CN110494711A - 能量储存和回收系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种能量储存和回收系统。所述系统包括发热层、热能储存层，发热层用于基于输入的电能产生热能，热能储存层被安置为从发热层接收热能，热能储存部分层包括储存热能的热能储存材料。所述系统还包括热能回收层，热能回收层可热连接到热能储存材料，并且可构造为从热能储存层回收热能，其中发热层和热能回收层被热能储存层隔开。

Description

能量储存和回收系统

优先权文件：本申请要求2017年3月23日提交的、标题为“ENERGY STORAGE ANDRETRIEVAL SYSTEM”的澳大利亚临时专利申请No.2017901040的优先权，该申请的内容特此整个地通过引用并入。

技术领域

本公开涉及能量的储存和回收。具体地说，本公开涉及将输入的电能储存为热能并且回收该热能以用于能量恢复的目的。

背景技术

随着其电输出将随着局部环境条件大幅度变化的可再生能源(诸如风能和太阳能)的出现，常规的电网系统现在必须适应间歇的能源。照此，这些可再生源本身不能提供用于基本负载动力的可靠能源，特别是在高需求时间。相反，由于有利的环境条件，在任何给定时间可能从可再生能源产生超过负载要求的过剩的电能也是经常出现的情况。可再生能源的这个间歇性一定程度地约束了这些“干净”能源在大规模电网供电系统中的采用，在大规模电网供电系统中，基本负载动力的可靠递送是关键要求。因此，焦点一直是开发能量储存布置，该能量储存布置被设计储存过剩的产生的电能以然后可以在稍后的时间被回收，并且可以提供用于基本负载动力的合适的能源。

一种方法是通过电和磁储存布置(诸如超级电容器或超导磁性能量储存)来直接储存电能。然而，这些直接储存布置仅支持低额定能量容量和短持续时间储存，该储存不适合大规模电力消耗所必需的1小时以上的大容量储存。

另一种方法是间接储存电能，其中电能首先被转换为机械能、化学能或热能。化学储能(诸如蓄电池)是成熟的技术；然而，它们受相对较短的(10年)寿命的限制。氢燃料电池是新兴的化学储存技术；然而，这些装置通常具有低效率和类似地受限的(10年)寿命。抽水蓄能的形式的机械储存是成熟的，提供高容量、效率和寿命；然而，这些布置限于具有合适的蓄水池的适当地形的区域。压缩空气能量系统可以提供高容量，长达1天释放以及可能地很长的寿命；然而，更大规模的系统再次受具有对于适合的储气缸的要求的适当地形的限制。这些大规模机械储存方法还有不能经济地扩展到低于100MW的额定能量容量和进一步需要大规模资本投资的问题。

采用当热能储存材料经历相位转变(诸如在加热时从固体转变为液体并且在冷却时转变回固体)的热吸收和散发性质的热能储存系统由于它们有保持几乎恒定的温度的特性，已经显示出一些前途。在这些情况下，重要的是选择适当的热能储存材料以与将利用从该热能储存材料回收的热能的能量恢复系统匹配。

这些类型的系统的一个困难是热能储存材料可能随着它改变相位而改变其体积，这通常导致难以使材料容器化。一般来说，较高温度的相位转变是可取的，因为它们在范围更广泛的能量恢复装置上提供可用热量，因为热供应可以总是减少，但是另一方面，它不能增大到高于相位转变的最大操作温度。然而，较高操作温度的采用还使系统上的应力增大，结果，使系统设计复杂化，尤其是组件材料选择和构造。

在一个例子中，硅一直被指示为潜在的热能源材料，因为当它从固体转变为液相时，它具有优良的热储存性质。硅具有任何材料的最高的潜热容量之一，因此与可替代的相变材料(诸如熔融盐水)相比时具有非常高的能量密度。另外，当与在300-600℃范围内操作的其他替代材料相比时，大约1414℃的高熔融温度提供更大的热头(thermal head)来驱动热机。这个高操作温度一般还将改进当热机正在操作将储存的热量转换为其他形式的能量时热机的效率。硅也是丰富的，而且也是无毒的且完全可回收利用的。

不幸的是，硅具有它在固化时膨胀的进一步的性质。这个体积变化，以及就硅来说的所需高操作温度，意味着热能储存材料的容器化和任何储存和回收系统的相关联的结构设计涉及额外的困难。结果，能够基于高温相变材料(诸如硅)的潜热储存性质满足商业要求的、容易扩展的和模块化的热能储存和回收系统的实现一直是非常具有挑战的。

发明内容

在第一方面，本公开提供了一种能量储存和回收系统，该系统包括：

发热层，所述发热层用于基于输入的电能产生热能；

热能储存层，所述热能储存层被安置为从发热层接收热能，所述热能储存层包括储存热能的热能储存材料；以及

热能回收层，所述热能回收层可热连接到热能储存材料，并且可构造为从热能储存层回收热能，其中发热层和热能回收层被热能储存层隔开。

在另一种形式中，发热层基本上被设置在热能储存层的上方。

在另一种形式中，热能储存层基本上被设置在热能回收层的上方。

在另一种形式中，发热层、热能储存层和热能回收层形成相对于彼此基本上平行的层。

在另一种形式中，发热层包括一个或多个电阻加热元件。

在另一种形式中，热能储存层包括用于包含热能储存材料的一个或多个开顶型容器。

在另一种形式中，容器被构造为促进高温相变材料在冷却时向上膨胀。

在另一种形式中，热能回收层热连接到所述一个或多个开顶型容器的基底。

在另一种形式中，热能回收层被构造为在比热能储存层低的温度下操作。

在另一种形式中，热能回收层包括热传导布置和流体传送布置，所述热传导布置传导来自热能储存层的热量，所述流体传送布置用于传送热传递流体以回收从热传导布置传导的热量。

在另一种形式中，流体传送布置是用于使热传递流体循环以回收从热传导布置传导的热量的流体循环布置。

在另一种形式中，热传导布置被构造为在热传递流体的流动中引起湍流。

在另一种形式中，热传导布置包括在操作中延伸到移动的热传递流体中的多个热传导构件。

在另一种形式中，热能储存材料是硅。

在另一种形式中，热能储存材料是共晶材料。

在另一种形式中，热能储存材料是硅基共晶材料。

在另一种形式中，硅基共晶材料是铝-硅-镍共晶体。

在另一种形式中，所述系统在储存模式下操作，其中电能被输入到发热层以产生热能以对热能储存层的热能储存材料进行加热以储存热能。

在另一种形式中，热能储存材料在加热时改变相位。

在另一种形式中，所述系统在回收模式下操作，其中热能回收层被构造为在比热能储存材料低的温度下操作以传导来自热能储存材料的热量。

在另一种形式中，所述系统在储存/回收模式下操作，其中电能被输入到发热层以产生热能以对热能储存层的热能储存材料进行加热以储存热能，并且其中同时热能回收层被构造为在比热能储存材料低的温度下操作以传导来自热能储存材料的热量。

在另一种形式中，所述系统包括恢复回收的热能的能量恢复系统。

在另一种形式中，能量恢复系统以及能量储存和回收系统一起在闭环系统中操作。

在另一种形式中，所述系统包括使热传递流体循环的流体循环部件。

根据权利要求22至24中任一项所述的能量储存和回收系统，其中能量恢复系统包括斯特林发动机。

在另一种形式中，能量恢复系统包括蜗轮布置。

根据第二方面，本公开提供了一种用于储存和回收电能的方法，该方法包括：

在发热层中将电能转换为热能；

通过对包括热能储存材料的热能储存层进行加热来储存热能；并且

通过将热能储存材料热连接到热能回收层来回收储存的热能，其中发热层和热能回收层被热能储存层隔开。

在另一种形式中，将电能转换为热能包括在热能储存材料上方产生热能。

在另一种形式中，回收储存的热能包括在与热能储存层相比低的温度下操作热能回收层。

在另一种形式中，热能储存层的热能储存材料包含在一个或多个开顶型容器中。

在另一种形式中，回收储存的热能包括将热能回收层热连接到所述一个或多个开顶型容器的基底。

在另一种形式中，在较低温度下操作热能回收层包括通过热能回收层传送热传递流体以从热能储存层回收储存的热能。

在另一种形式中，通过热能回收层传送热传递流体包括使热传递流体循环通过热能回收层。

在另一种形式中，储存热能包括在热能储存材料中引起相变。

在另一种形式中，储存热能并且回收储存的热能的步骤同时发生。

在另一种形式中，所述方法包括恢复回收的储存的热能。

在另一种形式中，回收储存的热能并且恢复回收的热能的步骤在闭环中操作。

在进一步的方面，本公开提供了一种用于储存在冷却和从熔融状态凝固时膨胀的高温相变材料的容器，该容器包括使得可以从上方对高温相变材料进行加热的开口顶部，其中该容器被构造为促进高温相变材料在冷却时向上膨胀。

在另一种形式中，所述容器包括基底和侧壁，并且被构造为通过使器皿的侧壁从基底向外渐缩来促进高温相变材料在冷却时向上膨胀。

在另一种形式中，所述容器被成形为开顶型倒截棱锥。

在另一种形式中，所述容器被构造为通过在器皿中包括圆的边缘来促使高温相变材料在冷却时向上膨胀。

在另一种形式中，所述容器的基底被构造为促使从所述容器的基底冷却以使得热能储存材料的凝固优先地在器皿的基底处发生。

附图说明

将参照附图来讨论本公开的实施例，其中：

图1是根据说明性实施例的能量储存和回收系统的系统概览图；

图2是根据另一说明性实施例的能量储存和回收系统的侧截面图；

图3是图1所示的能量储存和回收系统的穿过截面3-3的前截面图；

图4是图1所示的能量储存和回收系统的穿过截面4-4的前截面图；

图5是图1所示的能量储存和回收系统的穿过截面5-5的顶部截面图；

图6是图1所示的能量储存和回收系统的形象的侧截面透视图；

图7是根据说明性实施例的组合的能量恢复系统与能量储存和回收系统的系统概览图；

图8是根据另一说明性实施例的与图2至图6所示的能量储存和回收系统组合的能量恢复系统的顶部透视图；

图9是图8所示的系统的透视截面图；

图10是图8所示的系统的顶部截面图；

图11是图8所示的系统的侧截面图；

图12是图8所示的系统的系统概览图；

图13是根据另一说明性实施例的能量储存和回收系统的形象的视图；

图14是图13所示的能量储存和回收系统的透视截面图；以及

图15是图13所示的能量储存和回收系统的截面端视图。

在以下描述中，相似的标号在整个附图中指定相似的或对应的部分。

具体实施方式

现在参照图1，示出了根据说明性实施例的能量储存和回收系统1000的系统概览。能量储存和回收系统1000包括基于输入的电能的发热部分1010、热能储存部分1020、以及用于回收储存的热能的热能回收部分1030。在该实施例中，热能储存部分1020包括被安置为从发热部分1010接收热能以便储存热能的热能储存材料。热能回收系统1030热连接到热能储存材料，并且可进一步构造为从热能储存部分1020回收热能。

在适当加热时，热能储存材料随着热能储存材料转变到高于材料的相位转变温度而开始改变相位以便储存热能。当热能回收部分1030被构造为在比热能储存材料低的温度下操作时，热能将从热能储存材料释放，并且被传导到更冷的热能回收部分1030进行回收。

能量储存和回收系统1000可以在三种模式下操作。第一种模式是储存模式，在该模式下，输入的电能被输入到发热部分1010，使热能储存材料加热并且最终发生相变以储存热能。在该模式下，热能回收系统1030被构造为使得在它和热能储存材料之间没有很大的温度差。在另一个例子中，可以选择性地使热能回收部分1030与热能储存部分1020热隔离或绝缘以阻止热能在这些部分之间传递。

第二种模式是回收模式，在该模式下，热能回收系统1030被构造为热连接到热能储存部分1020并且在比热能储存材料低的温度下操作，热能将从热能储存材料传导以用于在热能回收部分1030中回收。

第三种模式是组合的储存/回收模式，在该模式下，发热部分100可操作为对热能储存部分1020中的热能储存材料进行加热，并且热能回收部分1030被构造为热连接并且在比热能储存材料低的温度下操作以传送热能进行回收。

现在参照图2至图6，示出了根据另一个说明性实施例的能量储存和回收系统100的各种视图。在该说明性实施例中，发热部分1010、热能储存部分1020和热能回收部分1030分别被构造为发热层100、热能储存层200和热能回收层300，其中发热层100和热能回收层300被热能储存层200隔开。在该实施例形式中，这是通过将这些层构造为相对于彼此基本上平行的层以共同形成被形成在耐热材料的壳内的组装结构500而布置的。

在该实施例中，发热层100包括若干个纵向间隔延伸的、平行的、水平的电加热元件110，每个电发热元件110被容纳在接收电流的形式的输入电能的陶瓷套管中。如将意识到的，输入的电能可以是来自间歇的或连续的、可再生的或不可再生的能源的任何组合。

如将意识到的，可以采用加热元件的其他构造，包括垂直地悬挂或悬垂直杆加热元件。在另一个实施例中，加热元件可以是U形或蛇形，并且垂直地或水平地布置在整个发热部分100中。在涉及较低相位转变温度(例如，低于1100℃)的又一个实施例中，可以采用加热丝，加热丝可以是笔直的或线圈式的，或者具有不规则的构造。

在进一步的实施例中，发热层100可以包括用于通过所产生的电磁场对相变材料进行感应加热的感应加热布置。在一个例子中，可以采用铜线圈来生成所需的振荡电磁场。虽然感应加热可以在发热层100的环境中提供更快的加热和混合电流(对流)的创建，但是，它一般还将需要制冷剂系统来使载流线圈保持处于合适的温度下，并且还可能使发热层100的外部温度升高。

热能储存层200包括包含热能储存材料220的一个或多个开口容器210，热能储存材料220随着热能储存材料220的温度转变到高于相位转变温度而开始改变相位以储存热能，并且在当系统1000在第二种回收模式或组合的储存/回收模式下操作时热能储存材料220热连接到(在该实施例中)更冷的热能回收层300时释放热能。

在一个例子中，热能储存材料220是硅，硅具有大约1414℃的相位转变温度。硅的潜热容量为1807kJ/kg，该潜热容量等于每公吨大约500千瓦小时(kWh)。一般来说，效率更高的是使能量储存和回收系统1000保持处于相位转变温度下并且只在潜热相位下(即，在相位转变和完成熔融之间)操作。然而，在一些应用中，系统1000可以被构造为以更低的效率提供热量/电力。在这种情况下，最初用于从室温对热能储存材料220进行加热的显热可以被回收，并且热能储存材料220被允许冷却到周围温度，因为当系统1000在第二种回收模式下操作时，热能被释放并且被回收。在该示例应用中，额外的350kWh可以以在低效率范围内操作为代价从系统1000回收，并且这还将取决于与能量储存和回收系统1000耦合的能量恢复系统的类型。

在该实施例中，发热层100形成在开口箱体部分510内，开口箱体部分510可以在拆卸位置515处从组装结构500的基底部分520拆卸。以这种方式，合并容纳在陶瓷套管内的电加热元件110的箱体部分510在热能储存层200上方形成腔室120。该例子中的箱体部分具有大约1700mm的边长和大约700mm的高度。陶瓷套管用于使加热元件110与箱体部分510的耐火绝缘部分隔离并且提供支撑以使得加热元件110可以随着热膨胀而膨胀，并且进一步可以被移除而无需将箱体部分510从基底部分520移除。

给定硅的所需的相位转变温度，这暗示着对于发热层100(包括腔室120)和热能储存层200来说操作温度约为1450℃-1550℃。箱体部分510被形成为包括由高温耐热材料形成的内层的多层结构，在该实施例中，所述高温耐热材料由陶瓷纤维板的形式的耐火材料组成，所述耐火材料被选为经受发热部分100中的最热温度(在该实施例中约为1550℃)并且保持结构完整性。该实施例中的顶部部分511具有150mm的厚度，周围的每个内壁部分512均具有50mm的厚度。内壁部分512被由连续的耐热材料形成的三个中间壁部分和外壁部分513、514、515包围，每个壁部分的额定值为逐渐降低的温度。在该说明性实施例中，向外移动的层或壁部分513、514、515包括2x 50mm厚的陶瓷纤维板壁和由方解石硅酸盐板形成的最后的外壁。

如将意识到的，箱体部分510的多层耐热结构的确切的构造可以根据腔室120的预期的操作温度和组装结构500的所需的外部温度而修改。组装结构500的设计要求在这方面类似于高温烤箱、窑或炉的设计要求，这些设计要求将指定内部操作温度和适合于环境的外部“皮肤”温度。作为一般的原则，将组装结构500、特别是箱体部分510(在该例子中，其包括发热层100和热能储存层200)构造为使外部温度最小化将暗示着更多的热能被储存、然后被有用地回收。在该实施例中，组装结构500的期望的外部表面温度约为50℃，但是如以上所概述的，这个外部表面温度应保持尽可能地低，因为这反映了所实现的热绝缘的量。

硅在升高的温度下将容易氧化，在高于500℃的温度下开始氧化。这可以导致形成硅氧化物，这些硅氧化物于是具有比纯硅高的熔点，结果，如果任何氧化发生，则可能使所储存的潜热的量减小。在该例子中，箱体部分510被密封到组装结构500的基底部分520，并且所得的被密封的腔室120在电加热元件110的任何操作之前被填充惰性气体，诸如氮。

如前所述，硅具有它在凝固时将膨胀的性质，因为它释放热能。这具有重要的结果，因为膨胀的热能储存材料220通常将使任何容器中的应力减小，特别是如果材料的凝固不均匀。结果，由于由多个加热和冷却周期造成的诱导的应力，标准类型的容器(诸如圆柱形罐体)将有可能受损。

在该实施例中，每个容器210被构造为具有棱锥或截棱锥形状的开口型或开顶型倒矩形截锥。在该例子中，容器210进一步包括圆的边缘，并且由耐热或耐火材料(诸如高密度的氮化物粘结的碳化硅)形成。在其他例子中，容器可以由其他等级的碳化硅、石英、氧化铝、莫来石或石墨形成，如将意识到的，这些材料全都是可在高于700℃的温度下操作的材料。该容器几何形状被构造为使硅凝固期间容器上的应力减小，因为锥形壁促进或促使硅向上、而不是向外膨胀，结果，使容器壁上的膨胀力减小。这个开口型锥形壁几何形状已经被发现比具有圆柱形构造的标准罐体更有效，不仅相较于这些类型的容器改进了耐应力的性质，而且还能够包含比容器的构造中所用的等量的耐火材料更多的硅。

在该实施例中，每个容器610具有在容器壁的外部测得的600mm x 600mm开口型正方形顶部，其中壁厚为20mm，内壁角度(基底到壁)为110度。此外，每个容器具有200mm的高度，提供了180mm的深度。在另一个实施例中，每个容器610类似地具有在容器壁的外部测得的600mm x 600mm开口型正方形顶部，其中壁厚为20mm，但是高度为250mm，提供了230mm的深度。在该例子中，内壁角度为100度。

如将意识到的，容器厚度将是所需结构刚性和较薄的壁与较厚的壁相比的热导率之间的权衡。在其他实施例中，容器可以被成形为具有平坦底部的圆柱形截面或部分圆柱体截面，该底部具有矩形或正方形顶部开口，该开口具有槽式构造。

在一个实施例中，容器210包含由诸如石墨卡或钛箔的材料形成的牺牲衬垫或膜片，该衬垫或膜片保护容器210在高操作温度下不受储热材料220的影响。这是因为在升高的温度下，由于熔融的硅进入到用于构造容器210的耐火材料中的微裂纹和腔体中，硅可以与容器壁结合。衬垫或膜片的使用还使得比预期的操作温度通常需要的材料等级更低的且成本更有效的耐火材料可以被用于容器构造。

在另一个实施例中，容器210中的一个或多个进一步包括可移除的石墨片盖子，该盖子有助于减少硅的可能的氧化，并且进一步使硅限制到容器210以阻止硅沉积在腔室210内的其他的可能的表面(诸如顶部部分511、内壁部分512、加热元件110或容器210的外部)上，硅沉积在这些表面上可能影响这些组件的完整性和性能。

在该实施例中，四个容器210被部署成规则的2x 2网格，在每个容器之间具有膨胀间隙以允许热膨胀。多个容器的使用对于给定的密闭体积分配应力，并且通过使容器破裂时的损失最小化，还改进了冗余性，因为然后只有一个容器将需要更换。如将意识到的，根据要求，可以使用单个容器，或者可替代地，将多个容器部署在其他网格构造中。在另一个实施例中，容器210可以被形成在多个子层中以形成堆叠层布置以提高对于组装结构500的给定占用空间的能量储存容量。

热能回收层300包括热传导布置310，在该实施例中，热传导布置310包括平面的石墨板311和流体传送布置320，石墨板311的功能是传导来自位于容器210中的热能储存材料220的热量，流体传送布置320用于传送热传递流体以经由热传导布置310从热能储存层200吸收并且回收热能，其中能量然后可以从热传递流体恢复。

在该实施例中，流体传送布置包括流体循环布置320，流体循环布置320包括形成在组装结构500的基底部分520中的U形热传递流体导管321，U形热传递流体导管321在与流体循环部件(诸如被安置来在导管输入322处引入热传递流体的高温风扇)和被安置来在导管输出323处接收热传递流体的能量恢复装置(未示出)组合时，使热传递流体循环以形成闭环系统。基底部分520在该实施例中为具有大约3500mm的长度、大约700mm的高度和大约1800mm的宽度的大体矩形箱体构造。

基底部分520的核心结构由由氧化铝或氮化物结合的碳化硅材料形成的砖形物构成，并且包括基底521和形成热传递流体导管321的壁布置522。基底部分520的顶部523由多层耐热材料组成，类似于上述箱体部分510。在该例子中，基底部分520进一步包括由被焊接在一起的钢板形成的、结构上加强的皮肤或外层。

热传递流体导管321的U形几何形状在该实施例中已经被发现促使热传递流体总体平稳地流动，结果，使热点的发生减少，热点可能影响形成导管的材料的寿命。另外，与单个笔直系统相比，U形几何形状使热能储存层200和连接到能量储存和回收系统1000的任何能量恢复装置之间的距离缩短，因为热能储存层200可以被构造为覆盖U形几何形状的两个腿部。

如将意识到的，根据包括如上所述的笔直通过管道构造的要求，可以采用其他构造。在另一个例子中，导管几何形状可以具有正方形端部的U形构造。在又一个例子中，导管几何形状可以在热能储存层200的下面采用蛇形路径。

在一个说明性实施例中，热传递流体可以是惰性气体，诸如氮、氦或氩或等同物。结果，类似于箱体部分510和腔室120，热能回收层300可以作为基本上密封的系统操作。因为热能回收层300有效地与发热层100和热储存层200分离，热储存层200还使热能回收层300与发热层100分离，所以所述系统的这个部分能够在比能量储存和回收系统1000的这些层低的温度下操作。

导管输入322和导管输出323均具有相关联的装设阀门布置340，装设阀门布置340可操作为变化地调整热传递流体流过导管321的流动。在该实施例中，装设阀门布置340包括输入高温蝶阀342和输出高温蝶阀343。蝶阀342、343均由具有中心石墨杆的蜂巢状石墨板制造，中心石墨杆从基底部分520延伸并且连接到致动器电机，并且在该例子中被控制要么打开、要么关闭。处于关闭状态的阀门342、343有效地密封循环布置320，并且阻止热传递流体移动通过导管320以便使能量储存和回收系统1000与任何能量恢复系统热隔离，并且进一步在该实施例中用于阻挡从系统1000的辐射热传递。

为了进一步帮助来自热能储存层200的热能的传递和回收，热传导布置310包括圆柱形地形成的石墨杆的形式的若干个热传导构件312，在该实施例中，这些石墨杆从石墨板311垂直延伸到循环导管321的底部。在该说明性实施例中，圆柱形石墨杆312被布置为还在热传递流体的流动中引起湍流，与层流相比，湍流帮助通过热传递流体从热能储存层200摄取热能。虽然在该例子中，圆柱形石墨杆312由于石墨的高热导率和圆柱形几何形状的良好的表面积性质而被采用，但是在其他实施例中，热传导构件312或具有其他合适的构造的构件可以被采用。

作为例子，热传导构件可以被形成为具有恒定的截面(诸如六边形或其他n边多边形)或锥形截面(诸如倒圆锥杆或矩形截锥)以平衡通过热传导构件312的热负载。在另一个实施例中，热传导构件312可以是诸如初始杆部分、然后终接于球形部分的几何形状的组合。

就总体构造而言，热传导布置310可以包括，但不限于：

·对齐的热传导构件矩阵；

·用于改进如图5所示的湍流的交错的热传导构件矩阵；

·均匀间隔的热传导构件；

·不均匀间隔的热传导构件；

·可以彼此接触的热传导构件(例如，其中热传导构件是球形的)；或

·以上的任何组合。

在一个例子中，热传导构件的表面做得很粗糙以增大热传递流体的流动中的湍流以改进从热能储存层200的热能摄取。根据热传递流体的期望的流动特性，该粗糙化可以是均匀的或不均匀的。如将意识到的，增大热传递流体中的湍流将导致相关联的压降，这可能需要更强劲的风扇来驱动热传递流体。

总的说来，能量储存和回收系统1000在包括储存模式的三种基本模式下操作，在储存模式下，输入的电能被发热层100转换为热能。在该实施例中，热能为使热能储存层200的热能储存材料220发生相位转变以储存热能的辐射热量的形式。第二种模式是回收模式，在回收模式下，热能储存层200中的储存的热能通过热传导布置310和流体循环布置320被释放并且被热能回收层300回收，这使得热传递流体可以在热能回收层300中循环以从热能储存层200吸收并且回收释放的热能。

第三种模式是组合的储存/回收模式，在该模式下，输入的电能被转换为热能以用于对热能储存材料200进行加热，同时热传递流体在热能回收层300中在较低的温度下循环以回收从热能储存层200释放的热量。

该实施例中的能量储存和回收系统1000包括若干个传感器来帮助系统的操作。这些包括温度传感器以确保工作环境和热传递流体不超过周围组件的操作温度。除了温度传感器之外，系统1000进一步包括一个或多个压力传感器以确定当热传递流体在热能回收层300中循环时热传递流体的压力和流速。如将意识到的，各种传感器与电子控制系统通过接口连接，电子控制系统还管理电加热元件110的供电(例如，逐渐加热以减小热冲击)以及输入阀门322和输出阀门323的操作。

申请人已经发现通过在热能储存层200的上方或顶部大体上设置发热层100并且进一步使热能储存层200设置在热能回收层300的上方或顶部，该分层布置促进热能储存材料220优先从底部向上凝固，结果进一步使容器210上的应力减小。另外，通过使单独一层中的热能回收层300与热能储存层200和发热层100分离，这使得可以将低温材料用于系统1000的这个部分，这显著地降低了成本和设计复杂度，并且使得能量储存和回收系统1000的这个部分可以针对能量回收系统定制或构造。

虽然已经描述了热能储存材料220是硅的以上实施例，但是其他相变材料也可以被采用。在一个例子中，热能储存材料220是共晶材料。在进一步的例子中，共晶材料是硅基共晶材料。硅基共晶材料的例子包括，但不限于：

·具有大约1079℃的熔点的铝-硅-镍(Al-Si-Ni)共晶体，该材料具有稳定的氧化物层，并且进一步在凝固时不会膨胀；

·铁-硅(Fe-Si)共晶体，在该例子中，该Fe-Si共晶体包括50％的硅，并且具有大约1202℃的对应熔点；以及

·铜-硅(Cu-Si)共晶体，在该例子中，该Cu-Si共晶体包括45％的硅，并且具有大约1200℃的熔点。

如将意识到的，热能储存材料220的较低熔点或反应性对系统设计的影响是降低系统的复杂度和成本，因为一般来说，所述系统可以由具有较弱的耐热性或高温稳定性的材料构造。作为例子，与其中成本最有效的容器材料(比如氧化铝、莫来石、二氧化硅或较低等级的碳化硅)可以被采用的合适的共晶体相比，高级碳化硅是硅热能储存材料容器所必需的，并且甚至可能地，高级钢是具有1000℃-1100℃的较低熔融温度的共晶体所必需的。

当它们通过相位转变时具有基本上不变的体积、特别是当它们凝固诸如硅时不会膨胀的共晶体由于施加于容器的应力减小而将使得受到较少约束的容器几何形状可以被采用。在这种情况下，诸如圆形罐体、托盘、直壁容器的容器构造可以被采用。此外，形成热传导布置310的一部分的传导构件312可以诸如通过以下方式进行修改，即，挖出或钻出腔室用以接纳热能储存材料220以进一步减小系统中的热损失。

关于具有小于大约1100℃的合适的熔融温度的共晶体，高级钢(诸如高温不锈钢253MA)可以被用于热传导布置310中。在一个例子中，热传导构件312可以被形成为延伸到循环导管中的肋条或翼片。这些肋条或翼片可以采用以下构造，包括，但不限于：

·与热传递流体的流动方向对齐(即，低湍流)；

·与热传递流体的流动方向成一角度(即，更多湍流)

·交替角度以引起热传递流体的湍流混合；

·垂直于热传递流体的流动方向(即，横向湍流)；或

·以上的任何组合。

在另一个例子中，整个热能回收层300可以由高级钢形成。在该实施例中，流体循环布置320将被形成为整体钢管道布置，由于该布置的热性质，该布置还将用于将热量从热能储存层200传导到热传递流体。如将意识到的，钢管道布置可以被构造为使热传递流体采用迂回的路径来使热传递面积最大化，而且还在热传递流体中引起一些湍流。在另一个实施例中，钢管道布置可以被形成为容纳在升高的大气压力下操作的热传递流体，在这可能是必需的情况下。

如将意识到的，循环热传递流体的物理特性和操作(诸如其压力、温度和成分)可以根据能量恢复装置(ERD)的类型选择，ERD的操作为将来自热传递流体的热能转换为机械能或电能，或者可替代地直接使用热能，例如用于加热的目的。

现在参照图7，示出了根据说明性实施例的组合的能量恢复系统2000与能量储存和回收系统1000的系统概览。在该实施例中，能量恢复系统2000在回收模式下操作时从能量储存和回收系统1000接收传送释放的热能的热传递流体，并且恢复该热能。冷却的热传递流体然后被循环以被能量储存和回收系统1000接收，在能量储存和回收系统1000中，热传递流体中的任何残留的热量都被馈送回能量回收层，从而实现进一步的加热和能量回收周期的重复。

现在参照图8至图11，示出了根据另一个说明性实施例的与图2至图6所示的能量储存和回收系统1000组合的能量恢复系统2000的各种视图。

在该实施例中，能量恢复系统2000包括能量恢复装置2100、流体循环部件2200和相关联的管道组装件2300，管道组装件2300与能量储存和回收系统1000组合被构造为使热传递流体循环通过两个系统1000、2000。在该说明性实施例中，能量储存和回收系统1000被构造为与能量恢复系统2000一起操作，能量恢复系统2000合并了能量恢复装置2100，能量恢复装置2100为基于斯特林动力周期的斯特林发动机，在该例子中，斯特林动力周期是多圆柱体Alpha变体。在该实施例中，热传递或工作流体是惰性气体，诸如氮、氦、氩或等同物。

管道组装件2300包括能量恢复装置输入导管2310，能量恢复装置输入导管2310连接到能量储存和回收系统1000的导管输出323以接收热传递流体，热传递流体然后流过能量恢复装置壳体或罩子2320，能量恢复装置壳体或罩子2320将热传递流体引导到斯特林发动机的形式的能量恢复装置2100，并且包括将热传递流体传递到流体循环部件2200的旁通阀门和管道2330。这样，到斯特林发动机的热量流动可以被控制以在能量储存和回收系统1000内保持与斯特林发动机的形式的能量恢复装置2100的输入要求匹配的最佳的操作条件。在整个两个系统中，碳化硅灰浆可以用于管道系统的接合部分以提供适当的密封。

在该说明性实施例中，流体循环部件2200是可变速的高温风扇，其输出通过循环部件输出导管2340连接到能量储存和回收系统1000的导管输入322，循环部件输出导管2340的大小和形状被制定为补偿风扇出口和输入导管2310之间的尺寸差异以保持所需的流动条件。在该实施例中，高温风扇2200被安置在能量恢复装置2100的后面，在能量恢复装置2100中，工作流体处于其最低温度下，结果，风扇经受较小的应力和热疲劳。在该说明性实施例中，高温风扇2200是包括可变速驱动器的离心式风扇，所述可变速驱动器是可控的以调整热能流过组合的系统1000、2000的流速，结果，调整风扇2200的输出温度和能量恢复速率。如将意识到的，其他类型的风扇或风扇组合(诸如高温轴向风扇)可以被采用。

现在参照图12，示出了如图8至图11所示的组合的系统1000、2000的系统概览图，图8至图11示意性地例示说明能量如何围绕组合的系统流动以及子系统如何相互作用。实线箭头线表示热传递流体的流动，虚线表示传感器、控制器和数据记录器的通信方向。

在操作中，350kg的硅可以在能量储存和回收系统1000中用作热能储存材料220。发热部分100具有60kW的加热容量，并且在该例子中，花费大约8个小时来将硅从周围温度加热到相位转变温度。如将意识到的，该时间将取决于发热部分100中的热损失和可用的加热功率容量。

当硅被熔融时，在热能储存部分200中储存有大约175kWh的潜热，并且通过从1450℃操作到1350℃，有额外的大约20kWh的显热，总共195kWh。

系统1000将有背景热损失，在操作温度下，背景热损失可能在22kWh-25kWh的范围内。在热能回收系统300中还将存在一些最小的附加的热损失，剩余的热能然后可用于能量恢复系统2000。在该例子中，操作能量恢复装置2100需要大约100kW的热功率，在该实施例中，能量恢复装置2100是斯特林发动机，该引擎还将包括从斯特林发动机出来的出口直接热量组件，该组件然后可用于进一步的使用。

由此可见，成该构造的系统100将提供能量恢复系统2000的能量恢复装置2100的大约1.5小时的操作。在另一个实施例中，热能储存材料是Al-Si-Ni共晶体，其与硅相比的主要差异是材料的重量，为了实现相同的储存的能量，对于相同的物理体积来说，与350kg的硅相比，Al-Si-Ni共晶体为700kg。

上述能量储存和回收系统1000的重要的优点是容易地扩展系统以增加可以被储存、然后被回收的能量的量的能力。

现在参照图13，示出了基于热能储存材料220的量的增加的、10MWh能量储存和回收系统4000的形象的视图，其中对于相同体积的材料，就硅来说，热能储存材料220的量增加到20公吨，或者就Al-Si-Ni共晶体来说，热能储存材料220的量增加到40公吨。在该实施例中，在图13中可以看出，系统4000被构造为具有与40英尺装运容器10(即，矩形棱柱)基本上相同的规格的模块化单元，但是确切的尺寸将根据要求变化。如将意识到的，该规格便利于系统4000的运输和部署。

现在参照图14和图15，示出了系统4000的透视截面图和端部截面图，这些图描绘了：发热层4100，其由沿着组装结构450布置的横向布置的加热元件4110(在图15中未示出)组成，组装结构4500由合适的耐热材料形成；热能储存层4200，其由三个开口容器4210组成，每个开口容器4210包含热能储存材料4220，并且合并石墨衬垫4211和斜壁412；以及热能回收层4300，其由热传导布置4310和流体循环布置4320组成，流体循环布置4320为具有循环导管的热传导块的形式。在该实施例中，层4100、4200、4300均占据组装结构4500的基本上整个长度。

在该例子中，假设加热功率为500kW，将花费大约15-20个小时来将热能储存材料4220从周围温度开始加热一直到潜热转变相位开始(可恢复为显热)，然后将花费进一步的20个小时的加热来完成热能储存材料4220的相位转变(可恢复为潜热)。该加热时间将与加热容量一致地大幅度地缩短，即，加热容量翻倍到1MW将是使加热时间缩短两倍的良好逼近。

作为例子，40吨的Al-Si-Ni共晶材料作为热能储存材料4220，那么为使Al-Si-Ni共晶材料在1150℃下进行相变，全部电荷能量约为10MWh。如果热能储存材料4220被允许在能量回收模式下冷却到1000℃，那么大约10MWh+1MWh被释放，并且可用于能量恢复。

在一个例子中，能量恢复系统需要200kW的等量输入功率，并且以30％的效率操作。在该例子中，然后需要大约600kW-700kW(热)来生成200kW(电)与400kW-500kW废热，其中该废热的一定比例可以被恢复以用作可用的废热。基于此，如果总共有11MWh的可用的储存能量(包括显热)，则近似的排放时间将为11,000kWh/700kW＝15.7个小时。

在另一个实施例中，能量恢复系统2000是基于蜗轮布置。在一个例子中，能量储存和恢复系统1000、4000被构造为在高压力下接收热传递流体、对热传递流体进行加热、然后在所需的温度、压力和流速下递送热传递流体以用作工作流体，在这种情况下，用于燃气蜗轮的工作流体。在该例子中，可以采用诸如上述的基本上密封的钢基能量回收部分来包含热传递流体循环热能回收部分时的压力。在该例子中，通常为压缩空气的形式的热传递流体将在600℃-900℃的温度下和4-10巴的压力范围内被递送到基于燃气蜗轮的能量恢复系统。在另一个例子中，处于标准的操作压力下的热传递流体将被引入到单独的热传递布置，该热传递布置具有它自己的热交换器以将热量从热传递流体传递到燃气蜗轮的高压力工作流体。

在一个示例实施例中，燃气蜗轮布置可以在开环构造中操作，在所述开环构造中，外部空气用作热传递流体，该热传递流体然后被传送通过能量储存和回收系统，然后随后被从燃气蜗轮排回到大气中。可替代地，燃气蜗轮布置也可以在闭环构造中操作，在闭环构造中，从燃气蜗轮输出的排出的空气循环回到能量储存和回收系统的空气输入以利用任何残留的热量和/或压力。

其他类型的蜗轮布置也可以与能量储存和回收系统1000组合采用，诸如蒸汽蜗轮或不同蜗轮布置的组合，取决于效率要求。

在另一个实施例中，能量恢复系统2000进一步包括附加的常规的能量供应系统以在需求可能更大的情况下补充恢复的能量，或者当从能量储存和回收系统1000被耗尽或者正在进行维修时用作备用/备份系统。如将意识到的，所用的常规的供应系统的类型将取决于要求，并且可以包括，但不限于：

·电网备份；

·柴油发电容量；

·基于可再生的和/或不可再生的组合(例如，风、太阳能、光伏、柴油等)的微网；

·常规的蓄电池储存(例如，锂、铅酸等)；

·热和/或非热废物到能量的系统；

·用于加热的燃气锅炉；或

·以上的任何组合。

如以上所讨论的，图6至图10所示的组合的能量恢复系统2000与能量储存和回收系统1000涉及闭环系统。如上所述，在其他实施例中，能量储存和回收系统1000可以被构造为在开环系统中操作。

如将意识到的，上述示例系统可以扩展到任何合适的大小，包括能够储存和回收200MWh的电网级能量储存和回收系统。另外，上述示例系统因为它们的模块化设计，可以根据储存要求并联或串联布置或者成并联和串联布置的组合以提供多个GWh的储存和回收容量。

以这种方式，这些系统非常适合于解决可再生能源的能量储存要求，其中这个固有地间歇性的能源可以根据需要储存和回收以帮助满足标准电网配送架构内的基本负载需求(即，几百MWh的储存和50MW的电功率输出)到更小规模的系统内的基本负载需求(即，两个MWh的储存和10kW的电功率输出)。

在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和“包含”及其变型将被理解为暗示包括所陈述的一个特征或一组特征，但是并不排除任何其他的一个特征或一组特征。

本说明书中对于任何现有技术的论述不是，并且不应被看作是，承认这样的现有技术形成公知常识的一部分的任何形式的示意。

本领域技术人员将意识到，本发明在其用途上不限于所描述的特定应用。本发明在其优选实施例中关于其中所描述的或描绘的特定元件和/或特征也没有限制。将意识到，本发明不限于所公开的一个实施例或多个实施例，但是在不脱离权利要求所阐述和限定的本发明的范围的情况下，能够有许多重排、修改和替换。

Claims (37)

1.一种能量储存和回收系统，包括：

发热层，所述发热层用于基于输入的电能产生热能；

热能储存层，所述热能储存层被安置为从发热层接收热能，所述热能储存层包括储存热能的热能储存材料；以及

热能回收层，所述热能回收层可热连接到热能储存材料，并且可构造为从热能储存层回收热能，其中所述发热层和热能回收层被热能储存层隔开。

2.根据权利要求1所述的能量储存和回收系统，其中所述发热层基本上被设置在热能储存层的上方。

3.根据权利要求1或2所述的能量储存和回收系统，其中所述热能储存层基本上被设置在热能回收层的上方。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的能量储存和回收系统，其中所述发热层、热能储存层和热能回收层形成相对于彼此基本上平行的层。

5.根据前述权利要求中任一项所述的能量储存和回收系统，其中所述发热层包括一个或多个电阻加热元件。

6.根据前述权利要求中任一项所述的能量储存和回收系统，其中所述热能储存层包括用于包含所述热能储存材料的一个或多个开顶型容器。

7.根据权利要求6所述的能量储存和回收系统，其中所述容器被构造为促进高温相变材料在冷却时向上膨胀。

8.根据权利要求6或7所述的能量储存和回收系统，其中所述热能回收层热连接到所述一个或多个开顶型容器的基底。

9.根据前述权利要求中任一项所述的能量储存和回收系统，其中所述热能回收层被构造为在比所述热能储存层低的温度下操作。

10.根据权利要求9所述的能量储存和回收系统，其中所述热能回收层包括热传导布置和流体传送布置，所述热传导布置传导来自热能储存层的热量，所述流体传送布置用于传送热传递流体以回收从热传导布置传导的热量。

11.根据权利要求10所述的能量储存和回收系统，其中所述流体传送布置是用于使热传递流体循环以回收从热传导布置传导的热量的流体循环布置。

12.根据权利要求10或11所述的能量储存和回收系统，其中所述热传导布置被构造为在所述热传递流体的流动中引起湍流。

13.根据权利要求12所述的能量储存和回收系统，其中所述热传导布置包括在操作中延伸到移动的热传递流体中的多个热传导构件。

14.根据前述权利要求中任一项所述的能量储存和回收系统，其中所述热能储存材料是硅。

15.根据权利要求13所述的能量储存和回收系统，其中所述热能储存材料是共晶材料。

16.根据权利要求15所述的能量储存和回收系统，其中所述热能储存材料是硅基共晶材料。

17.根据权利要求16所述的能量储存和回收系统，其中所述硅基共晶材料是铝-硅-镍共晶体。

18.根据前述权利要求中任一项所述的能量储存和回收系统，其中所述系统在储存模式下操作，其中电能被输入到发热层以产生热能以对热能储存层的热能储存材料进行加热以储存热能。

19.根据权利要求18所述的能量储存和回收系统，其中所述热能储存材料在加热时改变相位。

20.根据权利要求18或19所述的能量储存和回收系统，其中所述系统在回收模式下操作，其中所述热能回收层被构造为在比所述热能储存材料低的温度下操作以传导来自所述热能储存材料的热量。

21.根据权利要求20所述的能量储存和回收系统，其中所述系统在储存/回收模式下操作，其中电能被输入到发热层以产生热能以对热能储存层的热能储存材料进行加热以储存热能，并且其中同时所述热能回收层被构造为在比所述热能储存材料低的温度下操作以传导来自所述热能储存材料的热量。

22.根据前述权利要求中任一项所述的能量储存和回收系统，进一步包括恢复回收的热能的能量恢复系统。

23.根据权利要求22所述的能量储存和回收系统，其中所述能量恢复系统以及能量储存和回收系统一起在闭环系统中操作。

24.根据权利要求23所述的能量储存和回收系统，其中所述系统包括使所述热传递流体循环的流体循环部件。

25.根据权利要求22至24中任一项所述的能量储存和回收系统，其中所述能量恢复系统包括斯特林发动机。

26.根据权利要求22至24中任一项所述的能量储存和回收系统，其中所述能量恢复系统包括蜗轮布置。

27.一种用于储存和回收电能的方法，包括：

在发热层中将电能转换为热能；

通过对包括热能储存材料的热能储存层进行加热来储存所述热能；并且

通过将所述热能储存材料热连接到热能回收层来回收储存的热能，其中所述发热层和热能回收层被热能储存层隔开。

28.根据权利要求27所述的用于储存和回收电能的方法，其中将电能转换为热能包括在所述热能储存材料上方产生热能。

29.根据权利要求27或28所述的用于储存和回收电能的方法，其中回收储存的热能包括在与热能储存层相比低的温度下操作热能回收层。

30.根据权利要求28或29所述的用于储存和回收电能的方法，其中所述热能储存层的热能储存材料包含在一个或多个开顶型容器中。

31.根据权利要求30所述的用于储存和回收电能的方法，其中回收储存的热能包括将热能回收层热连接到所述一个或多个开顶型容器的基底。

32.根据权利要求29至31中任一项所述的用于储存和回收电能的方法，其中在较低温度下操作热能回收层包括通过热能回收层传送热传递流体以从热能储存层回收储存的热能。

33.根据权利要求32所述的用于储存和回收电能的方法，其中通过热能回收层传送热传递流体包括使热传递流体循环通过热能回收层。

34.根据权利要求27至33中任一项所述的用于储存和回收电能的方法，其中储存热能包括在热能储存材料中引起相变。

35.根据权利要求27至34中任一项所述的用于储存和回收电能的方法，其中所述储存热能并且回收储存的热能的步骤同时发生。

36.根据权利要求27至35中任一项所述的用于储存和回收电能的方法，进一步包括恢复回收的储存的热能。

37.根据权利要求36所述的用于储存和回收电能的方法，其中所述回收储存的热能并且恢复回收的热能的步骤在闭环中操作。