CN103547881A - 改进的储热装置 - Google Patents

Abstract

热存储装置，其包括至少一个热存储器（300），所述热存储器包括腔室（301），所述腔室具有气体进口（306）、气体出口（307）、及设于所述进口与出口之间的透气热存储介质（303），所述装置配置为，在工作期间，根据热传递的进程，选择性地改变气体的流动路径，所述气体从所述进口（306）流经所述腔室（301）而流至所述出口（307）以将热能传递至所述存储介质或传递来自所述存储介质的热能，从而使得所述流动路径避开所述存储介质中热传递已经完成或为最小的非活跃上游区域或下游区域，以使得整个所述存储介质的压降为最小。可使用主流动通路（312）中的挡板系统（305）来控制所述气体流动路径。

Description

改进的储热装置

技术领域

本发明涉及存储热能量的装置及其操作方式。所述装置可形成接收和返回电形式的能量之装置（下文称为“储电装置”）的一部分。

技术背景

现已提出多种储电系统，其存储空气压缩产生的热量并且吸收空气膨胀做的功。

此类系统的常见例子系所谓的绝热CAES，其一般使用盐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，并且为了有效地回收能量，有必要用某种形式的热存储器来存储这一“压缩热”。

所述洞穴一般保持为最小压力，诸如40巴，并且在充气过程中，其压力增加到较高的极限值，例如60巴。这些压力有可能利用空气产生650摄氏度范围内的峰值温度。这一热量通常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，并且所述被压缩的气体在膨胀之前由热存储器重新加热。利用膨胀所做的功用来驱动发电机发电。

这样做的目的是以压缩空气温度和存储材料温度之间的小温差来存储热，由此，当所述过程反向时，可将所述空气被大致加热至原始温度。

如前所述，一种选择是在加压容器内使用热交换机而非热存储基质。然而，这类热交换极难以实现，因为不存在在0-650摄氏度范围内工作的液体载热剂。这意味着必须使用多种液体，或者经由气体进行热交换，也就意味着需要气-气热交换机。

多种热量传递液体是难以控制的，需要多个存储容器，并且通常较昂贵，但是它们可以有效地工作，并且避免高压容器的成本。

就气-气热交换机而言，所述温度范围需要使用优质的钢，并且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，这些热交换机通常既非常昂贵又效率较低，而且在每次热传递过程之后，会有较大的大温差，比如50摄氏度。

最有效的解决方案是使用容纳在绝热压力容器内的诸如颗粒结构之类的热存储基质，并且类似于超大规模再生器的方式，将热传递给气体，并且从气体获得热。这具有最佳的热传递，但是存储物质必须都包含在压力容器内，这非常昂贵。

填充床或多孔介质内的热传递一般是表面积的函数。表面积越大则热交换越佳。若使用较小的颗粒或通道或孔，则单元体积的存储材料的表面积趋向于增大，即，具有更大的“比表面”。例如，

填充床球体10mm直径（立方填充）约为314m²/m³

填充床球体1mm直径（立方填充）约为3140m²/m³

多孔金属泡沫每英寸5孔（12%密度）约为430m²/m³

多孔金属泡沫每英寸40孔（12%密度）约为2100m²/m³

这表明1mm颗粒尺寸的填充球体的比面积为每立方米约3140m²。对于每英寸40孔的多孔泡沫金属，其比面积则为每立方米2100m²。该泡沫金属的密度为12%的实体，即88%的空泡。相对而言，本例子中球体的空泡仅为约50%。

大比面积的另外一个优点就是，两个物体之间没有温度差从而没有热交换。这一温度差必然会导致不可逆的热混合，而热混合对所存储的总热量没有影响，却会降低存储的温度。由于热的质量降低，这反过来又减少了可从所存储热恢复的能量的量。应将这一降低与经由存储器的隔热壁传递至环境单纯的热损失区分开来。

这一降低是由气体与存储器中颗粒之间的温度差而形成的，因此，当被蓄热（在热存储器中）时，颗粒的温度总是比气体稍低。当该系统放热并且气体沿反方向回流时，此时的气体一定会比颗粒的温度低，由此，若是热存储容器，气体则以较低的温度回流出热存储器，若是冷存储容器，气体则以较高的温度回流出热存储器。这一降低可认为是某些不可逆过程的结果并且这些结果具有相关的热损失，这些损失在能量存储方案中导致了电力恢复量的减少。可通过减小颗粒尺寸来减少这些“不可逆的”热损失，但这会增大通过存储器的气体压力损失。

在储热的情况下，在存储容器中形成“热前缘”，即，在存储介质和/或气体中带有向下游移动距离的温度升高或降低，所述热前缘发生在存储器中热传递最为活跃的区域。图10示出了热存储器中的热前缘形成，并且示出了对热存储器蓄热而在存储器的区域中形成热前缘，所述热前缘向下游行进并且通常初始时相当陡峭但随着蓄热的继续而渐渐变得平缓。由此，所述热前缘开始时的长度为L₁，但随着热前缘向容器的下部移动其长度延长为L₂，然后延长为L₃。由于前缘通常是呈渐近线形状，因此可根据T_H2和T_A2（峰值温度的3%和开始温度之内）之间的前缘长度来讨论前缘长度。若设定不同的标准，即，峰值温度的3%和开始温度之内，则标示前缘长度将会稍长。

对于某一存储器几何形状，较长的前缘会导致较低的热损失，但是前缘长度也会减小存储器的可用量，即，其会减小存储效用。若存储器的直径为5m，长度为10m，并且热前缘的长度为5m，则存储效用减少约50%。

若使用相同尺寸的存储器并且减小颗粒尺寸，则可利用短很多的前缘达成相同级别的热损失。由此，较小的填充床颗粒尺寸或较小的多孔介质孔尺寸趋向于具有较佳的热传递，较低的热损失，及较佳的热效用（较短的热前缘）。有一个不利之处是具有与流经填充床的流体流相关的压降，并且这一压降会随着颗粒尺寸或孔尺寸的减小而显著增大。

颗粒尺寸增大使得流体流的阻力增大，而阻力增大使得流体中的压降（dP）增大。压力并非是向量，但可相对于距离定义压力梯度。在热存储器中，存储器长度L上具有某一压降dP，其意味着压力梯度为dP/L。这一压力沿流体速度的方向减小，气体压力才由此在气体经过存储器之后将会变小。这一压降也是不将填充床颗粒尺寸减小至非常小尺寸（这会导致非常高的热可逆性）的原因。压降带来的损失大于更小颗粒尺寸带来的益处。

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

发明内容

本发明提供了一种包括至少一个热存储器的热（或热能）存储装置，所述热存储器包括腔室，所述腔室具有气体进口、气体出口、及设于进口与出口之间的透气热存储介质，所述装置配置为，在工作期间，根据热传递的进程，选择性地改变气体的流动路径，所述气体从进口通过腔室流至出口以将热能传递至存储介质或从存储介质接收热能。

随着气体流过存储介质以进行热传递时，会发生与这一收缩流相关的压降。在非常大的热存储器中，这可能是非常大的压降。通过控制随热传递进行而形成的气流路径，例如，通过使得流经存储介质的非活跃区域（例如，热传递基本完成的区域的上游，和/或发生最小热传递的下游）为最小，从而能够使得这一压降最小化。所述气流路径可设置为，例如通过经过存储介质的代替路径，通过再配置存储介质，或通过在存储介质旁边设置主流动通路，而避开此类非活跃区域。

可根据移动穿过腔室的热前缘的进程可选择地选择气流路径。如前所述，所谓“热前缘”系指温度变化，无论是存储介质及/或气体中的温度上升或下降，其出现在存储器中热传递最活跃的区域。处于所述前缘位置上游的介质/气体的温度一般大致等于进入存储器之气体的温度（即，热传递基本完成的区域—当对热存储器进行蓄热时，存储介质的温度将接近于进入热存储器之气体的温度），并且处于所述前缘位置下游的介质/气体的温度一般大致等于处理开始前存储介质的温度（即，热传递基本还未开始的区域—当对热存储器进行蓄热时，存储介质的温度将接近于开始蓄热之前介质的温度）。可将气流流动路径改变为仅经过存储介质中热前缘所处的局部区域（即，介质的活跃热传递区域）。由此，随着热前缘沿存储系统的长度前进，相应地可将气流限制在存储介质的各个不同的活跃区域中。

流动路径的任何改变通常会改变存储介质的各上游部分和下游部分之间的气体分布，但通常不会改变位于进口的某一下游点处的剖面区域中不同部分之间的气流分布，即，在该区域中，气体大致是均匀地分布的（除了少数的异常）。可逐渐地或分步骤地改变流动路径。可在蓄热或放热循环中改变流动路径至少一次，至少两次，但一般改变三次或更多次。可改变气流路径，以使其依次流经各下游区域，所述下游区域可为交叠区域或不同的相邻区域。

可根据存储介质的性质和结构以及腔室的操作温度和压力，通过多种方式改变流动路径。

透气存储介质可在结构上是一致，并且可为单体结构。可在腔室的下游以所选择的间隔设置多个合适的流控制器，以使得所选择的下游区域与气流路径隔离或暴露之气流路径；例如，可使用阀，气门，旋转或滑动隔板，挡板系统之类的流控机构，或甚至是移动存储介质本身（及/或其支撑结构，若有）的多个部分的机构。流控制器可配置为自动动作，例如，响应由内建传感器感测到的温度变化，或由在工作过程中例如根据热前缘位置可选择地改变气流路径的控制系统控制。控制系统可包括传感器，或其他就热前缘在存储介质中前进长度向控制系统提供信息的反馈系统；可沿热存储器的长度将这些装置设置在热存储器的内部/外部，以监视热前缘在腔室内部及/或出口处的位置以测量排出气体温度。

在较佳的“分层热存储器”中，存储介质沿腔室被分为各独立的下游部分；这些部分可相互接靠或者分开并且可以层的形式沿腔室的整个宽度上延伸。可设置流控制器以使得气流可流经单个部分或流经一组两个或三个相邻部分，气流从一个部分切换至相邻部分（或从一组部分切换至包括一些新部分的不同组）以跟上热前缘的前进。在所述部分相互分开的情况下，形成的空间可用作可在热存储器的整个剖面从进口供给气体的供给空腔（从而形成有均匀的气流流经存储介质并且尽量减少或消除热点或冷点）。此外，可设置与供给空腔流体连通的供给管或通道作为供给网络，以确保均匀地将气体传送至存储介质，并且最好使得气体从所述空腔流至所述供给管或通道的流通截面积的收缩为最小。

存储介质可包括任何适于在热存储器预期出现的温度和压力下进行热交换的材料。所述介质可为设有通路/孔的互联内部网络的单体多孔结构，或可为颗粒材料（包括进行填充而能够透气的纤维，颗粒，或气体常用固体材料）的填充床。在使用颗粒材料的情况下，材料越小并且填充地越紧密，则压降的可能越大，因此更有利于使用流调节。因此，在此类分层存储器中，可使用小于等于20mm，或小于等于10mm，甚至小于等于7mm的颗粒尺寸。

一实施例中，所述腔室设有至少至少一个在所述存储介质旁边延伸的主流动通路，并且设有一或多个流控制器，所述流控制器选择性地改变所述主流动通路中的所述气流的流动路径从而改变所述存储介质中的所述流动路径。气体将优先地跟随沿着主流动通路的下游流动路径而不是进入流阻大于通路的相邻存储介质，除非通路被流控制器的作动/不作动阻塞而使得路径进入存储介质。

可以多种方式设置从通路进入存储介质。通路可包括由壁围成的并且可具有向下游方向间隔设置的规则透气壁或透气（例如，打孔）部分。或者，通路可为不透气通路但可沿其壁间隔地设有开口或间隙，或气口，或者通路。在颗粒存储介质保持在支撑结构的情况下，通路最好也用作对结构进行支撑的支撑柱，特别是使用模块化系统的情况下。然而，通路或者可由周围的结构界定，例如，存储介质（例如，单体的）或支撑存储介质的结构（例如，颗粒，纤维等）。主流动通路可沿腔室的整个长度延伸（例如，可直接从进口延伸至出口），或仅沿长度的一部分延伸，如仅通过旁路功能。沿腔室的任一具体下游长度，一般设置不超过六个（更常见是不超过两个或三个）类似的此类主流动通路。尽管可在腔室内设置位于中央的单个主流动通路，但存储介质可部分地或完全围绕通路。

所述至少一个主流动通路可包括位于存储介质旁边的沿腔室长度方向延伸的环状或管状通路。环状通路可具有位于其内壁/外壁旁边的存储介质，例如位于（例如，处于中央）存储介质内并被存储介质围绕，或者环状通路本身围绕存储介质并且位于腔室的周部。

一实施例中，设置单独的主流动通路，所述主流动通路将所述气体进口连接至（直接或间接）所述气体出口，并且包括沿所述腔室的长度延伸穿过所述存储介质的中央通路（通常是圆柱形的）。

一实施例中，所述装置配置为，在工作过程中，依次将所述气流路径从所述气流通路导向至所述存储介质中的各下游区域；这些下游区域可为交叠区域或不同的相邻区域。热存储介质可为连续结构，例如，单体存储结构，例如开口的有孔金属泡沫结构。流控制器的工作（包括相对移动）可使得流动路径进入不同的区域。

较佳的“分层热存储”结构中，存储介质及/或其支撑结构分为能够通过流控制器选择性地暴露至气流路径或与气流路径隔离的独立部分，并且沿主流动通路设于各下游位置。

一实施例中，副流动通路在沿所述主流动通路的长度上的多个下游位置处沿横向延伸离开所述主流动通路，从而使得气体可横向流经所述介质。横向延伸的副流动通路可位于各部分之间及/或设置为其将气体从通路中的孔传递至部分之间（例如，直接进入空腔）。

一实施例中，设有空腔，所述空腔在沿所述主流动通路的长度上的多个下游位置处沿横向延伸离开所述主流动通路，从而使得气体可横向流经所述存储介质所处的区域。空腔可包括刚好位于存储介质（或其支撑结构）上游或下游的间隙，并且存储介质（或其支撑结构）可位于部分中，例如，其可为模块化。空腔或副通路有助于在存储介质的整个截面均匀分布气体，从而使得气体均匀地流经存储介质并因此尽量最小化或避免热点或冷点。

一实施例中，通过包括至少一个挡板系统的流控制器阻塞所述主流动通路，所述挡板系统适于沿所述通路移动并且阻塞所述通路从而形成导入至所述存储介质或从所述存储介质导出的气流路径。挡板可部分或完全阻塞通路，并且在通路为圆柱形的情况下可包括圆柱体，或者在通路是环状的情况下包括环状体。

一实施例中，所述挡板系统适于阻塞所述通路，从而在所述挡板系统的上游面形成进入所述存储介质的气流路径。这样，可使得气流绕过热前缘上游的介质中热传递已经基本完成的非活跃区域，并且因此仅在必要时进入存储介质。上游面的位置应靠近热前缘位置上游（即，在固体热介质中）。

一实施例中，所述挡板系统适于阻塞所述通路，从而使得气流路径可在所述挡板系统的下游面形成流出自所述存储介质的气流路径。这样，可使得气流绕过热前缘下游的介质中热传递为最小的非活跃区域。下游面的位置应靠近热前缘位置的下游（即，在固体热介质中）。

挡板可适于阻塞通路并且可随着热前缘沿通路移动，从而仅允许流体流入存储器的活跃部分。

较佳地，可单独对各上游面和下游面的位置进行控制，从而使得热前缘的长度可以变化。这对于能量存储系统是有利的，因为这可改进系统的效率。例如，若对热存储器进行部分蓄热并且使其在一段时间处于这一状态，则热前缘因存储器内的热传递趋向于长度变成。这样，放热时，可有助于改变挡板面的位置以与这一长度增长的热前缘相容。

挡板系统可设于同一主流动通路中。挡板系统可包括各上游面和下游面，并且设置为，不允许将通过上游面导入存储介质的气流返回至主流动通路直至其到达下游面。最好能够体调节各上游面和下游面的分离程度，使得使用中主通路被阻塞的长度可变，这可使用伸缩体来达成。可使得上游面及/或下游面具有轮廓线，从而可对气体进行导向而不会有不适当的湍流。

或者，可在各自独立的主流动通路中设置独立的挡板系统以对它们进行阻塞，从而使得所述气流路径在一个主流动通路的一个挡板系统的上游面处进入所述存储介质，并且在另一主流动通路的另一挡板系统的下游面处从所述存储介质流出。尽管这一结构需要更大的腔室体积作为通路，但可更简单地使用独立挡板机构来独立控制各上游面和下游面，并且鲁棒性更高，特别是在操作温度高的情况下。

在上述“分层热存储器”的情况下，即沿一或多个主流动通路在各下游位置处设置独立的部分或层，可使用一或多个挡板系统来阻碍气流进入一个部分或多个相邻部分。所述挡板为可延伸的，例如，伸缩延伸，从而改变存储介质中受到其阻碍的部分的数量。

在此类分层存储器中，可在各层之内或之间设置存在于各层及/或副流动通路之间的空腔，以使得进入气体进口的气体可随着气阻最小的路径在主流动通路中向下移动直至到达挡板系统，所述挡板系统将所述气体导入空腔或副流动通路并且迫使所述气体在通过其遇到的未受阻碍空腔或副流动通路回到通路之前穿过存储介质的一或多个部分。在带有此类挡板的分层垂直存储器中，这可包括中央圆柱形支撑柱。所述支撑柱可带有沿其长度的出入口，所述出入口与层间的各空腔连通。支撑柱可支撑存储介质的各层的棚架，并且可以模块化的方式设置。支撑臂可从各层的支撑柱向外径向延伸，以提供刚性及副流动通路的供给网络。各层中的臂可相互对齐，例如，可通过使得存储器的长度额外延伸的共用壁来设置/支撑所述臂。

热存储装置还可包括控制系统以选择性地改变气流路径。所述系统可包括位于进口及/或出口的传感器及/或沿腔室长度设置的传感器。然而，例如在工作方式是公知的或是可预测的情况下，通过控制系统进行主动控制并不是必须的。

热存储装置还包括至少一个与所述至少一个热存储器串联的辅助热存储器，辅助热存储器包括腔室，所述腔室含有透气热存储介质并且适于传递和约束位于其中的热前缘。辅助热存储器最好具有与主存储器相同的内壁腔室宽度，但更短（通常小于其长度的三分之一）并且隔热性更佳。最好使用辅助存储器来将热前缘保持在主存储器中（在工作停止期间），否则在主存储器中温差最终将以不受控的方式消失。可设置两个分别与至少一个热存储器的上游和下游串联的辅助热存储器，要求热前缘在蓄热循环和放热循环之后都“停留”在辅助存储器中。

热存储器通常为用于气流垂直地流经其中的直立容器，以使得热前缘向上或向下流经存储器，并且不受对流的影响（即，最热的气体总是从存储器的顶部进入或离开）。

热存储装置可包括直立腔室，所述直立腔室带有一或多个沿所述腔室的长度方向延伸的大致垂直的主流动通路，所述装置设置为，所述气体进口设于所述腔室的顶部作为热进口，或者设于所述腔室的底部作为冷进口。通常，热存储介质设于各大致水平的热存储层中，所述热存储层能够选择性地暴露至所述气流路径或与所述气流路径隔离。所述热存储层之间视需要加入一或多层大致水平的隔热层，或代替所述层。

热存储装置可形成电力存储系统的一部分，尤其是泵式热电力存储系统或压缩空气能量存储系统。

还提供了一种操作热存储装置的方法，所述热存储装置包括至少一个热存储器，所述热存储器包括腔室，所述腔室具有气体进口、气体出口、及设于所述进口与出口之间的透气热存储介质，其中使得气体从所述进口流经所述腔室而流至所述出口以将热能传递至所述存储介质或传递来自所述存储介质的热能，并且根据移动经过所述存储介质的热前缘的位置可选择地改变所述气体的流动路径。

在工作过程中，改变所述流动路径以使之避开所述存储介质的位于所述热前缘上游的热传递在其中已经基本完成的区域。

在工作过程中，改变所述流动路径以使之避开所述存储介质的位于所述热前缘下游的、在其中热传递为最小的区域。这两者都发生时，由此可改变流动路径以使其仅经过通过所述存储介质中局限在所述热前缘周围的区域。相互独立地进行这两个路径改变。

所述方法还包括依次将所述气流路径从所述气流通路导向至所述存储介质中的各下游区域；这些下游区域可为交叠区域或不同的相邻区域。选择性地将气流从第一区域导向至第一区域下游的第二区域，并且气流随之流经各此类区域而沿存储器的长度向下流动。

附图说明

下文将结合附图以仅作为示例的参考多个实施例，其中：

图1为包括根据本发明实施例的热存储器的示意剖视图；

图2a～2d分别示出了图1所示热存储器的各模块组件；

图3详细示出了图2c所示模块组件；

图4a～4i示出了蓄热和放热期间图1所示热存储器的挡板系统的工作；

图5a～5c为热存储器中主流动通路的代替结构的示意图；

图6a、6c和图6b、6d分别为两个代替挡板系统的剖视图，图6e为图6b、6d所示挡板系统的三个剖视图，其分别示出了带有3，5，9个活跃层的活跃热传递区域；

图7为各端部带有辅助存储器的热存储器的示意侧视图；

图8为伸缩挡板系统的示意图；

图9为泵式热电力存储系统的示意图；及

图10示出了热存储器中热前缘的形成。

具体实施方式

图1为根据本发明的热存储器300的示意剖视图。存储器300包括隔热直立室或压力容器301以及分层设在热介质支撑结构302上的热介质300。热介质303为多孔或颗粒固体的形式，例如，碎石。所述室的各端设有气体入口306/出口307，并且其与中央圆柱形主流动通路312直接连通，所述通路由经过各层沿热介质303垂直延伸穿过所述室的圆柱体309形成。

参考图2和3，详细示出了支撑结构320和分层存储器300的支撑圆柱体309。所述系统为模块化系统，并且包括圆柱体309，其用以支撑其余的支撑结构302。支撑圆柱体309具有多排孔350，其与各下游层相对应地沿下游方向相互间隔地设置；各排中的孔与上一排和下一排的孔对齐，以使得气体可以进入储存介质。

由圆柱体309支撑的多对纵向叶片360以“花瓣”形式从圆柱体径向向外延伸。如图3所示，这些叶片沿圆柱体309的长度延伸，并且在叶片对之间界定出纵向空间。然而，由于各层设有径向延伸的水平实心架370，可防止通过圆柱体孔350流入的气体沿向下游方向流入该空间，如图2d所示，所述水平实心架370将所述空间分为各副流动通路365，所述各副流动通路365垂直地放置于各自的顶部而对齐为柱形并且从各层中的主流动通路312径向向外（以“花瓣”状）延伸。

各对叶片360对垂直堆叠的圆扇形支撑盘322进行支撑，所述圆扇形支撑盘322形成各下游层并且支撑和限制储存介质303。各叶片具有水平排的孔375，其与各副流动通路相对应地沿下游方向相互间隔地设置，并且这些孔能够将已经进入副流动通路365的气体传递入储存介质。副流动通路365的目的是使得穿过水平排的孔375的气体有均匀分布，并且随着副流动通路365接近腔室壁，其按气流减小的比例而逐渐变细。

应注意，叶片孔375与间隙355对齐，间隙355存在于各层之间并且形成位于存储介质的各层上的空腔308。顶层之上形成有额外的空腔310，而底层之下形成有另一空腔311。这些空腔的形状可形成为其形成平行侧边的腔室或形成不平行或不规则的腔室（例如锥形）以使得可在介质303的整个表面均匀地分布气流。空腔间隙308可仅包括气体或包括高度多孔的隔热材料（未示），所述隔热材料提供针对气体的最小流阻，但不会减小层之间的热传递也不会减少任何对流的发展。可在所述圆柱体的中部设置可选的隔热层313，以代替支撑介质层。

在主流动通路312内通过阀控制线/杆304对挡板系统或阀305进行支撑以阻断主流动通路312。阀305包括在圆柱体309内紧密配合的圆柱形鼓筒。阀305可由隔热材料制成，或者包括隔热材料。阀305的顶面或底面的形状可为形成为将流入/流出圆柱体309的流均匀地导入空腔空间308。可通过由控制系统314控制的阀控制线/杆304改变阀305沿圆柱体309的位置。

参考图4a～4i，示出了储热和放热过程中图1的热存储器的挡板系统或阀305的工作。

若使用热存储器来存储热，则处于蓄热状态下的温度高于处于放热状态下的温度。若使用热存储器来存储“冷”，则处于蓄冷状态下的温度低于处于释冷状态下的温度。图4a中，改进的热存储系统处于释放状态，并且其示意性地处于温度T_A（环境温度）。热存储容器310的右侧示出了沿存储器的顶部到底部的容器内部气体温度曲线图。当不流动时，气体温度会达到存储介质的温度。对于用于存储热的存储器，最好从顶部向下蓄热，对于存储“冷”的存储器，则相反。图4a中，由于所述系统处于释放状态并且并不处于充蓄状态，因此没有气流流入或流经存储器。

蓄热模式中，热气通过进口/出口306进入，并且较凉的气体通过进口/出口307排出。当放热时，温度较低的气体通过进口/出口307进入，而较热的气体通过进口/出口306排出。

图4b示出了开始蓄热时的系统。气体通过进口/出口306进入系统并且碰到阀305。阀305阻断提供最小气体阻力路径的圆柱体309，并因此将气流导入空腔310中。然后，气体在回到圆柱体309（最小阻力路径）之前进入并且穿过三层热介质，并随后通过进口/出口307排出存储器。随着气体穿过热介质，其对热介质进行加热而自身则冷却。这在存储器内形成热前缘，在所述前缘处气体从进口温度T_H冷却至非常接近于T_A（存储器开始处的温度）。随着更多的气体穿过存储器，这一热前缘向存储器的下部移动。图4c和4d示出了这一移动。

应注意，实际上有两个热前缘，一个位于固体热介质中，而另一个位于气体中。这是由气体与固体热介质303之间的温差造成的，所述温差取决于一系列的因素，如流速及热介质303中各成分的尺寸。若热介质由非常小的颗粒（如，沙）制成，则气体与固体热介质之间的温差非常小。若热介质（碎石）较大，则相同流速下温差较大并且气体热前缘与固体热前缘之间会有分离。蓄热时，固体热前缘总是会落后于气体热前缘。

由于这一稍许温差，存储器或层的温度永远不会到达气体进入存储器时的温度。因此，当“完全蓄热”时，需要确定不同的存储器和操作使用可能会有不同的温度。

随着气体穿过热介质，会发生压降。这一压降也可保证均匀分布的气流进入热介质并且在整个热介质均匀地进行热传递，以避免冷点。若压降太小而使得能够形成冷点，则可以将空腔空间308，310，311的几何形状设计为可绕这些空间自然地分布气流。

如图4d所示，热前缘穿过其中一个空腔空间308。尽管穿过了空腔，但气体并没有机会冷却，因此整个空腔的温度基本恒定。图4d中，热前缘开始接近第三层的端部，并且已近第一层被合适地蓄热。在这一点上，如图4e所示，阀305下降一层。这所带来的效果是使得气体避开第一层，并且将第四层带入气体回路。重复这一步骤直至阀到达最后一层，如图4g所示。在这一阶段，系统运行为使得气体的热前缘正好排出存储器并且留在最后的一或多层中。

随着前缘向存储器的下部前进，热前缘趋向于增长。所述阀可为固定长度的简单阀，但最好是设计为其长度可调节以与热前缘的任何长度变化相适应。图8示出了伸缩阀800的例子。下文将描述独立操作此类阀的上游面和下游面的控制逻辑。

图4g示出了处于完全蓄热状态的存储器。图4h示出了气流已经反向并且处于放热状态的存储器。图4i示出了处于放热状态的存储器，但前缘已经留滞在存储器内从而可用于下一蓄热循环。若热前缘留滞较长时间，该热前缘则会慢慢减弱并且进一步延伸进入存储器。存储器可在如图4a所示的状态或图4i所示的状态或其间的某一状态开始。

当对存储器进行蓄热或放热时，保持已经生成的热前缘是有利的。通过将热前缘留在存储器内而使其保持。热前缘“停留”的这一区域可被设计成保持该热前缘的温度曲线，即，所述区域可由隔热材料包围或者其本身可为隔热材料（例如，设于腔室端部的类似于隔热层313的层）。或者，使得前缘停留在专门为此设计的独立存储器内则更有利。

参考图7，示出了热存储器700与辅助存储器702和704串联，辅助存储器702和704分别设于存储器700的一端以在完整的蓄热或放热循环之后供热前缘在其中“停留”。（未示出主流动通路和流控制器。）一般地，热存储器700比辅助存储器702和704大得多。这样，放热时，热前缘存储于辅助存储器702中（假设其为热存储器），而蓄热时，热前缘存储于辅助存储器704中。由此，当对系统进行蓄热时，辅助存储器702中的介质最终成为整个存储材料的一部分。这一设计更适于进行无规律蓄热和放热的热存储器。

图4a～4i示出了进行完全蓄热和放热的存储器。然而，可在这一处理的任何阶段使得气流反向，并且不必在开始放热之前使得前缘移动至存储器的底部。

再回到可调节阀，可调节阀长度的优点在于可根据层间的温度设计控制逻辑，在所述控制逻辑中，蓄热层对挡板顶部的移动进行控制（当在热存储器中进行蓄热时）并且各层的排出气体的温度决定阀的下部何时移动以包括下一层。这样，阀的顶部和底部的移动相互独立，并且基于不同的标准。

例如，可如下地执行用于单层存储器的蓄热控制逻辑，所述单层存储器中，挡板系统在上游面将气流从通路导入介质，并且相同（或不同）的挡板系统在下游面允许气流路径从介质处合并入相同（或不同）通路，并且上游面与下游面具有独立控制：

用于“热”存储器蓄热

1）T_layer U为发生活跃热传递之区域中最上游层这一特定层的出口处的气体温度，即，在气流经过各层之后进行测量并且相关温度是气体因碰撞（因挡板将其推入那些层）而经过多个层中的第一层后立即获得的温度。T_inlet为进入容器的进口气体的温度，而T_inlet diff为与进口温度之间的选择温差，当：

T_layer U=T_inlet-T_inlet diff

则挡板系统的上游面应向下移动一层（以使得气流开始避开该特定层），即，所述层正接近进口温度并且热传递接近完成。例如，当将热存储器从50℃蓄热至500℃时，T_inlet为500℃而T_inlet diff为10℃，由此，当T_layer U=490℃（即，500℃-10℃）时挡板移动。

2）T_layer D为发生活跃热传递之区域中最下游层这一特定层的出口处的气体温度，即，在气流经过各层之后进行测量并且相关温度是气体因碰撞而经过多个层中的最后一层后立即获得的温度。这一温度通常非常接近于容器出口处的温度T_outlet。T_start为容器中气体（和固体）的开始温度，而T_outlet diff为与开始温度之间的选择温差，当：

T_layer U=T_start+T_outlet diff

则挡板系统的下游面应向下移动一层，即所述层的温度已经从开始温度（通常为该层以下所有层的温度）开始显著升高。例如，当将热存储器从50℃蓄热至500℃时，T_start为50℃而T_outlet diff为25℃（例如，75℃=50℃+25℃）。为此，可在容器内的各水平上安装热电偶之类的温度传感器。根据需要，也要测量进口容器温度和出口容器温度。

用于“热”存储器放热

3）相反地，气流反向，出口变为进口并且冷气体进入热存储器（从垂直存储器的底部）以使其冷却，当活跃传递区域的最上游层（即，最靠近进口）已经冷却从而使得经过层之后的温度几乎和（冷）进口温度一样冷时（现表示活跃热传递区域的上游），上游面（现为直立存储器中位于下部的一个）向上移动一层。

T_{layer U discharging}=T_inlet+T_inlet diff

例如，T_inlet可为40℃而T_inlet diff可为10℃，由此T_{layer U discharging}为50℃（即，40℃+10℃）

这样，在正常操作中，T_{layer U discharging}最终大约接近于温度T_start。

4）当最下游层（最靠近出口）完成从（热）开始温度冷却某一量（仍然表示存储器中其余部分的下游并且约等于蓄热部分1）的温度T_layer U），下游面向上移动一层。

T_{layer D discharging}=T_hotstart+T_outlet diff（例如，480℃=490℃-10℃）

尽管上述热存储器具有中央圆柱形通路，如图5c所示，但仍然可以采用其他类型的通路。例如，图5a示出了设于存储器容器周部的环状通路，而图5b示出了两个通路，即，周边环状通路和中央通路。

如前所述，最好独立地控制挡板系统的上游和下游的各气流路径变化。不使用可改变其长度的复杂挡板系统而达成这一控制的一种方式是使用两个各自包括挡板系统的独立通路，各挡板系统分别控制上游变化和下游变化。由此，图5b可包括配合工作的圆柱形挡板系统和环状挡板系统。

参考图6a和6b，其示出了两个另外的代替双挡板结构。图6a中，两个沿中央设置的管状通路60和62分别被带有阀面64和66的相对活塞占据，所述阀面分别将气流导入存储介质并且允许气流从介质返回。由此，存储介质的位于面64与66之间的区域暴露至气流，所述区域介质中热前缘局限于其中的区域（并且为唯一的即使整个存储介质暴露至气流也会有活跃热传递的区域）。

图6b示出了单管状通路61中的双挡板结构。此处，活塞63具有将气流导入存储介质的主动阀面65。然而，环状挡板结构67设有环状阀面69，在所述环状阀面69处气流可再次进入通路61。环状挡板结构67也具有透气壁，但这些透气壁设置为由实心分隔件600分隔的各下游部分中。这一结构中，需要密封环610来防止经过环状挡板结构67的内环状壁或外环状壁时发生漏气。

图6e为图6b，6d所示挡板系统的稍微变化版本的三个放大剖视图，示出分别带有3个，5个，9个活跃层的活跃热传递区域，该区域由内实心圆柱形挡板630在外环状挡板结构640中向下相对移动形成。外环状挡板结构640以局部阴影部来显示，已将其配置为（本实例中）表示该部分为实心。因此，气流无法在实心区域中横向渗透，并且可阻挡其上的气流通路；环状结构的其余部分为开口，但如前述实施例地带有水平实心分隔件。无论是挡板640的开口结构部还是实心圆柱形挡板630都不能阻挡其上的气流，但当它们相互配合时则可阻挡气流在通路中流动。由此，本实例中，在任何时候，存储器必须使用最少三个活跃层来进行热传递。设定最少数量的活跃层的优点在于圆柱形挡板630的长度可保持为最短。例如，若存储器的热前缘需要使用3～10层，并且若环状挡板结构640不具有与存储介质的3个部分/层650相对于的实心部，当在开始进行蓄热仅需要3层供热前缘使用（即，主动热传递区域）时则圆柱形挡板630必须凸出相当于存储器的顶部上方的7层的长度（而不是仅凸出其上的4层）。这使得存储器的整体高度保持为较低。

图9示意性地示出了可逆系统90的实例，其中使用了根据本发明的热存储装置92，94。该系统为泵式热存储系统，如申请人较早的的第WO2009/044139号专利申请所述，并且该系统为可在将电能存储为热能的蓄热模式下工作和可在利用所存储的热能生成电能的放热模式下工作的可逆系统。所述系统包括分别用作压缩器96和膨胀器98的各容积式装置，以及高压（热）存储器94和低压（冷）存储器92。蓄热相期间，一个装置96压缩低压气体，然后加压气体穿过高压存储器94，加压气体在另一装置98中再次膨胀并且以低压穿过低压存储器92之前在高压存储器94中失去其热量，所述气体在低压存储器92中获得热并且以初始温度和压力返回至回路的开始处。放热模式中，需要容积式装置和热存储器及冷存储器进行反向的功能，例如使得被蓄热的热存储具有重新进入冷进口（其之前为出口）的温度较低的气体。

所述可逆系统可进行完整的蓄热循环或完整的放热循环，或者在蓄热或放热过程中的任意点上进行反向的作用；例如，若国家电网需要电力，则可中断蓄热循环并且通过使得系统开始进行放热而将存储热能转换为电能。

所述系统可能还需要在一段时间内保持蓄热，未蓄热，或部分蓄热状态。就此，使用设于下游层之间的隔热层有助于保持热前缘的曲线/特征。当在完整的蓄热或放热循环后结束操作时，如前所述地最好使用辅助热存储器来使得热前缘“保留”于其中。

在这一可逆系统中，气体可为空气或氮气或氩气之类的惰性气体。作为例子，热存储器可利用氩气在约12巴的压力和0～500℃的温度范围工作，并且冷存储器可在0～-160℃的温度范围内以接近大气压力的压力工作。

应理解，所述改进热存储系统结合入了用于将热从气体传递至固体的填充床或多孔介质，随后使用存储器的不同部分来生成改进的热存储系统，并且可能达成更佳的热传递及/或减小的整体压降。应理解，所述热存储器可设计为，在任意一个时间点上，仅有小部分是主动的，即，有气体经过。

Claims (26)

1.热存储装置，其包括至少一个热存储器，所述热存储器包括腔室，所述腔室具有气体进口、气体出口、及设于所述进口与出口之间的透气热存储介质，所述装置配置为，在工作期间，根据热传递的进程，选择性地改变气体的流动路径，所述气体从所述进口流经所述腔室而流至所述出口以将热能传递至所述存储介质或传递来自所述存储介质的热能。

2.如权利要求1所述的热存储装置，其中沿所述腔室将所述存储介质分为各自独立的下游部分。

3.如权利要求1或2所述的热存储装置，其中所述腔室设有至少一个在所述存储介质旁边延伸的主流动通路，并且设有一或多个流控制器，所述流控制器选择性地改变所述主流动通路中的所述气体的流动路径从而改变所述存储介质中的所述流动路径。

4.如权利要求3所述的热存储装置，其中所述装置配置为，在工作过程中，依次将所述气体的流动路径从所述气流通路导向至所述存储介质中的不同下游区域。

5.如权利要求3或4所述的热存储装置，其中仅设置单一的主流动通路，所述主流动通路将所述气体进口连接至所述气体出口，并且包括沿所述腔室的长度方向延伸穿过所述存储介质的中央通路。

6.如权利要求3～5中任一项所述的热存储装置，其中副流动通路在沿所述主流动通路的长度上的多个下游位置处沿横向延伸离开所述主流动通路，从而使得气体可横向流经所述存储介质。

7.如权利要求3～6中任一项所述的热存储装置，其中设有空腔，所述空腔在沿所述主流动通路的长度上的多个下游位置处沿横向延伸离开所述主流动通路，从而使得气体可横向流经所述存储介质。

8.如权利要求3～7中任一项所述的热存储装置，其中通过包括至少一个挡板系统的流控制器阻塞主流动通路，所述挡板系统适于沿所述通路移动并且阻塞所述通路从而形成导入至所述存储介质或从所述存储介质导出的气流路径。

9.如权利要求8所述的热存储装置，其中所述挡板系统适于阻塞所述通路，从而在所述挡板系统的上游面形成进入所述存储介质的气流路径。

10.如权利要求8所述的热存储装置，其中所述挡板系统适于阻塞所述通路，从而使得允许在所述挡板系统的下游面形成流出自所述存储介质的气流路径。

11.如权利要求9或10所述的热存储装置，其中在同一主流动通路中设置所述挡板系统以对其进行阻塞，从而使得所述气流路径分别在所述挡板系统的上游面和下游面处进入所述存储介质或者从所述存储介质流出。

12.如权利要求9或10所述的热存储装置，其中在各自独立的主流通路中设置独立的挡板系统以对它们进行阻塞，从而使得所述气流路径在一个主流动通路的一个挡板系统的上游面处进入所述存储介质，并且在另一主流动通路的另一挡板系统的下游面处从所述存储介质流出。

13.如权利要求9或10所述的热存储装置，其中对各所述上游面和下游面的位置进行独立调整。

14.如前述权利要求中任一项所述的热存储装置，还包括能选择性地改变所述气流路径的控制系统。

15.如前述权利要求中任一项所述的热存储装置，还包括至少一个与所述至少一个热存储器串联的辅助热存储器，所述辅助热存储器包括腔室，所述腔室含有透气热存储介质并且适于传递和约束位于其中的热前缘。

16.如权利要求15所述的热存储装置，其中所述热存储装置包括两个辅助热存储器，所述辅助热存储器分别与所述至少一个热存储器的上游和下游串联。

17.如前述权利要求中任一项所述的热存储装置，其中所述热存储介质设于各能够选择性地暴露至所述气流路径或与所述气流路径隔离的区域。

18.如前述权利要求中任一项所述的热存储装置，包括直立腔室，所述直立腔室带有一或多个沿所述腔室的长度方向延伸的大致竖直的主流动通路，所述装置设置为，所述气体进口设于所述腔室的顶部作为热进口，或者设于所述腔室的底部作为冷进口。

19.如权利要求18所述的热存储装置，其中所述热存储介质设于各大致水平的热存储层中，所述热存储层能够选择性地暴露至所述气流路径或与所述气流路径隔离，并且其中所述热存储层之间视需要加入至少一层大致水平的隔热层。

20.电力存储系统，其包括如权利要求1～19中任一项所述的热存储装置。

21.一种操作热存储装置的方法，所述热存储装置包括至少一个热存储器，所述热存储器包括腔室，所述腔室具有气体进口、气体出口、及设于所述进口与出口之间的透气热存储介质，其中使得气体从所述进口流经所述腔室而流至所述出口以将热能传递至所述存储介质或传递来自所述存储介质的热能，并且根据移动经过所述存储介质的热前缘的位置选择性地改变所述气体的流动路径。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述热存储装置为根据权利要求1～19中任一项所述的热存储装置。

23.如权利要求21或22所述的方法，其中，在工作过程中，改变所述流动路径以使之避开所述存储介质的位于所述热前缘上游的区域，在该区域中热传递已经基本完成。

24.如权利要求21～22中任一项所述的方法，其中，在工作过程中，改变所述流动路径以使之避开所述存储介质的位于所述热前缘下游的区域，在该区域中热传递为最小。

25.如权利要求23或24所述的方法，其中改变所述流动路径以使之仅通过所述存储介质中局限在所述热前缘周围的区域。

26.如权利要求25所述的方法，其中相互独立地进行根据权利要求23和24的所述的路径改变。

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