并且然后存储一段时间其被需要用于有用目的。这种热存储装置允许高或低（包括低温）温能量被临时存储以便稍后使用，并且提供存储热能，例如，用于稍后转换成电、用于空气液化过程以减少由该过程消耗的能量或者提供冷却以进行共定位过程（co-located processes）的可能性。已知通过增加或减少物质温度、通过改变物质状态（即，固体、液体或气体）或通过这两者的组合来存储热能。

热存储器通常以三阶段热存储过程来操作：蓄能、存储和释能。图1示出了一般的热存储器的表示。该存储器包括热质量10、通路20、表面特征30、入口40和出口50。在蓄能阶段，在下文被称为HTF的热传递流体（液体或气体），通过入口40，进入到通路20中，并且离开出口50，以加热或冷却热质量10。在存储阶段，热能则被存储在热质量10中直到被需要。在释能阶段，HTF在热质量10之上通过入口40，进入到通路20中并且离开出口50，以回收热能，用于传递到另一过程。热质量10包括表面特征30以促进热传递。在已知的热存储器中，蓄能和释能阶段是对称的，即，HTF流率在蓄能和释能阶段期间是相同的。

这种热存储器所在其中被使用的一种应用是在用于发电的存储能量的领域。需要大规模的存储能量的有效方式来利用发电能力平衡消费者对电的需求，并且消除例如由可再生能源间歇供应的水平。能量需求以小时、天、周和季节基础变化。除使用传统的化石燃料工厂之外，目前用于平衡供需的替代解决方法被认为对于帮助控制温室气体排放是重要的。

WO2007/096656公开了一种低温能量存储系统，其利用低温液态空气和环境空气或废热之间的温度和相差异来在低需求和/或过量生产的时段存储能量，从而允许该存储的能量稍后被释放以在高需求和/或限制输出的时段期间发电。该系统包括用于在低电需求时段期间液化空气的装置、用于存储产生的液态空气的装置和用于使液态空气膨胀的膨胀涡轮。该膨胀涡轮连接到发电机以在需要时发电来满足供需之间的差额。

这种低温能量存储系统的效率的主要限制是在从膨胀之后的膨胀涡轮排放的过程空气中余留的冷能量的量。低温能量存储和热能存储的组合提供匹配电力供应以满足供需中的变化的装置。具体地，热存储器能够与低温能量存储系统一起使用，以回收并存储当低温能量存储器发电时释放的冷能，并且在对低温能量存储系统再蓄能时释放该冷能以降低制造低温流体的能量成本。图2示出了包括空气液化器模块60、低温液体存储器70、低温能量回收模块80和热存储器90的低温能量存储系统的示例。图2示出了由于在发电之间所需的时间位移而存在热存储的需要，以及产生另外的冷冻剂的需要。

因此，需要一种有效的冷能热存储器，其促进从废气中回收冷能并且允许冷能作为高级冷被存储，以最大化在液化作用阶段期间使用的稍后回收的火用效率，从而促进更多的冷冻剂的生产，和/或为共定位过程提供冷却。

当在低温能量存储系统中使用热存储器存储冷能时，热存储器的释能阶段和蓄能阶段可以具有不同的持续时间。具体地，释能阶段通常比蓄能阶段长四倍或更多倍。由于高需求和低需求时段之间的不匹配以及不同的持续蓄能和释能阶段，需要一种能够以不同速率进行蓄能和释能的灵活热存储系统。对这种热存储系统的需要给出对热存储器的一般需求，其中，能够针对“不对称”操作域（regime）、即热存储器的蓄能和释能不以相同的HTF流率执行的域，来优化热回收、HTF压力损失和存储容量。

这些需要也适用于热能作为热而被存储的系统。因此，需要一种促进以高的火用效率从废气回收热、冷或热能的有效热存储器。

填充床热存储理论

发明人已经认识到，优化HTF和热质量之间的接界的设计以确保在低压降下从HTF到热存储器的良好热传递是很重要的。通常，希望提供具有大的表面积和打破HTF-固体接界处的热边界层的特征的固体热质量，以便促进最佳的热传递。然而，这样的特征增加了固体热质量和HTF之间的摩擦，因此增加了热存储器两端产生的HTF压力损失。

在颗粒填充床的情形中，流体流率和每单位长度的压力损失之间的关系被Ergun描述为：

$\frac{\mathrm{\ΔP}}{L}=\frac{150\mathrm{\μu}{(1-\mathrm{\ϵ})}^2}{{D_p}^2{\mathrm{\ϵ}}^3}+\frac{{1.75\mathrm{\ρu}}^2(1-\mathrm{\ϵ})}{D_p{\mathrm{\ϵ}}^3}---\left(1\right)$

其中：ΔP/L是每单位长度的压降；

u是流体速度；

μ是流体粘度；

ε是床的空隙空间（即，未被颗粒填充的空间体积与床的全部体积的比值）；

D_p是颗粒直径（即，等效球形直径）；并且

ρ是流体密度。

因此，流体速度、颗粒直径和颗粒形状的优化对于最小化每单位长度的压降，以及因而最小化HTF泵送损失是必不可少的。

很多经验关系已经被提出通过使努珊数（Nu）、雷诺数（Re）和普朗特（Pr）数相关联来描述在流体和颗粒床之间的传热过程。例如，Ranz&Marshall提出以下关系：

Nu=2+l.8(Re)⁰⁵⁽Pr)⁰³³         （2）

雷诺数被定义为：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{v\ρl}}{\mathrm{\μ}}---\left(3\right)$

并且努珊数被定义为：

$\mathrm{Nu}=\frac{\mathrm{hl}}{k}---\left(4\right)$

其中v是HTF速度，ρ是HTF密度，μ是HTF粘度，h是HTF和颗粒之间的热传递系数，k是HTF传导性，且l是相关的特征长度。因为普朗特数仅涉及HTF的物理性能，所以能够总结出传热系数（h）与HTF速度（v）的平方根成比例。

公式（1）、（2）、（3）和（4）的检查表明压力损失与速度的平方成比例，而对流热传递与速度的平方根成比例。

本发明人已经确定，如果压降被控制在可接受的限制值内但是要在HTF和热质量之间实现良好的热传递，则谨慎优化通过填充床的流率是必不可少的。

例如，期望将特定热存储器两端的压降限制到0.5巴（50kPa），因为在该压力以下的容器通常不被归类为压力容器并且因此制造起来不太昂贵。发明人已经确定，为了确保良好的热传递，大于100的努珊数是优选的。图3示出了在一定范围的流率内这样的热存储器的预期性能。能够看到，在约lkg/s和2kg/s之间存在窄的HTF流率“操作窗口”，其中存储器将在这些具体限制值内操作。在热能存储系统中，期望能够在蓄能速率的约20%的速率下对存储器进行释能。在该情形中，固定几何存储器将在释能期间具有较差的热性能或者在蓄能期间具有不可接受地高的压力损失。

热质量的纵横比为热质量的平均长度与平均横截面流动面积的比值。发明人已经确定，对于给定的热质量，小的纵横比（即大的流通面积和/或短的长度）是期望的，以最小化HTF速度并因此减少压力损失。然而，这样的小纵横比会导致存储器的蓄能和释能期间高的“末端损失”：在蓄能期间，来自HTF的热能不能够被完全捕获，除非使用过长的存储器。这是不希望的，因为存储器的出口附近的存储器的最终部分不被完全蓄能，并且热能在循环的存储阶段期间在蓄能部分和部分地蓄能的部分之间流动，从而导致热效率的降级。在释能期间出现类似的问题；在存储器释能时，在循环的末端处，出口温度偏离存储温度，并且不可能使出口附近的存储器的最终部分充分地释能，而不会再次导致热效率的损失。这在图4和5中图示，图4和5示出了热存储装置的模拟结果，其中蓄能流比释能流大5倍。图4和5中的最左边的线示出了存储器的入口处的温度随时间变化的曲线。图4和5中的中间的线示出存储器的中间部分处的温度随时间变化的曲线。图4和5中的最右边的线示出了存储器的出口处的温度随时间变化的曲线。图4中阴影面积表示由于蓄能流量条件的末端效应引起的潜在热损失。当由图5中最右边的线显示的存储器的出口温度过高时，释能过程停止，使存储器的部分处于局部释能状态。较低流速情形的损失约为高流速情形的损失的2倍，因为该存储器已经针对较高流速被优化。

因此，存在能够以不同的速率进行蓄能和释能的热能存储装置和方法的需要。还存在能够具有比释能阶段长的蓄能阶段或者比蓄能阶段长的释能阶段的热能存储装置和方法的需要。

发明内容

本发明通过在第一实施例中提供以下装置来解决这些需求：

一种热能存储装置，包括：

第一热质量；

第二热质量；以及

第三热质量；

其中：

第一热质量、第二热质量和第三热质量中的至少两个热质量的纵横比（aspect ratio）彼此不同；以及

由导管和阀构成的布置结构，所述由导管和阀构成的布置结构被构造成用于引导热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的组合，

其中，所述由导管和阀构成的布置结构使得热质量能够彼此隔离。

在一优选实施例中，所述由导管和阀构成的布置结构被构造成允许所述HTF被引导通过如下质量：

i）通过第一热质量、第二热质量和第三热质量中的全部热质量，或者，

ii）通过第一热质量、第二热质量和第三热质量中的两个热质量，或者，

iii）通过第一热质量、第二热质量和第三热质量中的一个热质量。

所述由导管和阀构成的布置结构可以使得HTF能够被引导通过并联的第一热质量和第二热质量以及与它们串联的第三热质量中的两个，或者，通过并联的第一热质量和第二热质量中的两个。

HTF可以包括气体或液体。HTF用于加热或冷却热质量。

由导管和阀构成的布置结构使得HTF能够在热质量中的一个或多个热质量之上流动，以将热能从HTF传递到热质量，以及将热能从热质量传递到HTF。

热质量是能够吸收和散发热能的物质。

热能存储装置可包括多于三个热质量。

至少三个热质量中的每一个热质量可以包括一个热单元或彼此并联布置的多个热单元。当热质量中的一个或多个热质量包括多个热单元时，热质量内的每个热单元可以具有相同或不同的平均横截面面积。当热质量包括彼此并联布置的多于一个热单元时，热质量的纵横比为：热单元的平均长度与热单元的平均横截面流动面积之和的比值。

第一热质量、第二热质量和第三热质量可以包括固体颗粒，并且第一热质量、第二热质量和第三热质量中的至少两个热之恋中的颗粒直径可以彼此不同。可替代地，第一热质量、第二热质量和第三热质量中的至少两个热质量中的颗粒的直径可以彼此相同。当提及“颗粒直径”时，其意思是指：热质量内的所有颗粒的平均等效球形直径。

每种热单元均可以包括以下项中的一个或其组合：

i）固体颗粒填充床，热传递流体能够直接通过该固体颗粒填充床，以将热能运载到所述热能存储装置以及从所述热能存储装置运载热能，

ii）布置在至少一个导管周围的固体颗粒填充床，热传递流体能够通过该至少一个导管，

iii）包括多个通路的固体质量“基质”，HTF能够通过所述多个通路，或者

iv）一定体积的相变材料。

当第一热质量、第二热质量和第三热质量包括固体颗粒时，热单元可以包括选项i）和选项ii）中的一个或其组合。

相变材料为能够通过改变其状态，例如从固体改变成液体或从液体改变成气体并且反之亦然来存储和释放能量的材料。

在选项ii）中，填充床通过至少一个导管而与所述HTF隔离。

在选项i）和ii）中，颗粒可以是球形或近球形颗粒。颗粒的平均等效球形直径优选地为1至25mm。每一个热单元可以包括具有相同的等效球形直径或不同的等效球形直径的多个固体颗粒。此外或可替代地，每个固体颗粒可由不同材料形成。每个热单元内的颗粒的等效球形直径可以沿该热单元的长度从入口到出口增加或减小。形成每个热单元内的颗粒的材料可以沿热单元的长度改变。

一个热单元中的颗粒的平均等效球形直径可与另一个热单元中的颗粒的平均等效球形直径不同或相同。通过改变热质量之间的颗粒的直径，能够优化热存储器的压降/热传递特性。

每个热单元可具有圆形、六边形、正方形、长菱形或能够容易被封装到支撑结构内的任何其它形状截面。

每一个热质量可具有高的热容量，以最小化热质量的体积。每一个热质量还优选具有低成本。

优选地，每一个热质量均具有低导热率。优选地，每个热质量均具有小于20W/mK的导热率。更优选地，每个热质量均具有小5W/mK的导热率。为了最小化在“部分满的”存储器的蓄能、释能或存储期间通过热质量的热传递，低导热率是期望的。发明人发现诸如铜的高传导性的介质传导显著的热通过存储器的轴线，因此使存储器的热效率降级。这在图6中示出的用于包含铜和岩石颗粒的存储器的入口温度和出口温度对时间绘制的模拟结果中图示。具体地，图6示出了：在热存储器的入口处的温度下降对于铜而言比岩石更慢，并且由于沿着存储器长度传导，所以热存储器的出口处的温度下降对于铜而言比岩石更快。图6还示出了与填充有岩石的存储器相比而言的、填充有铜的存储器的能量损失。

因此，为了产生有效率的热存储器，期望每一个热质量具有高的、热容量与导热率的比值。优选地，每一个热质量均具有Cp*ρ/k>180s/mm，更优选地，每一个热质量均具有Cp*ρ/k>500s/mm，其中Cp为比热容，ρ为密度，而k为包含热质量的颗粒的导热率。下面的表1概括了多种可能材料的特性。

表1

能够从表1看到，岩石是用于每一个热质量的颗粒的优选材料，因为其是成本有效的且具有有利的热性能。优选地，岩石包括花岗岩、玄武岩或人造陶瓷材料。可替代地，冰形式的水被用作每一个热质量的颗粒。优选地，冰在存储器的操作范围内将不改变其状态。

热能存储装置还可以包括用于支撑所述热质量的支撑结构。该支撑结构还可以支撑所述由导管和阀构成的布置结构的至少一部分。

热能存储装置还可以包括隔离物，用于隔离每个热质量，以最小化在存储期间所述热质量的热损失。

该隔离物可以包括隔热材料和/或热中断部(thermal break)，所述隔热材料被施用到所述支撑结构的内侧，所述热中断部位于热质量的基部与所述支撑结构之间。该热中断部是用于防止热通过该热中断部传导的低传导性材料层或空气空间。每一个热单元均可以在其内侧被隔离。在特定实施例中，内隔离物包括双皮层设计，在该双皮层设计中，所述外部支撑结构通过隔离物层以及与热质量或单元接触的内侧薄皮层而与热质量或单元隔离。可替代地，可以将隔热材料的喷涂涂层施用到所述支撑结构的内侧，或可以将封装的隔离材料装配到支撑结构的内侧。

热能存储装置还可以包括用于隔离所述由导管和阀构成的布置结构的隔离物，以最小化从该存储装置的热损失。

使热质量彼此隔离有助于防止在蓄能和释能之间的存储阶段期间来自热能存储器的对流损失。具体地，可以在每个热质量的入口和出口处设有阀。

在使用中，所述HTF用于加热或冷却第一热质量、第二热质量和第三热质量。热能然后被存储在热质量中直到被需要，此时，HTF然后在所述质量之上经过，以回收热或冷的热能以传递到另一过程。

本发明的热能存储装置能够存储热或冷的热能。该系统特别适合于存储用于在低温能量存储系统的液化阶段中使用的高级（即，超低温）冷（high grade cold）。超低温是-100℃或更低温度。低温温度是-150℃或更低温度。

热能存储装置可以被优化以作为低温能量存储系统内的高级冷（high grade cold）的存储器运作，使得由低需求或过供应的周期产生的电能够的时间迁移，以满足高需求或低供应的周期。

本发明的热能存储装置允许用于蓄能和释能阶段的不同的热能和HTF流率，即，其允许不对称的蓄能和释能阶段。在优选实施例中，系统允许包括蓄能阶段、存储阶段、初始释能阶段和最终释能阶段的四阶段热存储过程。可替代地或者另外地，蓄能阶段可包括多个蓄能阶段。在优选实施方式中，该系统允许包括初始蓄能阶段、最终蓄能阶段、存储阶段和释能阶段的四阶段热存储过程。因此，该系统可以在具有多个和/或中断的蓄能和释能阶段的情况下使用，使得该系统能够在没有被完全蓄能或完全释能的情况下起作用。

所述由导管和阀构成的布置结构可以使得HTF能够被引导通过串联的热质量中的两个或更多个热质量。

所述由导管和阀构成的布置结构还可以使得所述热质量中的第一热质量和第二热质量并联，并且，所述热质量中的第三热质量与第一热质量和第二热质量串联。

所述由导管和阀构成的布置结构还可以使得HTF能够被引导通过并联的所述热质量中的两个或更多个热质量。

在第二实施例中，本发明提供一种存储能量的方法，包括：

提供热能存储装置，该热能存储装置包括：

第一热质量，

第二热质量，以及

第三热质量，

其中：

第一热质量、第二热质量和第三热质量中的至少两个热质量的纵横比彼此不同；以及

提供由导管和阀构成的布置结构，所述由导管和阀构成的布置结构被构造成用于引导热传递流体通过热质量中的一个或多个热质量的组合，其中，所述由导管和阀构成的布置结构使得热质量能够彼此隔离；

通过引导热传递流体通过第一热质量、第二热质量和第三热质量来利用热能对热能存储装置进行蓄能；然后

将热能存储在热能存储装置中一段时间；然后

通过引导热传递流体通过第一热质量、第二热质量和第三热质量而释放来自热能存储装置的热能的至少一部分，其中

所述蓄能步骤和/或释能步骤包括多级过程。

所述多级释能过程可以包括：

通过引导热传递流体通过热质量中的一个或多个热质量的第一构造而释放来自热能存储装置的热能的一部分；随后

通过引导热传递流体通过热质量中的一个或多个热质量的第二构造而释放来自热能存储装置的热能的另一部分，其中，该第一构造与第二构造不同。

该第一构造可以包括串联的第一热质量和第二热质量。

该第二构造可以包括串联的第二热质量和第三热质量。替代地，该第二构造也可包括串联的第一热质量、第二热质量和第三热质量。

所述多级蓄能过程可以包括：

通过引导热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的第三构造而将热能的一部分蓄能到热能存储装置中；随后

通过引导热传递流体通过热质量中的一个或多个热质量的第四构造而将热能的另一部分蓄能到热能存储装置中，其中，该第三构造与第四构造不同。

对热能存储装置进行蓄能的步骤可以包括：引导所述HTF通过第一热质量、第二热质量和第三热质量，其中，第二热质量和第三热质量并联布置，并且，第一热质量与第二热质量及第三热质量串联布置。

替代地，对热能存储装置进行蓄能的步骤也可包括：引导所述HTF通过串联布置的第一热质量、第二热质量和第三热质量。

关于第一实施例的陈述也适用于第二实施例。

在所有实施例中，每一个热质量的纵横比均为热质量的平均长度与热质量的平均横截流动面积的比值。可以通过提供具有不同的平均横截面面积的热质量来提供具有不同纵横比的热质量。每个热质量可以具有沿其长度均匀的横截面面积。可替代地，每一个热质量可以具有沿其长度变化的横截面面积。例如，每一个热质量均可以具有渐小的横截面。当热质量包括多于一个热单元时，这些热单元中的一个或多个热单元可以具有渐小的横截面。

所述第一热质量、第二热质量和第三热质量中的至少两个热质量的纵横比可以彼此不同。优选地，在所述热质量中，所有三个热质量的纵横比彼此不同。

优选地，第三热质量的平均横截面面积小于第二热质量的平均横截面面积。优选地，第二热质量的平均横截面面积小于第一热质量的平均横截面面积。

优选地，在这三个热质量中，在最终释能期间所述HTF流动通过的最后一个热质量具有最小的平均横截面面积。在该情形中，在释能期间，存储器的最后部分中的这种较小流动面积允许实现最佳的热效率。

热能存储装置可以包括多于三个热质量。

至少三个热质量中的每一个均可以包括单个热单元或彼此并联布置的多个热单元。优选地，第一热质量比第二热质量包括更多个热单元，第二热质量又比第三热质量包括更多个热单元。在示例性实施例中，第一热质量包括并联的五个热单元，第二热质量包括并联的四个热单元，而第三热质量包括一个热单元。

本发明的装置和方法能够在不同的蓄能速率和释能速率下操作，即，在对该装置蓄能时，HTF能够具有不同于对该装置释能时通过热质量的流率。蓄能阶段可以比释能阶段持续时间长。可替代地，蓄能阶段可以比释能阶段持续时间短。HTF的流率也能够在蓄能阶段和释能阶段期间改变，以最小化存储器的热效率，尤其是在末端效应显著的蓄能或释能过程的末端处改变。例如，能够通过朝循环的蓄能或释能阶段的末端地增加流率来减小出口温度从在循环的蓄能阶段或释能阶段的大部分期间观察到的温度的显著偏差。

因此，本发明的热能存储装置和方法能够在蓄能和释能之间改变可用的热质量横截面面积或颗粒尺寸，以匹配存储器的热和流动性能。该装置和方法还能够减小在存储器的输出端附近的横截面流动面积或颗粒尺寸，以最小化由循环的低流率部分导致的末端损失。

提供具有不同纵横比和/或平均颗粒尺寸的至少三个不同的热质量意味着在蓄能和释能期间HTF流动面积能够被改变，以匹配存储器的热性能和流动性能。此外，在存储器的输出端处的减小的流动面积能够被选择为最小化在释能循环的减小的流率部分期间导致的末端效应。

附图说明

现将参考附图详细描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了一般热能存储器的表示。

图2示出了与低温能量存储系统一体化的热存储器的表示；

图3示出了热传递和流体流率，以及压降和流体流率之间的图解关系；

图4示出了表示在模型化的热能存储器的蓄能期间热存储器的温度对时间的曲线图；

图5示出了表示在图5中模型化的同一热能存储器的释能期间热存储器的温度对时间的曲线图；

图6示出了不同存储材料对存储器的热效率的影响的模拟；

图7a）示出了在蓄能阶段期间的根据本发明实施例的热能存储装置；

图7b）示出了在初始释能阶段期间的图7a）的热能存储装置；

图7c）示出了在最终释能阶段期间的图7a）的热能存储装置；

图8a）示出了在蓄能阶段期间的根据本发明另一实施例的热能存储装置；

图8b）示出了在初始释能阶段期间的图8a）的热能存储装置；

图8c）示出了在最终释能阶段期间的图8a）的热能存储装置；

图9a）和图9b）示出了本发明实施例中使用的热质量，其中热质量具有双皮层设计、热中断部和内部隔离物；并且

图10示出了根据本发明的热能存储器的优选实施例。

具体实施方式

在优选实施例中，本发明通过提供存储器的对于蓄能阶段和释能阶段的纵横比（流动面积与长度的比值）可以改变的热能存储装置和方法来解决上述需要。

例如，在低温能量（cryogenic energy）存储系统中的热存储器的情形中，20小时的释能时段通常需要4小时的蓄能时段。因此，蓄能时段内的流动速率通常将5倍于释能时段内的流动速率，并且期望提供一种在蓄能和释能期间都具有最佳特性的系统。

在低温能量存储系统的情形中，在蓄能过程期间冷却热质量，然后在释能过程期间从存储器提取冷却气体。以下详细描述是针对低温能量存储系统的。然而，所公开的热存储装置和方法能够同等地应用于在环境温度之上存储热的系统，其中热质量在蓄能过程期间被加热并且然后在释能过程期间从存储器提取热能，从而提供热气体，或者应用于需要相对于释能时间来说较短的蓄能时间的系统。

图7a）、7b）和7c）显示了根据本发明实施例的热能存储装置，其包括热能存储材料的三个单元。这三个单元具有不同的横截面面积。第一热质量包括单元1，第二热质量包括单元2，而第三热质量包括单元3。单元1比单元2具有更大的平均横截面面积，单元2又比单元3具有更大的平均横截面面积。因此，图7a）、7b）和7c）中示出的装置具有可变的流通面积。

该装置以如下方式操作：

蓄能：在图7a）所示的蓄能期间，HTF流通过第一单元1，然后通过单元2和3。单元2和3并联布置。单元1与单元2及3串联布置。单元1的横截面面积被选择成使得在蓄能期间实现最佳的传热/压降关系。

存储：使所述单元彼此隔离，以防止从热能存储器的对流损失直到储存器将被释能。

初始释能：在初始释能期间，如图7b）所示，HTF流最初通过单元1，然后通过单元2，其中单元3被从HTF流回路绕过。

最终释能：在经历一段时间的初始释能之后，单元2将几乎完全释能，并且HTF的出口温度将开始升高。在如图7c）所示的最终释能期间，单元1与所述回路隔离，并且，来自单元2的出口流被导引通过单元3。单元3的横截面流通面积相对于单元1和2的横截面流通面积被减小，以便最小化减小的释能流速的末端损失。单元2因而完全释能，并且单元3中的仅少量的材料不完全释能。因此，没有从热能存储装置释放的热能的量被最小化。在一些情形中，如果单元1两端的压力损失低，则不必绕过单元1，因而简化了流动回路。

图8a）、8b）和8c）示出了根据本发明另一实施例的热能储存器。图8的实施例与图7的实施例非常类似，区别在于：第一热质量100包括第一组并联布置的五个热单元，第二热质量120包括第二组并联布置的四个热单元，而第三热质量100包括单个热单元。因此，在该实施例中，通过改变每一个热质量中相同横截面面积的柱的数量而实现可变的横截面面积。每个热质量的纵横比是该热质量中的热单元的平均长度与该热质量中的每个热单元的平均横截流通面积之和的比值。

基本流动路径与以上关于图7描述的那些相同：

蓄能：如图8a）所示，第一热质量100与第二热质量120及第三热质量130串联布置，第二热质量120和第三热质量130并联布置。

初始释能：如图8b）所示，在释能的第一阶段期间，第三热质量130被绕过。

最终释能：如图8c）所示，在释能的最终阶段期间，第一热质量100被绕过，并且第二热质量120和第三热质量130串联布置。

该实施例具有这样的优势，即，能够更简单地制造多个相同的单元并且布置这些单元来产生不同尺寸的热质量。此外，多单元设计在为更宽范围的流速优化存储器的流通面积/压降特性方面允许更多的灵活性，因为通过打开和关闭与每个单元相关联的阀来改变每个热质量中的单元的数量是简单的。这在蓄能时间和释能时间以及流速可以改变，从而允许设施在不同的载荷下运行的能量储存装置的情形中能够是有用的。还能够为了进行维护和修理而在没有切断整个系统的情况下将存储器的部分取出不用。此外，可使用多级蓄能阶段，并且蓄能阶段和释能阶段两者能够被中断，使得该系统能够在没有完全蓄能或释能的情况下使用。

所述热能存储装置还包括用于支撑热质量的支撑结构。图9a示出了热质量的示例。每个热质量均包括容器140，该容器140容纳颗粒的填充床150。该容器包括：较大颗粒的可选层160，其辅助流动分布；以及栅格170，用以支撑颗粒并且分布穿过颗粒的流动。该容器包括增压室180，用于使HTF流均匀分布在颗粒床上。

所述单元可以是圆形、六边形、正方形、长菱形或能够容易封装到支撑结构中的任何其它形状。

在本发明的任何公开实施例中，每个热单元均可以由直径通常为1至25mm的球形或近球形颗粒的填充床150（参见图9a和9b）构成。所述颗粒可包括岩石。通过床的流动不足以“流化”该床，并且颗粒在蓄能和释能过程期间保持静态。该设计提供了用于流体和热质量之间的传热递的非常大的表面积，并且提供了非常廉价的设计。

颗粒的直径能够在热质量之间变化，以优化热存储器的压降/热传递特性。例如，在图7所示的实施例中，单元3能够填充有与单元1和2中的颗粒相比具有更大表面积的具有较小平均等效球面直径的颗粒。因此，单元3将在循环的最终释能阶段期间更有效地输送更多热能。

为了实现高的热效率，最小化来自热能存储装置的热损失是优选的。该热损失可以是（a）到达环境和（b）在蓄能/释能期间轴向地沿着存储器的长度从储存介质的一部分到处于不同温度下的另一部分，或者存储器支撑结构比存储介质的传导性高的情况。

存在能够受到控制的两个主要的热损失来源：

i）通过存储器的壁到支撑结构并且到环境，或沿存储器的轴线径向地传导到存储材料之外；

ii）传导到支撑结构的基部及其周围环境。

因此，所述热质量与支撑结构的热隔离是期望的。该隔离能够通过将隔热材料190施用到支撑结构200内侧和/或通过位于存储器的基部与该支撑结构之间的热中断部210来实现，如图9b所示。在图9b所示的具体实施例中，存储器的内部隔离物190通过“双皮层”设计来实现，在该“双皮层”设计中，存储器200的外部承载部分通过隔离物层以及与热质量接触的内侧薄“皮层”而与该热质量隔离。替代的解决方案包括：将喷涂涂层施用到存储器的内侧或将封装的隔离材料装配到存储器的内侧。该设计的另外益处在于，支撑结构将处于或接近环境温度，从而允许使用诸如软钢的低成本结构材料。

多单元热存储器的设计

根据本发明的热能存储装置的优选实施例在图10中示出。该热存储器由一组被形成为“U”构型的管220（热单元）组成。可替代地，这些管能够是直的，或形成为具有多个弯曲部的蜿蜒形状。管220填充有热存储介质。优选地，管220被完全填充而不留下HTF能够流动通过的间隙，且在热存储介质和HTF之间不发生传热。这基本意味着完全水平的定向被优选地避免。在图10所示的实施例中，填充部位230被设置在每个弯曲部的顶部处。

管220在共同的歧管240中被聚集在一起，并且借助于一组阀，能够将不同的管220一次性连接到歧管240。在蓄能期间，第一组250的五个管220（第一热质量）与第二组260的四个管220（第二热质量）及第三管270（第三热质量）串联连接。第二组260和第三管270并联布置。HTF经由入口管280被泵送通过该装置。在释能的第一阶段期间，第一组250的五个管220与第二组260的四个管220串联布置。第三管270与流动回路隔离。在释能的最终阶段，第三管270被引入与第一组250和第二组260的管220串联。还包括旁路290，以将第三管270连接到回路中，同时将出口管300保持在相同位置。

能够通过对每个管添加阻尼器或阀来使HTF流能够在每个管之间改变并且使各个管在蓄能和释能循环期间被隔离，从而进一步改进该设计。这使得HTF的局部速度能够在每个管之间改变，以便优化来自管的传热速率，从而使热储存器的热效率最大化。这是有用的，因为其允许适应更宽范围的蓄能和释能流。例如，如果蓄能流是低的，或蓄能时间比预期的要短，则存储器的部分能够被隔离使得仅数个管220被蓄能，从而改善存储效率。

此外，在蓄能和/或释能阶段期间改变大量HTF的流动速率、尤其是朝蓄能或释能阶段的末期的改变批量HTF流速通常是有利的。参考图5，通常观察到存储器出口处的温度朝循环的释能阶段的末期升高。朝释能循环的末期增加HTF流率实现了来自存储器的更有效热传递以及在释能循环内在存储器的出口处更均匀的温度。这将增加存储器释能的速率并且能够导致不期望的短的释能时间。这能够通过在释能阶段早期阶段期间减小HTF的流速以减小热传递速率来抵消。在循环的释能阶段期间流速的谨慎优化能够在循环内取得更均匀的释能温度。

当然应理解，本发明已经被举例说明，并且能够在由所附权利要求限定的本发明范围内做出细节改变。

Claims (37)

1.一种热能存储装置，包括：

第一热质量；

第二热质量；以及

第三热质量；

其中：

所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的至少两个热质量的纵横比彼此不同；以及

由导管和阀构成的布置结构，所述由导管和阀构成的布置结构被构造成用于引导热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的组合，

其中，所述由导管和阀构成的布置结构使得所述热质量能够彼此隔离。

2.根据权利要求1所述的热能存储装置，其中，所述由导管和阀构成的布置结构被构造成用于引导所述热传递流体通过如下热质量：

i）通过所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的所有热质量，或者

ii）通过所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的两个热质量，或者

iii）通过所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的一个热质量。

3.根据任一前述权利要求所述的热能存储装置，还包括支撑结构，以支撑所述热质量。

4.根据任一前述权利要求所述的热能存储装置，还包括隔热材料，以隔离每个热质量。

5.根据权利要求4所述的热能存储装置，其中，所述隔热材料被施用到所述支撑结构的内侧，和/或在每个热质量的基部与所述支撑结构之间设有热中断部。

6.根据从属于权利要求3时的权利要求4所述的热能存储装置，其中，所述隔热材料包括双皮层设计，在该双皮层设计中，所述支撑结构通过隔离物层以及与每个热质量接触的内侧薄皮层而与每个热质量隔离。

7.根据权利要求4所述的热能存储装置，其中，所述隔热材料包括喷涂涂层或封装的隔离材料，所述喷涂涂层被施用到所述支撑结构的内侧，所述封装的隔离材料被装配到所述支撑结构的内侧。

8.根据权利要求1所述的热能存储装置，其中，在每个热质量的入口和出口处设有阀。

9.根据任一前述权利要求所述的热能存储装置，其中，所述由导管和阀构成的布置结构使得所述热传递流体能够被引导通过所述热质量中的串联的两个或更多个热质量。

10.根据任一前述权利要求所述的热能存储装置，其中，所述由导管和阀构成的布置结构使得所述热传递流体能够被引导通过所述热质量中的并联的第一热质量和第二热质量，以及所述热质量中的与所述第一热质量及所述第二热质量串联的第三热质量。

11.根据任一前述权利要求所述的热能存储装置，其中，所述由导管和阀构成的布置结构使得所述热传递流体能够被引导通过所述热质量中的并联的两个或更多个热质量。

12.一种存储能量的方法，包括：

提供热能存储装置，所述热能存储装置包括：

第一热质量，

第二热质量，以及

第三热质量，

其中：

所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的至少两个热质量的纵横比彼此不同；以及

提供由导管和阀构成的布置结构，所述由导管和阀构成的布置结构被构造成用于引导热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的组合，其中，所述由导管和阀构成的布置结构使得所述热质量能够彼此隔离；

通过引导所述热传递流体通过所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量来利用热能对所述热能存储装置进行蓄能；然后

将所述热能储存在所述热能存储装置中一段时间；然后

通过引导热传递流体通过所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量而释放来自所述热能存储装置的热能中的至少一部分，其中

所述蓄能步骤和/或释能步骤包括多级过程。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述释能步骤包括：

通过引导热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的第一构造而释放来自所述热能存储装置的热能中的一部分；然后

通过引导热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的第二构造而释放来自所述热能存储装置的热能的另一部分，其中，所述第一构造不同于所述第二构造。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述蓄能步骤包括：

通过引导所述热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的第三构造而将所述热能的一部分蓄存到所述热能存储装置中；然后

通过引导所述热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的第四构造而将所述热能的另一部分蓄存到所述热能存储装置中，其中，所述第三构造不同于所述第四构造。

15.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，所述热传递流体包括气体或液体。

16.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，所述热质量中的每一个热质量均包括一个热单元或者彼此并联布置的多个热单元。

17.根据权利要求16所述的装置或方法，其中，所述第一热质量比所述第二热质量包括更多个热单元，所述第二热质量又比所述第三热质量包括更多个热单元。

18.根据权利要求16或17所述的装置或方法，其中，每个热单元均包括以下项中的一个或它们的组合：

i）固体颗粒填充床，所述热传递流体能够直接通过所述固体颗粒填充床，以将热能运载到所述热能存储装置以及从所述热能存储装置运载热能，

ii）布置在至少一个导管周围的固体颗粒填充床，所述热传递流体能够通过所述至少一个导管，

iii）包括多个通路的固体质量基质，所述热传递流体能够通过所述多个通路，或者

iv）一定体积的相变材料。

19.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，每个热单元均包括以下项中的一个或它们的组合：

i）固体颗粒填充床，所述热传递流体能够直接通过所述固体颗粒填充床，以将热能运载到所述热能存储装置以及从所述热能存储装置运载热能，

ii）布置在至少一个导管周围的固体颗粒填充床，所述热传递流体能够通过所述至少一个导管。

20.根据任一前述权利要求所述的方法或装置，其中，所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量包括固体颗粒，并且，所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的至少两个热质量中的颗粒直径彼此不同。

21.根据任一前述权利要求所述的方法或装置，其中，所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量包括固体颗粒，并且，所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的至少两个热质量中的颗粒直径彼此相同。

22.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，每个热质量均具有大于180s/mm的热容量/导热率比值。

23.根据权利要求22所述的装置或方法，其中，每个热质量均具有大于500s/mm的热容量/导热率比值。

24.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，每个热质量均包括岩石。

25.根据权利要求12或13所述的方法，其中，对所述热能存储装置进行蓄能的步骤包括：引导所述热传递流体通过所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量，其中，所述第二热质量和所述第三热质量并联布置，并且所述第一热质量与所述第二热质量及所述第三热质量串联布置。

26.根据权利要求12或13所述的方法，其中，对所述热能存储装置进行蓄能的步骤包括：引导所述热传递流体通过串联布置的所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量。

27.根据权利要求13或根据从属于权利要求13的任一权利要求所述的方法，其中，所述热质量的所述第一构造包括：串联的所述第一质量和所述第二热质量。

28.根据权利要求13或根据从属于权利要求13的任一权利要求所述的方法，其中，所述第二构造包括：串联的所述第二质量和所述第三热质量。

29.根据权利要求13或根据从属于权利要求13的任一权利要求所述的方法，其中，所述第二构造包括：串联的所述第一热质量、所述第二质量和所述第三热质量。

30.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，所述热质量具有不同的横截面面积。

31.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，所述第三热质量的横截面面积小于所述第二热质量的横截面面积。

32.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，所述第二热质量的横截面面积小于所述第一热质量的横截面面积。

33.根据权利要求13或根据从属于权利要求13的任一权利要求所述的方法，其中，在这三个热质量中，所述热传递流体在最终释能期间所流动通过的最后一个热质量具有最小的横截面面积。

34.根据权利要求12至33中的任一项所述的方法，其中，蓄能期间的所述热传递流体的速度与释能期间的所述热传递流体的速度不同。

35.根据权利要求12至34中的任一项所述的方法，其中，通过所述热质量的所述热传递流体的流动速率在该循环的蓄能阶段和/或释能阶段期间不同。

36.一种低温能量存储系统，包括：

根据权利要求1至11、15至24或30至32中的任一项所述的热能存储装置，其中，所述装置被构造成用于：存储在功率产生期间释放的冷的热能，以及释放所述冷的热能以提供冷能来使冷冻剂液化和/或为共定位过程提供冷却。

37.一种低温发电系统，包括：

根据权利要求1至11、15至24或30至32中的任一项所述的热能存储装置，其中，所述装置被构造成用于存储来自废热源的、热的热能，并且在发电期间释放所述热的热能。

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