再生热能系统、具有再生热能系统的发电设施及其操作方法
【专利摘要】本发明公开一种包括热交换反应器(110)的再生热能系统，所述热交换反应器(110)包括顶部入口部分(116)、下部入口部分(120)和底部排放部分(130)。所述系统还包括至少一个流体源(122)，所述至少一个流体源(122)在所述下部入口部分处与所述至少一个热交换反应器以流动连通方式连接。所述系统还包括至少一个冷颗粒存储源(118)，所述至少一个冷颗粒存储源(118)在所述顶部入口部分处与所述至少一个热交换反应器以流动连通方式连接。所述系统进一步包括至少一个热能存储(TES)容器(160)，所述至少一个热能存储容器(160)在所述底部排放部分和所述顶部入口部分中的每一个处与所述热交换反应器以流动连通方式连接。所述热交换反应器配置用于促进固体颗粒与流体之间的直接接触和逆流热交换。
【专利说明】再生热能系统、具有再生热能系统的发电设施及其操作方 法
【技术领域】
[0001] 本发明的领域总体涉及能源储存，并且更具体地，涉及与绝热压缩空气能源储存 (A-CAES)系统相关联的再生热能储存（TES)系统。
【背景技术】
[0002] 至少一些已知的A-CAES系统使用膨胀密封装置（例如，压力容器或地下洞穴） 来储存热的压缩空气。使用人造压力容器的存储设施需要密封装置壁具有足够的强度以 长时间承受由压缩空气引起的高压。此外，这些已知压力容器由于存储在其内的空气的压 缩而暴露于高温。因此，一些已知压力容器是由昂贵的金属合金制成，所述金属合金具有 厚壁以承受约450摄氏度CC ) (842华氏度（° F))的温度。其他已知密封装置包括具有 复杂结构的厚混凝土壁以促进高压力下的气密性。此类混凝土壁通常被构造用于承受约 100°C (212° F)的温度，并且因此需要有效的冷却系统。
[0003] 此类已知密封装置（不论是人造洞穴或是天然洞穴）需要大量的热绝缘材料来促 进减少对局部环境的传热，从而保存尽可能多的热能以用于后续转换。因此，由于密封装置 需要大体积，所以仅用于降低来自所存储压缩气体的传热A-CAES系统内的热能储存就需 要大量的资金投入。
[0004] 至少一些已知A-CAES系统包括位于存储有固体物质的独立容器内的固定矩阵再 生器。当热空气被引导通过固体物质上方时，固体物质存储热能。同样，当冷空气被引导通 过固体物质上方时，固体物质释放热能。然而，这些独立容器的壁必须提供足够的强度以承 受被引导穿过所述壁的空气的压力。因此，强化所述壁将增加 A-CAES系统的基本建设成 本。此外，至少一些已知A-CAES系统还包括间接传热系统，所述间接传热系统使用用于促 进大量热损失的设备。
【发明内容】
[0005] 一个方面，提供一种再生热能系统。所述系统包括热交换反应器，所述热交换反应 器包括顶部入口部分、下部入口部分和底部排放部分。所述系统还包括至少一个流体源，所 述流体源在下部入口部分处与至少一个热交换反应器以流动连通方式连接。所述系统还包 括至少一个冷颗粒存储源，所述至少一个冷颗粒存储源在顶部入口部分处与至少一个热交 换反应器以流动连通方式连接。所述系统进一步包括至少一个热能存储（TES)容器，所述 热能存储容器在底部排放部分和顶部入口部分中的每一个处与热交换反应器以流动连通 方式连接。热交换反应器被配置用于促进固体颗粒与流体之间的直接接触和逆流热交换。
[0006] 另一个方面，提供一种发电设施。所述设施包括至少一个发电设备和连接至所述 至少一个发电设备的至少一个再生热能系统。所述至少一个再生热能系统包括热交换反应 器，所述热交换反应器包括顶部入口部分、下部入口部分和底部排放部分。所述系统还包括 至少一个流体源，所述流体源在下部入口部分处与至少一个热交换反应器以流动连通方式 连接。所述系统进一步包括至少一个冷颗粒存储源，所述至少一个冷颗粒存储源在顶部入 口部分处与至少一个热交换反应器以流动连通方式连接。所述系统还包括至少一个热能存 储（TES)容器，所述热能存储容器在底部排放部分和顶部入口部分中的每一个处与热交换 反应器以流动连通方式连接，其中所述热交换反应器被配置用于促进固体颗粒与流体之间 的直接接触和逆流热交换，并且将热的加压空气引导至至少一个发电设备。
[0007] 另一个方面，提供一种操作发电设施的方法。所述方法包括引导固体颗粒向下穿 过热交换反应器以及引导加压空气向上穿过热交换反应器。所述方法还包括通过直接接触 将热量从加压空气传递给固体颗粒。所述方法进一步包括将固体颗粒引导至至少一个热能 存储（TES)容器中。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面 和优点，在整个附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：
[0009] 图1为示例性再生热能系统的第一部分的示意图。
[0010] 图2为对图1中示出的再生热能系统进行充电的方法的流程图。
[0011] 图3为图1中部分地示出的再生热能系统的第二部分的示意图。
[0012] 图4为使图3中示出的再生热能系统放电的方法的流程图。
[0013] 图5为使用图1和图3中示出的再生热能系统的示例性发电设施的示意图。
[0014] 除非另有说明，否则本说明书中提供的附图用于示出本发明的关键发明特征。这 些关键发明特征被认为适用于包括本发明的一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并 不包括所属领域中的普通技术人员已知的实践本发明所需的所有传统特征。
【具体实施方式】
[0015] 在以下说明和随附权利要求书中，将参考多个术语，这些术语的定义如下。
[0016] 单数形式"一"、"一个"和"所述"包括复数形式，除非上下文另外明确规定。
[0017] "任选"或"任选地"表示后续描述的事件或情况可能会或可能不会发生，并且所述 描述包括事件发生和不发生的情况。
[0018] 本说明书全文和权利要求书中所用的近似语言可用于修饰能够合理改变而不改 变相关对象的基本功能的任何数量表示。因此，由一个或多个如"约"和"大体上"等术语修 饰的值并不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可能与用于测量值的仪器 的精度对应。此处以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可以相结合和/或交替，除 非上下文或语言另有说明，否则此类范围均指示并且包括本说明书中包含的所有子范围。
[0019] 图1为示例性再生热能系统100的第一部分102的示意图。第一部分102包括系 统100的在充电操作期间（即，当利用所存储的热能对固体物质（以下进一步描述）进行 充电时）所使用的部件。
[0020] 在示例性实施例中，再生热能系统100包括热交换反应器110,所述热交换反应器 110包括限定全封闭式传热腔114的多个壁112。壁112还限定与至少一个冷颗粒存储源 118以流动连通方式连接的顶部入口部分116。冷颗粒存储源118是使得如本说明书中所 描述的再生热能系统100能够运行的任何密封和递送系统，包括（但不限于）料斗、料箱、 料仓、固体传送装置和重力进给装置。存储源118和顶部入口部分116协作以将小的、冷的 固体颗粒119喷射至传热腔114中。颗粒119是使得如本说明书中所描述的再生热能系统 100能够运行的任何固体，包括（但不限于）砂。
[0021] 此外，在示例性实施例中，壁112限定与至少一个流体源（即空气压缩机122,例 如但不限于，多级空气压缩机）以流动连通方式连接的下部入口部分120。或者，使用使得 如本说明书中所描述的再生热能系统100能够运行的任何流体，包括液体和气体。此外，或 者，系统100包括具有串联连接的多个空气压缩机122的分级空气压缩系统（未示出）。另 夕卜，或者，下部入口部分120限定可连接至进气歧管（未示出）的多个进气口（未图示）。 空气压缩机122连接至电动机124。或者，空气压缩机122由使得如本说明书中所描述的再 生热能系统100能够运行的任何机构驱动，所述机构包括（但不限于）根据需要配有齿轮 联轴器的蒸汽涡轮机、燃气涡轮机、水力涡轮机、风力涡轮机、汽油内燃机和柴油机。空气压 缩机122配置用于接收冷的周围空气126,并将热的压缩空气128排放至传热腔114中，如 以下进一步描述。
[0022] 在示例性实施例中，再生热能系统100包括水分去除设备，所述水分去除设备配 置用于在将热的压缩空气128喷射至传热腔114中之前从压缩空气去除水分。这种水分去 除设备包括以下各项中的至少一个：位于空气压缩机122上游、与空气压缩机122以流动 连通方式连接的上游水分分离器123 ;位于空气压缩机122下游、与空气压缩机122以流动 连通方式连通的下游水分分离器125 ;以及位于空气压缩机122内的多个级间水分分离器 127。上游水分分离器123、下游水分分离器125和级间水分分离器127中的每一个促进从 空气去除水129。
[0023] 另外，在示例性实施例中，壁112限定配置用于促进存储热的固体颗粒132的向内 倾斜的底部排放部分130。底部排放部分130还配置用于在重力的帮助下促进将热的固体 颗粒132从传热腔114排放出去。
[0024] 此外，在示例性实施例中，再生热能系统100包括通过抽气导管142与传热腔114 以流动连通方式连接的至少一个旋风过滤器140。导管142被定位在顶部入口部分116与 下部入口部分120之间，并且配置用于将冷的加压空气144和夹带颗粒146从传热腔114 引导至旋风过滤器140。至少一个冷的加压空气存储容器148与旋风过滤器140以流动连 通方式连接。此外，旋风过滤器140包括配置用于保留夹带颗粒146的倾斜部分150。存储 源118与倾斜部分150以流动连通方式连接。
[0025] 此外，在示例性实施例中，再生热能系统100包括至少一个热能存储（TES)容器 160,所述热能存储容器160在底部排放部分130处与热交换反应器110以流动连通方式连 接。TES容器160限定配置用于在其中接收并存储热的固体颗粒132的颗粒存储腔162。 腔162具有足够的尺寸以使得如本说明书中所描述的再生热能系统100能够运行通过一个 完整周期。TES容器160包括绝热层164,所述绝热层164足以能够在如本说明书中所描述 的再生热能系统100的一个完整周期中将热的固体颗粒132维持在预定温度范围内。例如 (但不限于），绝热层164促进将热的固体颗粒132维持在预定温度范围内达12小时至24 小时。TES容器160配置用于在约大气压下操作。
[0026] 另外，在示例性实施例中，再生热能系统100包括与TES容器160以流动连通方式 连接的至少一个固体传送泵166。泵166配置用于从TES容器160传送热的颗粒168,如以 下进一步描述。在示例性实施例中，固体传递泵166为可从位于美国乔治亚州亚特兰大市 的GE Energy公司购得的GE Posimetricx'泵。或者，使用使得如本说明书中所描述的再生 热能系统100能够运行的任何泵送装置。
[0027] 此外，在示例性实施例中，再生热能系统100包括配置用于增加固体颗粒119和热 的压缩空气128的停留时间的至少一个装置。例如（但不限于），多个空气和颗粒偏转装置 163连接至传热腔114内的壁112,并且从所述壁112向内延伸。此外，例如（但不限于）， 空气和颗粒偏转装置163和壁112限定弯曲的传热通道165。另外，例如（但不限于），传 热突出部167 (例如但不限于，散热片）定位在通道165内。偏转装置163、通道165和突出 部167有利于增加停留时间，以进一步促进颗粒119与空气128之间的传热。
[0028] 图2为对再生热能系统100(图1中示出）进行充电的方法200的流程图。在充 电操作期间，小的、冷的固体颗粒119(图1中示出）从存储源118通过顶部入口部分116 喷射202至传热腔114中（所有这些均在图1中示出）。在约0摄氏度（°C ) (32华氏度 (° F))与大约49°C (120° F)之间的温度范围内喷射颗粒119。或者，在使得如本说明书 中所描述的再生热能系统100能够运行的任何温度范围内喷射颗粒119。在使得如本说明 书中所描述的再生热能系统100能够运行的任何压力下喷射颗粒119。
[0029] 此外，在充电操作期间，在重力的帮助下引导204颗粒119向下穿过热交换反应器 110(图1中示出）。空气压缩机122(图1中示出）接收并压缩206冷的周围空气126(图 1中示出）。周围空气126处于约0°C(32° F)与约49°C(120° F)之间的温度范围内，并 且具有约一个大气压的大气压力，即1.015巴、101. 353千帕斯卡（kPa)和14. 7镑/平方英 寸（psi)。或者，至空气压缩机122的进气126具有在使得如本说明书中所描述的再生热能 系统100能够运行的任何范围内的温度和压力。
[0030] 另夕卜，在充电操作期间，空气压缩机122在约250 °C (482 ° F)与约 700°C (1292° F)之间的温度范围以及约20巴（2000kPa、290psi)与约70巴（7000kPa、 1015psi)之间的压力范围的情况下将热的压缩空气128(图1中示出）排放208至传热腔 114中。或者，从空气压缩机122排放的热的压缩空气128具有在使得如本说明书中所描述 的再生热能系统100能够运行的任何范围内的温度和压力。热的压缩空气128被引导210 向上穿过传热腔114。
[0031] 此外，在充电操作期间，因为颗粒119和空气128彼此逆向流动，所以颗粒119和 空气128在传热腔114内彼此直接接触。空气128与颗粒119之间的这种直接接触促进它 们之间的热交换，以使得空气128将热能传递212给颗粒119。热交换产生热的固体颗粒 132、冷的加压空气144和夹带颗粒146 (所有这些均在图1中示出）。偏转装置163、通道 165和突出部167有利于增加停留时间，以进一步促进颗粒119与空气128之间的传热。
[0032] 此外，在充电操作期间，将冷的加压空气144和夹带颗粒146从传热腔114抽 吸214至旋风过滤器140,所述旋风过滤器140使用气旋作用来将空气144与颗粒146分 离216。空气144被引导218至至少一个冷的加压空气存储容器148。空气144具有在 约20°C (68° F)与60°C (140° F)之间的范围内的温度值并且是在约20巴（2000kPa、 290psi)与约70巴（7000kPa、1015psi)之间的压力范围内。或者，空气144是在使得如本 说明书中所描述的再生热能系统100能够运行的任何温度范围内。
[0033] 另外，在充电操作期间，在重力的帮助下引导220夹带颗粒146向下穿过旋风过滤 器140,并且将其存储在旋风过滤器140的倾斜部分150 (图1中示出）处。颗粒146具有 在约20°C (68° F)与大约60°C (140° F)之间的范围内的温度值。或者，颗粒146是在使 得如本说明书中所描述的再生热能系统100能够运行的任何温度范围内。将颗粒146引导 至冷颗粒存储源118,以供再生使用。
[0034] 此外，在充电操作期间，热的固体颗粒132沉积在向内倾斜的底部排放部分130 处。在重力的帮助下将热的固体颗粒132从传热腔114传送222出至TES容器160。TES容 器160接收热的固体颗粒132并将其存储在颗粒存储腔162内。在如本说明书中所描述的 再生热能系统100的一个完整周期中，将热的固体颗粒132维持224在约240°C (464° F) 与约690°C (1274° F)之间的预定温度范围内。例如（但不限于），将热的固体颗粒132维 持在示例性温度范围内达约12小时至约24小时。将TES容器160维持在约大气压力下。
[0035] 图3为再生热能系统100的第二部分170的示意图。第二部分170包括系统100 的在充电操作期间（即，当存储在热的固体物质（以下进一步描述）中的热能被释放来发 电时）使用的部件。系统100的在第一部分1〇2(图1中示出）进行以上所述充电操作时 所使用的相同部件中的许多部件还用于放电操作。
[0036] 如上所述，在示例性实施例中，再生热能系统100包括与TES容器160以流动连通 方式连接的至少一个固体传送泵166。固体传送泵166还通过顶部入口部分116与热交换 反应器110的传热腔114以流动连通方式连接。固体传送泵166配置用于将热的颗粒168 从TES容器160传送至传热腔114中。
[0037] 此外，如上所述，将所存储的冷的加压空气144容纳在空气存储容器148中，处于 约20巴（2000kPa、290psi)与约70巴（7000kPa、1015psi)之间的压力范围内。因此，固体 传送泵166配置用于利用足以克服空气144的压力的压力来将颗粒168喷射至热交换反应 器110中。
[0038] 另外，如上所述，旋风过滤器140通过抽气导管142与传热腔114以流动连通方式 连接。旋风过滤器140进一步通过夹带颗粒返回导管175与传热腔114以流动连通方式连 接。
[0039] 此外，在示例性实施例中，再生热能系统100包括可旋转地连接至机器（例如但不 限于，发电机182)的至少一个膨胀器180。膨胀器180与旋风过滤器140以流动连通方式 连接。
[0040] 在至少一些替代实施例中，再生热能系统100包括与旋风过滤器140和膨胀器180 以流动连通方式连接的至少一个燃烧设备181。燃烧设备181包括连接至旋风过滤器140 的热空气延伸管线183。燃烧设备181还包括燃料管线185。燃烧设备181进一步包括连接 至热空气延伸管线183和燃料管线185的空气/燃料混合器186。燃烧设备181还包括连 接至空气/燃料混合器186和热空气延伸管线183的燃烧室187。燃烧设备181进一步包 括连接至燃烧室187、热空气延伸管线183和膨胀器180的热交换装置188。燃烧设备181 进一步包括连接至热交换装置188的排气导管189。
[0041] 图4为使再生热能系统100(图3中示出）放电的方法300的流程图。在放电操 作期间，在如本说明书中所描述的再生热能系统100的一个完整周期中，将热的固体颗粒 132(图3中示出）维持302在约240°C (464° F)与约690°C (1274° F)之间的预定温度 范围内。例如（但不限于），将热的固体颗粒132维持在示例性温度范围内达12小时至24 小时。将TES容器160(图3中示出）维持在约大气压力下。在类似的温度范围内，通过顶 部入口部分116(图3中示出）将热的颗粒168(图3中示出）从TES容器160传送至传热 腔114(图3中示出）中。
[0042] 此外，在放电操作期间以及如上所述，冷的加压空气144容纳304在空气存储容器 148(图3中示出）中。空气144具有在约20°C (68° F)与60°C (140° F)之间的温度值 并且是在约20巴（2000kPa、290psi)与约70巴（7000kPa、1015psi)之间的压力范围内。将 所存储的冷的加压空气144排放306至传热腔114中。引导308空气144向上穿过传热腔 114。固体传送泵166(图3中示出）利用足以克服空气144的压力的压力来将颗粒168喷 射310至热交换反应器110中。
[0043] 另外，在放电操作期间，因为颗粒168和空气144彼此逆向流动，所以颗粒168和 空气144在传热腔114内彼此直接接触。空气144与颗粒168之间的这种直接接触促进它 们之间的热交换，以使得颗粒168将热能传递312给空气144。热交换产生热的加压空气 172、夹带颗粒174和冷的颗粒190 (所有这些均在图3中示出）。
[0044] 此外，在放电操作期间，热的加压空气172和夹带颗粒174从传热腔114被抽吸 314至旋风过滤器140(图3中示出），所述旋风过滤器140使用气旋作用来将空气172 与颗粒174分离316。热的加压空气172和夹带颗粒174是在约240°C (464° F)与约 690°C (1274° F)的温度范围内。
[0045] 此外，在放电操作期间，在重力的帮助下将夹带颗粒174向下引导318穿过旋风过 滤器140,并且将其存储在旋风过滤器140的倾斜部分150(图3中示出）处。一些可重复 使用的（即，仍然可传递的）热能可驻留在颗粒174内。因此，在约240°C (464° F)与约 690°C (1274° F)之间的温度范围内，将此类颗粒174再喷射320至传热腔114中，以便将 热能进一步传递给空气144。或者，在使得如本说明书中所描述的再生热能系统100能够 运行的任何温度范围内将颗粒174再喷射至传热腔114中。当颗粒174的温度达到在约 20°C (68° F)与约60°C (140° F)之间的预定范围内的值时，将颗粒174传送322至冷颗 粒存储源118,以供再生使用。或者，在使得如本说明书中所描述的再生热能系统100能够 运行的任何温度范围内将颗粒174引导至冷颗粒存储源118。
[0046] 另外，在放电操作期间，其可传递热能已大致被耗尽的一些冷颗粒190沉积在向 内倾斜的底部排放部分130(图3中示出）处。在重力的帮助下，以如下方式将颗粒190从 传热腔114传送324出至TES容器160 :使得调拨存储在热颗粒132中的热能的可能性减 小。TES容器160接收冷颗粒190并将其存储在颗粒存储腔162内。冷颗粒190被传送326 至冷颗粒存储源118,以供再生使用。
[0047] 此外，在放电操作期间，将具有在约240°C (464° F)与约690°C (1274° F)之间 的范围内的温度值并且在约20巴（2000kPa、290psi)与约70巴（7000kPa、1015psi)之间 的压力范围内的热的加压空气172引导328至膨胀器180 (图3中示出）。或者，空气172 是在使得如本说明书中所描述的再生热能系统100能够运行的任何温度范围和任何压力 范围内。膨胀器180(图3中示出）驱动330发电机182(图3中示出），并且将消耗的空 气184(图3中示出）排放至使得如本说明书中所描述的再生热能系统100能够运行的任 何位置。
[0048] 在至少一些替代实施例中，通过导管183将来自旋风过滤器140的热空气引导至 燃烧设备181。分别通过导管183和燃料管线185将热空气和燃料中的一些引导至空气/ 燃料混合器186,所述热空气和燃料在所述空气/燃料混合器186处被混合。将空气/燃料 混合物被引导至燃烧室187,并且通过导管183将额外的热空气喷射至燃烧腔187中。产生 热气体并将其引导至热交换装置188。在扩展器180之前，从气体到通过导管183引导的热 空气的传热进一步增加空气172的温度。燃烧气体被引导通过排气导管189。
[0049] 图5为使用再生热能系统100的示例性发电设施500的示意图。在示例性实施例 中，发电设施500包括多个发电机502,所述发电机502包括但不限于：蒸汽涡轮发电机、燃 气涡轮发电机、水力涡轮发电机、风力涡轮发电机、汽油内燃机驱动发电机和柴油发电机及 其任何组合。
[0050] 操作发电设施500的一个实例包括（但不限于）在非峰值周期期间存储热能以及 在峰值周期期间消耗所存储的热能。在非峰值发电周期期间，发电设施的所有者/操作员 预期在未来峰值周期期间对额外发电的需要。发电机502将电力传输至空气压缩机122的 电动机124(图1中示出），并且将热能存储在如上所述的再生热能系统100中。在峰值周 期期间，再生热能系统100大致上回收所存储的热能，并且将由发电机182产生的电力添加 至由发电机502产生的电力以供传输。这种再生操作（包括充电操作和放电操作）表示再 生热能系统100的一个完整周期。举例来说（但不限于），此类周期在工作日可发生两次， 即在约早上5:00与约上午9:00之间执行放电操作，并且在约下午5:00与约晚上10:00之 间再次执行放电操作。当不执行放电操作时，在这两个时间周期之间执行充电操作。或者， 发电设施500的一些实施例可包括再生热能系统100的多次迭代，以使得一个系统100正 在充电并且为正在放电的第二系统100供电。
[0051] 上述再生热能系统提供一种用于产生和存储热能以供后续使用的具有成本效益 的方法。本说明书中所描述的实施例有利于在低功率使用周期期间将热能存储在热能存储 容器中，以供未来在峰值功率使用周期期间使用。具体地说，本说明书中所描述的装置、系 统和方法有利于在重力的帮助下通过直接接触将热量从热的压缩空气传递给小的、冷的固 体颗粒。更具体地说，本说明书中所描述的装置、系统和方法有助于使用发电设施，以使用 所述发电设施中产生的电力中的至少一些来在低功率使用周期期间驱动空气压缩机。利用 绝热容器中的颗粒来存储现在包含在热的小颗粒中的热能，所述绝热容器配置用于在大气 压力下将所述颗粒维持在特定温度范围内达一定的时间周期。将冷的加压空气引导至存储 容器。在高功率使用周期期间，引导热颗粒以与所存储的、冷的加压空气混合，从而将热能 传递回至空气中。将再受热的空气引导至连接至发电机的膨胀器。因此，因为小的热颗粒 存储在比用于存储空气的容器更小的容器中，所以不再需要使用更坚固的结构材料和绝热 材料以用于空气存储。此外，因为颗粒和空气是直接接触的，所以不需要用于促进间接热能 传递所必需的设备。
[0052] 本说明书中所描述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下各项中的至少 一个：（a)减小用于存储热能的容器的体积；以及（b)将冷颗粒与热空气直接接触并且将热 颗粒与冷空气直接接触以便在它们之间再生地传递热能。
[0053] 以上详细描述了用于发电设施的再生热能系统以及用于操作所述再生热能系统 的方法的示例性实施例。再生热能系统、发电设施以及此类系统和设施的操作方法并不限 于本说明书中所描述的具体实施例，相反，系统的部件和/或方法的步骤可独立使用并且 与本说明书中所描述的其他部件和/或步骤分开使用。例如，所述方法还可结合需要热能 存储的其他系统和方法使用，并不限于仅通过如本说明书中所描述的再生热能系统、发电 设施和方法进行实践。实际上，示例性实施例可与许多其他热能存储和传送应用结合实施 和使用。
[0054] 虽然本发明的各种实施例的具体特征可能在某些附图中示出而未在其他附图中 示出，但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理，附图中的任何特征可结合其他任何附 图的任何特征进行参考和/或提出权利主张。
[0055] 本说明书使用多个实例来公开本发明，包括最佳模式，同时还允许所属领域的任 何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、以及执行所涵盖的任何方 法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域的技术人员想出的其他实 例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的 等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别差别，那么此类实例也应在权利要求书 的范围内。
【权利要求】
1. 一种再生热能系统，所述再生热能系统包括： 热交换反应器，所述热交换反应器包括顶部入口部分、下部入口部分和底部排放部 分； 至少一个流体源，所述至少一个流体源在所述下部入口部分处与所述至少一个热交换 反应器以流动连通方式连接； 至少一个冷颗粒存储源，所述至少一个冷颗粒存储源在所述顶部入口部分处与所述至 少一个热交换反应器以流动连通方式连接；以及 至少一个热能存储（TES)容器，所述至少一个热能存储容器在所述底部排放部分和所 述顶部入口部分中的每一个处与所述热交换反应器以流动连通方式连接，其中所述热交换 反应器配置用于促进固体颗粒与流体之间的直接接触和逆流热交换。
2. 根据权利要求1所述的再生热能系统，其中所述至少一个流体源包括至少一个流体 压缩机和至少一个流体存储源，其中所述至少一个流体压缩机配置用于在第一温度下将流 体引导至所述热交换反应器中，并且所述至少一个流体存储源配置用于在第二温度下将流 体引导至所述热交换反应器中，其中所述第一温度高于所述第二温度。
3. 根据权利要求2所述的再生热能系统，所述再生热能系统进一步包括至少一些水分 去除设备，所述至少一些水分去除设备包括以下各项中的至少一个： 在所述至少一个流体压缩机上游与所述至少一个流体压缩机以流动连通方式连接的 至少一个水分去除设备； 在所述至少一个流体压缩机下游与所述至少一个流体压缩机以流动连通方式连接的 至少一个水分去除设备；以及 位于所述至少一个流体压缩机内的至少一个级间水分去除设备。
4. 根据权利要求1所述的再生热能系统，所述再生热能系统进一步包括至少一个固体 传送泵，所述至少一个固体传送泵与所述至少一个热能存储容器以及所述热交换反应器的 所述顶部入口部分以流动连通方式连接。
5. 根据权利要求1所述的再生热能系统，所述再生热能系统进一步包括至少一个旋风 过滤器，所述至少一个旋风过滤器在所述顶部入口部分与所述下部入口部分之间与所述热 交换反应器以流动连通方式连接，其中所述至少一个旋风过滤器配置用于接收离开所述热 交换反应器的流体以及所述流体中夹带的固体颗粒。
6. 根据权利要求5所述的再生热能系统，其中所述至少一个旋风过滤器进一步与所述 至少一个冷颗粒存储源以流动连通方式连接。
7. 根据权利要求1所述的再生热能系统，其中所述至少一个热能存储容器包含至少一 些绝热材料，并且配置用于在预定温度范围内容纳固体颗粒达预定时间周期。
8. 根据权利要求1所述的再生热能系统，其中所述至少一个热交换反应器限定其中的 传热腔，所述传热腔配置用于促进所述固体颗粒与所述流体之间的所述直接接触和所述逆 流热交换，所述传热腔至少部分地封闭配置用于增加所述固体颗粒和所述流体的停留时间 的至少一个装置，所述至少一个装置包括以下各项中的至少一个： 至少一个流体和颗粒偏转装置； 至少一个传热突出部；以及 至少一个传热通道。
9. 一种发电设施，所述发电设施包括： 至少一个发电设备；以及 连接至所述至少一个发电设备的至少一个再生热能系统，所述至少一个再生热能系统 包括： 热交换反应器，所述热交换反应器包括顶部入口部分、下部入口部分和底部排放部 分； 至少一个流体源，所述至少一个流体源在所述下部入口部分处与所述至少一个热交换 反应器以流动连通方式连接； 至少一个冷颗粒存储源，所述至少一个冷颗粒存储源在所述顶部入口部分处与所述至 少一个热交换反应器以流动连通方式连接；以及 至少一个热能存储（TES)容器，所述至少一个热能存储容器在所述底部排放部分和所 述顶部入口部分中的每一个处与所述热交换反应器以流动连通方式连接，其中所述热交换 反应器配置用于促进固体颗粒与流体之间的直接接触和逆流热交换，并且将热的加压空气 引导至所述至少一个发电设备。
10. 根据权利要求9所述的发电设施，其中所述至少一个流体源包括至少一个流体压 缩机和至少一个流体存储源，其中所述至少一个流体压缩机配置用于在第一温度下将流体 引导至所述热交换反应器中，并且所述至少一个流体存储源配置用于在第二温度下将流体 引导至所述热交换反应器中，其中所述第一温度高于所述第二温度。
11. 根据权利要求9所述的发电设施，所述发电设施进一步包括至少一个旋风过滤器， 所述至少一个旋风过滤器在所述顶部入口部分与所述下部入口部分之间与所述热交换反 应器以流动连通方式连接，其中所述至少一个旋风过滤器配置用于接收离开所述热交换反 应器的流体以及所述流体中夹带的固体颗粒。
12. 根据权利要求11所述的发电设施，其中所述至少一个旋风过滤器进一步与所述至 少一个冷颗粒存储源和所述至少一个发电设备以流动连通方式连接。
13. 根据权利要求9所述的发电设施，其中所述至少一个热能存储容器包含至少一些 绝热材料，并且配置用于在预定温度范围内容纳固体颗粒达预定时间周期。
14. 根据权利要求9所述的发电设施，所述发电设施进一步包括与所述至少一个旋风 过滤器和所述至少一个发电设备以流动连通方式连接的至少一个燃烧设备。
15. -种操作发电设施的方法，所述方法包括： 引导固体颗粒向下穿过热交换反应器； 引导加压空气向上穿过所述热交换反应器； 通过直接接触将热量从所述加压空气传递给所述固体颗粒；以及 将所述固体颗粒引导至至少一个热能存储（TES)容器中。
16. 根据权利要求15所述的方法，所述方法进一步包括： 引导所述固体颗粒从所述热能存储容器向下穿过所述热交换反应器； 引导加压空气向上穿过所述热交换反应器； 通过直接接触将热量从所述固体颗粒传递给所述加压空气；以及 将所述加压空气引导至至少一个发电设备。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中引导固体颗粒向下穿过热交换反应器包括在所 述热交换反应器的所述顶部处喷射所述固体颗粒以及在重力的帮助下向下引导所述固体 颗粒。
18. 根据权利要求15所述的方法，其中引导加压空气向上穿过所述热交换反应器包括 引导所述空气穿过旋风过滤器，以除去所述空气中夹带的固体颗粒中的至少一部分。
19. 根据权利要求15所述的方法，其中引导所述固体颗粒至至少一个热能存储（TES) 容器中包括在预定温度范围内容纳所述固体颗粒达预定时间周期。
20. 根据权利要求15所述的方法，所述方法进一步包括：其中： 在第一压力下操作所述热交换反应器；以及 在第二压力下操作所述至少一个热能存储容器，其中所述第一压力大于所述第二压 力，并且所述第二压力具有为约大气压力的值。
【文档编号】F02C6/16GK104508257SQ201380040843
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年7月31日 优先权日:2012年7月31日
【发明者】A. 冈萨雷斯萨拉扎 M., 比伯尔 M., 芬肯拉思 M. 申请人:通用电气公司