温跃层系统的制作方法

本实用新型涉及一种温跃层阵列。

背景技术：

在热发动机或热泵中，热交换器可以被采用来在热存储介质与用于涡轮机械使用的工作流体之间转移热。热发动机可以是可逆的，例如，它也可以是热泵，并且工作流体和热交换器可以被用于转移热或冷到多个热存储器。

技术实现要素：

在闭式热动力循环中，诸如用于发电和/或能量存储的闭式布莱敦循环中，温跃层阵列布置中的包含固体热介质的压力容器可以用于替代流体-流体热交换器。

示例温跃层系统可以包括入口流体路径，其中入口流体路径在工作压力接收工作流体，并且工作压力不是大气压力。示例温跃层系统可以进一步包括输出流体路径和多个压力容器，其中每个压力容器进一步包括：内部容积；入口阀，所述入口阀被构造成将所述内部容积连接到入口流体路径或使所述内部容器与所述入口流体路径隔离；出口阀，所述出口阀被构造成将所述内部容器连接到出口流体路径或使所述内部容积与所述出口流体路径隔离；和热绝缘部，所述热绝缘部被构造成使压力容器与大气以及与所述多个压力容器中的其它压力容器彼此热绝缘。示例温跃层系统可以在每个绝缘的压力容器的内部容积内进一步包括固体热存储介质，其中至少一个压力容器内部容积被连接到入口流体路径和出口流体路径，其中至少一个压力容器内部容积与入口流体路径和出口流体路径隔离，其中被连接到入口流体路径和出口流体路径的每个压力容器内部容积处在工作压力，并且其中与入口流体路径和出口流体路径隔离的每个压力容器内部容积处在不是工作压力的存储压力。

示例方法可以包括在放电模式中运行闭式热动力循环系统，其中工作流体流按顺序循环通过压缩机、温跃层阵列、涡轮机和冷侧热交换器，其中温跃层阵列包括多个压力容器，其中每个压力容器可构造成被连接到工作流体流或与工作流体流隔离，并且其中每个压力容器包括固体热存储介质，所述热存储介质被构造成当压力容器被连接到工作流体流时将热能转移到工作流体流。示例方法可以进一步包括在所述多个压力容器中的第一压力容器中的所述固体热存储介质的相应温度在第一阈值数值以上时将所述第一压力容器连接到工作流体流。示例方法可以进一步包括当所述第一压力容器中的所述热存储介质的相应温度降到所述第一阈值数值以下时使所述第一压力容器与工作流体流隔离，并且在所述第一压力容器中的所述固体热存储介质的相应温度降到第二阈值数值以下之后，在所述多个压力容器中的第二压力容器中的固体热存储介质的相应温度在第三阈值数值以上时，将所述第二压力容器连接到工作流体流。

其它示例方法可以包括在充电模式中运行闭式热动力循环系统，其中工作流体流按顺序循环通过压缩机、温跃层阵列、涡轮机和冷侧热交换器，其中温跃层阵列包括多个压力容器，其中每个压力容器可构造成被连接到工作流体流或与工作流体流隔离，并且其中每个压力容器包括固体热存储介质，所述热存储介质被构造成当压力容器被连接到工作流体流时从工作流体流接收热能。示例方法可以进一步包括在所述多个压力容器中的第一压力容器中的所述固体热存储介质的相应温度在第一阈值数值以下时将所述第一压力容器连接到工作流体。示例方法可以进一步包括当所述第一压力容器中的所述热存储介质的相应温度升高到所述第一阈值数值以上时使所述第一压力容器与工作流体流隔离，并且在所述第一压力容器中的所述固体热存储介质的相应温度升高到第二阈值数值以上之后，在所述多个压力容器中的第二压力容器中的固体热存储介质的相应温度在第三阈值数值以下时，将所述第二压力容器连接到工作流体流。

对于本领域的普通技术人员而言，通过适当地参考附图，阅读以下详细说明，这些以及其它方面、优点和替代将是显而易见的。

附图说明

图1是在充电/热泵模式中的热系统的工作流体和热存储介质的示意流动图。

图2是在放电/热发动机模式中的热系统的工作流体和热存储介质的示意流动图。

图3A是在工作流体经历图1中的充电循环时工作流体的示意性压力和温度图。

图3B是在工作流体经历图2中的放电循环时工作流体的示意性压力和温度图。

图4是在充电/热泵模式中的具有用于工作流体的气体-气体热交换器的热系统的工作流体和热存储介质的示意流动图。

图5是在放电/热发动机模式中的具有用于工作流体的气体-气体热交换器的热系统的工作流体和热存储介质的示意流动图。

图6A是在工作流体经历图4中的充电循环时工作流体的示意性压力和温度图。

图6B是在工作流体经历图5中的放电循环时工作流体的示意性压力和温度图。

图7示出根据示例实施例的示意流动图。

图8以剖视图示出根据示例实施例的温跃层压力容器的示意布置。

图9示出根据示例实施例的温跃层阵列系统。

图10示出根据示例实施例的在放电模式中运行具有温跃层阵列的布莱敦循环的方法。

图11示出根据示例实施例的在充电模式中运行具有温跃层阵列的布莱敦循环的方法。

具体实施方式

这里描述示例方法和系统。应理解的是，词“示例”和/或“示例性”这里被用于指“用作示例、例子或说明”。这里所述作为“示例”或“示例性”的任何实施例或特征非必然被理解为比其它实施例或特征优选或有利。这里描述的示例实施例不意味着是限制性的。应理解的是，公开的系统和方法的某些方面在广泛的不同构造中能被布置和组合，所有这些都被包含于此。

I.概述

可在其中实施温跃层阵列系统的示例可逆闭式热发动机是布莱敦发动机系统。布莱敦发动机系统可以使用连接到涡轮机和压缩机的发电机/马达，其中涡轮机械作用于正在系统中循环的工作流体。工作流体的非详尽示例包括空气、氩气、二氧化碳或气体混合物。布莱敦系统可以具有热侧和冷侧。每侧可以包括包含固体热介质的热交换器容器。固体热介质可以采取多种形式，包括但不限于泥土、岩石、碎石、砂、粘土、金属、金属氧化物、耐火材料、耐火金属、陶瓷、金属陶瓷、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆、碳化硅、碳化钛、碳化钽、碳化铬、碳化铌、碳化锆、二硅化钼、氧化钙、铬铁矿、白云石、菱镁矿、石英岩、硅酸铝、钨、钼、铌、钽、铼、铍及其组合。在冷系统中使用的固体热介质可以进一步包括水冰和/或其它固体形式的普通室温液体。优选地，固体介质在高温和低温时结构稳定，形状和/或尺寸一致，并且被形成使得固体介质团包括间隙以允许工作流体流动通过所述团。例如，对于耐火材料，它可以优选利用能被堆叠和/或布置成在固体介质的各个单元之间允许间隙的大的板坯、堆叠砖、柏拉图立体、球体、圆柱体和其他形状。对于金属、金属氧化物或陶瓷，它可以优选完全或部分由金属、金属氧化物或陶瓷组成的那些形状、织物或网，其中织物或网具有足以允许工作流体通过固体介质的通道的孔隙。

温跃层可以被用于能量的热存储，或者用于冷却或加热或者两者，取决于热发动机的要求。温跃层可以被构造成具有丸状的热存储介质的热交换器容器，温跃层一般需要保持在热发动机的入口压力。将整个温跃层保持在工作压力要求大的能量消耗。

利用丸状的热存储介质，热侧固体热介质可以达到600℃以上的温度，并且如果热交换器容器用作工作流体与固体热介质之间的直接接触，则压力可以低于100bar。类似地，冷侧热介质可以低于-70℃并且可以在热交换器中处于真空或接近真空状态。

可能期望将温跃层分为成阵列的段区，每个段区是分开的压力容器。在该构造中，未使用的压力容器可以保持在大气压力，因而节约能量。仅使用中的压力容器可以被加压到工作压力。

II.说明性的可逆的热发动机

现在将更详细地描述可以在这些示例实施例中实施的系统和装置。然而，示例系统也可以在其它装置中实施或者采用其它装置的形式，而不背离本实用新型的范围。

本公开的方面涉及在热存储循环上运行的热系统。在一些示例中，该循环允许电被存储为热(例如，以温度差的形式)并且然后通过使用至少两件涡轮机械(压缩机和涡轮机)和发电机来转化回到机械功和最终转化回到电。压缩机消耗功并且使工作流体(WF)的温度和压力升高。涡轮机产生功并且使工作流体的温度和压力降低。在一些示例中，使用不止一个压缩机和不止一个涡轮机。在一些情形中，系统可以包括至少1个、至少2个、至少3 个、至少4个或至少5个压缩机。在一些情形中，系统可以包括至少1个、至少2个、至少3个、至少4个或至少5个涡轮机。压缩机可以被并联或串联布置。涡轮机可以被并联或串联布置。

图1和2是在充电/热泵模式中和在放电/热发动机模式中的示例热系统的工作流体和热存储介质的示意流动图。为了解释的简便，系统可以被理想化，使得在涡轮机械或热交换器中不存在损失(即，熵产生)。系统可以包括工作流体(例如，氩气)，其在压缩机1、热侧热交换器2、涡轮机4和冷侧热交换器4之间的闭式循环中流动。工作流体(例如，气体)、热侧热存储(HTS)介质(例如，低粘性液体或固体介质)和冷侧热存储(CTS)介质(例如，低粘性液体或固体介质)的流体流动路径/方向由箭头指示。热交换器2和热交换器4可以包含例如用于液体热存储介质的传统液体-气体交换(例如，管式和壳式交换器或板交换器)和用于固体热介质的固体-气体交换(例如，直接接触)，并且可以要求用于介质的泵送和/或输送机构。

图3A和3B在工作流体分别经历图1和2中的充电循环时工作流体的示意压力和温度图，再次简化成近似无熵生成。标准化压力被示出在Y轴上并且温度被示出在X轴上。在循环期间发生的处理的方向利用箭头指示，并且在压缩机1、热侧CFX2、涡轮机3和冷侧CFX4中发生的各个处理被以它们相应的圆形标记指示在图表上。

热交换器2和4被构造成逆流热交换器(CFX)，其中工作流体在一个方向上流动，并且与其交换热的物质在相反的方向上流动或移动或者具有温度梯度。在具有正确匹配(即，平衡的容量流动速率或温跃层梯度)的流动的理想的逆流热交换器中，工作流体和热存储介质的温度跳跃(即，逆流热交换器可以具有统一的效力)。

同与其他系统部件和/或处理相关的熵生成(例如，压缩机和/或涡轮机熵生成)相比，逆流热交换器2和4可以被设计成和/或运行成把在热交换器中的熵生成减少到可忽略的水平。在一些情形中，系统可以被运行成使得系统中的熵生成被最小化。例如，系统可以被运行成使得与热存储单元相关的熵生成被最小化。在一些情形中，交换热的流体或固体元件之间的温度差在运行期间可以被控制，使得热侧和冷侧热存储单元中的熵生成被最小化。在一些情形中，当与由压缩机、涡轮机或由压缩机和涡轮机两者生成的熵相比时，热侧和冷侧热存储单元中生成的熵可忽略。在一些情形中，与热交换器 2和4中的热转移相关的熵生成和/或与热侧存储单元、冷侧存储单元或者热侧和冷侧存储单元两者的运行相关的熵生成可以小于系统内产生的总熵(例如，由压缩机1、热侧热交换器2、涡轮机3、冷侧热交换器4和/或这里描述的其它部件，诸如例如复热器生成的熵)的约50％，约25％，约20％，约15％，约10％，约5％，约4％，约3％约2％或约1％。例如，如果交换热的两种物质在局部温度差ΔT→0(即，当在热交换器中紧密热接触的任意两种流体或固体介质元件之间的温度差是小的时)进行热交换，则熵生成可以被减小或最小化。在一些示例中，紧密热接触的任意两种流体或固体介质元件之间的温度差ΔT可以小于约300开尔文(K)，小于约200K，小于约100K，小于约75K，小于约50K，小于约40K，小于约30K，小于约20K，小于约5K，小于约3K，小于约2K，或小于约1K。在另一示例中，与压降相关的熵生成可以通过适当的设计而减小或最小化。在一些示例中，热交换处理可以在恒压或接近恒压发生。可替选地，在经过热交换器期间，工作流体和/或一种或多种热存储介质可能经历不可忽略的压降。热交换器中的压降可以通过适当的热交换器设计而被控制(例如，减小或最小化)。在一些示例中，跨每个热交换器的压降可以小于入口压力的约20％，小于入口压力的约10％，小于入口压力的约5％，小于入口压力的约3％，小于入口压力的约2％，小于入口压力的约1％，小于入口压力的约0.5％，小于入口压力的约0.25％，或小于入口压力的约0.1％。

在进入热交换器2时，工作流体的温度可以增大(从HTS介质21获得热，对应于图2和3B中的放电模式)或者降低(提供热到HTS介质21，对应于图1和3A中的充电模式)，取决于热交换器中的HTS介质的温度相对于工作流体的温度。类似地，在进入热交换器4时，工作流体的温度可以增大(从CTS介质22获得热，对应于图1和3A中的充电模式)或者降低 (提供热到CTS介质22，对应于图2和3B中的放电模式)，取决于热交换器中的CTS介质的温度相对于工作流体的温度。

如参考图1和3A中充电模式更详细描述的，在冷侧CFX4中的热添加处理可以在与热侧CFX2中的热移除处理不同的温度范围上发生。类似地，在图2和3B放电模式中，在冷侧CFX4中的热排放处理可以在与热侧CFX2 中的热添加处理不同的温度范围上发生。热侧和冷侧热交换处理的温度范围的至少一部分可以在充电期间、在放电期间或者在充电和放电期间重叠。

如这里使用的，温度T₀、T₁、T₀⁺和T₁⁺被如此命名，因为T₀⁺、T₁⁺是在给定压缩比r、绝热效率ηc和入口温度分别为T₀、T₁的情况下在压缩机的出口处获得的温度。图1、2、3A和3B中的示例可以是理想化示例，其中η_c＝1并且其中涡轮机的绝热效率η_t也具有值η_t＝1。

参考图1和3A中所示的充电模式，工作流体可以在位置30在压力P 和温度T(例如，在T₁,P₂)进入压缩机1。在工作流体经过压缩机时，功W₁被压缩机消耗以增大工作流体的压力和温度(例如，到T₁⁺,P₁)如在位置31 处由P↑和T↑指示的。在充电模式中，在位置31处离开压缩机并进入热侧 CFX2的工作流体的温度T₁⁺高于在位置32处从在温度T₀⁺的第二热侧热存储罐7进入热侧CFX2的HTS介质21的温度(即，T₀⁺<T₁⁺)。在这些工作流体和热介质在热交换器中彼此热接触地经过时，随着工作流体从位置31 移动到位置34，工作流体的温度降低，释放热Q₁到HTS介质，同时随着 HTS介质从位置32移动到位置34，HTS介质的温度进而增大，从工作流体吸收热Q1。在示例中，工作流体在位置34在温度T₀⁺离开热侧CFX2，并且HTS介质在位置33离开热侧CFX2在温度T₁⁺进入第一热侧热存储罐6。热交换处理可以发生在恒压或接近恒压，使得工作流体在位置34在较低温度但相同压力P1离开热侧CFX2，如由位置34处的P和T↓指示的。类似地，HTS介质21的温度在热侧CFX2中增大同时其压力保持恒定或接近恒定。

当在位置34(例如，在T₀⁺,P1)离开热侧CFX2时，工作流体在位置 35处离开涡轮机之前在涡轮机3中经历膨胀。在膨胀期间，工作流体的压力和温度降低(例如，到T₀,P₂)，如由位置35处的P↓和T↓指示的。由涡轮机生成的功W₂的大小取决于进入涡轮机的工作流体的焓和膨胀的程度。在充电模式中，在位置31和34之间(在热侧CFX2中)从工作流体移除热，并且工作流体被膨胀回到其在位置30初始地进入压缩机的压力(例如，P2)。压缩机1中的压缩比(例如，P1/P2)等于涡轮机3中的膨胀比，并且进入涡轮机的气体的焓低于离开压缩机的气体的焓，由涡轮机3生成的功W₂小于由压缩机1消耗的功W₁(即，W₂<W₁)。

因为热被带离在热侧CFX2中的工作流体，工作流体在位置35处离开涡轮机的温度T₀低于工作流体在位置30处初始进入压缩机的温度T₁。为了使循环闭合(即，使工作流体的压力和温度返回到它们在位置30处的初始值T₁、P₂)，热Q₂在位置35和30之间(即，在涡轮机3和压缩机1之间)从冷侧CFX4中的CTS介质22添加到工作流体。在示例中，CTS介质 22在位置36处从在温度T₁的第一冷侧热存储罐8进入冷侧CFX4，并且在位置37处离开冷侧CFX4进入在温度T₀的第二冷侧热存储罐9，同时工作流体在位置35处在温度T₀进入冷侧CFX4，并且在位置30在温度T₁离开冷侧CFX4。再次，热交换处理可以在恒压或接近恒压发生，使得工作流体在位置30在较高温度但相同压力P₂离开冷侧CFX2，如由位置30处的P和 T↑指示的。类似地，CTS介质22的温度在冷侧CFX2中降低同时其压力保持恒定或接近恒定。

在充电期间，热Q₂从CTS介质移除并且热Q₁被添加到HTS介质，其中Q₁>Q₂。功的净额(W₁-W₂)被消耗，因为由压缩机使用的功W₁大于由涡轮机生成的功W₂。消耗功同时将热从冷的本体或热存储介质移动到热的本体或热存储介质的装置是热泵；因而，充电模式中的热系统运行为热泵。

在示例中，在正被引入热交换器中的热存储介质的温度，图2和3B中所示的放电模式可以不同于图1和3A中所示的充电模式。HTS介质在位置 32进入热侧CFX2的温度是T₁⁺而不是T₀⁺，并且CTS介质在位置36进入冷侧CFX4的温度是T₀而不是T₁。在放电期间，工作流体在位置30处在T₀和P₂进入压缩机，在位置31处在T₀⁺<T₁⁺和P₁离开压缩机，从热侧CFX2 中的HTS介质吸收热，在位置34处在T₁⁺和P₁进入涡轮机34，在位置35 处在T₁>T₀和P₂离开涡轮机，并且最后排放热到冷侧CFX4中的CTS介质，返回到其在位置30处在T₀和P₂的初始状态。

在充电模式和放电模式期间，在温度T₁⁺的HTS介质可以被存储在第一热侧热存储罐6中，在温度T₀⁺的HTS介质可以被存储在第二热侧热存储罐7中，在温度T1的CTS介质可以被存储在第一冷侧热存储罐8中，并且在温度T₀的CTS介质可以被存储在第二冷侧热存储罐9中。在一个实施方式中，通过分别在罐6和7之间切换，HTS介质在位置32处的入口温度可以在T₁⁺和T₀⁺之间切换。类似地，通过分别在罐8和9之间切换，CTS 介质在位置36处的入口温度可以在T₁和T₀之间切换。罐之间的切换可以通过包括阀或阀系统或输送系统或输送系统群来实现，所述阀或阀系统或输送系统等视充电和放电模式的需要而用于切换热侧热交换器2与热侧罐6和 7之间的连接，和/或冷侧热交换器4与冷侧罐8和9之间的连接。在一些实施方式中，连接可以替代地在工作流体侧上被切换，同时存储罐6、7、8和 9到热交换器2和4的连接保持静止。在一些示例中，到热交换器的流动路径和连接可以取决于每个热交换器的设计(例如，壳管式或直接接触)。在一些实施方式中，一个或多个阀或输送系统可以被用于在充电和放电时切换工作流体和热存储介质通过逆流热交换器的方向。例如，由于热交换器部件的高的热存储容量，这样的构造可以被使用于降低或消除温度瞬变或其组合。在一些实施方式中，一个或多个阀或输送系统可以被用于切换仅工作流体的方向，同时可以通过改变泵送或输送的方向来改变HTS或CTS的方向，由此维持逆流构造。在一些实施方式中，不同的阀构造或输送系统可以被用于HTS和CTS。此外，这里可以使用阀和输送构造的任何组合。例如，系统可以被构造成在不同的情形中(例如取决于系统运行条件)使用不同的阀和输送构造来运行。

参考图2和3B中所示的放电模式，工作流体可以在位置30在压力P 和温度T(例如，在T₀,P₂)进入压缩机1。在工作流体经过压缩机时，功W₁被压缩机消耗以增大工作流体的压力和温度(例如，到T₀⁺,P₁)，如在位置 31处由P↑和T↑指示的。在放电模式中，在位置31处离开压缩机并进入热侧CFX2的工作流体的温度T₀⁺低于在位置32处从在温度T₁⁺的第二热侧热存储罐6进入热侧CFX2的HTS介质21的温度(即，T₀⁺<T₁⁺)。在这两种流体在热交换器中彼此热接触地经过时，随着工作流体从位置31移动到位置34，工作流体的温度增大，从HTS介质吸收热Q₁，同时随着HTS介质从位置32移动到位置33，HTS介质的温度进而降低，释放热Q₁到工作流体。在示例中，工作流体在位置34在温度T₁⁺离开热侧CFX2，并且HTS介质在位置33离开热侧CFX2进入在温度T₀⁺的第二热侧热存储罐7。热交换处理可以发生在恒压或接近恒压，使得工作流体在位置34在较高温度但相同压力P₁离开热侧CFX2，如由位置34处的P和T↑指示的。类似地，HTS 介质21的温度在热侧CFX2中降低同时其压力保持恒定或接近恒定。

当在位置34(例如，在T₁⁺,P₁)离开热侧CFX2时，工作流体在位置 35处离开涡轮机之前在涡轮机3中经历膨胀。在膨胀期间，工作流体的压力和温度降低(例如，到T₁,P₂)，如由位置35处的P↓和T↓指示的。由涡轮机生成的功W₂的大小取决于进入涡轮机的工作流体的焓和膨胀的程度。在放电模式中，在位置31和34之间(在热侧CFX2中)向工作流体添加热，并且工作流体被膨胀回到其在位置30初始地进入压缩机的压力(例如，P₂)。压缩机1中的压缩比(例如，P₁/P₂)等于涡轮机3中的膨胀比，并且进入涡轮机的气体的焓高于离开压缩机的气体的焓，由涡轮机3生成的功W₂大于由压缩机1消耗的功W₁(即，W₂>W₁)。

因为热被添加到热侧CFX2中的工作流体，工作流体在位置35处离开涡轮机的温度T₁高于工作流体在位置30处初始进入压缩机的温度T₀。为了使循环闭合(即，使工作流体的压力和温度返回到它们在位置30处的初始值T₀,P₂)，热Q₂在位置35和30之间(即，在涡轮机3和压缩机1之间) 由工作流体排放到冷侧CFX4中的CTS介质22。CTS介质22在位置36处从在温度T₀的第二冷侧热存储罐9进入冷侧CFX4，并且在位置37处离开冷侧CFX4进入在温度T1的第一冷侧热存储罐8，同时工作流体在位置35 处在温度T1进入冷侧CFX4，并且在位置30在温度T0离开冷侧CFX4。再次，热交换处理可以发生在恒压或接近恒压，使得工作流体在位置30在较高温度但相同压力P2离开冷侧CFX2，如由位置30处的P和T↓指示的。类似地，CTS介质22的温度在冷侧CFX2中增大同时其压力保持恒定或接近恒定。

在放电期间，热Q₂被添加到CTS介质并且热Q₁被从HTS介质移除，其中Q₁>Q₂。功的净额(W₂-W₁)被生成，因为由压缩机使用的功W₁小于由涡轮机生成的功W₂。生成功同时将热从热的本体或热存储介质移动到冷的本体或热存储介质的装置是热泵；因而，放电模式中的热系统运行为热发动机。

本公开的另一方面涉及带回热/回流换热的热系统。在一些情形中，术语生成和回流换热可以用被可交换地使用，但是它们可以具有不同的含义。如这里使用的，术语“回流换热”和“回流换热器”一般指存在一个或多个另外的热交换器，其中工作流体通过连续热交换在热动力循环的不同区段期间与自身交换热，而没有中间热存储。如这里使用的，术语“回热”和“回热器”可以用于描述与术语“回流换热”和“回流换热器”相同的构造。热系统的往返效率可以被显著地提高，如果存储介质的允许温度范围被扩展。在一些实施方式中，这可以通过选择能转到273K(0℃)以下的温度的在冷侧上的材料或介质来完成。例如，在具有熔融盐HTS介质的系统中可以使用具有近似T₀＝179 K(-94℃)的温度下限的CTS介质(例如，己烷)。然而，在一些(例如，适度的)压缩比的T₀⁺(即，热侧热交换器中的工作流体的最低温度)可以低于熔融盐的冰点，其使熔融盐不能作为HTS介质独立存在。在一些实施方式中，这可以通过在循环中包括工作流体到工作流体(例如，气体-气体) 的热交换器(这里也称“回流换热器”或“回热器”)来解决。

图4是在具有用于工作流体的气体-气体热交换器5的充电/热泵模式中的热系统的工作流体和热存储介质的流动图。气体-气体热交换器的使用可以使得能够在系统的冷侧上使用更冷的热存储介质。例如，工作流体可以是空气、氩气或者主要的氩混合有另一气体诸如氦的混合物。例如，工作流体可以包括至少约50％的氩，至少约60％的氩，至少约70％的氩，至少约80 ％的氩，至少约90％的氩或约100％的氩，带有剩余的氦。

图6A示出图4中的存储系统的热存储充电循环，其中冷侧存储介质(例如，液体己烷或庚烷)能够降到约179K(-94℃)并且熔融盐或固体介质作为热侧存储，并且η_c＝0.9和η_t＝0.95。在一些情形中，系统可以包括多于四个热存储罐。

在一个实施方式中，在图4和6A中的充电期间，工作流体在T₁和P₂进入压缩机，在T₁⁺和P₁离开压缩机，排放热Q₁到热侧CFX2中的HTS 介质21，在T₁和P₁离开热侧CFX2，排放热Qrecup(这里也称为“Qregen”，如在附图中所示)到热交换器或回流换热器5中的(低压)侧工作流体，在 T₀⁺和P₁离开回流换热器5，在区段38中排放热到环境(或者其它散热器)，在和P₁进入涡轮机3，在T₀和P₂离开涡轮机，从冷侧CFX4中的CTS 介质22吸收热Q2，在T₀⁺和P₂离开冷侧CFX4，从热交换器或回流换热器5中的热(高压)侧工作流体吸收热Qrecup，并且最终在T₁和P₂离开回流换热器5，在进入压缩机之前返回到它的初始状态。

图5是在放电/热发动机模式中的图4中的热系统的工作流体和热存储介质的示意流动图。再次，气体-气体热交换器的使用可以使得能够在系统的冷侧上使用更冷的热存储流体或固体介质(CTS)和/或更冷的工作流体。

图6B示出图5中的存储系统的热存储放电循环，其中冷侧存储介质(例如，液体己烷)能够降到约179K(-94℃)并且熔融盐或固体介质作为热侧存储，并且η_c＝0.9和η_t＝0.95。

在图5和6B中的放电期间，工作流体在T₀和P₂进入压缩机，在T₀⁺和P₁离开压缩机，从热交换器或回流换热器5中的冷(低压)侧工作流体吸收热量Qrecup，在T₁和P₁离开回流换热器5，从热侧CFX 2的HTS介质21吸收热Q₁，在T₁⁺和P₁离开热侧CFX 2，在和P₁进入涡轮机3，在和P₂离开涡轮机，在区段39(例如，散热器)中将热排放到环境(或其它散热器)，将热量Qrecup排放到热交换器或回流换热器5中的热(高压) 侧工作流体，在T₀⁺和P₂进入冷侧CFX 4，将热Q₂排放到冷侧CFX4中的 CTS介质22，最后在T₀和P₂离开冷侧CFX 4，在进入压缩机之前返回初始状态。

在一些示例中，回流换热可以使压缩比被减小。在一些情形中，减小压缩比可以获得减小的压缩机和涡轮机损失。在一些情形中，压缩比可以是至少约1.2，至少约1.5，至少约2，至少约2.5，至少约3，至少约3.5，至少约4，至少约4.5，至少约5，至少约6，至少约8，至少约10，至少约15，至少约20，至少约30，或更多。

在一些情形中，T₀可以是至少约30K，至少约50K，至少约80K，至少约100K，至少约120K，至少约140K，至少约160K，至少约180K约200K，至少约220K，至少约240K，至少约260K，或至少约280K。在一些情形中， T₀⁺可以是至少约220K，至少约240K，至少约260K，至少约280K，至少约 300K，至少约320K，至少约340K，至少约360K约380K，至少约400K，或更多。在一些情形中，由于部件诸如涡轮机械中的低效能，温度T₀和T₀⁺可能受到向在室温的环境排放过量的热的能力所限制。在一些情形中，温度 T₀和T₀⁺可以受到CTS的运行温度(例如，相变温度)的限制。在一些情形中，温度T₀和T₀⁺可以受到使用的压缩比的限制。这里的温度T₀和/或T₀⁺的任何描述可以应用到本公开的任何系统或方法。

在一些情形中，T₁可以是至少约350K，至少约400K，至少约440K，至少约480K，至少约520K，至少约560K，至少约600K，至少约640K，至少约680K，至少约720K，至少约760K，或至少约800K，至少约840K，至少约880K，至少约920K，至少约960K，至少约1000K，至少约1100K，至少约1200K，至少约1300K，至少约1400K，或更多。在一些情形中， T₁⁺可以是至少约480K，至少约520K，至少约560K，至少约600K，至少约640K，至少约680K，至少约720K，至少约760K，至少约800K，至少约840K，至少约880K，或至少约920K，至少约960K，至少约1000K，至少约1100K，至少约1200K，至少约1300K，至少约1400K，至少约1500 K，至少约1600K，至少约1700K，或更多。在一些情形中，温度T₁和T₁⁺可以受到HTS的运行温度的限制。在一些情形中，温度T₁和T₁⁺可以受到系统中使用的金属和材料的发热极限的限制。例如，传统的太阳盐可以具有约560-840K的推荐温度范围。由于可用的材料、冶金技术和存储材料随时间改进并且使得能达到不同的温度范围，可以被实现各种系统改进，诸如例如，增大的往返效率、增大的功率和增大的存储容量。这里的温度T₁和/或 T₁⁺的任何描述可以应用到本公开的任何系统或方法。

在一些情形中，带有和/或没有回流换热的往返效率ηstore(例如，电存储效率)可以是至少约5％，至少约10％，至少约15％，至少约20％，至少约25％，至少约30％，至少约35％，至少约40％约45％，至少约50％，至少约55％，至少约60％，至少约65％，至少约70％，至少约75％，至少约80％，至少约85％，至少约90％，或至少约95％。

在一些实施方式中，在充电和/或放电循环期间在系统中的热转移(例如，到和来自工作流体的热转移)的至少一部分包括与环境的热转移(例如，在区段38和39中的热转移)。系统中的热转移的其余部分可以通过以下方式发生，通过与热存储介质(例如，热存储介质21和22)的热连通，通过回流换热器5中的热转移和/或通过系统边界内(即，不与周围环境)的各种热转移。在一些示例中，环境可以指系统周围的气体的或液体的储藏器(例如，空气，水)、能够与系统交换热能的任何系统或介质(例如，另一热动力循环或系统、加热/冷却系统，等)，或者它们的任意组合。在一些示例中，通过与热存储介质热连通转移的热可以是系统中转移的所有热中的至少约25 ％，至少约50％，至少约60％，至少约70％，至少约80％，或至少约90 ％。在一些示例中，通过在回流换热器中的热转移转移的热可以是系统中转移的所有热中的至少约5％，至少约10％，至少约15％，至少约20％，至少约25％，至少约50％，或至少约75％。在一些示例中，通过与热存储介质热连通和通过在回流换热器中的热转移转移的热可以是系统中转移的所有热中的至少约25％，至少约50％，至少约60％，至少约70％，至少约80 ％，至少约90％，或甚至约100％。在一些示例中，通过与环境的热转移转移的热可以是系统中转移的所有热中的小于约5％，小于约10％，小于约15 ％，小于约20％，小于约30％，小于约40％，小于约50％，小于约60％约 70％，小于约80％，小于约90％，小于约100％，甚至100％。在一些实施方式中，系统中的所有热转移可以是热存储介质(例如，CTS和HTS介质)，并且仅热存储介质可以进行与环境的热转移。

本公开的热循环(例如，图4和5中的循环)可以通过用于在涡轮机械和热交换器之间运输工作流体的管和阀的各种构造来实施。在一些实施方式中，阀调系统可以被使用，使得系统的不同循环可以被交换，同时跨系统中的逆流热交换器中的至少一个、一个子集或全部维持相同或接近相同的温度轮廓。例如，阀切换可以被构造成使得工作流体可以在充电和放电时在相反流动方向上经过热交换器，并且HTS和CTS介质的流动或输送方向可以通过翻转泵的方向而被翻转。

在一些实施方式中，系统可以被建立成能够在不同的循环之间切换。这样的构造可能是有利的，因为它可以在充电和放电模式中重新使用用于工作流体的相同管道和/或连接件中的至少一部分或者相当部分或者大部分。通过在从充电切换到放电或从放电切换到充电时改变HTS介质和CTS介质被泵送或输送的方向，和/或通过适当地匹配工作流体、HTS介质和CTS介质的热通量，在工作流体在充电和放电之间改变方向时，热交换器的温度轮廓可以保持恒定、部分恒定或者大体上或完全恒定。

III.布莱敦循环发动机中的说明性温跃层阵列

图7图示布莱敦循环热发动机，其被构造成生成电力并且供应这样的电力到电网。热发动机可以是可逆的(即，运行成热泵)并且可以这里所述的其它热发动机和/或可逆的热发动机的形式，并且可以包括视图中所示的那些部件以外的另外的或可替选的部件。热发动机可以包括发电机/马达701，其可以发电或者使用电来运行压缩机703。发电机/马达701可以被机械联接到压缩机703和涡轮机705。压缩机703和涡轮机705可以经由一个或多个轴 715联接到发电机/马达701。可替选地，压缩机703和涡轮机705可以经由一个或多个齿轮箱和/或轴联接到发电机/马达701。热发动机可以使用机械功来存储热和/或可以从存储的热提供机械功。热发动机可以具有热侧717 和冷侧719。

在以实施例中，热发动机可以包括热侧温跃层系统707，其包括联接在热侧717上的压缩机703和涡轮机705之间的多个压力容器(见图9)。热侧温跃层系统707可以用作直接接触热交换器，其中工作流体直接接触固体热介质并且在大于大气压力的压力。回流换热式热交换器711可以被置放在压缩机703和热侧温跃层系统707之间的工作流体路径中。使用跨宽的温度范围有效的固体热介质，能够减少或消除回流换热式热交换器的使用。

包括多个压力容器(见图9)的冷侧温跃层系统709可以被联接在冷侧719上的涡轮机705和压缩机703之间。冷侧温跃层系统709可以用作直接接触热交换器，其中工作流体直接接触固体热介质并且在小于大气压力的压力。回流换热式热交换器711可以被置放在涡轮机705和冷侧温跃层系统 709之间的工作流体路径中，使得涡轮机705下游的工作流体流与压缩机703 的下游的工作流体流热接触。

热侧温跃层系统707中的多个压力容器与冷侧温跃层系统709中的多个压力容器优选是绝缘的压力容器。(见用于进一步描述的图8)如这里使用的，压力容器旨在指能够在大气压以上(例如，1-5bar,5-30bar,30-100bar, 或者更大)和/或大气压力以下(例如，1x10⁵-3x10³Pa,3x10³-1x10^-1Pa, 1x10^-1-1x10^-7Pa，或更小)运行的容器或包含区域。它们可以被绝缘以防止或减少容器中所包含的热传递到外部环境。它们可以被进一步密封以维持可能大体在大气压力以上或以下的进来的工作流体的压力，并且维持工作流体可以直接接触固体热介质的大体等压环境。温跃层系统707和709中的压力容器可以包括用于从布莱敦循环系统在非大气压力接收工作流体的一个或多个入口和用于在非大气压力将工作流体配送到布莱敦循环系统的一个或多个出口。入口和出口可以穿过温跃层系统707和709中的压力容器的外壁的一个或多个孔，并且它们连接到相应的工作流体流并且与大气密封。

温跃层系统707和709中的压力容器每个优选包含固体热介质。固体热介质可以具有足以允许工作流体流过固体热介质的孔隙。压力容器中的每一个可以具有一个或多个压力密封的接近端口，以加载或卸载固体热介质用于热充电、保持或者其它存取要求。

图7中所示的热发动机也可以具有流体路径，其被构造成允许它在没有回流换热器(如在图2中)的情况下运行和/或可逆地运行并且起到以热能形式存储过量的电能的功能，类似于没有回流换热器的在图4或图1中所示的循环，其中热侧热交换器2和相关联的罐6和7以及HTS介质21被温跃层 707替换，并且冷侧热交换器4和相关联的罐8和9以及CTS介质22被温跃层709替换，并且流体流动路径如在图1、2或4中指示。由于可能在系统中存在的低效能，在充电或放电循环中可能需要排放过量的热。热排放装置可能被插入所述实施例的流体路径中，而不背离所请求保护的主题。

仅作为示例实施例，在放电循环中，热排放装置713，诸如冷却塔，可以被置放在或联接到涡轮机705和冷侧温跃层容器709之间的工作流体流。热排放装置713可以从系统排出热，其中热可以通过工作流体被携带到热排放装置713并且被排出到大气或其它散热器。

IV.说明性温跃层阵列

图8以剖视图示出根据示例实施例的压力容器800的示意布置。压力容器800可以包括用于来自布莱敦循环系统的工作流体的入口802和用于到布莱敦循环系统的工作流体的出口804。入口802和出口804每个可以是简单的管端口，具有进入压力容器800的内部容积806的开口，和/或它们可以包括更复杂的结构，诸如连接到包含工作流体的外部管道的分布腔室。

压力容器800可以足以经受工作流体的压力并且防止或减少固体热介质、外部环境和其它压力容器之间的热转移的各种形式。例如，压力容器800 可以是具有绝缘壁808的容器。绝缘壁808可以包括被设计成经受压力和/ 或使热转移最小化的一种或多种材料。例如，壁808可以包括内部绝缘、耐火材料的内表面、结构钢芯和外部绝缘和/或能够经受长期环境暴露的保护材料。压力密封的接近端口可以被包括在壁内。

压力容器800也可以包括位于内部容积806内的固体热存储介质810。固体热介质810可以具有足以允许工作流体流过固体热介质810的孔隙。固体热介质810可以采取多种形式，包括但不限于泥土、岩石、碎石、砂、粘土、金属、金属氧化物、耐火材料、耐火金属、陶瓷、金属陶瓷、氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化锆、碳化硅、碳化钛、碳化钽、碳化铬、碳化铌、碳化锆、二硅化钼、氧化钙、铬铁矿、白云石、菱镁矿、石英岩、硅酸铝、钨、钼、铌、钽、铼、铍及其组合。在冷系统中使用的固体热介质810可以进一步包括水冰和/或其它固体形式的普通室温液体。优选地，固体介质810 在高温和低温时结构稳定，形状和/或尺寸一致，并且被形成使得固体介质团包括间隙以允许工作流体流动通过所述团。例如，对于耐火材料，它可以优选利用能被堆叠和/或布置成在固体热介质810的各个单元之间允许间隙的大的板坯、堆叠砖、柏拉图立体、球体、圆柱体和其他形状。对于金属、金属氧化物或陶瓷，它可以优选完全或部分由金属、金属氧化物或陶瓷组成的那些形状、织物或网，其中织物或网具有足以允许工作流体通过固体介质的通道的孔隙。

压力容器800也可以包括均衡阀812，其被构造成允许与工作流体隔离的每个压力容器内部容积806的压力与存储压力均衡。

每个压力容器800可以进一步包括接近端口814，其被构造成允许固体热存储介质810装载到压力容器内部容积806中和离开压力容器内部容积 806。

图9图示温跃层阵列系统900的示例实施例。温跃层阵列系统900可以用作布莱敦循环(如图7中所示的布莱敦循环)中的热侧温跃层系统或冷侧温跃层系统，或者用作其这里它图中的热交换器系统的替代，或者用于在其它开式或闭式热动力循环系统中使用。温跃层阵列系统900可以包括入口流体路径902和出口流体路径904。入口流体路径902可以接收来自布莱敦循环系统的在工作压力的工作流体。工作压力可以不是大气压力。在一些实施例中，工作压力可以大于大气压力。在其它实施例中，工作压力可以低于大气压力。入口流体路径902中的工作流体的工作压力可以由入口流体路径 902上或附近的压力传感器测量。测量的入口流体路径902中的工作流体的工作压力可以被传到控制器，控制器可以如这里所述控制一个或多个阀。

出口流体路径904可以使工作流体返回布莱敦循环系统。温跃层阵列系统900也可以包括多个压力容器，如图8中所示。每个压力容器800可以包括入口阀906和出口阀908，入口阀被构造成将内部容积806连接到入口流体路径902或者使内部容积与入口流体路径隔离，出口阀被构造成将内部容积806连接到出口流体路径904或者使内部容积与出口流体路径隔离。

至少一个压力容器内部容积806可以被连接到入口流体路径902和出口流体路径904。至少一个压力容器内部容积806可以与入口流体路径902和出口流体路径904隔离。这样的构造允固体热介质810的非加压存储，由此减少能量成本。

连接到入口流体路径902和出口流体路径904的每个压力容器内部容积806可以在工作压力。工作压力可以高达3bar、10bar、30bar、50bar、100bar 或者更高，或者可以在真空或接近真空。与入口流体路径902和出口流体路径904隔离的每个压力容器内部容积806可以在不是工作压力的存储压力。存储压力可以是大气压力，这可以减少爆炸或泄漏的机会。工作压力对存储压力的比可以是至少3:1。给定的压力容器的存储压力可以由与压力容器内部容积806连通的压力传感器测量。测量的存储压力可以被传到控制器，控制器可以如这里所述控制一个或多个阀。

连接到入口流体路径902和出口流体路径904的每个压力容器内部容积 806中的固体热介质810可以与工作流体转移热能。例如，当在布莱敦循环放电模式中运行时，工作流体可以转移热能到被连接到入口流体路径902和出口流体路径904的每个压力内部容积806中的固体热介质810或者从固体热介质810接收热能。

入口流体路径902和/或出口流体路径904可以被联接到在布莱敦循环系统中在压缩机的下游并且涡轮机上游的工作流体路径。可替选地，入口流体路径902和/或出口流体路径904可以被联接到在布莱敦循环系统中在涡轮机的下游并且压缩机上游的工作流体路径。

与大型单温跃层相比，这样布置，温跃层阵列系统900可以减少布莱敦循环中的工作流体的流动路径，由此减少压降和/或距离。

V.运行具有温跃层阵列的布莱敦循环的说明性方法。

图10图示示例方法1000。在步骤1002，方法1000可以包括在放电模式中运行布莱敦循环系统，其中工作流体流按顺序循环通过压缩机、温跃层阵列、涡轮机和冷侧热交换器，其中温跃层阵列包括多个压力容器，其中每个压力容器可构造成被连接到工作流体流或与工作流体流隔离，其中每个压力容器包括固体热存储介质，所述热存储介质被构造成当压力容器被连接到工作流体流时将热能转移到工作流体流。在步骤1004，方法1000可以进一步包括在所述多个压力容器中的第一压力容器中的所述固体热存储介质的相应温度在第一阈值数值(例如，最小运行温度)以上时将所述第一压力容器连接到工作流体流。例如，第一阈值数值可以是以上关于热侧热流体描述的数值T₀⁺和T₁⁺之间的某个值。给定压力容器中的固体热存储介质的相应温度可以由压力容器中的温度传感器测量。测量的温度可以被传到控制器，控制器可以被构造成使压力容器连接到工作流体流或者与工作流体流隔离。在步骤1006，方法1000可以包括在第一压力容器中的热存储介质的相应温度降到第一阈值数值(例如，最小运行温度)以下时使第一压力容器与工作流体流隔离。在步骤1008，方法可以包括，在第一压力容器中的固体热存储介质的相应温度降到第二阈值数值(例如，最小运行温度或最小运行温度加运行余量)以下之后，在所述多个压力容器中的第二压力容器中的固体热存储介质的相应温度在第三阈值数值(例如，第二压力容器的最小运行温度)以上时，将该第二压力容器连接到工作流体流。

在热侧温跃层系统中使用的压力容器中，热存储介质的温度范围可以从约290℃至约565℃。在冷侧温跃层系统中使用的压力容器中，热存储介质的温度范围可以从约-60℃至约35℃。

在一些实施例中，第一阈值数值和第二阈值数值可以是相同的数值。在这样的实施例中，当第一压力容器中的热存储介质的温度降到该数值以下时，第一压力容器与工作流体流隔离，并且第二压力容器连接到工作流体流。在其它实施例中，第一阈值数值和第二阈值数值可以是不同的数值，例如，第二阈值数值可以大于第一阈值数值。在这样的实施例中，当第二压力容器连接到工作流体流时，第一压力容器仍维持连接到工作流体流。在另一实施例中，第一阈值数值、第二阈值数值和第三阈值数值可以是相同的数值。例如，第一阈值数值可以基于最小运行温度(例如，在T₀⁺和T₁⁺之间)并且第二阈值数值可以基于最小运行温度加运行余量。

图11图示示例方法1100。在步骤1102，方法1100可以包括在充电模式中运行布莱敦循环系统，其中工作流体流按顺序循环通过压缩机、温跃层阵列、涡轮机和冷侧热交换器，其中温跃层阵列包括多个压力容器，其中每个压力容器可构造成被连接到工作流体流或与工作流体流隔离，其中每个压力容器包括固体热存储介质，所述热存储介质被构造成当压力容器被连接到工作流体流时将从工作流体流接收热能。在步骤1104，方法1100可以进一步包括在所述多个压力容器中的第一压力容器中的所述固体热存储介质的相应温度在第一阈值数值(例如，最大运行温度)以下时将所述第一压力容器连接到工作流体流。例如，第一阈值数值可以是以上关于热侧热流体描述的数值T₀⁺和T₁⁺之间的某个值。给定压力容器中的固体热存储介质的相应温度可以由压力容器中的温度传感器测量。测量的温度可以被传到控制器，控制器可以被构造成使压力容器连接到工作流体流或者与工作流体流隔离。在步骤1106，方法1100可以包括在第一压力容器中的热存储介质的相应温度升高到第一阈值数值(例如，最大运行温度)以上时使第一压力容器与工作流体流隔离。在步骤1108，方法可以包括，在第一压力容器中的固体热存储介质的相应温度升高到第二阈值数值(例如，最大运行温度或最大运行温度减运行余量)以上之后，在所述多个压力容器中的第二压力容器中的固体热存储介质的相应温度在第三阈值数值(例如，第二压力容器的最大运行温度)以下时，将第二压力容器连接到工作流体流。

在一些实施例中，第一阈值数值和第二阈值数值可以是相同的数值。在这样的实施例中，当第一压力容器中的热存储介质的温度升高到该数值以上时，第一压力容器与工作流体流隔离，并且第二压力容器连接到工作流体流。在其它实施例中，第一阈值数值和第二阈值数值可以是不同的数值，例如，第二阈值数值可以小于第一阈值数值。在这样的实施例中，当第二压力容器连接到工作流体流时，第一压力容器仍维持连接到工作流体流。在另一实施例中，第一阈值数值、第二阈值数值和第三阈值数值可以是相同的数值。例如，第一阈值数值可以基于最大运行温度(例如，在T₀⁺和T₁⁺之间)并且第二阈值数值可以基于最大运行温度减运行余量。

在方法1000和1100中，第一压力容器在它连接到工作流体流之后可以在大气压力以上的第一压力，并且第二压力容器在它连接到工作流体流之前可以在低于第一压力的第二压力。第二压力可以是大气压力。

VI.总结

尽管这里已经公开了各种方面和实施例，但是对于本领域的普通技术人员而言，其它方面和实施例将是显而易见的。这里公开的各种方面和实施例用于说明的目的并且不旨在是限制性的，真实的范围和精神由以下权利要求指示。