CN109196296B

CN109196296B - 包括至少两个同心热存储容积的热存储和释放的系统和方法

Info

Publication number: CN109196296B
Application number: CN201780030374.XA
Authority: CN
Inventors: F·理查德; D·泰塞拉; F·德洛
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2037-04-12
Also published as: FR3051549A1; US10837713B2; ES2777635T3; CN109196296A; EP3458791A1; EP3458791B1; FR3051549B1; WO2017198397A1; US20190195570A1

Abstract

本发明涉及用于存储和恢复热量的设备和方法，所述设备和方法包括至少两个同心的热存储容积(TES1,TES2,TES3)。界定这些存储容积的壁(2)构造成使得界定中央存储容积的壁的厚度大于界定周界存储容积的壁的厚度。

Description

包括至少两个同心热存储容积的热存储和释放的系统和方法

技术领域

本发明涉及热存储和恢复领域，特别是用于在AA-CAES类型(“高级绝热压缩空气能量存储”)的系统或过程中储热。

背景技术

在压缩空气能量存储系统(CAES)中，将在另一时间使用的能量以压缩空气的形式存储。为了存储，能量(特别是电能)驱动空气压缩机，并且为了利用能量，压缩空气驱动涡轮机，该涡轮机可以连接到发电机。这种解决方案的产率不是最佳的，因为来自压缩空气的能量的一部分是不使用的热量形式。事实上，在CAES过程中，仅使用来自空气的机械能，即压缩过程中产生的所有热量都被浪费。举例来说，压缩至8MPa(80巴)的空气在压缩期间加热至约150℃，但在存储前冷却。此外，CAES系统的产率不是最佳的，因为随后，该系统必须加热存储的空气以使空气膨胀。事实上，如果空气在8MPa(80巴)和环境温度下存储，并且如果能量要通过膨胀回收，空气的减压再次遵循等熵曲线，但是这次从初始存储条件(大约8MPa和300K，即大约27℃)开始。因此，空气冷却到不现实的温度(83K，即191℃)。因此，它必须重新加热，这可以使用采用气体或其他燃料的燃烧器来进行。

该CAES系统目前存在多种变型。特别地，可以提到以下系统和过程：

·ACAES(“绝热压缩空气能量存储”)，其中空气由于压缩而存储在高温下。然而，这种类型的系统需要特定、庞大和昂贵的存储装置(绝热存储)。

·AACAES(“高级绝热压缩空气能量存储”)，其中空气存储在环境温度下，由于压缩产生的热量也单独存储在热存储系统TES(“热能存储”)中。存储在TES中的热量用于在空气膨胀之前加热空气。在一些设计中，热量使用固体颗粒存储在存储系统中。

此外，这种类型的热交换系统还用于其他领域：太阳能、海洋能的存储、冶金过程等。

热交换、存储和恢复设备的设计标准之一是它们对交换热量的流体的高压和高温的抵抗力。这种对高压和高温的抵抗通常是通过使这些热交换和存储系统的结构元件非常厚来实现的，这意味着质量很大和价格很高。

此外，当需要存储来自在特定温度和/或压力下的流体的热量时，需要至少两个热存储系统TES，这使得系统体积庞大(需要大的占地面积)。

为了克服这些缺点，专利申请US 2011/0127004A1为热存储系统的设计提出了几种解决方案。设想的解决方案之一在于生产具有两个同心热存储容积的热存储系统。就界定容积的壁的厚度而言，这种设计不是最佳的；事实上，外壁承受较大的压差，这意味着必须使用较厚的外壁。此外，使该解决方案适应大于100巴的高压也需要增加壁的厚度，这意味着质量更大且价格更高。

发明内容

本发明涉及一种用于存储和恢复热量的设备，该设备包括至少两个同心的热存储容积。界定这些存储容积的壁以这样的方式构造，即、使得界定中央存储容积的壁的厚度大于界定周界存储容积的壁的厚度。因此，可以将从高压流体获得的热量存储在中央容积中，并且将从较低压力的流体获得的热量存储在周界容积中。以这种方式，减小了每个壁所暴露于的压差。这种设计还意味着该设备可以在高压下使用，同时优化热存储和回收设备的质量和成本。

根据本发明的设备和过程

本发明涉及一种用于存储和恢复热量的设备，该设备包括由同心壁界定的至少两个热存储容积，所述热存储容积包括热存储材料。界定所述热存储容积的所述同心壁的厚度从界定所述中央热存储容积的所述壁朝向界定所述周界热存储容积的所述壁减小。

根据本发明的一个实施例，用于存储和恢复热量的所述设备包括至少三个同心的热存储容积。

有利地，所述壁由金属制成，特别是由钢制成。

根据一个实施例，所述壁通过组装至少一个单层或多层金属片卷而成、特别是通过使用焊接组装而形成。

有利地，所述壁用至少一个周缘环加强。

根据一种变型，位于用于存储和恢复热量的所述设备的周界处的界定热存储容积的所述壁被绝缘材料覆盖。

根据一个实施例，所述热存储材料由混凝土珠形成。

根据一个特征，用于存储和恢复热量的所述设备包括设置在所述壁2之间的至少一个杆和/或加强板。

根据一个实施例选项，每个热存储容积由串联和/或并联的多个模块形成。

此外，本发明涉及一种使用根据前述特征之一的用于存储和恢复热量的设备来存储和恢复热量的过程，其中执行以下步骤：

a)处于第一压力P1的流体在用于存储和恢复热量的所述设备的第一热存储容积中移动；和

b)处于第二压力P2的所述流体在用于存储和恢复热量的所述设备的第二热存储容积中移动，所述第二压力P2高于所述第一压力P1，并且所述第二热存储容积位于所述第一热存储容积的内部。

根据一个实施例，步骤b)以这样的方式重复，即、使得所述流体在用于存储和恢复热量的所述设备的每个热存储容积中连续移动。

此外，本发明涉及一种使用压缩气体存储和回收能量的系统，该系统包括至少两个用于压缩所述气体的装置、至少一个压缩气体存储装置、至少两个用于使所述压缩气体膨胀以产生能量的装置。用于存储和回收能量的所述系统包括根据前述特征之一的用于存储和恢复热量的设备，用于存储和恢复热量的所述设备的第一热存储容积能够冷却在所述气体压缩装置之间的压缩气体和/或能够加热在所述气体膨胀装置之间的气体，并且在所述第一热存储容积内部的用于存储和恢复热量的所述设备的第二热存储容积能够冷却在气体压缩装置和所述压缩气体存储装置之间的压缩气体和/或能够加热在所述压缩气体存储装置和第一气体膨胀装置之间的压缩气体。

有利地，使用压缩气体存储和回收能量的所述系统包括至少三个气体压缩装置和至少三个气体膨胀装置，并且用于存储和恢复热量的所述设备包括至少三个热存储容积。

本发明还涉及一种使用压缩气体存储和回收能量的方法。该方法包括使用具有前述特征之一的用于存储和回收能量的系统的以下步骤：

a)压缩气体；

b)在用于存储和恢复热量的所述设备的第一热存储容积中冷却所述压缩气体；

c)压缩所述冷却气体；

d)在用于存储和恢复热量的所述设备的第二热存储容积中冷却所述压缩气体，所述第二热存储容积位于所述第一热存储容积的内部；

e)存储所述冷却气体；

f)在所述第二热存储容积中加热所述存储气体；

g)使所述加热气体膨胀以产生能量；

h)在所述第一热存储容积中加热所述膨胀气体；和

i)使所述加热气体膨胀。

根据一个实施例，对于每个气体压缩装置和/或每个气体膨胀装置重复步骤c)和d)和/或h)和i)。

附图说明

根据本发明的设备和过程的其它特征和优点将从参照附图并在下文中描述的实施例的非限制性示例的以下描述中变得显而易见。

图1a和1b示出了根据本发明的一个实施例的用于存储和恢复热量的设备的截面图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的用周缘环加强的壁。

图3图解地示出了根据本发明的实施例的使用压缩气体存储和回收能量的系统。

图4图解地示出了根据本发明的另一个实施例的使用压缩气体存储和回收能量的系统。

图5是示出根据本发明和根据现有技术的用于存储和恢复热量的设备的壁的直径之间的比较的曲线图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于存储和恢复热量的设备，该设备在说明书的其余部分中将被称为“热存储设备(储热设备)”。热存储设备的目的是存储从热流体获得的热量，并将该热量恢复到冷流体。根据本发明的用于存储和恢复热量的设备包括由同心壁界定的至少两个热存储容积。因此，热存储设备包括至少一个基本上圆柱形的存储容积(也称为中央容积)和围绕圆柱形存储容积设置的至少一个环形存储容积。第一壁设置在圆柱形热存储容积周围，从而界定了中央热存储容积。第二壁设置在环形容积周围。因此，环形容积由第一和第二壁界定。由最外壁界定的热存储容积称为周界热存储容积。换句话说，周界容积是外部最远的热存储容积，并且没有被任何其它热存储容积包围(与被至少一个其它存储容积包围的其它存储容积相反)。优选地，壁具有基本上圆柱形的形状，并且优选是竖直的。

每个热存储容积包括热存储材料。热存储材料是能够与流体进行热交换的材料。它能够通过存储热量来冷却热流体，并且能够加热冷流体来将热量恢复到冷流体。热存储材料可以是任何类型，例如呈分立元件的形式，特别是呈珠(珠状物)的形式。珠可以具有在1至50mm的范围内的直径。该材料可以是相变材料(PCM)、混凝土或任何类似材料。根据适于使用AACAES型系统的热存储设备的一个示例性实施例，热存储材料可以包括直径大于10mm的混凝土珠。这种热存储材料的优点在于，在温度变化过程中，各种部件直径的变化不会引起任何问题。

根据本发明，界定所述热存储容积的连续各壁的厚度从界定中央热存储容积的壁朝向周界热存储容积的壁减小(不是严格地，即它们减小或相等)。换句话说，界定中央容积的壁具有厚度e1，该厚度大于或等于界定围绕中央容积的第一环形容积的壁的厚度e2，该厚度e2本身大于或等于界定围绕第一环形容积的第二环形容积的壁的厚度e3，并且以此类推。如果热存储设备包括由N个壁隔开的N个单独的热存储容积，这些壁具有各自的厚度ei(i从1到N变化，其中1对应于中央容积的壁，N对应于周界容积的壁)，则可以写出以下不等式：eN≤eN-1≤...≤e3≤e2≤e1，这些不等式中的至少一个是严格不等式。由于这种设计，中央热存储容积能够接收压力高于环形热存储容积内压力的流体，而周界存储容积能够接收压力低于其他热存储容积内压力的流体。因此，这种构造可以用来限制每个壁上的压差。事实上，由于中央热存储容积的壁(旨在接收最高压力)承受较低的压差，该中央壁不需要像压差高时那样厚。

可以组合下面描述的各种实施例，以便组合它们的效果。

优选地，热存储设备包括至少三个同心热存储容积(和因此至少三个壁)。优选地，热存储设备包括三个或四个热存储容积(和因此三个或四个壁)。这种构造特别适用于通常包括三个或四个压缩级的AACAES型系统。事实上，这意味着可以获得两个连续的TES之间较小的压力变化，这显著地减小了壁的厚度。此外，这种构造特别适用于高压，从而限制了热存储设备的质量和成本。

热存储设备的壁旨在承受热存储材料的重量和压差。此外，对于热存储设备的一些应用，壁可以经受大约300℃的温度。

根据本发明的一种设计，为了满足标准，壁可以由金属形成，特别是由钢形成。替代地，可以设想其它材料。

金属壁可以通过组装(例如通过焊接)金属片卷来获得。该壁可以是单层的(具有单一厚度)。替代地，可以通过组装多层金属片卷、例如通过焊接多层金属片卷来获得壁。该多层实施例意味着可以获得比单层金属片薄的分立金属片厚度，这有利于加工。该多层实施例的变型可以通过组装预张紧的上层来获得，以便通过摩擦配合在外层上来制造多层壁，这意味着制造壁所需的材料量可以被优化。

根据一个实施例，壁可以例如用至少一个周缘环来加强，这意味着可以制造更薄的壁并且可以容易地添加加强件以抵抗由于流体压力而产生的应力。周缘环可以优选地由金属形成，特别是由钢形成。该壁可以用在6到20个范围内、优选在10到15个范围内的多个周缘环来加强。

根据一种构造，所有的壁可以以相同的方式制造，并且只有它们的厚度会变化。替代地，壁可以是不同类型的(单层、多层、具有加强件或没有加强件等)。

根据本发明的一个实施例，界定周界热存储容积的壁被绝缘材料覆盖。因此，有可能保持热存储设备内部的温度，这有助于存储热。绝缘层可以布置在界定周界存储容积的壁的外部和/或内部。绝缘层不能承受各种力，因此绝缘层不构成壁的一部分：在周界容积的壁的厚度中不应考虑绝缘层的厚度。

因为热存储容积同心布置，所以与现有技术系统相比，可以使用更少量的绝缘材料。事实上，内部存储容积(最靠近中心的存储容积)被直径较大的存储容积来绝缘(隔热)；与传统的热存储设备不同的是，仅周界热存储容积的壁必须被绝缘。

根据本发明的一个实施例，热存储设备可以包括至少一个加强杆和/或至少一个加强板，该加强板可能被穿孔。该加强杆和/或板以相互保持壁在各环形部分中的定位的方式设置在壁之间，基本上垂直于壁。

此外，热存储设备可以包括至少一个设置在各壁之间的格栅，该格栅能够支撑热存储材料的重量。

根据一个实施例，热存储设备可以被设计成串联和/或并联的几个模块的形式，以便通过由此提供尺寸和重量减小的元件而方便其安装和运输。这些不同的元件可以处于例如从70巴到120巴变化的稍微不同的压力下，以便适应在其整个高度上可能没有相同的压力的热存储设备的操作。

根据一个实施例，可以产生中间水平，以便在中央容积中产生感兴趣的压差，而不产生用作热存储容积的补充贮存器。这可能具有刚好足以施加压力的小的环形间隙。作为示例，对于该实施例，可以提供没有热存储材料的同心容积。

优选地，热存储设备以各种容积中的温度梯度为基本相同的方式构造。

图1a和1b以图解和非限制性的方式示出了根据本发明的一个实施例的热存储设备。图1a是热存储设备的竖直半截面图。图1b是同一热存储设备的水平截面图。热存储设备1包括三个热存储容积TES1、TES2、TES3。这些热存储容积TES1、TES2、TES3由竖直的圆柱形壁2界定。在该图中，壁2的厚度以相同的方式表示，但是中央壁的厚度大于中间壁的厚度，中间壁的厚度本身大于周界壁的厚度。热存储容积TES1、TES2、TES3包括热存储材料3，例如混凝土珠。热存储设备还包括覆盖周壁2的外表面的绝缘层4。此外，热存储设备包括用于支撑壁2的加强杆5。这些加强杆5设置在各个壁2之间。

通过改变热存储容积的数量(和因此壁的数量)(热存储容积例如可以是四个)，通过添加或移除加强杆5，将绝缘层4移动到周壁2的内部，等等，图1a和1b的热存储设备可以被修改。

图2以图解和非限制性的方式表示根据本发明的实施例的壁。壁2是圆柱形的。它可以由金属制成，特别是由钢制成。壁2包括多个周缘加强环6，在图2的示例中为12个。周缘环6可以由金属制成，特别是由钢制成。

此外，本发明涉及一种使用热存储设备存储和恢复热量的方法。对于这个方法，通过移动中央热存储容积中压力最高的流体和周界热存储容积中压力最低的流体，流体在每个热存储容积中移动。流体的压力从热存储设备的中心朝向热存储设备的周界降低。换句话说，对于该过程，可以执行以下步骤：

a)处于第一压力P1的流体在用于存储和恢复热量的设备的第一热存储容积中移动；

b)处于第二压力P2的流体在用于存储和恢复热量的设备的第二热存储容积中移动，第二压力P2高于第一压力P1，并且第二热存储容积位于第一热存储容积的内部；和

c)可选地，通过移动位于前一容积内部的热存储容积中的流体，为每个热存储容积重复步骤b)，所述流体具有高于前一压力的压力。

这些步骤a)、b)和c)可以相继或同时进行。

此外，本发明涉及一种配备有热存储装置(例如AACAES型)的使用压缩气体来存储和回收能量的系统。在该实施方式中，压力下的气体(通常是空气)被冷藏。根据本发明的能量存储和回收系统包括：

-至少两个分级气体压缩装置(或压缩机)。每个气体压缩装置可以由马达，特别是电动马达驱动；

-至少一个用于存储由气体压缩装置压缩的气体的装置(也称为贮存器)。压缩气体存储装置可以是或可以不是天然贮存器(例如地下洞穴)。压缩气体存储装置可以在地面或地下。此外，它可以由单个容积或由可以连接或不连接的多个容积形成；

-至少两个分级气体膨胀装置(也称为减压器或涡轮机)，其可用于使压缩和存储的气体膨胀。每个气体膨胀装置可用于产生能量，特别是使用发电机产生电能；

-至少一个热存储和恢复设备，以便在能量存储阶段存储从压缩气体获得的热量，并允许在能量恢复阶段恢复存储在压缩气体中的热量；热存储和恢复系统优选放置在压缩装置的出口和膨胀装置的入口。

根据本发明，热存储和恢复设备根据上述实施例的组合中的任何一个：它包括至少两个同心热存储容积。热存储和恢复设备的第一热存储容积能够冷却在气体压缩装置之间的压缩气体和/或能够加热在气体膨胀装置之间的气体，热存储和恢复设备的第二热存储容积位于第一热存储容积的内部，它能够冷却在气体压缩装置和用于存储压缩气体的装置之间的压缩气体和/或能够加热在所述压缩气体存储装置和第一气体膨胀装置之间的压缩气体。

这种构造意味着，与现有技术相比，通过减小界定热存储容积的壁的内部和外部之间的压差，热存储设备的壁的厚度可以减小。此外，这种构造可以通过浓缩热存储设备来节省地面上的空间。此外，通过使用能够产生较小压差的热存储设备，可以使用较小直径，这意味着热存储设备的高度可以受到限制。

当前后相继串联地安装多个压缩装置(或膨胀装置)时，使用术语“分级压缩装置”(或“分级膨胀装置”)：离开第一压缩装置(或膨胀装置)的压缩气体(或膨胀气体)然后进入第二压缩装置(或膨胀装置)中，依此类推。因此，术语“压缩级”或“膨胀级”用于具有多个分级压缩或膨胀装置的压缩或膨胀装置。有利地，当系统包括多个压缩和/或膨胀级时，在每个压缩和/或膨胀级之间进行热交换(借助热存储设备引起)。因此，压缩气体在每次压缩之间被冷却，这意味着后续压缩的产率可以被优化；并且膨胀气体在每次膨胀之间被加热，这意味着后续膨胀的产率可以被优化。压缩级的数量和膨胀级的数量可以在2到10的范围内，优选在3到5的范围内。优选地，压缩级的数量与膨胀级的数量和热存储设备的热存储容积的数量相同。用于使用压缩气体存储和回收能量的系统的优选构造包括三个或四个压缩级、相同数量的膨胀级和相同数量的热存储容积。这种构造还在回收的能量与热存储设备的质量和成本(减小的壁厚)之间提供了良好的折衷。

根据本发明的一种变型，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，这导致根据本发明的系统的重量和体积的节省。

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，用于压缩的进入空气可以取自环境空气，膨胀后的排出空气可以释放到环境空气中。在说明书的其余部分中，将仅描述使用压缩空气的变型及其AACAES应用。然而，该系统和压缩气体能量存储过程适用于任何其它气体。

图3示出了根据本发明的AACAES系统的非限制性示例。在该图中，实线箭头示出了在压缩步骤(能量存储)期间气体的移动，虚线箭头示出了在膨胀步骤(能量恢复)期间气体的移动。该图示出了一种AACAES系统，该系统包括两个压缩级12、两个膨胀级14以及包括两个热存储容积TES1和TES2的热存储和恢复设备1。在该图中(为了简化的目的)，两个热存储容积TES1和TES2并排示出，但是热存储容积TES2设置在热存储容积TES1内；此外，AACAES系统各种元件的定位纯粹是说明性的。该系统包括压缩气体存储贮存器13。第一热存储容积TES1插置在两个压缩级12之间和两个膨胀级14之间。热存储和恢复设备1的第二热存储容积TES2插置在压缩/膨胀级12或14与压缩气体存储贮存器13之间。常规地，在能量存储阶段(压缩)，空气首先在第一压缩机12中被压缩，然后在热存储容积TES1中被冷却。冷却的空气然后被第二压缩级12第二次压缩。压缩气体在第二热存储容积TES2中被第二次冷却。压缩和冷却的气体存储在贮存器13中。在压缩阶段冷却压缩气体之后，热存储系统1的热存储材料是热的。在能量回收(膨胀)期间，存储的压缩气体首先在第二热存储容积TES2中被加热。接下来，以常规方式，气体通过膨胀级14。膨胀的气体在第一热存储容积TES1中被第二次加热。在该第一热存储容积TES1的出口处，气体通过第二膨胀级14。

图4示出了根据本发明的AACAES系统的第二非限制性示例性实施例。在该图中，实线箭头示出了在压缩步骤(能量存储)期间气体的移动，虚线箭头示出了在膨胀阶段(能量恢复)期间气体的移动。该图示出了一种AACAES系统，该系统包括三个压缩级12、三个膨胀级14和一个热存储和恢复设备1，该热存储和恢复设备1包括三个热存储容积TES1、TES2和TES3。在该图中(为了简化的目的)，三个热存储容积TES1、TES2和TES3并排示出，但是热存储容积TES3设置在热存储容积TES2内，热存储容积TES2本身设置在热存储容积TES1内；此外，AACAES系统各种元件的定位纯粹是说明性的。该系统包括压缩气体存储贮存器13。第一热存储容积TES1和第二热存储容积TES2插置在两个压缩级12之间和两个膨胀级14之间。热存储和恢复设备1的第三热存储容积TES3插置在压缩/膨胀级12或14与压缩气体存储贮存器13之间。以常规方式，在能量存储阶段(压缩)，空气首先在第一压缩级12中被压缩，然后在热存储容积TES1中被冷却。冷却的空气然后被第二压缩级12第二次压缩。压缩气体在第二热存储容积TES2中被第二次冷却。冷却的空气然后在第三压缩级12中被压缩第三次。压缩气体在第三热存储容积TES3中被第三次冷却。压缩和冷却的气体存储在贮存器13中。在压缩阶段冷却压缩气体之后，热存储系统1的热存储材料是热的。在能量回收(膨胀)期间，存储的压缩气体首先在第三热存储容积TES3中被加热。接下来，气体通过膨胀级14。膨胀的气体在第二热存储容积TES2中被第二次加热。接下来，以常规方式，气体通过膨胀级14。膨胀的气体在第一热存储容积TES1中被第三次加热。在该第一热存储容积TES1的出口处，气体通过第三膨胀级14。

根据本发明的用于使用压缩气体存储和回收能量的系统不限于图3或4中的示例。可以设想其他构造：不同数量的压缩和/或膨胀级、使用可逆装置来执行压缩和膨胀，等等。

替代地，根据本发明的热存储和回收系统可以用于需要存储热量的任何类型的用途，特别是用于太阳能、风能的存储；或者用于任何类型的工业，例如冶金等。

本发明还涉及使用压缩气体存储和回收能量的过程，其中执行以下步骤：

a)气体被压缩，特别是通过压缩机进行压缩；

b)通过在根据本发明的用于存储和恢复热量的设备的第一热存储容积中的热交换来冷却压缩气体；

c)冷却的气体被压缩，特别是通过第二压缩机进行压缩；

d)通过在用于存储和恢复热量的设备的第二热存储容积中的热交换来冷却压缩气体，第二热存储容积位于第一热存储容积的内部；

e)冷却的压缩气体被存储，特别是通过压缩气体存储装置进行存储；

f)通过热交换，在根据本发明的用于存储和恢复热量的设备的第二热存储容积中加热存储的压缩气体；

g)压缩的加热气体膨胀以产生能量，例如通过涡轮机以产生电能；

h)通过热交换，在用于存储和恢复热量的设备的第一热存储容积中加热膨胀的压缩气体；和

i)加热的压缩气体膨胀以产生能量，例如通过涡轮机以产生电能。

根据本发明的一个实施例，对于每个压缩和/或膨胀级重复步骤c)和d)和/或h)和i)。

使用压缩气体存储和回收能量的过程可以用上述用于存储和恢复热量的设备的变型之一或上述变型的组合中的任何一种来进行。

步骤a)涉及气体、例如空气的压缩。特别地，这可以是从周围介质中去除的空气。

步骤b)和d)可以用于在每个压缩步骤之后冷却压缩气体，这意味着可以优化后续压缩和/或能量存储步骤的产率。在压缩气体的存储(压缩)期间，热存储设备可用于回收从在压缩机出口处气体的压缩获得的最大量热量，并在气体进入下一次压缩之前或在压缩气体存储之前降低气体的温度。作为示例，压缩气体的温度可以从高于150℃，例如大约190℃下降到低于80℃，例如大约50℃。

步骤e)可以在压缩气体存储装置内部进行，该压缩气体存储装置可以是或可以不是天然贮存器(例如地下洞穴)。压缩气体存储装置可以在地面或地下。此外，它可以由单个容积或由可以互连或不互连的多个容积形成。在存储期间，压缩气体存储装置关闭。

压缩气体被存储，直到存储的能量被回收。步骤f)和后续步骤是在要回收存储的能量时进行的。

步骤f)和h)可用于在每次膨胀之前加热压缩空气，这意味着后续膨胀的产率可以被优化。在能量恢复期间，热存储设备可用于通过在气体进入后续的膨胀之前升高气体的温度来回收最大量的存储的热量。作为示例，气体的温度可以从低于80℃，例如大约50℃的温度升高到高于150℃，例如大约180℃的温度。

在步骤g)和i)期间，压缩气体膨胀。压缩气体的膨胀可以用来产生能量。这种膨胀可以使用产生电能的涡轮机来进行。如果气体是空气，则膨胀的空气可以被排空到周围介质中。

根据本发明的使用压缩气体存储和回收能量的过程和系统可以用于存储间歇能量，例如风能或太阳能，以便能够在期望的时间点使用该能量。

说明性示例

描述了由四个热存储容积构成的热存储设备的(非限制性)示例性实施例，使用了石油工业发布的比CODAP(规定不经受火焰作用的压力容器的建造的规范)保守的尺寸：

·具有3.5m的内径和大约100mm量级的厚度的钢壁构成了最高压力为125.6巴的中央热存储容积(表示为TES4)。

·具有5.8m的内径和大约70mm量级的厚度的第二钢壁对应于具有62.5巴的内部压力的第一环形热存储容积(表示为TES3)。

·具有6.28m的内径和大约60mm量级的厚度的第三钢壁对应于具有30.8巴的内部压力的第二环形热存储容积(表示为TES2)。

·具有7.29m的内径和大约14mm量级的厚度的最末钢壁对应于周界热存储容积(表示为TES1)。

·绝缘层被用来覆盖最末钢壁。

每个热存储容积包含内部容积为478.5m3的存储材料，其形式为用于中央热存储容积的圆柱体和用于后续热存储容积的环形空间。该组件可容纳574吨存储材料。为了具有必要的体积，需要接近50m的高度。这可以通过使用串联安装在大约17m的高度上的三个模块来实现。

需要不同数量的钢来生产每个相互连接的热存储容积。表1中给出了每个TES的值：

表1–热存储设备设计示例的钢的质量

	TES 1	TES 2	TES 3	TES 4
					钢的质量(吨)	125	474	404	405

为了现场安装，不同的钢圆柱体可以被分成各种元件，这些元件可以用卡车运输，然后送到现场进行组装和焊接。对于承受最高压力和相应的厚度的TES4，必须特别注意焊缝。随着组装的进行，可以添加存储材料，并且可以安装支撑杆。

根据第二示例，为了证明根据本发明的系统的重要性，特别是就所用钢的厚度而言，将具有四个同心热存储容积的根据本发明的热存储设备INV与由四个不同热存储柱形成的根据现有技术的热存储设备AA进行比较。这两个设备承受相同的应力(温度、流体压力)。表2和图5示出了根据本发明的设备INV和根据现有技术的设备AA之间的差异。图5示出了每个热存储容积TES1、TES2、TES3、TES4(TES1是周界容积，TES4是中央容积)的钢壁的厚度e(mm)。

表2–比较例

可以看出，根据本发明的设备可用于显著减小钢壁所经受的压差。此外，应当注意到，本发明可用于限制钢壁的厚度，这意味着可以限制热存储设备的质量和成本。

Claims

1.一种用于存储和恢复热量的设备，所述设备包括由同心的壁(2)界定的至少一个中央热存储容积和周界热存储容积，所述中央热存储容积和所述周界热存储容积包括热存储材料(3)，其特征在于，界定所述中央热存储容积和所述周界热存储容积的所述同心的壁的厚度从界定所述中央热存储容积(TES3)的壁(2)朝向界定所述周界热存储容积(TES1)的壁(2)减小。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，用于存储和恢复热量的所述设备(1)包括至少三个同心的热存储容积(TES1,TES2,TES3)。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述壁由金属制成。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述壁通过组装至少一个单层或多层金属片卷而形成。

5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述壁用至少一个周缘环(6)加强。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，界定位于用于存储和恢复热量的所述设备(1)的周界处的所述周界热存储容积(TES1)的所述壁(2)被绝缘材料(4)覆盖。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述热存储材料(3)由混凝土珠形成。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，用于存储和恢复热量的所述设备(1)包括设置在所述壁(2)之间的至少一个杆和/或加强板(5)。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，每个热存储容积由串联和/或并联的多个模块形成。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述壁由钢制成。

11.根据权利要求4所述的设备，其中，所述壁通过使用焊接的组装而形成。

12.一种使用根据权利要求1-11中的一项所述的用于存储和恢复热量的设备(1)存储和恢复热量的方法，其中执行以下步骤：

13.根据权利要求12所述的方法，其中，步骤b)以这样的方式重复，即、使得所述流体在用于存储和恢复热量的所述设备的每个热存储容积中连续移动。

14.一种使用压缩气体存储和回收能量的系统，所述系统包括至少两个用于压缩所述气体的气体压缩装置(12)、至少一个压缩气体存储装置(13)、至少两个用于膨胀所述压缩气体的气体膨胀装置(14)以产生能量，其特征在于，用于存储和回收能量的所述系统包括根据权利要求1至11中的一项所述的用于存储和恢复热量的设备(1)，用于存储和恢复热量的所述设备的第一热存储容积(TES1)能够冷却在所述气体压缩装置(12)之间的压缩气体和/或能够加热在所述气体膨胀装置(14)之间的气体，并且在所述第一热存储容积(TES1)内部的用于存储和恢复热量的所述设备(1)的第二热存储容积(TES2)能够冷却在气体压缩装置(12)和所述压缩气体存储装置(13)之间的压缩气体和/或能够加热在所述压缩气体存储装置(13)和所述气体膨胀装置(14)中的第一气体膨胀装置之间的压缩气体。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，使用压缩气体存储和回收能量的所述系统包括至少三个气体压缩装置和至少三个气体膨胀装置，并且用于存储和恢复热量的所述设备(1)包括至少三个热存储容积。

16.一种使用压缩气体存储和回收能量的方法，其特征在于，所述方法包括使用根据权利要求14或权利要求15所述的用于存储和回收能量的系统进行以下步骤：

a)压缩气体；

b)在用于存储和恢复热量的所述设备(1)的第一热存储容积(TES1)中冷却被压缩的气体；

c)压缩被冷却的气体；

d)在用于存储和恢复热量的所述设备(1)的第二热存储容积(TES2)中冷却被压缩的气体，所述第二热存储容积(TES2)位于所述第一热存储容积(TES1)的内部；

e)存储被冷却的气体；

f)在所述第二热存储容积(TES2)中加热被存储的气体；

g)使被加热的气体膨胀以产生能量；

h)在所述第一热存储容积(TES1)中加热膨胀的气体；和

i)使被加热的气体膨胀。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，对于每个气体压缩装置(12)和/或每个气体膨胀装置(14)重复步骤c)和d)和/或h)和i)。