TW202238061A - 能量儲存裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種能量儲存設備，其包含：一顯熱儲存本體，其具有一熱交換器通道及經調適以收納一可移除加熱元件之一加熱元件通道；以及一熱交換器，其具有一入口及一出口，其中該熱交換器之至少一部分沿著該通道安置。亦提供用於可逆地儲存及/或提取能量的方法、一種加熱元件以及包含如本文中所描述之複數個能量儲存設備的一種能量儲存陣列。

Description

能量儲存裝置

本申請案主張來自2021年1月29日申請的澳大利亞臨時專利申請案第2021900197號之優先權，該專利申請案之內容應理解為併入。

本發明係關於一種能量儲存設備，其可用於諸如發電機之高溫應用。特定言之，本發明係關於一種能量儲存設備，其可在使得超臨界流體可用於使用布萊登循環發電機之高效發電的溫度下操作。

特定言之，本發明係關於一種對於最終使用者而言安全並易於維護且適合於與布萊登循環發電機一起使用的基於石墨之熱能儲存設備以及一種用於儲存熱能之方法。然而，應瞭解，本發明不限於此等特定使用領域。

提供對先前技術之以下論述以將本發明置放於適當技術背景中，並且使得其優點能夠被更充分地理解。然而，應瞭解，在整個說明書中對先前技術之任何論述不應被視為明確或暗示承認此類先前技術為廣泛已知的或形成該領域中公共常識之部分。

為了滿足需求，全球能量消耗逐年持續增加。雖然存在許多能量來源，諸如煤、天然氣、核及石油，但煤仍然為用於電力能量生產之主要來源中之一者。然而，使用燃煤發電站會造成高度污染且釋放有害溫室氣體。由於環境問題（諸如減少來自煤及其他化石燃料之污染及二氧化碳排放），可再生能源技術之發展一直備受關注。此等可再生能源技術包括水力、風力、太陽能、潮汐能及地熱。

自可再生能源生產能量之特定問題為其為間歇性能源。舉例言之，風力機需要強風，太陽能不可在夜晚發電，在乾旱期間水力發電嚴重減少，並且波浪能根據天氣及海洋條件受到限制。因而，可再生技術理想上需要儲存能量以供後續使用之方法

一種儲存能量之此類方法為使用電池技術，諸如鋰離子電池，使得在可再生能源不可按需生產電力時，可易於滿足能源需求。然而，電池技術對於大規模部署仍可為昂貴的且所儲存之能量容量受到限制，並且在可再生能源生產長期延遲時（諸如在對於太陽能生產存在連續多雲日時等），不可滿足能源需求。

作為電池技術之替代方案，顯熱儲存介質已用於儲存熱能。舉例言之，石墨能量儲存介質已用於以熱能形式儲存自諸如可再生能源等來源產生的電能。上述方法之變體為加熱由渦電流感應之石墨本體。儲存在石墨塊中之熱能可接著經回收以供後續使用且使用諸如蒸汽之流體來轉化為電能。

WO 2005/088218之能量儲存設備描述一種用於將熱能儲存在石墨本體中之方法及設備。該方法包含在需要儲存熱能時加熱石墨本體之內部區，以及在需要使用能量時藉助於熱交換器回收熱量。WO 2005/088218中的石墨本體之內部區之加熱係藉由將不可移除電阻器嵌入在石墨本體內來實現。電阻器由粒狀石墨或碳及具有或不具有陶瓷顆粒之混合物構成。電阻器連接至電極，該等電極亦至少部分地嵌入於每一孔洞或阱中且不可移除。在電極與電源供應器及電阻器電連通時，嵌入式電阻器由於電阻而加熱石墨本體之內部區。所描述之電阻器為開路電阻器，其可易於出現過熱問題，從而減少操作壽命。

石墨太陽能儲存技術之另外迭代係關於如WO 2015/085357中所描述之熱能儲存模組，其包含複數個間隔開之熱能儲存面板，其中每一面板係由加熱器總成分隔開。每一熱能儲存面板包含石墨芯、包覆石墨芯之實質上氣密性外殼以及包含熱交換器管路之熱交換器。加熱器總成在間隔開之熱能儲存面板外部，並且在於加熱器總成與電力之供應器之間建立電連接時，外部加熱熱能儲存面板。由於周圍氣體之低熱導率及低比熱，所描述之加熱器總成具有低瓦特密度（約3至5 W/in ²）。需要加熱器總成之低瓦特密度以防止或減少加熱器總成之過熱，從而避免過早故障。另外，來自加熱器之熱傳遞機制係經由輻射至實質上氣密性外殼，接著自外殼傳導至石墨芯。外殼材料具有高發射率，並且熱量重新輻射遠離該外殼材料。熱量損失與T ⁴（其中T為溫度）成比例，其在表面溫度增加時會放大問題。高熱量損失之另一原因為難以避免來自加熱器空腔之熱空氣洩漏路徑。因而，如WO 2015/085357中所描述之熱能儲存模組需要加熱器總成之大加熱表面積，其可導致操作成本昂貴。

考慮到如上文所論述之石墨儲存技術之侷限性，因此可能需要研發替代能量儲存設備及用於儲存能量之方法，該設備及該方法用於在諸如sCO ₂布萊登循環發電機等用於發電之高溫應用中使用且對於最終使用者或操作者可更高效且更易於維護。

本發明之目標為克服或改善先前技術之缺點中之至少一者，或提供一種有用替代方案。

除非上下文另外清楚地要求，否則在整個說明書及申請專利範圍中，詞「包含（comprise）」、「包含（comprising）」及其類似者應以包括性意義解釋，而非排他性或窮盡性意義解釋；亦即，以「包括但不限於」之意義來解釋。

雖然將參考實施方式描述本發明，但所屬領域中具有通常知識者應瞭解，本發明可以許多其他形式來體現。

能量儲存系統之不斷發展促使需要開發尤其在諸如布萊登循環發電機等高溫應用中使用之替代能源儲存系統。特定言之，需要開發在儲存及/或提取熱能時高效以及在能量儲存設備故障或損壞之情況下易於維持長期使用的替代能源儲存系統。 用於可逆地儲存 / 提取能量之方法

根據一個態樣，本發明提供一種可逆地儲存及/或提取能量之方法，其包含以下步驟： -使用可移除加熱元件來加熱顯熱儲存本體之內部區，由此儲存能量；以及 -藉由使具有低於該顯熱儲存本體之溫度之溫度的熱傳遞介質流動來提取能量，使得能量自顯熱儲存本體傳遞至熱傳遞介質， 由此提供可逆能量儲存及提取。

有利地，本發明人已開發一種用於使用可移除加熱元件來儲存及/或提取能量的如本文中所描述之方法及設備。可移除加熱元件可易於維護，此係因為一旦加熱元件已達到壽命終點或在損壞時，加熱元件就可移除及修復或替換為新加熱元件。

如本文中所使用，片語「內部區」係指顯熱儲存本體之內部加熱，例如，加熱位於顯熱儲存本體內部的加熱元件通道之表面。加熱顯熱儲存本體之內部區可提供熱量自可移除加熱元件至顯熱儲存本體之高效傳導，因此減少給定儲存溫度所需之加熱元件之數目及減少整體成本。

在某些實施方式中，加熱元件之部分與顯熱儲存本體之內部區接觸。較佳地，加熱元件之加熱部分與顯熱儲存本體之內部區接觸。在此等實施方式中，加熱元件之加熱部分與顯熱儲存本體之內部區熱接觸，但不電接觸。有利地，在加熱元件在加熱期間與顯熱儲存本體之內部區之表面直接接觸時，該加熱元件之加熱部分能夠藉由傳導高效地加熱本體，而非依靠經由周圍大氣之熱對流或輻射。典型地，相較於對流或輻射，藉由傳導進行之加熱對於傳遞熱能更高效。

用於顯熱儲存本體之適合材料包括但不限於碳化矽、砂石、混凝土、石墨、加強型聚合物、黏土、瓷、陶瓷、碳奈米管、氮化鋁、氧化鋁、氮化硼、氮化矽、鋼、銅、富鋁紅柱石、氧化鋯、球墨鑄鐵、鑄鐵、不鏽鋼、黃銅、哥倫比亞、鉭、鉬、鎢之合金及其組合。應瞭解，顯熱儲存本體材料未在上文詳盡列出，而僅例示可取決於所選擇之操作參數而使用的材料之類型。

有利地，顯熱儲存本體可提供較高操作溫度，諸如自約350℃至約1500℃，約400℃至約1000℃，並且甚至更佳地約850℃。因此，此可利用布萊登循環發電機之效率，該等布萊登循環發電機典型地在此溫度範圍內具有最大可操作效率。

在自約400℃至約1000℃之溫度下，可使用超臨界流體，諸如CO ₂（sCO ₂）（其中在於此範圍內加熱時不發生熱傳遞介質之相變）。在能量儲存設備與諸如布萊登循環發電機之發電機結合使用時，此允許更大效率。然而，如應瞭解，本發明之能量儲存設備可與習知渦輪機、渦輪膨脹機發電機及/或類似者一起使用。

在較佳實施方式中，顯熱儲存本體係由石墨形成。在一些實施方式中，石墨為結晶、非晶形或其組合。石墨亦具有高熱穩定性及電導率及熱導率，使得其適合於在高溫應用中用作耐火物。在較佳實施方式中，石墨在高達1000℃之環境溫度之間使用，並且在較佳實施方式中，可操作溫度在約400℃至850℃之間。有利地，石墨用作顯熱儲存本體材料在於其可自潤滑且亦具有乾潤滑性質。此提供與熱交換器之不同材料的經改良相容性，並且可由於模組式構造而提供變通性。

在一個實施方式中，顯熱儲存本體係由碳化矽形成。碳化矽由碳及矽原子之晶格構成，並且能夠將結構完整性提供至顯熱儲存本體。碳化矽相對惰性，此係因為其在高達800℃之溫度下不與酸、鹼材料或熔融鹽反應。另外，碳化矽在1200℃下形成氧化矽塗層，其能夠承受高達1600℃之溫度。因此，在一個實施方式中，顯熱儲存本體材料包括氧化矽。碳化矽亦具有高熱導率、低熱膨脹特性及高機械強度，並且因此向顯熱儲存本體提供相對高熱衝擊抗性品質。應顯而易見，由碳化矽製成之顯熱儲存本體對化學反應具有抗性，強度適度，並且具有有助於加熱相變材料之良好熱導率。

在一些實施方式中，顯熱儲存本體具有在約1 g/cm ³與約4 g/cm ³之間、在約1.5 g/cm ³與約3.5 g/cm ³之間、在約2.0 g/cm ³與約3.5 g/cm ³之間、在約2.5 g/cm ³與約3.5 g/cm ³之間、較佳地在約1.5至2.0 g/cm ³之間的密度。

在一個實施方式中，熱傳遞介質為熱傳遞流體。熱傳遞流體為允許能量，典型地熱能被動傳遞至另一介質或用於進一步轉化為機械能的介質（諸如氣體、液體或超臨界氣體）。在此實施方式中，熱傳遞流體用於自顯熱儲存本體提取或傳遞熱量，並且可用於使用發電機來將熱能轉化為電能。熱傳遞流體可包含經調適以藉由傳導及對流兩者傳遞熱能之任何流體，包括但不限於水、蒸汽及超臨界二氧化碳（sCO ₂）。在較佳實施方式中，熱傳遞流體流動通過具有沿著顯熱儲存本體之熱交換器通道安置之入口及出口的熱交換器，使得熱傳遞流體與顯熱儲存本體能量/熱連通。

在能量釋放（提取）期間，在沿著熱交換器通道安置時，熱傳遞流體流動通過熱交換器以由具有較高溫度之顯熱儲存本體加熱。典型地藉由經由熱交換器自可感測能量儲存本體至熱傳遞流體（HTF）之傳導來進行熱傳遞。該熱傳遞流體之流動以受控制方式提供自顯熱儲存本體提取呈熱能（熱量）形式之能量。藉由熱傳遞流體進行之能量之提取可藉由任何數目個因素進行，例如，可感測儲存能量本體與HTF之間的相對溫度差、HTF流動速率及所使用之HTF之類型。

在一個實施方式中，熱傳遞介質為超臨界流體，諸如空氣或超臨界二氧化碳，較佳地超臨界二氧化碳。在較佳實施方式中，在儲存或提取能量時，熱傳遞介質不改變相位。在此等實施方式中，熱傳遞介質可用於高溫應用，諸如具有介於自約400℃至約1000℃之範圍內的操作溫度的布萊登循環發電機。

由於在使用超臨界流體時不會發生熱傳遞介質之相變，因此較高能量傳遞效率及在較高溫度應用中使用為適合的。

在一些實施方式中，熱傳遞流體係選自由以下組成之群組：液態鈉（Na）；液態鉀（K）、液態NaK、液態錫（Sn）、液態鉛（Pb）、液態鉛鉍（PbBi）及其組合。在一些實施方式中，熱傳遞流體係選自由以下組成之群組：液態鈉（Na）；液態鉀（K）、液態NaK（77.8%K）、液態錫（Sn）、液態鉛（Pb）、液態鉛鉍（PbBi）（45%/55%）及其組合。

在某些實施方式中，熱傳遞介質係選自由以下組成之群組：水、超臨界二氧化碳、壓縮空氣、壓縮氮、有機流體（諸如包括陶氏熱媒A之熱油）、鹽水合物、液態金屬（諸如汞及鉀）及其組合。

添加劑，諸如甘醇、二甘醇、丙二醇、甜菜鹼、六亞甲四胺、苯二胺、二甲基乙醇胺、六氟化硫、苯并三唑、二硫代磷酸鋅、奈米粒子、聚伸烷二醇及其組合可附加或與熱傳遞介質混合，以抑制腐蝕，更改黏度及增強熱容量。

在某些實施方式中，每顯熱儲存本體（例如，石墨面板）之熱傳遞介質之流動速率在約2.5至約250 kg/min之間、在約2.5至約150 kg/min之間、在約2.5至約100 kg/min之間、在約15至約120 kg/min之間、在約100至約150 kg/min之間、在約50至約250 kg/min之間、在約100至約250 kg/min之間、在約150至約250 kg/min之間、2.5至約50 kg/min、在約2.5至約40 kg/min之間、在約5至約40 kg/min之間、在約10至約30 kg/min之間、在約10至約20 kg/min之間、在約25至約35 kg/min之間及在約15至約30 kg/min之間。在較佳實施方式中，熱傳遞介質之流動速率在約15至約120 kg/min之間。

每顯熱儲存本體（例如，石墨面板）之熱傳遞介質之流動速率可在足以在熱交換器與顯熱儲存本體之間傳遞能量的任何適合速率下。在某些實施方式中，熱傳遞介質之流動速率在約2.5至約250 L/min之間、在約2.5至約150 L/min之間、在約2.5至約100 L/min之間、在約50至約250 L/min之間、在約100至約250 L/min之間、在約150至約250 L/min之間、2.5至約50 L/min、在約2.5至約40 L/min之間、在約5至約40 L/min之間、在約10至約30 L/min之間及在約10至約25 L/min之間。在較佳實施方式中，熱傳遞介質之流動速率在約10至約30 L/min之間。

取決於所使用之流動速率及熱傳遞介質，用於儲存或提取能量（例如至顯熱儲存本體或至熱傳遞介質之能量傳遞）的溫度改變速率可視需要調整。在一些實施方式中，在能量儲存設備之能量儲存及/或釋放期間的平均溫度改變在約5至約100 ℃/min之間、在約5至約80 ℃/min之間、在約5至約60 ℃/min之間、在約5至約50 ℃/min之間且更佳地在約5至約30 ℃/min之間。

在一些實施方式中，熱傳遞流體為工作流體。在較佳實施方式中，工作流體為超臨界CO ₂。如有技能之讀者應理解，熱傳遞流體為允許能量，典型地熱能之被動傳遞的介質（諸如氣體或液體及其類似者）。如有技能之讀者應理解，工作流體為主要傳遞力、運動或機械能之介質（諸如氣體或液體及其類似者）。典型地，工作流體，諸如超臨界CO ₂將熱能轉化為機械能以為布萊登循環發電機或渦輪機提供動力以產生電力。

在某些實施方式中，工作流體具有範圍在約400℃至約1000℃之間、在約400℃至約850℃之間、在約500℃至約800℃之間、在約400℃至約775℃之間及在約400℃至約675℃之間的操作溫度。

在某些實施方式中，工作流體具有範圍在約20巴至約350巴（約2 MPa至約35 MPa）之間、在約20巴至約300巴（約2 MPa至約30 MPa）之間、在約20巴至約250巴（約2 MPa至約25 MPa）之間、在約50巴至約350巴（約5 MPa至約35 MPa）之間、在約50巴至約300巴（約5 MPa至約30 MPa）之間、在約50巴至約250巴（約5 MPa至約25 MPa）之間、在約70巴至約250巴（約7 MPa至約25 MPa）之間、在約80巴至約250巴（約8 MPa至約25 MPa）之間、更佳地在約100巴至約250巴（約10 MPa至約25 MPa）之間的操作壓力。在某些實施方式中，工作流體具有在250巴（約25 MPa）下範圍在約400℃至約775℃之間且更佳地在250巴（約25 MPa）下範圍在約400℃至約675℃之間的操作溫度。 能量儲存設備

根據另一態樣，本發明提供一種能量儲存設備，其包含： -顯熱儲存本體，其具有熱交換器通道及經調適以收納可移除加熱元件之加熱元件通道；以及 -熱交換器，其具有入口及出口，其中熱交換器之至少部分沿著通道安置。

在較佳實施方式中，能量儲存設備為熱能儲存設備。

相比於先前技術，本發明之能量儲存設備提供以下優點中之至少一者：提供更容易維護，從而允許視需要替換及/或修復可移除加熱元件；提高能量儲存效率，此係因為可移除加熱元件位於能量儲存設備內部；以及可藉由需要較少加熱元件來減少可操作成本。

所屬領域中具有通常知識者應瞭解，顯熱儲存本體可但並非必需地需要由單件材料（單元本體）構成。雖然在一些實施方式中，顯熱儲存本體為單元本體，但在其他實施方式中，其係由組件部分裝配。

自組件部分構造顯熱儲存本體可提供製造及裝配之簡易性。顯熱儲存本體之每一組件部分可經製造以包含必備加熱元件通道及/或熱交換器通道，以容納加熱元件及/或熱交換器。有利地，在顯熱儲存本體係自組件部分裝配時，成本可由於不必自單元本體製造通道（此增加了複雜性）而減少，並且可在替換能量儲存設備之損壞部分或組件時提供增加之靈活性及可修復性。 加熱元件

在某些實施方式中，加熱元件包含在一個末端處之細長加熱部分，在相對末端處之熱絕緣部分，並且其中熱絕緣部分進一步包含電導體，其經調適以與電端子電連通。在較佳實施方式中，電端子位於加熱元件之熱絕緣部分處。在此實施方式中，熱絕緣部分不具有用於加熱之電阻部分（諸如電阻線），而是僅具有傳導部分（諸如導線或引腳）。有利地，熱絕緣部分（「冷腿」）可提供溫度障壁以阻止或減少自加熱部分（「熱腿」）到達電端子之熱能之量，以藉由減少到達電端子之熱氣體之量來改良加熱元件之操作壽命。所揭示加熱元件之問題為加熱元件之電端子可能過熱且因此過早地發生故障。

在一些實施方式中，加熱元件之熱絕緣部分為楔形的。在一些實施方式中，加熱元件之熱絕緣部分為階梯形的。在某些實施方式中，熱絕緣部分包含複數個台階。在某些實施方式中，加熱元件之熱絕緣部分包含至少一個、至少兩個、至少三個、至少四個、至少五個、至少六個、至少七個、至少八個、至少九個或至少十個台階。在某些實施方式中，加熱元件之熱絕緣部分包含一個、兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個或十個台階。在較佳實施方式中，加熱元件之熱絕緣部分之每一台階為非依賴性的。

如有技能之讀者應瞭解，任何適合之熱絕緣材料可用於加熱元件之熱絕緣部分。在一個實施方式中，加熱元件之熱絕緣部分為陶瓷絕緣體。適合之陶瓷絕緣體材料之實例包括金屬氧化物，諸如氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋨、三氧化鑭、三氧化釔、三氧化鈧、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化鉿、五氧化二鉭、五氧化二鈮、氧化鋁、二氧化矽、氧化鎳，以及其他無機材料，諸如氮化矽、碳化矽、碳化硼、碳化鉭、碳化鈦、碳化鎢、碳化鋯、氮化鋁、硼化鋯、尖晶石、富鋁紅柱石、鎂橄欖石、耐火黏土、白雲石、菱鎂礦、高鋁瓷、高鎂瓷、矽線石、藍晶石、矽酸鋯及其組合。在一些實施方式中，熱絕緣部分為選自由以下組成之群組的材料：氧化鋁、氧化鎂、氧化鈹、氧化鉻、碳化矽、鋯石、雲母、玻璃纖維、富鋁紅柱石、瓷、玻化瓷器、滑石、堇青石、矽線石及其組合。在較佳實施方式中，熱絕緣部分為選自由以下組成之群組的材料：二氧化矽、氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁及其組合。

在某些實施方式中，加熱元件之加熱部分包含選自包括但不限於具有高電阻率及耐溫性之金屬合金之材料的電阻線，其由電絕緣體包圍且由金屬或合金殼體圍封。藉由包覆加熱元件，在顯熱儲存本體為石墨時，防止或最小化石墨粉在與加熱元件接觸時之進入。電阻線可選自選自包含鎳、鉻、銅及錳中之任一者之合金的材料。在較佳實施方式中，電阻線為選自由以下組成之群組的材料：鎳鉻合金（80%鎳、20%鉻）、坎塔耳（FeCrAl）、白銅（CuNi）合金及經蝕刻箔（典型地由與電阻線相同之材料製成）。在一些實施方式中，電絕緣體為選自由以下組成之群組的材料：氧化鋁、氧化鎂、氧化鈹、氧化鉻、碳化矽、鋯石、雲母、玻璃纖維、富鋁紅柱石、瓷、玻化瓷器、滑石、堇青石、矽線石。

金屬或合金殼體可由耐高溫、耐腐蝕及耐壓之穩固材料製成，諸如鎳、鉻、鐵及鈷之合金。在較佳實施方式中，金屬或合金殼體係選自由以下組成之群組：合金600、合金601、合金625、合金602CA、合金617、合金718、合金740H、合金230、合金X、HR214、HR224、IN600、IN740、海恩斯282、海恩斯230、347SS、316L、AFA-OC6、C-276、P91、T122、316SS、IN601、IN800H/H、赫史特合金X、CF8C+、HR230、IN61、IN62、253MA、800H、800HT、RA330、353MA、HR120、RA333及其組合。在更佳實施方式中，金屬或合金殼體為英高鎳或英高合金（基於鎳-鉻之合金）。

在其他實施方式中，加熱元件可為電阻器。此用於將電能轉化為熱能以直接加熱顯熱儲存本體，表示至顯熱儲存本體之有效熱能之直接轉化及遞送。加熱元件可包含至少一個電阻式材料之管狀環路以加熱顯熱儲存本體之內部區。管狀環路可為U形或可調U形波導節形。

在實施方式中，至少一個管狀環路在其與電端子電連通時提供熱量。有效地，自電端子供應之電力經由至少一個管狀環路電傳導。

在某些實施方式中，每一加熱元件包含約一個至十二個管狀環路、約一個至十個管狀環路、約一個至八個管狀環路、約兩個至六個管狀環路，較佳地約三個至六個管狀環路。在某些實施方式中，每一加熱元件包含至少一個、至少兩個、至少三個、至少四個或至少五個管狀環路。在一些實施方式中，每一加熱元件包含一個、兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個、十一個或十二個管狀環路。在一些實施方式中，加熱元件包含三個可調U形波導節管狀環路。在一些實施方式中，加熱元件包含六個U形管狀環路。

在較佳實施方式中，加熱元件與能量儲存設備密封地接合。在某些實施方式中，加熱元件與顯熱儲存本體密封地接合。在較佳實施方式中，加熱元件與圍封顯熱儲存本體之罩殼密封地接合。罩殼可在周圍大氣與顯熱儲存本體之間提供障壁，其可用於實質上防止熱量自本體之損失，以及空氣之進入，該空氣可根據所使用之材料及其操作溫度氧化本體。在此較佳實施方式中，罩殼具有至少一個孔口以收納加熱元件。用於收納加熱元件之至少一個孔口可包含密封凸緣。加熱元件可接著緊扣至密封凸緣以提供密封。加熱元件可使用任何適合之方式緊扣至罩殼之密封凸緣，例如，使用螺母及螺栓、螺釘、夾鉗、楔形螺釘耦接或閂鎖。在一些實施方式中，加熱元件可藉由楔形螺釘耦接或栓結凸緣密封地接合至罩殼以提供密封。在其他實施方式中，密封凸緣進一步包含密封墊片以提供氣密性密封。

在更佳實施方式中，能量儲存設備包含絕緣體。絕緣體典型地安置在顯熱儲存本體與罩殼之間。在此實施方式中，加熱元件之熱絕緣部分鄰接且壓縮絕緣體，從而提供熱氣體密封、阻止或減少熱氣體至電端子之外溢。有利地，如上文所論述之加熱元件與能量儲存設備之間的密封接合將適當冷卻提供至加熱元件之電端子，以最小化過熱及過早故障。在較佳實施方式中，加熱元件具有安置在熱絕緣部分與電端子之間的空氣冷卻部分，該電端子位於能量儲存設備之罩殼外部。

在某些實施方式中，經調適以收納熱絕緣部分之加熱元件通道之一個末端為楔形的。在此實施方式中，楔形加熱元件通道可在加熱元件與視情況選用之絕緣體之間提供改良密封接合。

絕緣體可適合地位於顯熱儲存本體之表面上，以最小化損失至外部環境之熱能之量。絕緣體可減少操作員在能量儲存設備之操作期間燒傷自身之風險。在一些實施方式中，絕緣體可包含使用不同材料之複數個絕緣層。

用於絕緣體之適合材料可選自由以下組成之群組：熱絕緣板、鹼土矽酸鹽羊毛、熱絕緣坯料、玻璃纖維、無機氧化物、基於二氧化矽之羊毛、礦棉、聚合物及發泡體。舉例言之，不同規格之絕緣材料之多個層可用於防止能量損失。亦應瞭解，能夠適應高溫之任何絕緣體可在能量儲存設備中使用。

如有技能之讀者應瞭解，能量儲存設備可取決於數個因素而包含任何適合數目個加熱元件，該等因素諸如所要操作溫度、熱能儲存加熱速率、加熱元件之大小及加熱元件之功率效率。在一些實施方式中，能量儲存設備包含至少一個、至少兩個、至少三個、至少四個、至少五個、至少六個、至少七個、至少八個、至少九個、至少十個、至少二十個或至少三十個加熱元件。在某些實施方式中，能量儲存設備包含一個、兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個、十一個、十二個、十三個、十四個、十五個、十六個、十七個、十九個、二十個、二十一個、二十二個、二十三個、二十四個、二十五個、二十六個、二十七個、二十八個、二十九個、三十個、三十一個、三十二個、三十三個、三十個四個或三十五個加熱元件。在較佳實施方式中，能量儲存設備包含三十二個加熱元件。複數個加熱元件可將更均勻且快速熱傳遞提供至顯熱儲存本體，使得其可更高效地加熱至可操作溫度。

本發明中所使用之可移除加熱元件可為任何適合功率密度。在某些實施方式中，每加熱元件之功率密度在約5 W/in ²至約50 W/in ²之間、在約5 W/in ²至約40 W/in ²之間、在約5 W/in ²至約30 W/in ²之間、在約5 W/in ²至約30 W/in ²之間、在約10 W/in ²至約30 W/in ²之間、在約15 W/in ²至約30 W/in ²之間。在較佳實施方式中，每加熱元件之功率密度在約5 W/in ²至約15 W/in ²之間。

本發明中所使用之可移除加熱元件可為任何適合功率。在某些實施方式中，每加熱元件之功率在約1至50 kW之間、在約5至50 kW之間、在約5至40 kW之間、在約5至30 kW之間、在約5至20 kW之間、在約10至20 kW之間、更佳地約15.4 kW。

在某些實施方式中，顯熱儲存本體之加熱元件通道進一步包含孔洞。孔洞典型地安置在接近在使用中之加熱元件之加熱部分的遠側末端處（即，孔洞典型地與收納可移除加熱元件之加熱元件通道之開口相對定位）。在此等實施方式中，在於使用期間加熱顯熱儲存本體之內部區時，孔洞允許存在於加熱元件通道中之氣體藉由避免氣體壓力積聚而外溢。此可避免在加熱元件密封地接合至能量儲存設備時由於過壓而導致之氣密性密封之損害。孔洞亦可允許加熱元件通道在熱時呼出膨脹氣體（諸如惰性氣體）且在冷卻時吸入氣體。加熱元件通道亦允許加熱元件在加熱時之縱向膨脹。

能量儲存設備可包含複數個孔洞。在較佳實施方式中，能量儲存設備包含每加熱元件通道一孔洞。

在使用中，加熱元件之部分與顯熱儲存本體之內部區接觸。在較佳實施方式中，加熱元件之加熱部分與顯熱儲存本體之內部區接觸。在較佳實施方式中，在加熱元件插入至加熱元件通道中時，加熱元件之至少一個管狀環路接觸顯熱儲存本體。此提供熱量自加熱元件至顯熱儲存本體之高效傳導。有利地，加熱元件之加熱部分與顯熱儲存本體之內部區之表面之間的改良接觸可在使用中發生，此係因為在加熱期間，加熱元件之加熱部分可膨脹。

在顯熱儲存本體為石墨時，本發明之加熱元件可具有高瓦特密度（諸如在約5 W/in ²至約50 W/in ²之間），由此減少所需加熱元件表面積及加熱元件數目且因此減少後續成本。此係因為石墨具有低發射率、高熱導率及高比熱。 熱交換器

在本發明之一些實施方式中，顯熱儲存本體包含沿著顯熱儲存本體之外表面的一或多個熱交換器通道，其中熱交換器之部分沿著一或多個熱交換器通道中之至少一者安置。在一些實施方式中，顯熱儲存本體包含組件部分（諸如面板），其中至少一個組件包含沿著組件部分之外表面的一或多個熱交換器通道，並且熱交換器之部分沿著一或多個熱交換器通道中之至少一者安置。就此而言，熱交換器通道可提供熱交換器與顯熱儲存本體之直接接觸。在熱交換器與顯熱儲存本體直接接觸時，可藉由傳導在熱交換器與儲存本體之間傳遞熱量或熱能，該傳導固有地比兩種材料之間的加熱氣體之對流或循環更高效。在能量釋放期間，直接接觸允許熱量自顯熱儲存本體傳遞至熱傳遞介質。

較佳地，顯熱儲存本體包含在顯熱儲存本體內具有至少兩個開放末端之熱交換器通道。在此實施方式中，兩個開放末端為安置在顯熱儲存本體中內部的熱交換器通道之孔。在此實施方式中，熱交換器之至少一部分在沿著該通道安置時嵌入在顯熱儲存本體內或內部。有利地，此可增加熱交換器與顯熱儲存本體接觸之表面積。增加熱交換器與顯熱儲存本體之間的接觸表面積可增加在釋放期間在熱傳遞介質與顯熱儲存本體之間的能量傳遞之效率。

取決於熱傳遞流體之流動速率、顯熱儲存本體之大小、材料及傳導率之要求以及在操作壓力及溫度下之可操作要求，本發明之熱交換器可採用許多形狀及大小。

在一個實施方式中，熱交換器呈蛇形線圈或螺旋形線圈之形狀。圍封導管之繞製線圈結構包含熱交換器，以便使熱交換器在沿著熱交換器通道安置時通道之數目最大化。在較佳實施方式中，熱交換器呈蛇形線圈之形狀。有利地，蛇形線圈熱交換器在能量/熱量提取期間跨越顯熱儲存本體提供更均勻溫度分佈，此係因為在熱傳遞流體流動通過熱交換器時，顯熱儲存本體中之熱量在整個本體中傳遞。熱交換器之每一通道典型地充分偏移，以便使熱交換器與之熱連通的儲存本體材料之總體積最大化，以便使熱傳遞儘可能均勻。在一些實施方式中，經圍封導管之多個並行通道相對於熱傳遞介質之總體流動方向在垂直方向上安置。舉例言之，並行通道藉由約180度轉彎彼此流體連通，該等轉彎在其長度上升高設定距離以偏移以其他方式重疊之通道。蛇形線圈之此升高允許通道彼此偏移且使熱交換器與顯熱儲存本體之更大總體積熱連通。

在某些實施方式中，蛇形線圈之每一轉彎可在同一平面中或在交替平面中。前者將使得嵌入式熱交換器之並行通道沿著單個平面配置，而後者可使得並行通道配置在至少兩個平面中，較佳地至少兩個並行平面，在該等並行平面之間，嵌入式熱交換器以類似於階梯之交替方式升高。由於升高，後一設計之每一依序交替並行通道沿著兩個軸線偏移。

出人意料地，本發明人發現升高蛇形線圈熱交換器在調整熱交換器與顯熱儲存本體之接觸面積時提供更多靈活性。舉例言之，若熱交換器之每一升高為50 mm且對應於50 mm厚之顯熱儲存本體組件，則可實現160 mm彎曲半徑，其中熱交換器具有經嵌入之熱交換器之約40個水平通道且與具有2 m高本體之顯熱儲存本體接觸。此可為重要的，此係因為相較於具有豎直線圈設計（交替通道在同一平面中）之熱交換器線圈，藉由升高蛇形線圈進行之熱能之提取速率大3倍，此係因為可提供更多通道。

蛇形線圈熱交換器之另一優點在於，經圍封導管之並行通道可偏移設定距離，以適應某些設計要求，包括轉彎直徑以及由來自顯熱儲存本體之所要最大及最小能量釋放速率指定的總體熱傳遞能力。在實施方式中，蛇形線圈之每一轉彎具有在約20 mm至約150 mm之間、在約20 mm至約140 mm之間、在約20 mm至約120 mm之間、在約20 mm至約110 mm之間、在約20 mm至約100 mm之間、在約20 mm至約80 mm之間、在約50 mm至約100 mm之間、在約50 mm至約80 mm之間、在約60 mm至約80 mm之間、在約70 mm至約80 mm之間、在約20 mm至約70 mm之間、在約20 mm至約60 mm之間、在約30 mm至約60 mm之間、較佳地約75 mm之升高。在較佳實施方式中，蛇形線圈之每一轉彎具有與顯熱儲存設備之組件實質上相同之厚度的升高。

如上文所揭示，顯熱儲存本體可由多個組件部分構成，該等組件部分較佳地插槽在一起，同時容納熱交換器。在其中蛇形線圈之每一轉彎具有與顯熱儲存本體之組件實質上相同之厚度的升高的實施方式中，進一步啟用組件構造。有效地，每一組件部分插槽在經圍封導管之偏移通道之間，以用於其各別熱交換器通道，以與上方通道及下方通道兩者直接接觸。此設計既高效亦有效，此係因為構造複雜性藉由單位塊構造最小化，同時使用於熱傳導之接觸表面積最大化。

在一些實施方式中，在顯熱儲存本體中熱交換器包含每熱交換器約10至約80個通道、約20至約60個通道、約30至約50個通道、約20至約40個通道、約20至約30個通道、約20至約25個通道、約40個通道，或較佳地約23個通道。

如應瞭解，熱交換器可具有可取決於所使用之熱交換器之材料及操作條件的任何適合之彎曲半徑。在一些實施方式中，熱交換器之每一轉彎具有在約1D至約5D之間、在約2D至約4D之間、較佳地3D之彎曲半徑；其中D為管道之外徑。其中每一熱交換器之彎曲半徑為約3D的較佳實施方式係基於美國機械工程師學會標準ASME B31.3，其建議在高壓及高溫下操作時的3D之彎曲半徑。

在較佳實施方式中，熱交換器與能量儲存設備密封地接合。在某些實施方式中，熱交換器與顯熱儲存本體密封地接合。在較佳實施方式中，熱交換器與圍封顯熱儲存本體之罩殼密封地接合。在此較佳實施方式中，罩殼具有至少一個孔口以收納熱交換器。用於收納熱交換器之至少一個孔口可包含密封凸緣，諸如絕緣襯套、密封墊片及其類似者。在一些實施方式中，加熱元件可藉由與熱交換器及絕緣體接觸之絕緣襯套密封地接合至罩殼，從而提供氣密性密封以及將熱熱交換器與冷卻器罩殼絕緣（相對於在使用中之顯熱儲存本體）。在其他實施方式中，密封凸緣進一步包含密封墊片以提供氣密性密封。

有利地，在熱交換器密封地接合至能量儲存設備，較佳地與罩殼密封地接合時，熱量可保持在顯熱儲存本體內且不會經由在使用中接觸罩殼之熱熱交換器「洩漏」。此可藉由氣密性密封提供且亦在能量儲存設備進一步包含絕緣體時提供。

有技能之讀者應瞭解，取決於穿過熱交換器之所需流動速率，熱交換器通道可採用任何幾何形狀或大小。在一個實施方式中，熱交換器通道為凹部。在其他實施方式中，通道為管狀。在某些實施方式中，管狀通道具有選自由以下組成之群組的橫截面形狀：圓形、方形、矩形、橢圓形、三角形、四邊形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形、九邊形，或不規則形狀。在較佳實施方式中，管狀通道為圓形或半圓形通道。在一些實施方式中，能量儲存設備包含複數個通道。在一些實施方式中，能量儲存設備包含兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個或更多個通道。在一些實施方式中，複數個通道經組態為非依賴性電路。

如所屬領域中具有通常知識者應瞭解，取決於所需應用及溫度，熱交換器可具有任何幾何形狀或材料。在較佳實施方式中，熱交換器之形狀將與顯熱儲存本體之通道互補，使得熱交換器可適配於熱交換器通道中且將能量傳遞至顯熱儲存本體及/或自顯熱儲存本體傳遞能量。

應瞭解，能量儲存設備可包含複數個熱交換器。在某些實施方式中，能量儲存設備包含兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個或更多個熱交換器。在一些實施方式中，每一熱交換器為個別非依賴性電路，使得每一熱交換器可視需要用於輸入能量或提取能量。在其中熱交換器可用於輸入能量之某些實施方式中，此亦可為除藉由可移除加熱元件在儲存期間提供的加熱之外的加熱。

在一些實施方式中，熱交換器為管狀。在某些實施方式中，管狀熱交換器具有選自由以下組成之群組的橫截面形狀：圓形、方形、矩形、橢圓形、三角形、四邊形、五邊形、六邊形、九邊形、六邊形、七邊形、八邊形或不規則形狀。在較佳實施方式中，管狀熱交換器為圓形熱交換器。在一些實施方式中，熱交換器包含安置在熱交換器之表面上的鰭片（諸如波狀鰭片、釘狀鰭片、筆直鰭片、橫割鰭片、橢圓形鰭片或蜂巢鰭片）、線網或其組合。在一些實施方式中，鰭片為釘狀鰭片。在某些實施方式中，鰭片可為直列式、交錯或其組合。

在一個實施方式中，熱交換器之材料為合金、鈦或陶瓷。在一些實施方式中，熱交換器之材料為超合金或高溫陶瓷，諸如耐火陶瓷。較佳地，熱交換器之材料在操作溫度下抗氧化或降解。在一個實施方式中，熱交換器之材料係選自由以下組成之群組：硼化物、碳化物、氮化物、過渡金屬之氧化物及其組合。在一個實施方式中，過渡金屬之氧化物係選自由以下組成之群組：二硼化鉿、二硼化鋯、氮化鉿、氮化鋯、碳化鈦、氮化鈦、二氧化釷、碳化鉭及其組合。

在某些實施方式中，熱交換器之材料為選自由以下組成之群組的超合金：基於鎳之超合金、基於鈷之超合金、基於鐵之超合金、基於鉻之超合金及其組合。

在某些實施方式中，超合金係選自由以下組成之群組：鈦級2合金、TP439、Al29-4C、Al2003、Al2205、Al2507、TP304、TP316、TP317、254SMO、AL6XN、合金309S、合金310H、合金321H、合金600、合金601、合金625、合金602CA、合金617、合金718、合金740H、合金230、合金X、HR214、HR224、IN600、IN740、海恩斯282、海恩斯230、347SS、316L、AFA-OC6、C-276、P91/T122、316SS、IN601、IN800H/H、赫史特合金X、CF8C+、HR230、IN61、IN62、253MA、800H、800HT、RA330、353MA、HR120、RA333及其組合。在較佳實施方式中，熱交換器之材料為合金625、合金740H、合金230、合金617、800HT及其組合。熱交換器及加熱元件殼體之非限制性適合合金材料展示於表1中。

表1-可能熱交換器材料及加熱元件殼體材料

材料	組成物（ wt% ） *	UNS No.	EN No.
合金321H	17-19 Cr, 9-12 Ni, 0.04-0.10 C, 2 Mn, 0.045 P, 0.03 S, 0.75 Si, 4 x (C + N) - 0.7 Ti, 0.10 N, Fe (餘量)	S32109	1.4878
合金309S	22-24 Cr, 12-15 Ni, 0.08 C, 2 Mn, 0.045 P, 0.03 S, 0.75 Si, 4 x (C + N) - 0.7 Ti, 0.10 N, Fe (餘量)	S30908	1.4833
合金800H	30-35 Ni, 19-23 Cr, 39.5 Fe, 0.05-0.10 C, 1.50 Mn, 0.045 P, 0.015 S, 1.0 Si, 0.15-0.60 Al, 0.15-0.60 Ti, 0.3-1.2 Al+Ti	N08810	1.4958
合金800HT	30-35 Ni, 19-23 Cr, 39.5 Fe, 0.06-0.10 C, 1.50 Mn, 0.045 P, 0.015 S, 1.0 Si, 0.25-0.60 Al, 0.25-0.60 Ti, 0.85-1.2 Al+Ti	N08811	1.4959
合金253MA	0.05-012 C, 1.40-2.50 Si, 1.00 Mn, 0.045 P, 0.015 S, 20-22 Cr, 10-12 Ni, 0.12-0.20 N, 0.03-0.08 Ce, Fe (餘量)	S30815	1.4835
合金310H	24-26 Cr, 19-22 Ni, 0.04-0.10 C, 2 Mn, 0.045 P, 0.03 S, 0.75 Si, Fe (餘量)	S31009	-
合金RA330	17-20 Cr, 34-37 Ni, 0-2 Mn, 0.75-1.5 Si, 0-1 Cu, 0-0.03 P, 0-0.03 S, 0.04-0.08 C, Fe (餘量)	N08330	1.4886
合金353MA	37.18 Fe, 35 Ni, 25 Cr, 1.3 Ce, 1.3 Si, 0.17 N, 0.05 C	S35315	1.4854
合金HR120	30-45 Ni, 12-32 Cr, 5 Co, 5 Mo, 4 Cb+Ta, 3 Si, 2 Mn, 0.2 C	N08120	2.4854
合金RA333	44-47 Ni, 24-27 Cr, 2.5-4 Mo, 2.5-4 Co, 2.5-4 W, 0-0.08 C, 0.75-1.5 Si, 0-2 Mn, 0-0.03 P, 0-0.03 S, Fe (餘量)	N06333	2.4608
合金625	58 min Ni, 20-23 Cr, 5 max Fe, 8-10 Mo, 3.15-4.15 Nb+Ta, 0.1 max C, 0.5 max Mn, 0.5 max Si, 0.015 max P, 0.015 S, 0.4 max Al, 0.4 max Ti, 1 Co	N06625	2.4856
合金600	72 min Ni+Co, 14-17 Cr, 6-10 Fe, 0.15 max C, 1 max Mn, 0.015 S, 0.5 Si, 0.5 Cu	N06600	2.4816
合金601	58-63 Ni, 21-25 Cr, 16 Fe, 1-1.7 Al, 0.1 max C, 1.5 max Mn, 0.5 Si, 0.015 max S, 1 Cu	N06601	2.4851
合金602 CA	24-26 Cr, 8-11 Fe, 0.15-0.25 C, 0-0.5 Mn, 0-0.5 Si, 0-0.1 Cu, 1.8-2.4 Al, 0.1-0.2 Ti, 0.05-0.12 Y, 0.01-0.1 Zr, 0-0.02 P, 0-0.01 S, Ni (餘量)	N06025	2.4633
合金X	0.05-0.15 C, 0-1 Mn, 0-0.04 P, 0-0.03 S, 0-1 Si, 20.5-23 Cr, 8-10 Mo, 0-0.15 Ti, 0-0.5 Al, 17-20 Fe, 0-0.01 B, 0.5-2.5 Co, 0.2-1 W, 0-0.05 Cu, Ni (餘量)	N06002	2.4665
合金617	44.5 min Ni, 20-24 Cr, 10-15 Co, 8-10 Mo, 0.8-1.5 Al, 0.05-0.15 C, 3 max Fe, 1 max Mn, 1 max Si, 0.015 max S, 0.6 max Ti, 0.5 max Cu, 0.006 max B	N06617	2.4663a
合金230	57 (餘量) Ni, 22 Cr, 14 W, 2 Mo, 3 max Fe, 5 max Co, 0.5 Mn, 0.4 Si, 0.5 max Nb, 0.3 Al, 0.1 max Ti, 0.1 C, 0.02 La, 0.015 max B	N06230	2.4733
合金740H	23.5-25.5 Cr, 15-22 Co, 0.2-2 Al, 0.5-2.5 Ti, 0.5-2.5 Nb, 0-3 Fe, 0.005-0.08 C, 0-1 Mn, 0-2 Mo, 0-1 Si, 0-0.5 Cu, 0-0.03 P, 0-0.03 S, 0.0006-0.006 B, Ni (餘量)	N07740	-
合金C-276	57 (餘量) Ni, 2.5 max Co, 16 Cr, 16 Mo, 5 Fe, 4 W, 1 max Mn, 0.35 max V, 0.08 max Si, 0.01 max C, 0.5 max Cu	N10276	2.4819
合金282	57 (餘量) Ni, 20 Cr, 10 Co, 8.5 Mo, 2.1 Ti, 1.5 Al, 1.5 max Fe, 0.3 max Mn, 0.15 max Si, 0.06 C, 0.005 B	N07208	-

*輕微組成物變化可發生。

在一些實施方式中，熱交換器之材料係選自由以下組成之群組：碳化矽、石墨、加強型聚合物、黏土、瓷、碳奈米管、氮化鋁、氧化鋁、氮化硼、氮化矽、鋼、富鋁紅柱石、氧化鋯、球墨鑄鐵、鑄鐵、不鏽鋼、哥倫比亞、鉭、鉬、鎢之合金及其組合。 調溫

調溫為將類似或相同流體之兩個或更多個流混合以便調整流體性質的製程，該等流體性質包括但不限於水分含量、溫度及相。舉例言之，具有較低溫度之熱傳遞流體可與具有較高溫度之熱傳遞流體混合，以延長能量儲存設備在低於最大操作溫度之操作溫度下之能量釋放。在此實施方式中，在顯熱儲存提取之情況下，釋放熱傳遞流體溫度在最大儲存溫度下開始且在自顯熱儲存本體提取熱量時減少至較低或最小溫度。

在本發明中，在其中熱傳遞流體與具有不同溫度之額外熱傳遞流體混合的一個實施方式中執行調溫。在一個實施方式中，額外熱傳遞流體具有大於熱傳遞流體之溫度。在其他實施方式中，額外熱傳遞流體具有低於熱傳遞流體之溫度。

在某些實施方式中，熱交換器之入口熱傳遞流體（較低溫度）之部分與出口熱傳遞流體（較高溫度）混合，從而在釋放期間維持設定可操作溫度持續較高持續時間。

較佳地，熱傳遞流體與具有大於熱傳遞流體之溫度的溫度的額外熱傳遞流體混合。在與能量儲存設備之熱傳遞流體混合時，額外熱傳遞流體可為單獨流。在較佳實施方式中，能量儲存設備之額外熱傳遞流體及熱傳遞流體為同一流。藉由再循環或在兩個或更多個能量儲存設備串聯連接時，額外熱傳遞流體及熱傳遞流體可為同一流。舉例言之，在兩個或更多個能量儲存設備串聯連接時，額外熱傳遞流體及熱傳遞流體可為同一流。在此實施方式中，額外熱傳遞流體可為來自一個能量儲存設備的具有較高溫度之熱交換器之出口的釋放流體，該額外熱傳遞流體與具有較低溫度的另一能量儲存設備之熱交換器之入口的熱傳遞流體流體連通且混合。

在一個實施方式中，熱交換器進一步連接至導管以用於流體連通。在一個實施方式中，導管連接至熱交換器之入口及/或出口。在一個實施方式中，導管連接至歧管。在較佳實施方式中，歧管包含閥。在一些實施方式中，熱傳遞流體及額外熱傳遞流體可使用閥混合。在較佳實施方式中，在兩個或更多個能量儲存設備串聯連接時，閥安置在熱交換器之入口歧管與出口歧管之間。在閥在自顯熱儲存本體提取熱量時打開時，熱交換器之入口歧管中之熱傳遞流體將與熱交換器之出口歧管之相對較高溫度額外熱傳遞流體混合。此可延長熱能自能量儲存設備之提取或釋放。

在某些實施方式中，閥係由控制系統控制。控制系統可回應於可操作或流體參數獲得之資料輸入而直接或遠端地打開、關閉或部分地打開或關閉閥。控制系統可包括但不限於使用自感測器及/或手動輸入獲得之資料的電腦實施系統，諸如回饋及前饋環路，其對來自位於例如歧管或能量儲存設備及其類似者中之感測器及/或熱電偶之資料做出反應或搶佔資料。較佳地，控制系統使用比例積分微分（PID）控制器來實施，該比例積分微分控制器與安置於顯熱儲存本體、熱交換器之入口及出口及/或歧管中的溫度感應器中之至少一者連通及/或回應於自該溫度感應器中之至少一者導出的溫度。藉由使用PID控制器來監測來自感測器之溫度值及對該等溫度值做出反應，可提供對熱傳遞流體調溫以及自顯熱儲存本體之熱量提取的自動化及更精確控制兩者。愈佳控制可使得對顯熱儲存本體之加熱及自顯熱儲存本體之熱量提取更高效，以及延長所儲存熱能提取以使提取時間最大化。

在某些實施方式中，相較於無調溫之情況，能量儲存設備釋放延長至少約20分鐘、至少30分鐘、至少60分鐘、至少90分鐘、至少2小時、至少3小時、至少4小時。

在某些實施方式中，熱傳遞流體與額外熱傳遞流體之間的溫度差在約50℃至約600℃之間、約50℃至約500℃、約80℃至約600℃、約100℃至約500℃、約50℃至約400℃、約50℃至約300℃、約50℃至約200℃或約100℃至約600℃。如有技能之讀者應理解，溫度差為絕對溫度差，並且包括其中熱傳遞流體溫度大於額外熱傳遞流體溫度或反之亦然的實施方式。 氣體覆蓋

在一些實施方式中，包圍顯熱儲存本體之罩殼包含用以實質上用惰性氣體填充罩殼之氣體入口及用以排出惰性氣體之氣體出口。藉由用惰性氣體替換罩殼內部之空氣，提供包圍能量儲存設備之惰性氣體「覆蓋層」。有利地，惰性氣體之使用可防止或改善非所需反應，諸如由於顯熱儲存本體之高溫環境而導致的氧化，諸如石墨之氧化，並且可增加可操作壽命。另外，惰性氣體「覆蓋層」提供氣密性罩殼以藉由在惰性氣體膨脹時排出熱惰性氣體以及在惰性氣體在能量儲存設備之操作期間冷卻時「吸入」冷卻惰性氣體來「呼吸」，並且可維持圍封在本發明之能量儲存設備之罩殼內的恆定壓力。

由於包覆高壓膨脹氣體，此可防止罩殼及儲存本體兩者因結構膨脹之可能損壞。

如有技能之讀者應瞭解，任何適合惰性氣體可在本發明中使用。在一些實施方式中，惰性氣體係選自由以下組成之群組：氦氣、氖氣、氬氣、氮氣、氪氣、氙氣、氡氣、二氧化碳、一氧化碳及其組合。在較佳實施方式中，惰性氣體係選自由以下組成之群組：氬氣、氮氣及其組合。

有利地，在顯熱儲存本體材料為石墨時，惰性氣體「覆蓋層」之使用亦可防止或改善石墨火災。

若使用大於1000℃之溫度，則選自由以下組成之群組的惰性氣體為較佳的：氬氣、氦氣及其組合，此係因為氮氣可在高於此等溫度下潛在地形成氰化物化合物。

在一些實施方式中，惰性氣體之填充及排出係由單個雙向氣閥控制。在其他實施方式中，惰性氣體之填充及排出係由非依賴性單向氣閥控制。

在某些實施方式中，惰性氣體之填充及排出係由惰性氣體管理系統控制。此惰性氣體管理系統可利用例如位於罩殼或閥內部之壓力感測器來自氣體儲集器填充惰性氣體及/或打開以排出。

在一些實施方式中，能量儲存設備之罩殼內的惰性氣體之壓力在約1至100 mbar之間、在約1至80 mbar之間、在約1至70 mbar之間、在約1至600 mbar之間、在約1至50 mbar之間、在約1至40 mbar之間、在約1至30 mbar之間、在約1至20 mbar之間且較佳地在約1至10 mbar之間。

在一些實施方式中，罩殼包含諸如肋片之結構加強件，以增加罩殼之結構完整性，以允許本發明之能量儲存設備之較大內部壓力。 相變材料

在另一實施方式中，顯熱儲存本體進一步包含用於收納相變材料之空腔。相變材料可儲存在空腔內部以提供多個可操作優點，包括潛能儲存以及在安置在熱交換器與可移除加熱元件之間時作為熱障壁。取決於待儲存之相變材料之量，空腔可採用任何幾何形狀或大小。空腔可採用任何適合形狀且可例如呈球形、立方體、圓柱形、錐形、立方形、稜柱、四面體或不規則形狀之形狀。

在一些實施方式中，顯熱儲存本體包含開放空腔。有利地，具有開放空腔之顯熱儲存本體允許相變材料在加熱時體積膨脹且在冷卻時體積收縮。

在一些實施方式中，顯熱儲存本體包含密封閉合空腔。在此組態中，相變材料圍封且氣密性密封在空腔內。在其他實施方式中，顯熱儲存本體包含可透氣閉合空腔。在此組態中，空腔閉合，但允許與外部環境進行氣體交換。此提供排氣，同時允許惰性氣體進入儲存相變材料的顯熱儲存本體之空腔。

在一些實施方式中，顯熱儲存本體包含複數個空腔。在一些實施方式中，顯熱儲存本體包含兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個（或更多個）空腔。在某些實施方式中，空腔包含至少一個開放空腔及至少一個閉合空腔。在其他實施方式中，所有空腔可閉合，或所有空腔可開放。

存在於上述實施方式中之相變材料可為在儲存或提取能量時改變相位（即，固態、液態、氣態或電漿）之任何適合材料。相變材料為潛能儲存材料，其可儲存或提取能量以在材料經歷相變時在幾乎恆定溫度下改變材料之狀態。舉例言之，水為在凍結及熔融期間經歷相變時之潛能儲存材料。

較佳相變材料包括任何金屬，諸如鋁、鋅、鉛、錫、鎂或含有此等金屬中之任一或多者的合金。最佳地，相變材料為鋁，或包含鋁之合金，或其鹽水合物。

在一個實施方式中，相變材料具有高達約1500℃、高達約1300℃、高達約1200℃、或高達約1000℃之相變溫度。在一個實施方式中，相變材料具有在約80至約1500℃之間、在約200至約1500℃之間、較佳地在約350至約1200℃之間、較佳地在約500至約1500℃之間、較佳地在約800至約1200℃之間、較佳地在約400至約1000℃之間、更佳地在約400至約850℃之間、更佳地在約400至約800℃之間、更佳地在約550至約1000℃之間且最佳地在約600至約800℃之間的相變溫度。相變材料之使用可增加儲存能量之成本效益。

如上文所論述，在某些實施方式中，相變材料有利地提供在可移除加熱元件與熱交換器之間的熱障壁，以避免使熱交換器過熱及超過操作之熱交換器材料溫度限制。若選擇具有接近熱交換器材料之最大操作溫度之熔融溫度的適合相變材料，則熱交換器溫度升高速率可減緩至接近使熱交換器溫度升高速率更易於控制之最大操作溫度限制，並且可確保不超過最大熱交換器操作溫度。 能量儲存陣列

在另一態樣中，本發明提供一種能量儲存陣列，其包含：如本文中所描述之複數個能量儲存設備。在較佳實施方式中，如本文中所描述之能量儲存設備處於熱及/或電連通中。在某些實施方式中，能量儲存陣列進一步包含安置在一個能量儲存陣列之熱交換器之出口與另一能量儲存陣列之熱交換器之入口之間的導管。

在較佳實施方式中，導管連接至具有入口及出口之歧管；較佳地，歧管包含在入口歧管與出口歧管之間的閥。在某些實施方式中，能量儲存陣列呈單元形式，較佳地其中單元分段裝配。較佳地，單元容納在外殼內。在實施方式中，外殼為運輸容器或其類似者。在另一實施方式中，運輸容器之內部已經調適以收納如本文中所描述之複數個能量儲存設備（即，複數個石墨面板，其中每一能量儲存設備典型地為一個石墨面板）。在一個實施方式中，複數個設備串聯或並聯配置。在某些實施方式中，能量儲存陣列包含兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個能量儲存設備。在某些實施方式中，能量儲存陣列包含至少兩個、至少三個、至少四個、至少五個、至少六個、至少七個、至少八個、至少九個或至少十個能量儲存設備。在較佳實施方式中，20呎運輸容器容納兩個或三個石墨面板。

在某些實施方式中，本發明可提供以下優點中之至少一者：（a）由於可移除加熱元件與顯熱儲存本體之間的直接接觸，減少熱量損失且改良熱效率；（b）改良可移除加熱元件之壽命，此係因為電端子充分冷卻及/或熱絕緣，並且防止在與顯熱儲存本體接觸時石墨粉之進入；（c）減少目標操作溫度所需的加熱元件之數目，此係因為每一加熱元件可使用較高瓦特密度；（d）在熱能之儲存期間提供更均勻溫度分佈；（e）允許藉由視需要替換或修補可移除加熱元件而更易於維護；（f）藉由提供充足絕緣體而減少熱量損失；（g）在圍封能量儲存設備時藉由提供惰性氣體及內部壓力管理系統來除去氧氣；（h）在存在調溫時延長能量之釋放；（i）可消除或最小化石墨火災所需之條件；以及（j）減少用於操作及維護之成本。 定義

在描述及主張本發明時，將根據下文所闡述之定義使用以下術語。亦應理解，本文中所使用之術語僅出於描述本發明之特定實施方式之目的，並且不意欲為限制性的。除非另外定義，否則本文中所使用之所有技術及科學術語均具有與本發明所屬技術領域中具有通常知識者通常所理解相同的含義。

除非上下文另外清楚地要求，否則在整個說明書及申請專利範圍中，詞「包含（comprise）」、「包含（comprising）」及其類似者應以包括性意義解釋，而非排他性或窮盡性意義解釋；亦即，以「包括但不限於」之意義來解釋。

如本文中所使用，片語「由……組成」排除申請專利範圍中未規定之任何元件、步驟或成分。在片語「由……組成」（或其變化形式）出現在請求項本體之子句中而非緊隨前置項時，其僅限制該子句中所闡述之要素；不自該請求項整體排除其他要素。如本文中所使用，片語「基本上由……組成」將申請專利範圍之範圍限於指定的元件或方法步驟及實質上不影響所主張主題之基本及新穎特徵的元件或方法步驟。

關於術語「包含」、「由……組成」及「基本上由……組成」（其中本文中使用此等三種術語中之一者），本發明所揭示及主張的主題可包括使用其他兩種術語中之任一者。因此，在一些實施方式中，不另外明確列舉，「包含」之任何例子可由「由……組成」替換，或替代地由「基本上由……組成」替換。

應理解，除操作實例中或另外指示之情況以外，本文中所使用之表示成分之數量或反應條件的所有數字可在所有例子中藉由術語「約」修飾。實例並不意欲限制本發明之範圍。在下文中，或以其他方式指示之情況下，「%」將意謂「重量%」，「比率」將意謂「重量比率」，並且「份數」將意謂「重量份數」。

除非另外指示，否則如本文中所使用之術語「實質上」應意謂在相關之情況下包含按重量計大於50%。

使用端點列舉數字範圍包括包含在其範圍內之所有數字（例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等）。

術語「較佳的」及「較佳地」係指在某些情形下可提供某些效益的本發明之實施方式。然而，在相同或其他情形下，其他實施方式亦可為較佳的。此外，一或多個較佳實施方式之列舉並不暗示其他實施方式不適用，並且並不意欲將其他實施方式自本發明之範圍排除在外。

必須指出，除非上下文另外清楚規定，否則如本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，單數形式「一(a)」、「一(an)」及「該」包括複數個指示物。

本文中所提及之先前技術以引用之方式全部併入本文中。

雖然在本文中詳細地解釋所揭示技術之例示性實施方式，但應理解涵蓋其他實施方式。因此，不希望所揭示技術在其範圍內限於以下描述內容中所闡述或圖式中所說明之構造之細節及組件之配置。所揭示技術能夠具有其他實施方式且能夠以各種方式實踐或進行。

有技能之讀者應理解，本發明包含本文中所揭示之實施方式及特徵以及所揭示實施方式及特徵之所有組合及/或排列。 實施例 實施例 1- 能量儲存設備

參考圖1a，展示用作能量設備100之顯熱儲存本體102。顯熱儲存本體102具有用於收納可移除加熱元件106（圖中未示）之加熱元件通道104。顯熱儲存本體102亦具有用於收納熱交換器110之熱交換器通道108。顯熱儲存本體102係由組件部分裝配，並且可經碾磨、機械加工或其類似者，以提供在顯熱儲存本體內具有至少兩個開放末端之加熱元件通道104及熱交換器通道108。顯熱儲存本體102呈石墨面板形式，該石墨面板包含經機械加工以貼合地收納熱交換器110以及加熱元件106的石墨之組件「塊」。

參考圖1b-c，能量儲存設備100展示包含四個絕緣層112之實施方式。每一絕緣件以交錯重疊方式層疊以最小化來自能量儲存設備之熱量及熱氣體洩漏之量。隨著來自熱石墨本體102的每一後續絕緣層112之溫度減少，可使用較低溫度絕緣材料112，從而最佳化效能/成本比率。能量儲存設備接著由罩殼114（圖中未示）圍封。

在使用中可移除加熱元件106加熱顯熱儲存本體102之內部區，並且熱交換器110包覆在顯熱儲存本體102之熱交換器通道108內，使得熱傳遞介質可通過本體102自熱交換器110之入口流動至出口。

圖2a-b展示所得經包覆能量儲存設備100之正視圖及後視圖，其中罩殼包含結構加強件116，諸如呈肋片或殼加強件形式，以增加罩殼之結構完整性，以允許較大內部壓力。 實施例 2- 加熱元件

參考圖3a，展示在一個末端處具有細長加熱部分106a且在相對末端處具有熱絕緣部分106b之加熱元件106。熱絕緣部分具有電導體（圖中未示），其經調適以與電端子107電連通。加熱元件106之熱絕緣部分106b具有兩個台階。加熱元件為電阻器，其中加熱部分106a呈管狀環路形式。

圖3b展示在插入至加熱元件通道104中時在使用中的加熱元件106之端視圖。在使用中，加熱元件106膨脹且接觸加熱元件通道104之內部區之表面。此允許熱量自加熱器元件至石墨本體之高效傳導。

加熱元件106包含由熱傳導但電絕緣之經壓實氧化鎂粉包圍之電阻線106a，典型地為鎳鉻合金。此接著包覆在加熱元件殼體中，該加熱元件殼體呈由諸如英高鎳或英高合金之高溫合金材料製成的密封管狀金屬鞘形式。由於石墨具有低發射率、高熱導率及高比熱（其為顯熱儲存本體102之較佳材料），因此加熱元件106可具有高瓦特密度，從而減少所需之加熱元件表面積且減少所需之加熱元件之數目及後續。

加熱元件易於將每一加熱器自能量儲存設備移除及替換至能量儲存設備中。

圖4a展示加熱元件106至能量儲存設備100中之插入。加熱元件106具有加熱元件凸緣106c，其使用夾板115緊固至焊接至罩殼114之加熱元件安裝墊105且栓固。加熱元件106具有「冷腿」段（熱絕緣部分106b），其中不存在電阻線且僅具有導線/引腳，並且此「冷腿」區段為熱絕緣的。「冷腿」段之部分在罩殼114外部，使得其曝露於環境溫度以使電端子107保持冷卻。

在替代性組態中，加熱元件可藉由例如楔形螺釘耦接來緊固至能量儲存設備100。

密封墊片118可提供在夾板115與加熱元件安裝墊105之間以提供氣密性密封。類似於實施例1，絕緣體112提供在顯熱儲存本體102與罩殼114之間。此特徵組合可確保電端子107藉由周圍空氣充分冷卻且熱絕緣以藉由減少或防止電端子107之過熱及至該等電端子之熱氣體遷移來延長加熱元件106之壽命。

圖4b展示能量儲存設備100之相對末端，其中顯熱儲存本體之加熱元件通道104進一步包含孔洞120。孔洞120與收納可移除加熱元件106之加熱元件通道之開口相對定位。在於使用期間加熱顯熱儲存本體之內部區時，孔洞120允許存在於加熱元件通道104中之氣體藉由避免氣體壓力積聚而外溢。此可避免由於過壓而導致之氣密性密封之損害。孔洞120亦可允許加熱元件通道104在熱時呼出膨脹氣體（諸如惰性氣體）且在冷卻時吸入氣體。加熱元件通道104亦允許加熱元件在加熱時之縱向膨脹。

圖5展示加熱元件安裝墊105之實施方式。加熱元件安裝墊為具有用於收納每一個別加熱元件106之多個孔口的單件結構。加熱元件安裝墊105之孔口、用於收納加熱元件106之罩殼之孔口及加熱元件通道104之直徑大於加熱元件之熱絕緣部分106b直徑，使得其可適應構造/總成公差之任何未對準。墊片孔洞亦大於加熱元件之熱絕緣部分106b之倒角台階，並且經壓縮以使用夾板及螺栓及墊圈密封總成。在此組態中，藉由移除螺栓、墊圈及夾板115允許每一加熱器個別地移除及替換。 實施例 3- 熱交換器

圖6a-b展示呈蛇形線圈形式之熱交換器110設計之實施方式。適合於在較高操作溫度下之熱交換器110的高抗張強度材料具有經減小延展性，並且彎曲半徑需要大於用於蒸汽之典型高度延展性鋼管道（HTF）。

ASME B31.3建議3D之彎曲半徑，其中D為管道之外徑。舉例言之，對於DN20 Sch 80熱交換器管道，彎曲半徑將需要為160 mm。對於作為顯熱儲存本體之2 m高石墨本體，豎直線圈設計（其中交替通道在同一平面中）提供每包覆在石墨中之熱交換器管道約12個水平延行段，限制了石墨本體中熱交換器管道之接觸表面積。

相比之下，如圖6a-b中所展示之升高蛇形熱交換器線圈設計在調整熱交換器管道與石墨本體之接觸面積中提供更多靈活性。舉例言之，若升高為約50 mm（且假定對應於約50 mm厚之石墨塊組件），則可實現160 mm彎曲半徑，同時在2 m高之石墨本體中具有管道之約40個水平延行段。此係尤其重要的，因為該熱交換器對熱能之提取速率為豎直線圈設計之提取速率的3倍。

蛇形線圈熱交換器設計之另外優點在於，對於熱量提取，在熱傳遞流體及/或工作流體流動通過熱交換器導管/管道時，石墨本體中之熱量自左至右及自底部至頂部傳遞，從而跨越石墨本體產生更均勻溫度分佈。

圖7a展示罩殼114之組件，該罩殼具有孔口以收納熱交換器110以使用波紋管密封組態來密封地接合。罩殼114之孔口具有波紋管密封墊122以用於與熱交換器110密封接合。在罩殼114內之惰性氣體在操作期間過壓的情況下，另外過壓排氣面板開口124提供於罩殼114中。圖7b展示過壓排氣面板126之實施方式之總成。

圖8展示用於在熱交換器110與罩殼114之間密封接合的波紋管密封組態。在此組態中，M10 x 50 mm SS平頭螺釘完全旋擰至波紋管密封墊122之密封表面之帶螺紋孔洞中，該波紋管密封墊焊接至罩殼114。密封墊片118a經由M10平頭螺釘插入，並且絕緣盤112a旋擰至每一熱交換器管道110上。波紋管子總成127經由連接器置放在絕緣盤112a及熱交換器管道110之上。波紋管子總成127包含密封墊片118a、壓縮配件128、SS波紋管套管、或壓縮橄欖環130及波紋管凸緣132。壓縮橄欖環或套管132適配於過熱交換器管道110之上且與壓縮配件128一起壓縮。

在熱交換器110與能量儲存設備100之罩殼114密封地接合時，因為提供氣密性密封及熱絕緣，所以熱量可保持在石墨本體102內且不經由接觸罩殼114之熱熱交換器管道110洩漏。 實施例 4- 調溫

在顯熱儲存提取之情況下，釋放熱傳遞流體及/或工作流體溫度在最大儲存溫度下開始且在自石墨本體提取熱量時減少至最小操作溫度。在此組態中，冷卻器入口工作流體之部分與較熱出口流體混合，從而維持設定溫度持續較長持續時間，如圖9中所展示。

可藉由如圖10a中所展示之實施方式使用歧管總成133來提供調溫。流量控制閥134安置在入口歧管136與出口歧管138之間。石墨本體102、入口歧管136及出口歧管138中之溫度感測器（圖中未示）可判定待與熱傳遞流體之出口歧管流混合的入口歧管流之比例。

圖10b展示包含20 ft HC貨櫃之單元實施方式。對外殼140之接近提供管狀加熱元件106之插入、移除及替換。對外殼之接近亦可提供歧管總成之安裝以及對安置在兩個能量儲存設備100之間的流量控制閥134的服務。呈石墨面板102形式之能量儲存設備緊固在容器內，並且整個單元可在場外裝配及測試且運輸至現場。

兩個、三個或多個石墨面板102之單元組態可堆疊在彼此頂部上以提供高佔據面積儲存密度。複數個此等石墨面板102與歧管133連接在一起且容納在具有標準開口之貨櫃中以接近加熱元件106及控制閥134。此設計可提供中等體積製造以及場外製造及裝配之容易性以及運輸之容易性。 實施例 5- 惰性氣體覆蓋

本發明之能量儲存設備可圍封在罩殼中在惰性氣體環境中。由於石墨面板經「氣密性」密封，因此工作/操作溫度之增加將導致較高內部氣體壓力。必須釋放此壓力以最小化由面板罩殼膨脹及收縮引起之應力。相反地，隨著石墨面板冷卻，惰性或周圍氣體將收縮，從而升高產生真空之可能性，並且體積將需要得到補償。

惰性氣體覆蓋系統之目的為將諸如氬氣之惰性氣體供應物提供至石墨面板且將壓力維持在最小值，並且若壓力升高至高於預設最小值，則進一步釋放氬氣，如圖11a中所展示。

壓力調節器可維持石墨面板內之壓力。所需之壓力較低且僅需要防止空氣之進入。毯覆式調節器典型地設定在幾吋水柱處。在此系統中，1-2'' WC（~2.5-5.0 mbar）係足夠的。

在加熱/儲存階段期間，石墨面板之內部壓力將增加。背壓調節器將使內部壓力降低至預定值。影響背壓設定之值的因素包括： ●   最小化惰性氣體之消耗； ●   減少石墨面板罩殼上之循環應力；以及 ●   在石墨面板之正常操作壓力與爆破壓力之間提供足夠餘裕。

在一個實施方式中，可使用10'' WC（~25 mbar）之值。若石墨面板之爆破壓力顯著較高（3-4 psi/200-300 mbar），則此可增加。

雖然需要惰性氣體覆蓋系統來防止石墨面板中之材料降解，但其故障可能會導致石墨面板之系統損壞或災難性故障。

壓力調節器之至少兩個組件可發生故障，該等組件為隔膜及彈簧。彈簧故障之後果為壓力調節器關閉，即減少壓力且防止惰性氣體之流動。雖然此模式為次最佳的，但其不對能量儲存設備造成顯著損壞風險。可藉由使另一壓力調節器並聯來緩解損壞及故障，該另一壓力調節器將接管經調節惰性氣體之供應。

隔膜故障之後果為調節器將不打開。此故障模式導致下游壓力增加，並且若未緩解，則可對本發明之操作具有極端影響。

第一級緩解措施可為在設定在壓力設定值下將不導致石墨面板損壞的惰性氣體歧管上安裝釋壓閥。第二級緩解措施可為確保背壓調節器之全開CV（裝置之流動係數且在允許流體流動時其效率之相對量度）大於壓力調節器之全開CV。此將防止石墨面板中之壓力累積。適合壓力調節器可為具有1之最小孔CV的壓力調節器。以下表2展示在全開（故障）情況下通過調節器之流動。 表2：用於全開故障之不同壓力調節器情況

入口壓力	CV = 1
Psig	巴	Kg/cm 2	kPa	SCFH	Nm 3/h
25	1.7	1.76	172	1130	30.3
30	2.4	2.11	207	1280	34.3
40	2.8	2.81	276	1680	45.0
50	3.5	3.52	345	2050	54.9
60	4.1	4.22	414	2330	62.4
70	4.8	4.92	483	2670	71.6
80	5.5	4.92	483	2670	71.6
90	6.2	6.33	621	3410	91.4

若背壓調節器具有大於1之CV（基於最大流動之計算及參考石墨面板之安全壓力的差壓），則面板中將不存在壓力之累積。舉例言之，此系統展示於圖11b及圖11c中。

背壓調節器之故障模式與壓力調節器相同；然而，後果係不同的。隔膜之故障將使調節器全開且導致其不維持壓力。此將導致惰性氣體之損失，而非壓力之累積。然而，彈簧之故障將導致故障調節器關閉且阻礙其釋放壓力。針對此情況之緩解措施為具有與主要背壓調節器並聯之冗餘背壓調節器。冗餘調節器將在主要調節器之故障的情況下接管控制，如圖11d中所展示。

實現儲存面板之背壓之替代性選項為將石墨面板之輸出管線連接至水柱，如圖11e中所展示。

操作原理係基於水重量之壓力效應。水柱底部之壓力等於其上方之水之高度。若水之高度為例如10''，則其將需要大於10'' WC（~25mbar）之氬氣壓力來使其經由水柱釋放。在此組態中，此類型之系統所需的材料為便宜的，此係因為該系統僅遇到低壓力。舉例言之，水柱型閥可由薄壁鋼管或PVC管路構成。

該單元具有在水柱上方之沖放室。此室之目的為防止水在快速降壓之情況下進入石墨面板。沖放室已標稱地設定為柱中液體體積之兩倍。

此外，所使用之液體不需要為水。諸如甘醇之其他流體可在調節柱高度以考慮比重之改變的情況下使用。使用水之不足之處在於生物材料可能累積，從而導致單元發生故障。不支援生物質發展之其他液體可解決此問題。此外，此等液體可為著色的，其將輔助檢查是否將視鏡安裝在柱中。 (a) 試驗台 1

試驗台展示於圖12中。在此實施方式中，維持石墨面板中之惰性氣體之覆蓋層所需之壓力較低，約1至2吋水柱（wcWC）（~2.5-5.0 mbar）。

石墨面板為經加熱之密封容器。由於其為密封容器，因此容器內部氣體之壓力將在加熱時增加。為了防止石墨面板內部之過壓，安裝背壓調節器，若壓力超過預定壓力水準，則該背壓調節器將釋放氣體。對於此設定，製造壓力維持裝置將用於代替背壓調節器來進行彼功能。調節器之釋放壓力應設定為足夠高以使得不會不必要地釋放惰性氣體，但在加熱及冷卻循環期間將不會對石墨面板罩殼加應力之點處。在此組態中，假定背壓為10'' WC（~25 mbar）。

在伴有整合式壓力調節器之高壓瓶（1）中供應氬氣以減小壓力。氬氣瓶藉由可撓性軟管連接（2）連接至氬氣集管線。導頻調節器需要10巴錶壓之最大上游壓力。若瓶調節器不能提供此壓力，則單獨調節器（3）應安裝在導頻調節器上游以將壓力減少至10巴錶壓（或更低）。此調節器之準確性並不關鍵，此係因為導頻調節器將維持準確下游壓力，而不管上游壓力。

藉由設定在2'' WC（~5.0 mbar）處之低壓導頻操作調節器（4）來維持石墨面板之壓力。調節器導頻藉由½'' SST管路（5）連接至下游點。連接之位置並非關鍵的但應在足夠下游，使得其不受來自導頻調節器輸出之擾流影響，並且足夠接近惰性氣體入口以確保壓力調節反映石墨面板中之惰性氣體的壓力。

壓力開關及螺線管（6）安裝在導頻調節器下游以在過壓（最可能由調節器故障造成）之情況下切斷惰性氣體至石墨面板之供應。壓力開關設定值應高於背壓設定值且低於石墨面板之安全餘裕（壓力）。在此例子中，假定其為15'' WC（~37 mbar）。螺線管經激勵以打開，其中高壓信號使電磁閥失能。由於背壓裝置之容量（CV）比導頻壓力調節器之CV大得多，因此由導頻調節器之故障造成的石墨面板中之壓力增加的似然度較低。

惰性氣體自惰性氣體集管至石墨面板及自石墨面板至背壓裝置之連接係藉由¼'' SST管件（7）（8）（9）。工作台之大小足以通過所需體積之惰性氣體。 (b) 試驗台 2

如圖13中所展示之此系統用導頻操作背壓調節器替換所製造背壓裝置。若調節器發生故障關閉且壓力升高。若其升高至高於PS 2之值，則閥V2將打開以將惰性氣體排出至大氣。 (c) 操作原理 - 處理流程圖（ PFD ）

圖14中所展示之PFD為簡化PFD，並且省略除與歧管減壓或惰性氣體隔離相關聯之壓力交換器之外的止回及手動隔離閥以及儀器。石墨面板裝配至單元中。PFD假定一個單元含有四個面板（對於描述操作而言並非必要之數目）且能量儲存陣列以四個單元展示。

諸如氬氣之惰性氣體藉由氣體瓶或自石墨面板回收及壓縮之氣體供應至石墨面板。若在藉由再壓縮供應惰性氣體時存在自石墨面板之洩漏，則來自氣體瓶之惰性氣體將與再壓縮之惰性氣體摻合以替換損失之惰性氣體。未展示或描述偵測惰性氣體損失且組合裝瓶惰性之方法，然而，所屬領域中具有通常知識者將已知該方法。

若服務中斷，則每一單元可與惰性氣體系統隔離。若隔離，則入口閥及出口閥兩者必須關閉。在單元1之情況下，此為V5及V9。

存在用以在受控制壓力下將惰性氣體供應至石墨面板的並聯之兩個減壓調節器。R1為主要調節器且設定在2'' WC處，並且R2為設定在1'' WC處之次要調節器。

若R1在關閉組態中發生故障，則出口壓力將下降。在其下降至1'' WC時，R2將接管控制。

若R1或R2在打開組態中發生故障，則壓力將升高。若壓力增加至高於預定值（PS 1），則電磁閥V3將關閉，並且惰性氣體至石墨面板之流動將停止。

壓力藉由背壓調節器R3（設定在10'' WC處之主要背壓調節器）及R4（設定在12'' WC處之次要背壓調節器）維持在石墨面板中。若R3在關閉組態中發生故障，則壓力將升高。在其升高至12'' WC時，R4將接管控制。

若R3及R4兩者在關閉組態中發生故障，則壓力將升高。在其升高至預定值（PS 2）時，V4將打開且將惰性氣體排出至大氣。

在正常操作期間，自R3（或R4）排出之惰性氣體累積在T1中。惰性氣體接著在罐T2中經壓縮、過濾及乾燥及緩衝。 (d) 石墨氧化及火災

惰性氣體覆蓋系統之使用可避免石墨氧化，其在氧氣存在之情況下在高於450℃之溫度下發生。另外，惰性氣體覆蓋系統之使用可防止石墨火災。石墨火災所需之全部四個條件為： ●   高溫＞1100℃； ●   大石墨質量； ●   曝露於充足氧氣供應；以及 ●   未經檢查熱源。

本發明之能量儲存設備不可觸發或維持石墨火災，並且此等條件中之每一者已經設計以消除或減少風險。

每一加熱元件具有焊接至管狀元件之鞘的熱電偶。此溫度用於控制加熱器之電力輸入。另外，加熱元件經設計以在鞘溫度達至1000℃時發生故障。

本發明之單元具有30公噸之最大總重量且每一石墨面板限於12公噸之石墨。

每一單元具有藉由惰性氣體注入監測石墨面板中之氧含量的惰性氣體管理系統。石墨本體包覆在氣密性罩殼中且允許呼出熱惰性氣體且吸入冷卻惰性氣體。

能量儲存設備之操作溫度範圍較佳地為自500至800℃（但取決於應用，至此範圍之外的操作溫度之變化亦為有可能的），並且在達至最大設定溫度時，切斷至加熱元件之電力。加熱器控制係安全的，此係因為控制系統之故障使得自加熱元件切斷電力。

另外，可藉由使熱傳遞流體及/或工作流體流動通過熱交換器來自石墨面板提取熱量。 實施例 6- 用於 sCO ₂ 熱交換器管路之材料選擇

本申請人已基於以下操作標準而評估適合於超臨界CO ₂之20種可能熱交換器材料：

• 在500至800℃之間的溫度；

• 自100至250巴（及以上）之壓力

• sCO ₂及空氣作為熱傳遞流體；以及

• 嵌入在固體石墨坩堝中之熱交換器管路。

為了判定適合性，評估熱交換器材料中之每一者且關於其溫度/壓力效能、滲碳阻力、可焊性、彎曲性、可用性、成本、與sCO ₂之相容性及與熔融鋁之相容性進行評級。基於上述標準而入圍及評級之材料（按降序）為合金625、740H、230、617及800HT。然而，取決於能量儲存設備之應用，其他熱交換器材料亦可適用於本發明之能量儲存設備。

以下合金材料為較佳的：

• 625為較佳熱交換器材料，因為其在大多數類別中之評級較高；

• 740H為另一較佳熱交換器材料，因為其在操作溫度下具有高容許應力；

• 230仍被考慮作為740H之替代物；

• 617；以及

• 800HT仍然被考慮用於較低溫度及壓力應用，因為其具有低比較成本且易於獲得，若應用之溫度及壓力減少且可定量滲碳程度，則此材料適合。

如所屬領域中具有通常知識者應瞭解，熱交換器材料之選擇可取決於能量儲存設備之操作參數。由於諸如操作條件、項目要求及製造環境，較佳熱交換器材料可為應用相依的。然而，本發明之能量儲存設備很大程度上與熱交換器材料選擇無關（即，對於不同管路材料僅需要微量設計改變）。

為了在能量儲存設備用於諸如sCO ₂之超臨界流體時最大化能量轉化效率，能量儲存設備可在500至800℃（及可能以上）之間及自100至250巴（及可能以上）操作。

熱交換器管路嵌入在固體石墨（由組件部分裝配）中且用作用於熱量提取之導管，其中在此等高溫及高壓條件下考慮用於熱傳遞流體（HTF）之sCO ₂及空氣。

本發明之能量儲存設備可經設計以符合以下標準：ASME BPVC（相關部分）、ASME B31.3及EU壓力設備指令PED 2014/68/EU。

在熱交換器管路在高溫下與石墨接觸時，材料較佳地耐滲碳。

所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，本文中所描述之本發明除特定描述之彼等內容外允許進行改變及修改。應理解，本發明包括屬於本發明之精神及範圍內之所有此類變化形式及其修改。

無

現在將參考隨附圖式僅作為實例來描述本發明之較佳實施方式，在該等圖式中：

[圖1]展示本發明之能量儲存設備之實施方式。a）側立體圖；b）沿著圖1a之線A-A截取之橫截面立體圖；以及c）沿著圖1a之線B-B截取之橫截面立體圖，其中不存在熱交換器管路及加熱元件。

[圖2]展示包覆在罩殼中的本發明之能量儲存設備之實施方式。a）正面之側立體圖；以及b）背面之側立體圖。

[圖3a]展示本發明之加熱元件之實施方式。[圖3b]展示在插入至加熱元件通道中時在使用中的圖3a之加熱元件之端視圖。

[圖4a]展示在插入至能量儲存設備之實施方式中時在使用中的本發明之加熱元件之實施方式。[圖4b]展示圖4a之加熱元件之相對末端。

[圖5]展示本發明之加熱元件安裝墊之實施方式。

[圖6]展示呈蛇形線圈形式之熱交換器設計之實施方式。a）側立體圖；以及b）沿著圖6a之線A-A截取之橫截面立體圖。

[圖7a]展示具有用以收納熱交換器之孔口的罩殼之組件之實施方式。[圖7b]展示過壓排氣面板之先前技術實施方式之總成。

[圖8]展示用於在熱交換器與罩殼之間密封接合的波紋管密封組態之實施方式。

[圖9]展示流體出口溫度之調溫。

[圖10a]展示用於調溫之歧管總成之實施方式。[圖10b]展示包含20 ft HC貨櫃的能量儲存單元之實施方式。

[圖11a-d]展示將壓力調節器用於惰性氣體覆蓋系統之不同實施方式之示意圖。[圖11e]展示使用水柱之替代性壓力調節器。

[圖12]展示惰性氣體覆蓋系統之實施方式（試驗台1）之處理流程圖。

[圖13]展示惰性氣體覆蓋系統之實施方式（試驗台2）的圖12之處理流程圖。在此實施方式中，導頻操作背壓調節器替換試驗台1之經製造背壓裝置。

[圖14]展示本發明之惰性氣體覆蓋系統之實施方式的替代性處理流程圖。

100:能量儲存設備

102:顯熱儲存本體

104:加熱元件通道

108:熱交換器通道

110:熱交換器/熱交換器管道

112:絕緣層/較低溫度絕緣材料/絕緣體

A-A:線

B-B:線

Claims (30)

1. 一種可逆地儲存及/或提取能量之方法，其包含以下步驟：  使用一可移除加熱元件來加熱一顯熱儲存本體之一內部區，由此儲存能量； 藉由使具有低於該顯熱儲存本體之溫度之一溫度的一熱傳遞介質流動來提取能量，使得能量自該顯熱儲存本體傳遞至該熱傳遞介質， 由此提供可逆能量儲存及提取。
2. 如請求項1之方法，其中該加熱元件之一部分與該顯熱儲存本體之該內部區接觸。
3. 如請求項1或2之方法，其中該加熱元件之一加熱部分與該顯熱儲存本體之該內部區接觸。
4. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該顯熱儲存本體經圍封在一罩殼中。
5. 如請求項4之方法，其中該加熱元件與該罩殼密封地接合。
6. 如請求項1至5中任一項之方法，其中該加熱元件為一電阻器。
7. 如請求項1至6中任一項之方法，其中該加熱元件包含至少一個電阻式材料之管狀環路以加熱該顯熱儲存本體之該內部區。
8. 如請求項1至7中任一項之方法，其中該顯熱儲存本體之該內部區係由複數個加熱元件加熱。
9. 如請求項4至8中任一項之方法，其中該罩殼包含用以實質上用一惰性氣體填充該罩殼之一氣體入口及用以排出該惰性氣體之一氣體出口。
10. 一種加熱元件，其包含： 一細長加熱部分，其在一個末端處； 一熱絕緣部分，其在一相對末端處； 其中該熱絕緣部分進一步包含一電導體，其經調適以與一電端子電連通。
11. 如請求項10之加熱元件，其中該加熱元件為一電阻器。
12. 如請求項10或11之加熱元件，其中該加熱元件包含至少一個電阻式材料之管狀環路。
13. 如請求項12之加熱元件，其中該電端子位於該加熱元件之一熱絕緣部分處。
14. 如請求項10至13中任一項之加熱元件，其中該加熱元件之該熱絕緣部分為楔形的。
15. 如請求項10至14中任一項之加熱元件，其中該加熱元件之該熱絕緣部分為階梯形的。
16. 如請求項15之加熱元件，其中該加熱元件之該熱絕緣部分包含複數個台階。
17. 一種能量儲存設備，其包含： 一顯熱儲存本體，其具有一熱交換器通道及經調適以收納一可移除加熱元件之一加熱元件通道；以及 一熱交換器，其具有一入口及一出口，其中該熱交換器之至少一部分沿著該通道安置。
18. 如請求項17之能量儲存設備，其中該顯熱儲存本體包含在該顯熱儲存本體內具有至少兩個開放末端之一熱交換器通道。
19. 如請求項17或18之能量儲存設備，其中該顯熱儲存本體係由組件部分裝配。
20. 如請求項17至19中任一項之能量儲存設備，其中該熱交換器呈一蛇形線圈或一螺旋形線圈之形狀。
21. 如請求項17至20中任一項之能量儲存設備，其進一步包含如請求項10至16中任一項之一加熱元件。
22. 如請求項17至21中任一項之能量儲存設備，其中該能量儲存設備進一步包含絕緣體。
23. 如請求項17至22中任一項之能量儲存設備，其中該能量儲存設備進一步包含一罩殼。
24. 如請求項23之能量儲存設備，其中該罩殼包含至少一個孔口，其經調適以收納一加熱元件及/或一熱交換器。
25. 如請求項24之能量儲存設備，其中該至少一個孔口進一步包含一密封凸緣。
26. 如請求項24或25之能量儲存設備，其進一步包含一密封墊片。
27. 如請求項25或26之能量儲存設備，其中該加熱元件與該密封凸緣密封地接合。
28. 如請求項25或26之能量儲存設備，其中該熱交換器與該密封凸緣密封地接合。
29. 一種能量儲存陣列，其包含：如請求項17至28中任一項之複數個能量儲存設備。
30. 如請求項29之能量儲存陣列，其中如請求項17至28中任一項之該等能量儲存設備處於熱及/或電連通中。

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