存储能量的装置和方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及存储和回收能量的系统和方法，尤其是用热存储器存储和回收能量的 系统和方法。
【背景技术】
[0002] 基于核能、太阳能和风能的可再生能源发电的不灵活性为使用这些技术来供给 国家或地区电网的主要部分提出了许多问题。一个这样的问题是由于供电可变需要存储 和回收电能以防止对电力供应的破坏，以及能量存储成本，灵活性和可达到的能量密度的 特定问题。现在研发了许多能量存储技术来解决这种问题，包括栗浦水利存储，飞轮存 储，压缩空气储能（CAES，包括等温和绝热CAES)和栗浦热储能，如申请人较早期的申请 W02009/044139 号。
[0003] 在二十世纪二十、三十年代，由FritzMarguerre申请的公开专利说明书中描述 了许多基于蒸汽的能量存储和回收系统。其中最早的一个，GB167763,描述了一个系统，其 中由起到压缩机作用的动力机械迫使来自较低温度水储能器的蒸汽进入到较高温度水储 能器中，这里在存储过程中随着存储的能量更多，由于在那个储能器中饱和温度和压力升 高了，蒸汽凝结成液体。通过让动力机械允许来自那个储能器的蒸汽在返回并冷凝在较低 温度水储能器中之前膨胀通过该动力机械以做功从而回收了存储的能量。其中最晚的一 个，GB423093,描述了相同的系统，该系统增加了设置在动力机械和较高温度水储能器之间 的过热储能器以存储过热至过热储能器中的液体，并返还来自于过热储能器中的液体的过 热。
[0004] 本发明意在提供改进的能量存储和回收系统及方法，特别地，是使热能传递过程 中不可逆损失最小化的系统和方法。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种能量存储和回收系统，包括：
[0006] 第一容器，配置成存储工作流体为具有温度Tu的饱和液体/蒸汽混合物L:，
[0007] 第二容器，配置成存储工作流体为具有温度1；2的饱和液体/蒸汽混合物L2，
[0008] 设置在第一容器和第二容器之间的动力机械，和
[0009] 设置在动力机械和存储在第二容器中的液体之间的回热器，
[0010] 其中该系统是这样配置的：
[0011] (i)在存储模式下，在通过回热器并凝结在第二容器的液体L2中之前，工作流体蒸 汽从第一容器传到动力机械，在动力机械中，工作流体蒸汽被压缩，以便在存储模式过程中 产生递增的1^的1\ 2及其液体/蒸汽平衡相变温度；并且
[0012] (ii)在回收模式下，在工作流体蒸汽凝结在第一容器的液体Li中之前，工作流体 蒸汽从第二容器，通过回热器传到动力机械，在动力机械中，工作流体蒸汽膨胀从而产生动 力，以便在回收模式过程中产生递减的1^的1\ 2及其液体/蒸汽平衡相变温度；
[0013] 其特征在于：
[0014] 回热器包括固体热存储介质，工作流体蒸汽通过固体热存储介质来直接在蒸汽和 固体介质之间进行热传递，以便分别在存储和回收模式过程中存储和返还过热，并且其中 系统这样配置，在存储模式过程中，一些凝结发生在回热器中。
[0015] 由于热能存储在饱和液体/蒸汽混合物1^中，它的1\2和蒸汽压力随蓄热时间逐 步（即，渐渐地）增加，并随着释热时间逐步降低，结果是，液体/蒸汽平衡相变温度随时间 "步进"。在本发明中，这个效果用在设置在系统较高压力侧的回热器中，以实现有效的热能 存储（例如，过热）和循环效率，这能通过具有固体热存储介质的通流回热器实现，其允许 蒸汽和固体（透气，例如，多孔的）介质之间直接热传递。
[0016] 本系统的回热器/存储器沿回热器的固体热存储介质（多孔物质存储器，与蒸汽 紧密接触，总是使自我温度差最小化以便使可逆性最大化）以高度控制的方式将过热和潜 热存储在各自的上游过热传递区和下游潜热传递区，这里在存储模式过程中固体热存储介 质的温度曲线在两个区域中都逐步增加温度。这样，与现有技术存储器相比，整个存储器在 存储过程中积极地存储热，在现有技术存储器中，气体仍然必须通过与压力损失有关的不 活跃区域（即，完全蓄热区域和热前缘各自的完全未蓄热区域的上游和下游）。此外，重要 地，多孔物质热存储器与步进温度的具体组合能够使整个存储器中热交换温度差最小，以 下在【具体实施方式】中进一步讨论。
[0017] 在一个实施方式中，系统这样配置，在存储模式的全部运行时间（即100% )，凝结 发生在回热器中，所以存储模式总是涉及一些回热器中的凝结。这样，过热传递区和各自的 下游潜热传递区发展跨越回热器（后者区域随时间向下游前进），并且后者区域在存储模 式过程中绝不允许离开回热器，所以多整个存储模式而言，热存储可以以更高效率发生。
[0018] 然而，如果有必要的话，系统可配置成这样运行，允许潜热传递区离开回热器，以 便过热蒸汽退出回热器，在这种情况下，系统配置成使凝结发生在回热器中（以优化方式） 持续至少存储模式全部运行时间的50 %，或70 %，或90 %。
[0019] 在一个实施方式中，系统配置成当凝结仅发生在回热器下游长度的最后5%或更 少，或者甚至是回热器下游长度的最后2%或更少时，停止运行存储模式。
[0020] 在一个实施方式中，系统配置成当凝结即将在回热器中结束所以一些过热气体即 将开始退出回热器时，停止运行存储模式。
[0021] 热传递过程的讨论
[0022] 在凝结过程中（如果允许凝结的至少一些潜热存在于其中）或者在蒸发过程中 (如果允许供给蒸发潜热的液体逐步冷却）液体1 2温度步进的事实是非常显著的。在凝结 过程中，步进（优选地，连续的）增加的液体温度必然产生反馈作用，其提高了蒸汽压力，因 此促进了进一步凝结所需的温度差。在蒸发过程中，步进（优选地，连续的）降低的液体温 度必然产生反馈作用，其降低了蒸汽压力，因此有利于进一步蒸发。
[0023] 然而，如果回热器放置在冷却和凝结蒸汽的路径上，回热器的温度也会类似地步 进（随着时间渐渐地增加或降低），但会滞后于蒸汽温度。这意味着回热器总是比蒸汽冷， 并且可以总是提供必需的制冷，但可取地具有匹配的非常小的温度差，其仅会随着时间缓 慢地变化，因此降低了损失。
[0024] 类似地，当回热器放置在蒸发蒸汽的路径上，回热器的温度也会类似地步进（随 着时间渐渐地降低），但会稍微滞后于蒸发蒸汽的温度。这总是方便地提供过热，在LP侧宜 为小的过热，或者在HP侧更大程度的过热，其会以恒定熵增加显著的与绝热膨胀相当的过 热，使得膨胀后期情况是刚刚饱和或者仍然略微过热的。
[0025] 在凝结过程中，在蓄热过程中液体1^的1\2增加（或者释热过程中液体L:的T^曾 加）的情况下，安装在冷却凝结气体路径上的回热器会具有在蓄热或释热过程中也随时间 增加的温度，但其中其温度滞后于凝结蒸汽的温度。（滞后意味着按时间顺序跟随时间；弓丨 导意味着按时间顺序在时间之前。）
[0026] 在蒸发过程中，在释热过程中液体1^的1\2降低（或者蓄热过程中液体L^勺T^曾 加）的情况下，安装在蒸发气体路径上的回热器会具有在蓄热或释热过程中也随时间降低 的温度，但其中其温度滞后于蒸发蒸汽的温度。
[0027]更详细地解释：热存储器/回热器，而事实上是液体，温度总是滞后于蒸汽温度 (也就是说，按时间顺序），导致热在蒸汽和热存储器之间移动。当温度在凝结过程中升高 时，蒸汽会总是比液体和回热器更热，即，蒸汽总是会在回热器/液体之前移至较高的温 度。当温度在蒸发过程中冷却时，蒸汽总是较冷的，并在回热器/液体之前移至较冷的温 度。
[0028] 蓄热：当冷液体汽化时，这是由压力逐渐降低造成的，这转而意味着蒸汽在通过冷 的热存储器之前逐渐冷却，因此这个热存储器比蒸汽更热，所以蒸汽相对于汽化温度被加 热，即，热存储器温度滞后于蒸汽的温度变化，蒸汽现在是过热的。然后蒸汽被压缩，变得更 热，冷侧压力进一步降低（压缩机已带走这一侧的蒸汽，压力和温度如上所述降低），而热 侧压力增加，即，压力比率增加有一点超过之前进入到热侧的蒸汽。这意味着离开压缩机的 蒸汽现在比之前的蒸汽略热。热存储器（回热器）最热的部分因此比这个最新的蒸汽冷， 所以在进入到热侧液体之前蒸汽通过使得蒸汽现在冷却至饱和点（然后，通常多一点点， 使得小部分凝结）。由于热侧压力增加，由于这个饱和蒸汽现在比按时间顺序之前的热侧蒸 汽更热，它也比热侧液体更热，所以蒸汽通过液体会导致冷凝，因此它交出它的汽化热，并 越来越多地加热热侧液体，提高了压力。
[0029] 蒸汽的加热或冷却是蓄热过程中温度步进的本质结果，并且蒸汽、液体和热存储 器的温度都随着温度差的正确符号步进以使得蓄热和释热时都能够运转。释热时可存在非 常相似的结果。
[0030] 虽然理想地，Tu在释热时增加，而在蓄热过程中降低，然而实际上，液体Li的低温 和低压会造成困难。在LP侧，降低的压力可能导致压缩机运转的运转压力比率限制比它的 运转上压力限制更迅速地达到，优选地，采取步骤来缓和，因此LP侧液体的温度和压力比 HP侧以更慢的速率随传递的气体质量变化下降或升高；例如，可管理^随时间下降的速 率，使它比Tt2之间下降的速率略少（例如，少于50%，更优选地，少于25%或者15% )。
[0031] 在一个实施方式中，系统包括第一容器中附加的热碎石或与第一容器有关的温度 调节子系统，其配置成在存储和回收模式过程中分别降低Lj^Tu逐步降低和增加的速率。 热碎石可以是包含在第一容器中的固体碎石，或者过量的液体可作为LP侧的热碎石，使得 完全蓄热时例如LP侧不超过40%，优选地，不超过20%的液体蒸发。或者，外部的热可添加 至LP侧液体，或者LP侧液体可与外部水箱连通，其仅允许一小部分内容物循环通过容器， 在该容器中液体1^经历蒸发/凝结。
[0032] 在一个实施方式中，固体热介质或相变介质设置在LP侧液体中以起到热碎石（补 充的热容量）的作用，其提供一些潜热用于蒸发，使得液体温度降低的速率降低，因此LP侧 压力降低。
[0033] 如果要求在某些情况下（例如，峰值压力缓慢升高），系统可包括在第二容器（在 别处其可能描述为第一容器）中的附加热碎石或者与第二容器有关的温度调节子系统，其 配置成分别降低（但明显地不消除）存储和回收模式过程中12的1\2逐渐增加和减小的速 率。
[0034] 转向回热器，这可由各种固体材料制成，其可包括金属、耐热材料、陶瓷或有机材 料。对非常敏感的回热器而言，优选地，使用具有非常高的表面面积体积比的固体材料， 诸如使用金属泡沫或精织金属织物层制成的回热器，尽管可使用任何合适的透气性固体衬 底，例如，多孔介质（例如，微粒床）或基体。原理是，蒸汽通过回热器传递热至回热器材料 或者传递来自回热器材料的热。回热器越敏感，蒸汽和固体之间出现的温度差越低。
[0035] 在一个实施方式中，回热器包括固体热存储介质的多孔基体。在一个实施方式中， 固体热存储介质包括微粒填充床；这里微粒的平均宽度可小于6_，可以是连续或分离的 层，诸如，支撑在网上以避免松脱的单独微粒层。
[0036] 在高度优选的实施方式中，系统这样配置，使得存储模式过程中1^的Tu&其液体 /蒸汽平衡相变温度逐步降低，并且在回收模式过程中Q的T 其液体/蒸汽平衡相变温 度逐渐增加。（这也可按照温度和蒸汽压力的增加和降低来表述。）
[0037] 在一个实施方式中，又一回热器设置在电力机械和存储在第一容器中的液体之 间。
[0038] 该又一回热器仅分别在回收和存储模式过程中存储和返还过热。
[0039] 在一个实施方式中，回热器位于第二容器内的液体之上和/或又一回热器（如果 存在）位于第一容器内的液体之上。回热器或又一回热器可设置在各容器内液体的整个截 面上（与收缩位置相反），并且这会避免与分开连接的回热器以及分别施压和隔热有关的 压力损失。不论回热器是在容器内部还是外部，系统应当配置成确保凝结排水到各自液体 中。
[0040] 热存储器/回热器的大小可选择成匹