CN108496053B - 包括颗粒床和热调节装置的用于储存和释放热量的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括至少一个热量储存颗粒床(2)的、用于储存和释放热量的系统和方法。系统还包括在固定床的各端处的、用于颗粒的热调节装置(5)。此外，本发明涉及使用此类热量储存和放热系统的用于通过压缩气体储存和恢复能量的系统和方法。

Description

包括颗粒床和热调节装置的用于储存和释放热量的系统和 方法
本发明涉及储存和释放热量的领域，特别是用于在AA-CAES(“先进绝热-压缩空气能量储存”)型的系统或方法中储存热量的领域。
在压缩空气能量储存(CAES)系统中，使用者希望将在另一时间使用的能量以压缩空气的形式储存。为了储存，一种形式的能量，特别是电能，驱动空气压缩机，并且为了释放，压缩空气驱动涡轮机，该涡轮机可连接到发电机。这种解决方案的产量不是最佳的，因为压缩空气的能量的一部分以热的形式保留，而热量是不使用的。事实上，在CAES过程中，仅使用空气的机械能，即在压缩期间产生的所有热量被浪费。举例来说，在8MPa(80巴)下压缩的空气在压缩期间加热至大致150℃，但在储存之前将其冷却。另外，CAES系统的产量不是最佳的，因为该系统然后需要加热所储存的空气以产生空气膨胀。事实上，如果空气在8MPa(80巴)和环境温度下储存，并且如果期望通过膨胀回收能量，那么空气的减压再次遵循等熵曲线，但这次从初始储存条件(大致8MPa和300K，即大致27℃)开始。因此空气被冷却到不切实际的温度(83K，即－191℃)。因此需要对其进行再加热，这可用使用气体或其它燃料的燃烧器来完成。
目前存在这种系统的若干种变型。特别是可提到以下系统和方法：
·ACAES(“绝热压缩空气能量储存”)，其中空气由于压缩而在高温下储存。然而，这种类型的系统需要体积大且昂贵的特定储存系统(绝热储存)。
·AA-CAES(“先进绝热-压缩空气能量储存”)，其中空气在环境温度下储存，并且由压缩所产生的热量也单独储存在热能储存(TES)系统中。储存在TES中的热量用于在空气膨胀之前加热空气。根据某些设想的设计，使用固体颗粒将热量储存在储存系统中。
此外，此类热交换系统还用于其它领域：太阳能、海洋能、冶金工艺等的能量储存。
热交换和储存系统的设计标准之一是它们能够控制从低温到高温的热分层(或温跃层)；事实上，决定了热量储存的产量和效率。
为此，已开发若干种类型的热交换系统。某些类型的热交换系统涉及固体颗粒的固定床、固体颗粒的移动床，其中存在以并流方式循环的流体的热交换等。然而，这些热交换在效率和产量方面不是最佳的。
例如，专利申请FR2990502涉及具有改进的热分层的热量储存罐。对于这种热量储存系统，使用分布在固定床的若干个级中的固体颗粒的基质和穿过级之间的空间的传热流体来进行热交换。这种设计允许储存系统中的温度均匀化。然而，这种系统并不能良好地维持罐中的热梯度。
根据专利申请WO 2013015834中描述的另一示例，当气体的输出温度低于阈值时，即当一定量的热量已储存在固定床中时，系统控制气体在不同固定床或不同罐之间的传递。然而，这种系统体积庞大，并且在效率方面似乎不是最佳的。
图1示出在装入阶段(储存)CH期间和在排放阶段(释放)DE期间、根据现有技术的用于储存和释放热量的传统系统1。这种用于储存和释放热量的系统1基本上呈柱状，包括颗粒的固定床2和用于将与颗粒交换热量的流体注入和/或抽出的装置3。根据这种构造，为了装入，流体在温度T1下经由柱的顶部热进入，并且在温度T2(T2<T1)下经由柱的底部冷离开(通过颗粒储存流体的一部分热量而冷却)。为了排放，流体在温度T2下经由柱的底部冷进入，并且在温度T1下热离开(由颗粒释放颗粒的一部分热量而加热)。对于现有技术的这个实施例，没有温度施加在颗粒床上；结果，这些温度随着时间的推移而漂移，这使得用于储存和释放热量的系统不具有最佳效率。
图6示出用于在如图1所示的颗粒的固定床中储存和释放热量(TES：热能储存)的系统的“标准”热分布。在该图中，“热侧”(热流体的输入和输出)向左侧，并且“冷侧”(冷流体的输入和输出)向右侧。在该图中，呈实线的曲线Tch对应于在装入期间的温度分布，并且呈虚线的曲线Tde表示在排放期间的温度分布。在TES的两侧之间建立梯度，但是该梯度在装入和排放循环期间沿颗粒床移动。因此，热侧(和冷侧)的温度水平存在作为时间(循环中的阶段)的函数的变化。在排放阶段，流体因此不可回收所有储存的能量，并且在装入阶段期间，TES的输出流体未充分够冷却。另外，这种现象随着时间的推移而放大，梯度具有趋于平缓直到达到半静止状态的趋势。这种现象的后果是降低系统的整体效率(回收的能量更少)。另外，在AA-CAES型过程中使用用于储存和释放热量的系统的情况下，还注意到AA-CAES过程的稳定性的降低，该过程必须在可变的涡轮机输入温度和压缩空气储存系统中操作。因此，降低AA-CAES型过程的涡轮机和压缩机的效率，因为它是输入温度的函数。
为了克服这些缺点，本发明涉及包括至少一个用于储存热量的颗粒床的、用于储存和释放热量的系统。该系统还包括在固定床的每一端处的、用于颗粒的热调节的装置。因此，可以调节固定床的输入/输出处的温度，这使得可良好地维持固定床中的热梯度，以这种方式确保在热量的装入或排放期间更好的热传递。
本发明涉及用于储存和释放热量的系统，其包括至少一个用于储存热量的颗粒床，以及用于将流体注入到所述颗粒床中和从所述颗粒床抽出流体的装置。所述用于储存和释放热量的系统包括在所述颗粒床的每一端处的、用于热调节所述颗粒的装置。
根据本发明的实施例，所述储存系统包括能够在所述颗粒床的第一端处加热所述颗粒的第一热调节装置，和能够在所述颗粒床的第二端处冷却所述颗粒的第二热调节装置。
根据实施方式，所述热调节装置包括用于加热和/或冷却所述颗粒的装置。
根据一方面，第一和第二热调节装置的所述用于加热的装置和所述用于冷却的装置使用热泵设备连接。
根据设计，所述用于加热和/或冷却所述颗粒的装置包括热交换器和/或电阻器和/或用于循环热流体的装置。
根据变型，所述用于加热和/或冷却的装置位于所述颗粒床内。
可替代地，所述用于加热和/或冷却的装置位于所述颗粒床的周边上。
有特点的是，所述固定床包括在所述颗粒床内限定所述热调节装置的绝热材料层。
有利地，所述用于储存和释放热量的系统包括用于测量所述颗粒的温度的装置。
优选地，所述流体是气体，特别是空气。
有利地，所述颗粒是相变材料颗粒。
此外，本发明涉及用于通过压缩气体储存和回收能量的系统，其包括至少一个气体压缩装置、至少一个用于储存压缩气体的装置、至少一个用于膨胀所述压缩气体以便产生能量的装置，和至少一个根据前述特征中任一项所述的用于储存和释放热量的系统。
另外，本发明涉及用于储存热量的方法，其包括以下步骤：
a)在根据前述特征中任一项所述的用于储存和释放热量的系统的热量储存颗粒床中使流体循环；和
b)将所述流体的一部分热量储存在所述颗粒中，并且在所述颗粒床的至少一端处调节所述颗粒的温度。
而且，本发明还涉及用于释放热量的方法，其包括以下步骤：
a)通过在所述颗粒床的至少一端处调节所述颗粒的温度，将热量储存在根据前述特征中任一项所述的用于储存和释放热量的系统的热量储存颗粒床中；和
b)在所述颗粒床中循环流体，以将所述热量从所述颗粒释放到所述流体中。
此外，本发明涉及用于通过压缩气体储存和回收能量的方法，其包括使用根据前述特征所述的用于通过压缩气体储存和回收能量的系统的以下步骤：
a)压缩气体；
b)在用于储存和释放热量的系统中冷却气体；
c)储存所述冷却的气体；
d)在所述用于储存和释放热量的系统中加热所述冷却的气体；和
e)膨胀所述加热的压缩气体以产生能量。
根据实施例，在冷却气体和加热气体的步骤之间，调节在所述颗粒床的至少一端处的温度。
根据实施方式，在步骤b)中，通过在所述颗粒床的端部处加热所述颗粒来调节所述颗粒床的温度，所述气体已通过所述颗粒床的端部离开。
有利地，在步骤d)中，通过在所述颗粒床的端部处冷却所述颗粒来调节所述颗粒床的温度，所述气体已通过所述颗粒床的端部离开。
通过参考下面描述的附图阅读以下非限制性实施例示例的描述，根据本发明的方法的其它特征和优点将变得显而易见。
图1，已如前述示出现有技术的用于装入阶段和排放阶段的、储存和释放热量的系统。
图2示出本发明第一实施例的用于储存和释放热量的系统。
图3示出本发明第二实施例的用于储存和释放热量的系统。
图4示出本发明第三实施例的用于储存和释放热量的系统。
图5示出根据本发明实施例的用于储存和释放热量的系统的工作状态循环。
图6和7分别表示根据现有技术和根据本发明的储存系统，在装入结束时和排放结束时的热量储存系统内的温跃层。
图8示出根据本发明实施例的用于通过压缩气体储存和回收能量的系统。
本发明涉及用于储存和释放热量的系统。根据本发明，用于储存和释放热量的系统包括至少一个热量储存颗粒床。根据本发明的系统使得可以储存源自热流体的热量，储存由热量储存颗粒进行。该系统还使得可以将储存在颗粒中的热量释放到冷流体中。颗粒床意指以随机方式排列的颗粒集合。颗粒床可以是固定的、移动的或流化的。
固体热量储存颗粒使得流体在颗粒床中通过，并且在该通过期间，在流体和颗粒之间交换热量。颗粒床中的这种流体通过可以是轴向的或径向的。为了使流体在颗粒床中通过，该系统包括用于将流体注入和抽出的装置。优选地，这些用于注入和抽出的装置设置在用于储存和释放热量的系统的各端处，使得流体通过床。
根据本发明，用于储存和释放热量的系统包括在各端处的用于颗粒的热调节的装置。因此，可以控制在床的各端处的颗粒的温度。每个热调节装置确保床的一部分颗粒的热调节。这种温度控制使得通过在颗粒上施加温度来优化热量储存，例如在用于储存和释放热量的系统的装入或排放之后。因此，优化用于储存和释放热量的系统的效率和产量。
根据第一实施方式，用于储存和释放热量的系统包括颗粒的固定床。固定床意指热量储存颗粒的排列，其中颗粒是固定的。
根据第二实施方式，用于储存和释放热量的系统包括颗粒的移动床。移动床意指热量储存颗粒的排列，其中颗粒是固定的在一个方向且在相同方向上移动。
根据第三实施方式，用于储存和释放热量的系统包括颗粒的流化床。流化床由固相组成，该固相由流动的流体相和在流体相中悬浮的颗粒组成。例如，流体相可以是气态的，以空气或惰性气体的形式。流体相可在热交换区的一端处靠近颗粒的输入(注入)而注入以用于形成流化床。在本发明使用“流化床”技术的情况下，用于储存和释放热量的系统可包括若干个“串联”的流化床，每个输入/输出流化床包括热调节系统，其调节整个流化床的温度。
根据本发明的实施例，热量储存系统具有旋转形状，即具有对称轴：圆柱形、圆锥形、锥形等，优选地，热量储存装置具有基本上圆柱形形状(柱状)。根据本发明的实施例，热量储存装置可包括多个热量储存颗粒床。这些颗粒床可形成分级排列：然后将床一个放置在另一个上，并且可通过绝热材料层分开。根据本发明的实施方式，颗粒床可具有基本上圆柱形或环形形状。
根据本发明的实施方式，用于储存和释放热量的系统基本上是垂直的。可替代地，用于储存和释放热量的系统基本上是水平的。
根据本发明的实施例变型，根据本发明的热交换系统可包括固体颗粒或呈胶囊形式的颗粒，其包含相变材料(PCM)。这些材料还允许减少可选储存装置的体积，因为它们使得可以以潜热的形式储存大量能量。通过将PCM和储存材料(使用显热用于储存热量)混合在颗粒床中，也可实现效率和成本之间的折衷。在相变材料中，可使用以下材料：熔化温度低于130℃的石蜡、在高于300℃的温度下熔化的盐、使得可以具有宽范围的熔化温度的(共晶)混合物。
固体颗粒(无论它们是否相变)可具有常规颗粒介质的所有已知形状(珠粒、圆柱体、挤出物、三叶形等)，以及任何其它形状，使得可以使与气体的交换表面增至最大。优选地，颗粒呈珠粒形式，以限制磨损问题。颗粒的尺寸可在0.02mm和50mm之间，优选在0.5和20mm之间，并且更优选在1和10mm之间变化。
根据本发明的实施例变型，流体可以是气体，特别是空气。流体可以是由颗粒床中的颗粒冷却或加热的气体。可替代地，流体可以是液体。
根据本发明的优选实施例，用于储存和释放热量的系统包括能够在颗粒床的第一端处冷却颗粒的第一热调节装置，和能够在颗粒床的另一端处加热颗粒的第二热调节装置。优选地，第一端对应于热流体通过其进入和/或离开固定床的一侧(称为“热侧”)，并且第二端对应于冷气通过其进入和/或离开固定床的一侧(称为“冷侧”)。第一热调节装置尤其可在用于储存和释放热量的系统装入之后使用。第二热调节装置尤其可在用于储存和释放热量的系统排放之后使用。因此，可以避免颗粒床内的温度梯度的水平化，这确保用于储存和释放热量的系统中的热梯度的良好维持。以这种方式，可以在用于储存和释放热量的系统的装入和排放期间优化传热。这对于在不同的装入和排放循环期间维持系统效率尤其重要，因为储存系统必须使得可以确保在装入阶段中压缩空气储存系统(或在具有若干个压缩步骤的AA-CAES过程的情况下的压缩机)的输入处，以及在排放阶段期间膨胀涡轮机的输入处的温度恒定。
可替代地和/或另外地，用于储存和释放热量的系统包括能够在颗粒床的第一端处加热颗粒的第一热调节装置，和能够在颗粒床的另一端处冷却颗粒的第二热调节装置。优选地，第一端对应于热流体通过其进入和/或离开固定床的一侧(称为“热侧”)，并且第二端对应于冷气通过其进入和/或离开固定床的一侧(称为“冷侧”)。
为了维持由热调节装置调节的温度，颗粒床可包括至少一个绝热材料层，该层限定对应于热调节装置的颗粒床部分。这些绝热层使得可以限制在颗粒床的端部和颗粒床的中心之间的温度扩散，并且因此改进对热梯度的控制。绝缘材料可以是任何已知的导热率非常低的材料，即比包含颗粒的床更绝热。该绝热材料层可以是流体可渗透的，以使流体通过该层。
可在颗粒床中提供用于测量温度的装置。用于测量温度的装置可放置在颗粒床的端部。这些用于测量温度的装置可用于热调节放置在颗粒床的端部处的颗粒。
有利地，热调节装置可包括用于加热和/或冷却所述颗粒的装置。这些用于加热和/或冷却的装置可包括热交换器和/或电阻器和/或用于循环热流体的装置等。热流体意指在颗粒床的一部分中循环的流体，其目的是冷却或加热颗粒。该热流体不同于在颗粒床中循环用于加热或冷却的流体。热流体可以是空气、水、蒸汽或任何允许良好热交换的流体。
这些用于加热和/或冷却的装置可位于颗粒床内，以优化传热。可替代地，用于加热和/或冷却的装置可位于颗粒床的周边上，以不妨碍热交换流体的循环。在这种情况下，用于加热和/或冷却的装置可位于柱和颗粒床之间。
图7是类似于图6的视图。该图示出根据本发明的用于在颗粒的固定床中储存和释放热量(TES)的系统的“标准”热分布。在该图中，“热侧”(热流体的输入和输出)在左侧，并且“冷侧”(冷流体的输入和输出)在右侧。在该图中，呈实线的曲线Tch对应于在装入期间的温度分布，并且呈虚线的曲线Tde表示在排放期间的温度分布。藉由热调节装置，在固定床的端部处温度几乎恒定。另外，与图6中所示的热梯度相反，热梯度更陡峭，并且在装入和排放阶段中的温度分布更接近。因此，在流体和颗粒之间的热交换更有效。
根据本发明的实施方式，热调节装置尤其可在储存阶段期间(在装入步骤之后)和/或在等待步骤期间(在排放之后)使用。
图2非限制性地示出本发明第一实施例的用于储存和释放热量的系统1。储存系统1由垂直柱形成，该垂直柱包括颗粒的固定床2。柱还包括在两端处的用于将流体注入到柱中并且从柱中抽出流体的装置3。此外，柱包括用于循环热流体(即，不同于用于加热或冷却的流体)的装置5，以确保在颗粒床2的端部处的颗粒的热调节。例如，热的热流体可通过在柱的顶部处用注入和抽出的装置3注入，并且可通过在距离柱的顶部的短距离处的位于柱的周边上的用于循环的装置5收集。另外，冷的热流体可通过在距离柱的底部的短距离处的位于柱的周边上的用于循环的装置5注入，可通过在柱的底部处用注入和抽出的装置3从柱中抽取。此外，颗粒床2包括两个绝热材料层4。层4限定颗粒床2的三个部分：在固定床的上端处的由柱的顶部和第一绝热层4限定的第一部分、在固定床的中心处的在两个绝热层4之间的第二部分，以及在固定床的下端处的由绝热层4和柱的底部限定的第三部分。这些绝热材料层使得可以使其中提供颗粒的加热和冷却的颗粒床的部分绝热。因此，可以维持期望热梯度。
根据实施例变型，用于储存和释放热量的系统可不包括绝热材料层或单个绝热材料层。
此外，固定床可用移动床或多个流化床代替。
图3非限制性地示出本发明第二实施例的用于储存和释放热量的系统1。储存系统1由垂直柱形成，该垂直柱包括颗粒的固定床2。柱还包括在两端处的用于将流体注入到柱中并且从柱中抽出流体的装置。对于柱的“热侧”(在柱的顶部处)，热调节装置包括用于加热颗粒的电阻器6。此外，柱包括用于循环热流体(即，不同于用于加热或冷却的流体)的装置5，以确保在颗粒床2的“冷侧”上的颗粒的热调节。例如，冷的热流体可使用在距离柱的底部的短距离处的位于柱的周边上的用于循环的装置5注入，并且可使用在柱的底部处的用于注入和抽出的装置从柱中抽取。此外，颗粒床2包括两个绝热材料层4。层4限定颗粒床2的三个部分：在固定床的上端处的由柱的顶部和第一绝热层4限定的第一部分、在固定床的中心处的在两个绝热层4之间的第二部分，以及在固定床的下端处的由绝热层4和柱的底部限定的第三部分。这些绝热材料层使得可以使其中提供颗粒的加热和冷却的颗粒床的部分绝热。因此，可以维持期望热梯度。
根据实施例的变型，用于储存和释放热量的系统可不包括绝热材料层或单个绝热材料层。
此外，固定床可用移动床或多个流化床代替。
图4非限制性地示出本发明第三实施例的用于储存和释放热量的系统1。储存系统1由垂直柱形成，该垂直柱包括颗粒的固定床2。柱还包括在两端处的用于将流体注入并且从柱中抽出流体的装置。此外，柱包括热交换器7，以确保在颗粒床2的端部处的颗粒的热调节。例如，供应热量的第一热交换器7可位于柱的顶部处。另外，冷却颗粒2的第二热交换器可位于柱的底部处。此外，颗粒床2包括两个绝热材料层4。层4限定颗粒床2的三个部分：在固定床的上端处的由柱的顶部和第一绝热层加热4限定的第一部分、在固定床的中心处的在两个绝热层加热4之间的第二部分，以及在固定床的下端处的由绝热层4和柱的底部限定的第三部分。这些绝热材料层使得可以使其中提供颗粒的加热和冷却的颗粒床的部分绝热。因此，可以维持期望热梯度。
根据实施例的变型，用于储存和释放热量的系统可不包括绝热材料层或单个绝热材料层。
此外，固定床可用移动床或多个流化床代替。
根据所有可以的组合，图2、3和4的实施例可通过关联和/或代替来组合。例如，用于储存和释放热量的系统可包括在“热侧”上的电阻器和用于循环热液体的装置两者。根据另一示例，用于储存和释放热量的系统可包括位于“热侧”上的电阻器和位于“冷侧”上的热交换器。
可替代地，用于储存和释放热量的系统可包括热泵类型的系统，其从“冷侧”回收多余的能量，以便在“热侧”释放多余的能量。
此外，本发明涉及配备有热量储存装置(例如AA-CAES型)的用于通过压缩气体储存和回收能量的系统。在该实施方式中，在压力下的气体(通常是空气)被冷藏。根据本发明的用于储存和回收能量的系统包括：
-至少一个气体压缩装置(或压缩机)，并且优选若干个分级气体压缩装置。气体压缩装置可由马达，特别是电动马达驱动；
-至少一个用于储存由气体压缩装置压缩的气体的装置(也称为容器)。用于储存压缩气体的装置可以是天然容器或非天然容器(例如地下腔室)。用于储存压缩气体的装置可在地面上或地下。另外，它可由单个容积或者连接或不连接在一起的多个容积形成；
-至少一个气体膨胀装置(也称为膨胀器或涡轮机)，使得可以膨胀和储存压缩气体，并且优选若干个分级气体膨胀装置。气体膨胀装置使得可使用发电机产生能量，特别是电能；
-至少一个用于储存和释放热量的系统，使得可以储存源自在能量储存阶段期间压缩的气体的热量，并且使得可以在能量释放阶段期间释放储存在压缩气体中的热量；用于储存和释放热量的系统优选地放置在压缩装置的输出端和膨胀装置的输入端处。根据本发明，热交换系统包括固体热量储存颗粒。这些固体颗粒在储存和释放能量的阶段期间与气体交换热量，该热量储存在这两相之间的颗粒中。根据本发明，热量储存系统是根据先前描述的实施例变型中的一个，或是根据先前描述的变型的组合中的一个。
当多个压缩装置(分别膨胀)连续地一个接一个串联安装时，使用术语“分级压缩装置”(分别为“分级膨胀装置”)：在第一压缩(分别膨胀)装置的输出端处的压缩(分别膨胀)气体然后进入第二压缩(分别膨胀)装置等。然后，压缩或膨胀级意指多个分级压缩或膨胀装置中的一个压缩或膨胀装置。有利地，当系统包括多个压缩和/或膨胀级时，在每个压缩和/或膨胀级之间放置热交换系统。因此，压缩气体在每次压缩之间被冷却，这使得可以优化下一次压缩的产量，并且在每次膨胀之间加热膨胀的气体，这使得可以优化下一次膨胀的产量。压缩级数和膨胀级数可包括在2和10之间，优选地在3和5之间。优选地，压缩级数与膨胀级数相同。可替代地，根据本发明的用于通过压缩气体(例如AA-CAES型)储存和回收能量的系统可含有单个压缩装置和单个膨胀装置。
根据本发明的实施例变型，分级或不分级的压缩装置可以是可逆的，即它们既可用于压缩又可用于膨胀。因此，可以限制在根据本发明的系统中使用的设备的数量，这使得本发明系统的重量和体积增加。
根据本发明的系统适用于任何类型的气体，特别是空气。在这种情况下，用于压缩的输入处的空气可从周围空气中获取，并且膨胀后的输出处的空气可释放到环境空气中。在下文描述中，将仅描述具有压缩空气的实施例变型及其AA-CAES应用。然而，用于通过压缩气体储存能量的系统和方法对于任何其它气体都是有效的。
图8示出根据本发明的AA-CAES系统的非限制性实施例示例。在该图中，实线箭头示出在压缩步骤(能量储存)期间气体的循环，并且虚线箭头示出在膨胀步骤(能量释放)期间气体的循环。该图示出AA-CAES系统，其包括单个压缩级12、单个膨胀级14和用于储存和释放热量的系统1。系统包括用于压缩气体的储存容器13。用于储存和释放热量的系统1插入压缩级12或膨胀级14与用于压缩气体的储存容器13之间。以传统方式，在能量储存阶段(压缩)中，首先在压缩机12中压缩空气，然后在热量储存系统1中冷却。压缩和冷却的气体储存在容器13中。在压缩阶段冷却压缩气体之后，热量储存系统1的热量储存颗粒是热的。在能量的回收(膨胀)期间，储存的压缩气体在用于储存和释放热量的系统1中被加热。然后，以常传统方式，气体通过一个或多个膨胀级14(根据图1所示的示例的一个级)。
根据本发明的用于通过压缩气体储存和回收能量的系统不限于图8中的示例。可以设想其它配置：不同数量的压缩和/或膨胀级、使用确保压缩和膨胀的可逆装置等。
可替代地，根据本发明的用于储存和回收热量的系统可用于需要储存热量的任何类型的用途，特别是用于储存太阳能或风能，或用于任何类型的工业，例如冶金等。
另外，本发明涉及用于储存热量的方法，其中进行以下步骤：
a)在热量储存颗粒床中循环待冷却的流体；和
b)将流体的热量的一部分储存在颗粒中，并且在颗粒床的至少一端处调节颗粒的温度，例如通过加热位于流体通过其离开的颗粒床的端部(“冷侧”)处的颗粒。
根据本发明的用于储存热量的方法还可单独或组合地包括以下步骤：
-通过加热待冷却的热流体通过其进入的床侧上的颗粒和通过冷却冷却的流体通过其离开的床侧上的颗粒来调节温度，
-通过在颗粒床的一部分中循环热流体来调节温度，
-通过供应电阻来调节温度，
-使用热交换调节温度，
-使用热泵系统调节温度。
根据该方法的变型实施例，在步骤a)期间，优选在步骤a)结束时，调节颗粒床的“热侧”的温度。优选地，通过在“冷侧”加热颗粒来调节温度。
热量储存方法可用先前描述的用于储存和释放热量的系统的实施例变型中的一个，或先前描述的变型的组合中的一个来进行。特别地，床可以是固定的、移动的或流化床，颗粒可包括相变材料，热调节装置可包括热泵、电阻器、热交换器和/或用于循环热流体的装置。
此外，本发明涉及用于释放热量的方法，其中进行以下步骤：
a)将热量的一部分储存在颗粒中，并且在颗粒床的至少一端处调节颗粒的温度；和
b)在颗粒床中循环待加热的流体，以将热量释放到流体中。
根据本发明的用于释放热量的方法还可单独或组合地包括以下步骤：
-通过加热待加热的冷流体通过其进入的床侧上的颗粒和通过冷却加热的流体通过其离开的床侧上的颗粒来调节温度，
-通过在颗粒床的一部分中循环热流体来调节温度，
-通过供应电阻来调节温度，
-使用热交换调节温度，
-使用热泵系统调节温度。
根据该方法的实施例变型，在步骤b)期间，优选在步骤b)结束时和在步骤b)之后，可调节颗粒床的“热侧”的温度。优选地，通过冷却“热侧”的颗粒来调节温度。
用于释放热量的方法可用先前描述的用于储存和释放热量的系统的实施例变型中的一个，或先前描述的变型的组合中的一个来进行。特别地，床可以是固定的、移动的或流化床，颗粒可包括相变材料，热调节装置可包括热泵、电阻器、热交换器和/或用于循环热流体的装置。
本发明还涉及用于储存和释放热量的方法，该方法由用于储存热量的方法和用于释放热量的方法的连续步骤形成。
然后，“循环”意指该连续的四个步骤：
1)装入(冷却液体)，
2)储存和热调节，
3)排放(加热流体)，和
4)等待和可选热调节。
图5非限制性地示出根据本发明的循环CY的这四个步骤。图5示出作为时间的函数的流速D的曲线。在第一装入步骤CH期间，流体在床中在第一方向上循环，这通常由正流速表示。在第二步骤期间，储存ST热量，而没有流体通过。在该储存步骤ST期间，实施热调节QE。然后，进行排放步骤DE；然后，流体在与装入步骤的第一方向相反的方向上循环，这由负流速表示。然后实施具有热调节QE的等待步骤AT，而没有流体通过。等待步骤以新循环CY的开始结束。
根据本发明的实施例，热调节也可在装入和排放步骤期间进行，优选在装入和排放步骤结束时进行。
例如，在装入期间，颗粒床的“冷侧”的温度可调节，优选通过加热“冷侧”上的颗粒，并且在排放期间，颗粒床的“热侧”的温度可调节，优选通过冷却“热侧”上的颗粒。
本发明还涉及用于通过压缩气体储存和回收能量的方法，其中进行以下步骤：
a)压缩气体，特别是使用压缩机；
b)在根据本发明的用于储存和释放热量的系统中通过热交换冷却压缩气体；
c)储存冷却的压缩气体，特别是使用用于储存压缩气体的装置；
d)在根据本发明的用于储存和释放热量的系统中通过热交换加热储存的压缩气体；和
e)膨胀加热的压缩气体以便产生能量，例如使用用于产生电能的涡轮机。
根据本发明，在气体和颗粒之间的热交换用用于储存和释放热量的系统的颗粒床的端部的热调节来进行。因此，优化AA-CAES型的过程的能量的储存和释放。
根据该方法的实施方式，通过加热气体通过其已进入的颗粒床的端部处的颗粒，和通过冷却气体通过其已离开的固定床的端部处的颗粒来调节颗粒床的温度。
用于通过压缩气体储存能量和恢复能量的方法可用先前描述的用于储存和释放热量的系统的实施例变型中的一个，或先前描述的变型的组合中的一个来进行。特别地，床可以是固定的、移动的或流化床，颗粒可包括相变材料，热调节装置可包括热泵、电阻器、热交换器和/或用于循环热流体的装置。
根据本发明的一方面，方法包括使用串联放置的压缩机的若干个连续的压缩步骤，也称为分级压缩。在这种情况下，对每个压缩级重复步骤a)和b)。因此，气体被压缩和冷却数次。
根据本发明的特征，方法包括使用串联放置的膨胀装置的若干个连续的膨胀步骤，也称为分级膨胀。在这种情况下，对每个膨胀级重复步骤d)和e)。因此，气体被加热和膨胀数次。
步骤a)涉及压缩气体，例如空气。它尤其可以是从周围环境中获取的空气。
步骤b)使得可以在每个压缩步骤之后冷却压缩气体，这使得可以优化下一次压缩和/或能量储存的产量。在储存压缩气体(压缩)期间，热量储存系统使得可以在压缩机的输出处恢复源自气体压缩的最大量的热量，并且在进入下一次压缩之前或在储存之前降低气体的温度。例如，压缩气体可从大于150℃(例如大致190℃)的温度过渡到小于80℃(例如大致50℃)的温度。
步骤c)可使用用于储存压缩气体的装置来进行，该装置可以是天然容器或非天然容器(例如地下腔室)。用于储存压缩气体的装置可在地面上或地下。另外，它可由单个容积或者连接或不连接在一起的多个容积形成。在储存期间，用于储存压缩气体的装置是关闭的。
储存压缩气体直至期望恢复储存的能量时。步骤d)和以下步骤在期望恢复储存的能量时进行。
步骤d)使得可以在每次膨胀之前加热压缩空气，这使得可以优化下一次膨胀的产量。对于步骤d)，可使用在步骤b)期间已用于冷却的热量储存颗粒。在释放能量期间，热量储存装置使得可以在进入下一次膨胀之前通过增加气体的温度来释放最大量的热量。例如，气体可从小于80℃(例如大致50℃)的温度过渡到大于150℃(例如大致180℃)的温度。
在步骤e)期间，压缩气体膨胀。压缩气体的膨胀使得可以产生能量。这种膨胀可使用产生电能的涡轮机来进行。如果气体是空气，那么膨胀空气可排放到周围环境中。
根据本发明的用于通过压缩气体储存和恢复能量的方法和系统可用于储存间歇能量，诸如风能或太阳能，以能够在期望的时间使用该能量。

Claims (16)

1.一种用于储存和释放热量的系统，所述系统包括至少一个用于储存热量的颗粒床，以及用于将流体注入到所述颗粒床中和从所述颗粒床抽出所述流体的装置（3），其特征在于，所述用于储存和释放热量的系统（1）包括在所述颗粒床的各端处的、用于热调节颗粒（2）的装置，其中，用于热调节所述颗粒的装置在所述系统的装入步骤与就在所述装入步骤之后的排放步骤之间使用和/或在所述系统的排放步骤与就在所述排放步骤之后的装入步骤之间使用，所述用于热调节的装置包括用于加热和/或冷却所述颗粒（2）的装置，所述用于加热和/或冷却所述颗粒（2）的装置包括热交换器（7）和/或电阻器（6）和/或用于循环热流体的装置（5）。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括能够在所述颗粒床的第一端处加热所述颗粒（2）的、用于热调节的第一装置，和能够在所述颗粒床的第二端处冷却所述颗粒（2）的、用于热调节的第二装置。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述用于加热和/或冷却的装置位于所述颗粒床内。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述用于加热和/或冷却的装置位于所述颗粒床的周边上。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中固定的颗粒床包括在所述颗粒床内限定所述用于热调节颗粒的装置的绝热材料层（4）。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述用于储存和释放热量的系统（1）包括用于测量所述颗粒（2）的温度的装置。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述流体是气体。
8.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述颗粒（2）是相变材料颗粒。
9.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述流体是空气。
10.一种用于通过压缩气体储存和恢复能量的系统，所述系统包括至少一个气体压缩装置（12）、至少一个用于储存压缩气体的装置（13）、至少一个用于膨胀所述压缩气体以便产生能量的装置（14），和至少一个根据前述权利要求中任一项所述的用于储存和释放热量的系统（1）。
11.一种用于储存热量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a）在根据权利要求1至9中任一项所述的用于储存和释放热量的系统（1）的、用于储存热量的颗粒床中循环流体；和
b）将所述流体的所述热量的一部分储存在所述颗粒（2）中，并且在所述颗粒床的至少一端处调节所述颗粒（2）的温度。
12.一种用于释放热量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a）通过在颗粒床的至少一端处调节所述颗粒（2）的温度，将热量储存在根据权利要求1至9中任一项所述的用于储存和释放热量的系统（1）的、用于储存热量的颗粒床中；和
b）在所述颗粒床中循环流体，以将所述热量从所述颗粒（2）释放到所述流体中。
13.一种用于通过压缩气体储存和恢复能量的方法，其特征在于，所述方法包括使用根据权利要求10所述的用于通过压缩气体储存和恢复能量的系统的以下步骤：
a）压缩气体；
b）在用于储存和释放热量的系统（1）中冷却气体；
c）储存冷却的气体；
d）在所述用于储存和释放热量的系统（1）中对冷却的气体进行加热；和
e）使加热的压缩气体膨胀，以产生能量。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在冷却所述气体和加热所述气体的所述步骤之间，调节在所述颗粒床的至少一端处的温度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在步骤b）中，通过在所述颗粒床的端部处加热所述颗粒（2）来调节所述颗粒床的温度，所述气体已通过所述颗粒床的所述端部离开。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中在步骤d）中，通过在所述颗粒床的端部处冷却所述颗粒（2）来调节所述颗粒床的温度，所述气体已通过所述颗粒床的所述端部离开。
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