CN111448439A - 用于借助套环进行热量储存和释放的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于热量储存和回收的系统和方法，包括储存颗粒的至少一个固定床(2)。颗粒的固定床(2)包括障碍物(4)，例如套环，其设置在储存颗粒的固定床(2)的周边上，并且大致垂直于所述流体的循环流动(3)。本发明还涉及用于能量储存和回收的系统和方法，其使用所述热量储存和回收的系统和方法。
Description
技术领域
本发明涉及通过被压缩气体，特别是空气的能量储存(CAES-压缩空气能量储存)领域。具体地，本发明涉及一种AACAES(先进绝热压缩空气能量储存)系统，其中，提供了气体的储存和所产生的热量的储存。
背景技术
在压缩空气能量储存(CAES)系统中，期望在以后使用的能量被存储为压缩空气。为了储存，能量，尤其是电能驱动空气压缩机，而为了释放(déstockage)，压缩空气驱动可能连接至发电机的涡轮机。这种解决方案的效率不是最佳的，因为压缩空气的部分能量以未被使用的热量的形式出现。实际上，在CAES方法中，仅使用了空气的机械能，即，在压缩时产生的所有热量都被排出。例如，在压缩过程中，8MPa(80巴，bar)下的压缩空气加热到约150℃，但在储存之前被冷却。此外，该系统需要加热所存储的空气以实现空气的膨胀。实际上，如果空气在8MPa(80巴)下且在环境温度下存储，并且如果希望通过膨胀来回收能量，则空气的减压再次遵循等熵曲线，但是这次是从初始储存条件(约8MPa和300K)开始。因此，空气冷却到不实际的温度(83K，即-191℃)。因此，需要对其进行加热，这可以使用气体燃烧器或其它燃料来完成。
目前，对于该系统存在几种变型。可以特别地提及以下系统和方法：
-ACAES(Adiabatic Compressed Air Energy Storage，绝热压缩空气能量储存)，其中，空气在由压缩导致的高温下储存。然而，这种类型的系统需要特定的储存系统，笨重(体积大)且昂贵(绝热储存)，
-AACAES(Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage，先进绝热压缩空气能量储存)，其中，空气在环境温度下存储，且由压缩导致的热量也分离地被存储在热量储存系统TES(Thermal Energy Storage，热能储存)中。存储在TES系统中的热量用于在膨胀之前加热空气。
对于热量储存系统TES考虑的第一解决方案在于使用允许存储由压缩产生的热量的传热流体，从而在借助热交换器膨胀之前将其释放到大气中。例如，专利申请EP-2,447,501描述了一种AACAES系统，其中，用作传热流体的油在闭合回路中循环以与空气热交换。此外，专利申请EP-2,530,283和WO-2011/053,411描述了一种AACAES系统，其中，通过在闭合回路中循环的传热流体来进行热交换，该闭合回路包括单个传热流体罐。
然而，在这些专利申请中描述的系统需要用于存储和循环传热流体的特定装置。此外，对于这些系统，所使用的热交换器产生显著的压降。
对于热量储存系统TES考虑的第二解决方案是基于静态储热的，(没有热量储存颗粒床或热传递流体的位移)。在这种情况下，热量储存装置可以由一个或多个热量储存颗粒的固定床构成。在充能时，热压缩气体流经热量储存装置。通过该气体与储存颗粒之间的换热，储存颗粒被加热，而压缩气体被冷却。同样地，当放能时，在储存颗粒与压缩气体之间产生的换热冷却了储存颗粒，并加热了压缩气体。储存颗粒的固定床通常通过保持结构保持在储存装置中，该保持结构可以直接是储存装置的壁，或者是安装在储存装置内部的结构。当对热量储存系统进行充能或放能时，除了在保持结构附近之外，固定床在与压缩气流正交的平面中的温度基本上是均匀的。实际上，壁的附近在介质的粒状结构中引起颗粒相对于壁的特定布置(边缘效应)。这种特殊的布置影响壁处气流的速度分布(速度布型)，并因此影响颗粒的温度分布(温度布型)。
因此，除了在固定床的周边上与固定床并置的保持结构处之外，沿着与压缩气体流正交的截面的热梯度为零或几乎为零：这表明，在垂直于压缩气体流的轴线的该截面中，除了在固定床的周边上，在保持结构处，温度是均匀的或几乎均匀的。固定床中的这种温度分布不均匀性导致储存装置的总体效率的损失和系统的总体性能的损失。
为了克服这些缺点，并且特别地为了限制与边缘效应相关的效率损失，本发明涉及一种由至少一个热量储存颗粒的固定床组成的热量储存装置。在存储装置内，与气流正交或基本正交的至少一个障碍物位于储存颗粒床的周边上。该障碍物沿着固定床的周边(连续或不连续)地设置。它允许压缩气体流从固定颗粒床的端部局部地去除，并且因此从与固定床并置的保持结构去除，因此减小了保持结构的边缘效应。
发明内容
本发明涉及一种热量储存和释放系统，其包括至少一个储存封闭体；至少一个热量储存和释放颗粒的固定床，其布置在所述储存封闭体中；并且至少一种流体能够流经所述储存封闭体中的所述固定床，所述储存封闭体包括所述流体进入所述储存封闭体中的至少一个入口和所述流体离开所述储存封闭体的至少一个出口，其特征在于，至少一个障碍物定位在所述固定床中，基本上垂直于所述流体的循环流动，所述障碍物定位在所述热量储存和释放颗粒的所述固定床的周边上，所述障碍物围绕所述储存颗粒的所述固定床的周边分布。
根据本发明的一个变型，系统包括沿着所述流体的所述循环流动均匀地间隔开的至少两个障碍物。
优选地，沿着所述流体的所述循环流动的相继两个障碍物之间的间距最小是所述障碍物的垂直于所述流体的所述循环流动的尺寸的两倍。
根据本发明的一实施例，所述储存封闭体包括至少一个分配器，并且优选地为至少两个分配器，用于将所述流体分配到所述固定床中的。
优选地，所述障碍物位于所述分配器处。
根据一个实施例，所述障碍物由板构成。
有利地，所述障碍物的垂直于所述流体的所述循环流动的尺寸，在所述固定床的所述热量储存和释放颗粒的当量索特直径的1至10倍之间，优选地在所述固定床的所述热量储存和释放颗粒的当量索特直径(equivalent Sauter diameter)的3至5倍之间。
根据一实施例，所述储存封闭体是圆柱形或大致圆柱形的。
根据一变型实施例，所述流体在所述储存封闭体内的所述循环流动沿着所述储存封闭体的轴线发生。
有利地，所述障碍物包括设置在所述储存封闭体的圆柱形壁的内表面上的环形板。
根据另一变型实施例，所述流体在所述储存封闭体内的所述循环流动沿着垂直于所述储存封闭体轴线的轴线发生，支撑所述固定床的至少两个托盘定位在所述储存封闭体内，所述支撑托盘垂直于所述储存封闭体的轴线。
有利地，所述障碍物定位在所述支撑托盘上，所述障碍物因此在支撑所述热量储存和释放颗粒的所述固定床的两个托盘中的每一个上形成圆柱的一部分。
根据一实施例，所述障碍物围绕所述固定床的周边连续地分布。
替代地，所述障碍物围绕所述固定床的周边不连续地分布。
本发明还涉及一种压缩气体能量储存和回收系统，包括至少一个气体压缩装置、至少一个压缩气体储存装置、至少一个用于使压缩气体膨胀以产生能量的装置、以及至少一个根据上述特征中的任一项的热量储存装置。
本发明还涉及一种热量储存和回收的方法，其中，执行以下步骤：
a)通过在所述固定床中循环流动体，在热量储存和释放颗粒的固定床中存储热量，以及
b)通过在所述固定床中循环流动体来释放由所述固定床回收的热量。
为了储存和释放热量，所述流体遭遇至少一个障碍物的作用，该障碍物位于固定床中、垂直于或基本垂直于流体的流动，所述障碍物位于所述热量储存和释放颗粒的所述固定床的周边上，所述障碍物绕在所述热量储存和释放颗粒的所述固定床的周边分布。
根据本发明的一个变型，所述流体流经由包含在所述热量储存和释放装置中的多个所述固定床构成的阶梯式布置。
根据一实施例，所述热量储存和释放装置具有大致圆柱形的形状。
根据一变型，所述流体径向流经所述热量储存和释放装置的所述固定床。
替代地，所述流体轴向流经所述热量储存和释放装置的所述固定床。
本发明还涉及一种压缩气体储存和回收方法，其中，执行以下步骤：
a)压缩气体，
b)通过与热量储存和释放颗粒的固定床的换热来冷却所述压缩气体，
c)存储所述冷却的气体，
d)通过释放所述热量储存和释放颗粒的所述固定床的热量来加热所述冷却的压缩气体，以及
e)使所述受热的压缩气体膨胀，从而产生能量，
并且其中根据上述特征之一的热量储存和释放方法来执行热量储存和释放。
附图说明
根据本发明的系统和方法的其它特征和优点将从参照附图、阅读以非限制性示例的方式给出的对实施例的以下描述中变得明了，附图中：
-图1示出了根据本发明的一个实施例的热量储存和释放系统的示意图；
-图2示出根据本发明的第二实施例的热量储存和释放系统，
-图3示出根据本发明的第三实施例的热量储存和释放系统，
-图4示出根据本发明的第四实施例的热量储存和释放系统，
-图5示出了根据现有技术的热量储存和释放系统的、在垂直于流体的循环方向的平面中的温度分布，
-图6示出了两个热量储存和释放系统的两个直径相对的点的温度随时间变化的比较，第一点是根据现有技术的，而第二点是根据本发明的，以及
-图7示出了根据本发明的压缩气体能量储存和回收系统。
具体实施方式
本发明涉及一种热量储存和释放系统。在该实施方式中，流体(例如，压缩气体)流经热量储存和释放颗粒的固定床，使得能够在流体与颗粒之间进行换热。所述颗粒选自能够储存和释放热量的材料。
根据本发明的系统包括：
-至少一个储存封闭体，
-流经封闭储存体的至少一个流体，
-至少一个热量储存和释放颗粒的固定床。这些固体颗粒在下文中被称为“储存颗粒”，其在热量储存和释放阶段期间与流体换热，热量在这两个阶段之间存储在颗粒中。根据本发明，热量储存颗粒分布在至少一个固定床上。固定床理解为一种热量储存颗粒的布置，其中，颗粒是固定的。热量储存颗粒允许气体通过固定床，
-在储存封闭体处的至少两个流体入口/出口，流动方向在热量储存和释放操作之间反向。优选地，入口/出口可以位于远离固定床的端部处，
-至少一个障碍物，其位于固定床中，垂直于或基本垂直于流体的循环流动，位于储存颗粒的固定床的周边上，该障碍物以连续或不连续的方式分布在固定床的外周周围，
ο垂直或基本垂直于流体的循环流动的障碍物，应理解为障碍物的主平面(例如，在环形板的情况下为板的平面)正交或基本正交于流体的循环流动，
ο障碍物位于储存颗粒的固定床的周边上：当固定床由壁，例如储存封闭体的壁或支撑固定床的板的壁界定时，障碍物可以定位成与储存封闭体的壁或支撑板接触，定位在固定床的周边上，
ο对于分布在固定床的周边周围的障碍物，应理解为，障碍物的轮廓分布在固定床周边的主要部分上，优选地基本上在固定床的整个周边上。例如，对于圆柱形封闭体，其可以由环形板(连续分布的障碍物)或由具有可能均匀分布在板上的孔的环形板(连续分布的障碍物)或由均匀分布在封闭体的整个内圆柱上的多个小板(不连续分布的障碍物)表示。该障碍物的存在允许从固定床周边局部地去除流体，从而改善颗粒的固定床内的温度均匀性，并因此改善单元的整体效率。实际上，在垂直于流体的循环流动的平面中的更均匀的温度分布提供了流体与储存颗粒的固定床之间的更好的换热。因此，提高了储存系统的总体性能。此外，障碍物的性质不产生显著的压降增大，因此其不影响热量储存和释放系统的整体运行。
每个固定床可包括固体颗粒或含有相变材料(PCM)的颗粒。因此，颗粒可以呈含有PCM的胶囊形式。使用含PCM的颗粒床允许通过施加不同的熔融温度来更好地控制罐中的热梯度。通过在同一床中混合PCM和显热存储材料，也可以找到效率与成本之间的折衷。下列材料可用于PCM：石蜡，其熔融温度低于130℃；盐，其在300℃以上的温度熔融，(低共熔)混合物，其允许具有宽的熔融温度范围。
固体颗粒(无论是否是相变颗粒)可以具有所有已知形式的常规粒状介质(球、圆柱体、挤出物、三叶形(三裂片)等)和允许最大化与气体交换的表面的任何其它形式。颗粒尺寸可以在0.5mm至10cm之间、优选地在2mm与50mm之间，且更优选地在5mm至20mm之间。
热量储存装置可以操作的温度范围是在0℃至500℃之间、优选地在100℃至400℃之间，更优选地在100℃至350℃之间。温度水平取决于完整的AACAES方法和用于热量储存装置的颗粒的材料类型。
根据本发明的一个实施方式，系统可包括沿着流体的循环流动均匀地间隔开的至少两个障碍物。这些均匀地间隔开的障碍物的存在改善了温度均匀性，并因此改善了性能。例如，障碍物可以位于固定床的入口/出口和/或中间，并且优选地位于固定床的入口处、中间处和出口处。这种构造提供了在固定床中的热量流的优化分布。
根据本发明的一变型实施例，相继两个障碍物之间的间距可以至少等于障碍物垂的直于循环流动的尺寸的两倍。实际上，通过观察该最小间距，被障碍物朝向固定颗粒床的中心局部转向的流在遇到下一个障碍物之前可再次接近床的壁。因此，靠近下一个障碍物的气体流非常接近如果不存在前一个障碍物时的气体流。
根据本发明的一变型实施例，储存封闭体可包括至少一个分配器。分配器理解为这样一种装置，其允许流体尽可能均匀地分布在储存颗粒的固定床中，从而优化流体与储存颗粒的固定床之间的换热。优选地，可设置至少两个分配器，第一个在储存颗粒的固定床的一端处，而第二个在储存颗粒的固定床的另一端处。例如，当流体沿给定的流动方向循环时(例如在充能时)，第一分配器可设置在储存颗粒的固定床的入口处，刚好在流体进入储存颗粒的固定床之前，而第二分配器可设置在储存颗粒的固定床的出口处，刚好在流体从储存颗粒的固定床流出之后。当流体在放能时沿相反的流动方向循环时，第二分配器则位于储存颗粒的固定床中的气体进入处，刚好在流体进入储存颗粒的固定床之前，并且第一分配器则位于储存颗粒的固定床的气体离开处，刚好在储存颗粒的固定床的出口之后。替代地，可以在储存颗粒的固定床内添加和定位其它分配器。
根据本发明的一实施例，障碍物可位于分配器处。因此，通过障碍物的存在与分配器的存在之间的协同作用，改善了气体流的局部加速和位移。
根据本发明的一实施例，障碍物可包括盘。这种设计使得能够简单且便宜地制造障碍物。此外，板不需要机械地被固定，这简化了板的实施方式，并且使得本发明在单元的现代化或翻新时可以使用。在这种情况下，板位于颗粒的固定床上。
根据本发明的特征，障碍物的垂直于流体的循环流动的尺寸可以等于储存颗粒的当量索特直径的1倍至10倍之间的值，优选地为储存颗粒的当量索特直径的3倍至5倍之间的值。所称的当量索特直径是存储颗粒d32的特征值，其定义为：
其中Vp是颗粒体积，且Ap是颗粒表面积。本发明的这个特征允许限制由障碍物引起的压降，而同时优化所存在障碍物对垂直于流体循环流动平面中的温度演变的影响。
根据本发明的一实施例，储存封闭体可以是圆柱形或大致圆柱形的。
此外，流体在圆柱形或大致圆柱形的储存封闭体内的循环流动可沿着储存封闭体的轴线发生。然后，称“轴向流动”为表示在储存封闭体内的这种流体循环模式，并且称“轴向流动系统”为表示具有流体的轴向流动循环模式的热量储存和释放系统。
此外，在圆柱形或大致圆柱形的储存封闭体中的障碍物可以是环形板。这种类型的障碍物易于制造、便宜，并且它满足了从固定床周边局部去除循环流体流动的要求。
替代地，流体在圆柱形或大致圆柱形的储存封闭体内的循环流动可沿着垂直于储存封闭体轴线的轴线发生。在这种情况下，称“径向流动”为表示在储存封闭体内的这种流体循环，并且称“轴向流动系统”为表示具有流体的轴向流动循环模式的热量储存和释放系统。因此，被称为“支撑托盘”的托盘都可以被使用和定位在储存封闭体内。它们的目的是保持储存颗粒的固定床，并使流体的循环流在储存封闭体内沿径向方向定向。
在径向流动系统中，障碍物可以定位在支撑托盘上。然后，障碍物被分成两部分，第一部分定位在所谓的“上”支撑托盘上，而第二部分定位在所谓的“下”支撑托盘上。在这两个支撑托盘中的每一个上，障碍物代表例如圆柱体的一部分。
根据一实施例，障碍物可以例如通过板或凸缘(套环)而围绕固定床的周边连续地分布。这允许使用容易制造的形式。
替代地，障碍物可以例如借助分布在周缘上的若干个障碍物而围绕固定床的周边不连续地分布。这提供了具有更小尺寸的、更容易运输的几个元件的优点，这些元件可以更容易地放置和定位在储存装置中。
图1至3示出了根据本发明的轴流式热量储存和释放系统的实施例的非限制性示例。
图1通过非限制性示例示意性地示出了一种热量储存和释放装置10，其配备有储存封闭体1、储存颗粒的固定床2以及流体，流体的循环3由箭头表示。在储存模式中，流体循环发生在储存封闭体1中的入口8至储存封闭体1的出口9。在释放模式中，流体循环3可在储存封闭体1中反向：流体然后通过入口9流入，并通过出口8流出，存储封闭体1包括两个分配器5和包括位于固定床2的周边上的障碍物4，障碍物4垂直于流体的循环流动3，障碍物4也分布在固定床2的周边上并且连续，并且定位在固定床2的周边上。在图1所示的示例中，障碍物4是环形板。替代地，可以使用其它形式的障碍物。
图2以非限制性示例示意地示出了一个变型实施例，其中，两个障碍物4设置在储存封闭体1中，在固定床2的周边上，垂直于循环流动3。这两个障碍物是连续的，围绕固定床2的周边。障碍物4的垂直于流体的循环流动3的特征尺寸由字母L实现。例如，对于会以如图2中环形板形式呈现的障碍物4，L对应于环形板的宽度。相继两个障碍物4之间的沿循环流动3的方向的间距由距离E表示。优选地，尺寸L可以等于储存颗粒的当量索特直径的1至10倍之间的值，更优选地，尺寸L可以等于储存颗粒的当量索特直径的3至5倍之间的值。还优选地，间距E可以最小等于障碍物的垂直于循环流动的尺寸L的两倍。
图3通过非限制性示例示意地示出了本发明的一变型实施例的示例，其中使用了若干障碍物，特别是障碍物4，其定位在入口和出口分配器5处。替代地，障碍物4也可以定位在入口或出口分配器5中的一个或另一个处，或者定位在中间分配器上，该中间分配器将会定位在固定床2(未示出)内。图3还示出了位于没有分配器的一高度处的障碍物。
作为非限制性示例，图4示意地示出径流式热量储存和释放系统20。在该实施例中，系统包括6层固定床2，每层具有环形部分。在储存模式中，流体流经入口8进入储存封闭体。在热量释放模式中，流体流动可以反向。然后，由箭头标示的循环流动由支撑托盘6引导，支撑托盘根据固定床2的数量和位置交替地将流从封闭体的中心送到外侧或从封闭体的外侧送到中心。图4的右手侧部分示出了例如在该径向流动系统20中定位障碍物4的两种不同方式。右上部的图示出了定位在每个固定床2的入口和出口处的分配器5处的两个障碍物4。右下方的图示出了障碍物4，其大致位于固定床2的中间宽度处，即，与每个固定床2的入口和出口处的两个分配器5等距。注意到，对于右手部分的两个图，障碍物4被分成两部分，每个部分是具有与储存封闭体的轴线合并的轴线的圆柱形壁，上部部分位于固定床2的顶部处，靠近所谓的上支撑托盘6，而下部部分位于固定床2的底部处，靠近所谓的下支撑托盘6。这些示例是非限制性的：可以考虑其它障碍物数量、其它障碍物位置和其它障碍物形式。
图5示出了在根据现有技术的，即没有障碍物的热量储存和释放系统的储存颗粒的固定床中，热存储期间在时间t时的等温线。图5中的灰色阴影表示温度变化。在与流体的循环流动3正交的平面中的温度前沿25的演变示出：
-从固定床的中心附近看，在与循环流动3正交的平面中，温度前沿几乎恒定，
-在固定床的周边附近实现局部温度演变7。
这些局部温度演变反映了温度布型25在与流体的流动方向正交的平面中的不均匀性。这种均匀性的缺乏导致热量储存和释放系统的性能下降。本发明允许限制或甚至避免固定床中的这些局部温度演变。
本发明还涉及一种压缩气体能量储存和回收系统，包括：
-至少一个气体压缩装置，
-至少一个压缩气体储存装置；
-至少一个压缩气体膨胀装置，
-至少一个根据上述至少一个变型的热量储存和释放装置。热量储存和释放装置定位在压缩或膨胀装置和压缩气体储存装置之间。
通过使用根据本发明的热量储存和释放装置，压缩气体能量储存和回收系统的热性能被优化，且因此压缩气体能量储存和回收系统的整体效率增加。
优选地，可以使用若干压缩和膨胀级以优化系统的整体性能。在这种情况下，至少一个热量储存和释放装置可设置在两个压缩或膨胀级之间。可以特别地根据气体和根据对系统的各种约束来选择级的数量和每一级的比率，以提高成本/质量比。
所使用的气体可以特别是空气，例如取自周围介质的空气。
还优选地，可以使用若干压缩气体储存罐。这些罐中的每一个可以具有不同的特征，例如不同的容积和/或压力。
优选地，也可以使用若干热量储存和释放装置，并且每个热量储存和释放装置可以具有不同的特征，从而优化系统的整体运行。
压缩装置可以特别地是压缩机，且膨胀装置可以特别地是涡轮机。
作为非限制性示例，图7示意地示出根据本发明的AACAES系统的一实施例。在该图中，实线箭头示出了在压缩步骤(能量储存)期间的气体循环，而虚线的箭头示出了在膨胀步骤(能量释放)期间的气体循环。该图示出了具有单个压缩级40、单个膨胀级50和热量储存系统10的AACAES系统。该系统包括压缩气体储存罐30。热量储存系统10间设在压缩/膨胀级40或50与压缩气体储存罐30之间。热量储存系统根据至少一个上述变型实施例来制造。常规地，在能量储存阶段(压缩)期间，空气首先在压缩机40中被压缩，接着在热量储存系统10中被冷却。冷却的压缩气体存储在罐30中。热量储存系统10的热量储存颗粒由于对在压缩阶段中被压缩的气体的冷却而是热的。在能量回收(膨胀)时，存储的压缩气体在热量储存系统10中被加热。然后，气体常规地流经一个或多个膨胀级50(在图7中示出的示例中为一个级)。
本发明还涉及一种热量储存和释放的方法，其中，执行以下步骤：
a)通过在固定床中循环流体，在热量储存和释放颗粒的固定床中热量储存，以及
b)通过在固定床中循环流体来释放由所述固定床回收的热量，
并且其中，为了热量储存和释放，流体遭遇至少一个障碍物，该障碍物定位在固定床中、垂直于或大致垂直于流体的循环流动，障碍物定位在储存颗粒的固定床的周边上，障碍物连续或不连续地绕热量储存和释放颗粒的固定床的周边分布。因此，定位在热量储存和释放装置中的障碍物的存在允许从固定床周边局部地去除流体的循环流动。这产生速度场的局部变化，并因此产生温度的局部变化，这允许颗粒床中的温度被均匀化。因此，改善了该方法的热性能。
用于热量释放的流体可以与用于热量储存的流体相同或不同。
根据本发明的方法的一变型实施例，流体可流经由包含在热量储存和释放装置中的多个固定床构成的阶梯式布置。因此，可以关于各种标准来优化系统，作为非限制性示例，以使效率提高或制造成本最小化。
根据本发明的方法的一实施例，流体可循环通过圆柱形或大致圆柱形的热量储存和释放装置。这种特定的几何形状具有易于制造的优点，并且其允许流体的循环流动容易且均匀地被引导通过热量储存和释放装置。
根据本发明的方法的一变型实施例，流体可以径向地流经热量储存和释放装置的固定床，即，沿垂直于圆柱形或大致圆柱形的热量储存和释放装置的轴线的方向。径向流动的特定特征允许相对于轴向流动更好地使储存封闭体内的温度均匀化，并且因此改善热量储存和释放装置的热性能。
替代地，流体可以轴向流经热量储存和释放装置的固定床，即流体的流动方向与热量储存和释放装置的轴线共线。通过使用轴流式热量储存和释放方法，该方法更易于实施并且可以使工艺的总体成本最小化。
此外，本发明还涉及一种压缩气体能量储存和回收方法，其中，执行以下步骤：
a)压缩气体，
b)通过与储存颗粒的固定床的换热来冷却所述压缩气体；
c)存储所述冷却的气体，
d)通过从储存颗粒的固定床释放热量来加热经冷却的压缩气体，以及
e)使加热的压缩气体膨胀从而产生能量，
其中，根据上述热量储存和释放方法来执行热量储存(压缩气体冷却)和释放(压缩气体膨胀)。在能量储存和回收方法中使用根据上述变型中的至少一个的热量储存和释放方法使得热量储存和释放性能改善。改善这些性能使得总体压缩气体能量储存和回收性能改善。
所使用的气体可以特别是空气，例如取自周围介质的空气。
步骤b)和d)可优选地通过根据至少一个上述变型的热量储存和释放系统来实施。
压缩和/或膨胀步骤可以分解成若干个压缩和/或膨胀子步骤。这可以根据对系统的约束和所用气体来改善系统的总体性能和/或优化总体成本/质量比率。还可以使用标准的压缩和/或膨胀装置，这允许在必要时限制特定的压缩和/或膨胀元件的设计和制造成本。
压缩和膨胀步骤可以特别地分别通过压缩机和涡轮机来执行。在膨胀期间，涡轮机可以产生电能。如果气体是空气，则膨胀的空气可被排入周围介质。
步骤c)可以在压缩气体储存装置内执行，压缩气体储存装置可以是或不是天然储层(例如地下腔室)。压缩气体储存装置可以在地上或地下。此外，它可以由单个体积或多个体积组成，这些体积相互连接或不连接。在储存期间，压缩气体储存装置被封闭。
根据本发明的方法和系统可以用于存储间歇性能量，例如风力或太阳能，从而能够在期望的时间使用该能量。
比较性示例
图6示出本发明的一实施方式的比较性示例。该图示出了对于两个不同的轴流式圆柱形热量储存和释放装置，在位于热量储存封闭体的中间高度处的两个直径上相对的点A和B处的温度演变。第一热量储存和释放系统对应于根据现有技术的系统(没有障碍物)，而第二系统对应于根据本发明的一个实施例(具有图1所示的构造)。曲线A1和B1给出了根据现有技术的热量储存和释放系统的点A和点B处的温度随时间的变化；曲线A2和B2给出了根据本发明一实施例的热量储存和释放系统在A点和B点的温度随时间的变化。在这些曲线上显著区分了由字母E、S和R标识的三个区域，这三个区域分别对应于系统积聚热量(区域E)、存储由此积聚的热量(区域S)、然后释放所存储的热量(区域R)的持续时间。除了向根据本发明的一实施例的系统添加障碍物之外，两个热量储存和释放系统是相同的。从图6中可以看出，在曲线A1和B1上观察到的温度峰值在曲线A2和B2上显著降低。此外，在储存持续时间内的平均温度更高，这示出了根据本发明系统相对于根据现有技术系统更好的性能。
Claims (21)
1.一种热量储存和释放系统(10、20)，包括至少一个储存封闭体(1)；至少一个热量储存和释放颗粒的固定床(2)，其设置在所述储存封闭体(1)中；并且至少一种流体能流经在所述储存封闭体(1)中的所述固定床(2)，所述储存封闭体(1)包括所述流体进入所述储存封闭体(1)中的至少一个入口(8)和所述流体离开所述储存封闭体(1)的至少一个出口(9)，其特征在于，至少一个障碍物(4)定位在所述固定床(2)中，基本上垂直于所述流体的循环流动(3)，所述障碍物(4)定位在所述热量储存和释放颗粒的所述固定床(2)的周边上，所述障碍物(4)围绕所述储存颗粒的所述固定床(2)的周边分布。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统(10、20)包括沿着所述流体的所述循环流动(3)均匀地间隔开的至少两个障碍物(4)。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，沿着所述流体的所述循环流动(3)的相继两个所述障碍物(4)之间的间隔(E)最小为所述障碍物(4)的垂直于所述流体的所述循环流动(3)的尺寸的两倍。
4.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述储存封闭体(1)包括至少一个分配器(5)，用于将所述流体分配到所述固定床(2)中，并且优选地为至少两个分配器(5)。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述障碍物(4)定位在所述分配器(5)处。
6.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述障碍物(4)由板构成。
7.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述障碍物的垂直于所述流体的所述循环流动(3)的尺寸(L)在所述固定床(2)的所述热量储存和释放颗粒的当量索特直径的1至10倍之间，优选地在所述固定床(2)的所述热量储存和释放颗粒的当量索特直径的3至5倍之间。
8.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述储存封闭体(1)是圆柱形或大致圆柱形。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述流体在所述储存封闭体(1)内的所述循环流动(3)沿着所述储存封闭体(1)的轴线发生。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述障碍物(4)包括设置在所述储存封闭体(1)的圆柱形壁的内表面上的环形板。
11.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述流体在所述储存封闭体(1)内的所述循环流动(3)沿着垂直于所述储存封闭体(1)的轴线发生，支撑所述固定床(2)的至少两个托盘(6)定位在所述储存封闭体(1)内，所述支撑托盘(6)垂直于所述储存封闭体(1)的轴线。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述障碍物(4)定位在所述支撑托盘(6)上，所述障碍物(4)因此在支撑所述热量储存和释放颗粒的所述固定床(2)的两个托盘(6)中的每一个上形成圆柱的一部分。
13.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述障碍物(4)绕所述固定床(2)的周边连续分布。
14.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述障碍物(4)绕所述固定床(2)的周边不连续分布。
15.一种压缩气体能量储存和回收系统，包括至少一个气体压缩装置(40)、至少一个压缩气体储存装置(30)、至少一个用于使所述压缩气体膨胀以产生能量的装置(50)以及至少一个如前述权利要求中任一项所述的热量储存装置(10、20)。
16.一种热量储存和回收的方法，其中，执行以下步骤：
a)通过在固定床(2)中循环(3)流体，在热量储存和释热颗粒的所述固定床(2)中存储热量，以及
b)通过在所述固定床(2)中循环(3)流体来释放由所述固定床(2)回收的热量，
其特征在于，为了储存和释放热量，所述流体遭遇至少一个障碍物(4)，所述障碍物位于固定床(2)中、垂直于或基本垂直于所述流体的流动(3)，所述障碍物(4)位于所述热量储存和释放颗粒的所述固定床(2)的周边上，所述障碍物(4)绕所述热量储存和释放颗粒的所述固定床(2)的周边分布。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述流体流经由包含在所述热量储存和释放装置(10、20)中的多个所述固定床(2)构成的阶梯式布置。
18.如权利要求16和17中任一项所述的方法，其特征在于，所述热量储存和释放装置(10、20)具有大致圆柱形的形状。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述流体径向流经所述热量储存和释放装置(10、20)的所述固定床(2)。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述流体轴向流经所述热量储存和释放装置(10、20)的所述固定床(2)。
21.一种压缩气体能量储存和回收的方法，其中，执行以下步骤：
a)压缩气体，
b)通过与热量储存和释放颗粒的固定床的换热来冷却所述压缩气体，
c)存储冷却的气体，
d)通过释放所述热量储存和释放颗粒的所述固定床的热量来加热所述冷却的压缩气体，以及
e)使加热的压缩气体膨胀，从而产生能量，
并且其中执行如权利要求16至20中任一项所述的热量储存和释放方法来执行热量储存和释放。
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