，必须存 在温度梯度）。如果蒸汽不比液体更热，蒸汽就不会凝结，于是系统热部分的压力会升高。 这个压力升高意味着离开回热器（以及压缩机）的蒸汽变得更热，现在应当比其冒泡通过 的液体更热（所以会凝结）。结果是简单的反馈回路，其确保从回热器出来的大部分蒸汽凝 结，但总是有一些增加了蒸汽压力所以蒸汽温度在液体之前升高。（注意到，如果热从蒸汽 传递到液体时蒸汽凝结，那么液体必将变得更热。）
[0240] 这样，通过使包含在冷容器内的液体蒸发，压缩这个气体/蒸汽至更高的温度和 压力（这里它凝结回到热容器中）来存储能量。压缩机/膨胀机130用来输入能量，其可 由电动马达或机械设备或一些其他方法来驱动。压缩机/膨胀机130可以是单个机器或两 个分开的机器或者一些其它组合，并可连接至马达/发电机，通常是一个能够与地方电网 同步的。
[0241] 释热：这是相反的过程。热侧蒸汽汽化，然后在通过热侧回热器时进一步加热。然 后在膨胀机中膨胀，所以温度和压力下降，蒸汽对膨胀机械做"功"。然后蒸汽通过冷侧回热 器，其使蒸汽轻微冷却（在这个点，冷侧压力升高）。较冷的蒸汽冒泡通过在更低温度的液 体使液体加热并使蒸汽凝结。在完整的周期中，可能有与实际过程损失有关的余热积累，它 可归因于一些经由外部热交换器拒绝余热的机器。
[0242] 在这个系统中，术语热和冷意指纯粹相对的意义。系统基于整个液体/蒸汽/气 体过程，因此液体的选择会影响系统各侧的实际温度。如果选择氮，那么热和冷工作液体会 处于超低温。如果选择水，那么热和冷工作液体可能都远在室温之上。
[0243] 在这个系统中，术语高压和低压也意指纯粹相对的意义。系统基于整个液体/蒸 汽/气体过程，因此液体的选择会影响系统各侧的实际压力。可想得到的，系统的高压和低 压部分都低于大气压力或者在大气压力之上。
[0244] 这种能量存储系统可用于电力存储。在这种情境下，输入系统的能量可能是电能， 其从电网到压缩机/膨胀机130,系统的输出也可能是电能，其返回至同一电网。替代的情 境可能具有两个不同的电网，例如，存储系统可能由来自一组光伏电池板的直流输入充电， 然后直接释放电能至交流电网。
[0245] 不使用电力的能量存储系统的实例可能是在船上，这里存储系统输入能量是以船 上风力涡轮机直接输入形式的机械能，系统输出连接至船的推进器。在这个实例中，没有电 能输入或输出，完全是机械连接。
[0246] 如上所述，压缩机/膨胀机130可以是单个机器，并且可以是可逆的，基于活塞的 压缩机/膨胀机。这可连接至马达/发生器（优选电网同步）和地方电网，并能够立即从 压缩模式切换至膨胀模式。这样，虽然系统可从完全释热运行至完全蓄热，反之亦然，可能 会有一些应用，这里系统需要突然部分地从能量存储模式的蓄热切换至回收能量并贡献至 电网需求。现有技术中已知，使用基于可逆压缩机/膨胀机容积式装置能够在压缩机和膨 胀机之间快速切换。例如，这可通过改变阀的启动定时实现，优选地，仅是关闭阀的时间，其 可在保持电网同步的同时在压缩机和膨胀机模式之间无缝切换。
[0247] 由于系统中压力升高，每单位质量蒸汽的功也升高。一个选择是通过使用可变速 机器处理较少的气体来保持恒定的功率。大多数机器处理入口处固定容量的气体，因此如 果入口压力下降，质量流也下降。结果，虽然每单位质量气体的功下降了，如果使用控制装 置使速度改变，往复式压缩机/膨胀机可在蓄热/释热周期的大部分中保持功率恒定。压 力比率通常也会变化。可变速往复式机器因此能够在宽压力范围提供恒定功率。
[0248] 理想地，初始在两侧容器中提供液体，其使用加热器或热交换器预加热和/或预 冷却至合适的启动条件。如果液体是水，那么两个存储器的一个优选启动条件是100°c。 然而，如果系统经常使用，那么正常运转中，周围可存在过量的预热以保持超过室温，像 100。。。
[0249] 例如，系统可启动部分蓄热，例如在HP侧，工作流体蒸汽压力设定在10巴，液体温 度在相关的饱和温度，在LP侧，工作流体蒸汽压力设定在1巴，再次具有相关的饱和温度。 随着系统蓄热，HP侧压力会缓慢地从那个压力升高至大约25巴（完全蓄热时），这里HP侧 装置在压缩后需要承受适当的最大过热温度。系统压力不应当超过临界压力，但可超过过 热区域的临界温度。（在临界压力之上蒸汽不会凝结成液体。）
[0250] 如技术人员意识到的，在请求保护的本发明范围内，可对上述实施方式作出改型。 特别地，虽然使用水作为工作流体是高度优先的，也可使用其他工作流体，需要运转在替代 的压力和温度范围内。
【主权项】
1. 能量存储和回收系统，包括： 第一容器，其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 p 第二容器，其配置成存储所述工作流体为具有温度IY2的饱和液体/蒸汽混合物L 2， 设置在所述第一容器和所述第二容器之间的动力机械，以及 设置在所述动力机械和存储在所述第二容器中的所述液体之间的回热器， 其中所述系统是这样配置的： (i) 在存储模式下，在通过所述回热器并凝结在所述第二容器的所述液体L2中之前，工 作流体蒸汽从所述第一容器传到所述动力机械，在所述动力机械中，所述工作流体蒸汽被 压缩，以便在所述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 (ii) 在回收模式下，在工作流体蒸汽凝结在所述第一容器的所述液体L1之前，工作流 体蒸汽从所述第二容器，通过所述回热器传到所述动力机械，在所述动力机械中，所述工作 流体蒸汽膨胀从而产生动力，以便在所述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； 其特征在于： 所述回热器包括固体热存储介质，所述工作流体蒸汽通过所述固体热存储介质来直接 在所述蒸汽和固体介质之间进行热传递，以便分别在所述存储和回收模式过程中存储和返 还过热，并且其中所述系统这样配置，在所述存储模式过程中，一些凝结发生在所述回热器 中。2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述回热器包括固体热存储介质的多孔基体。3. 根据权利要求1或2所述的系统，其中所述系统这样配置，在所述存储模式的全部运 行时间，凝结发生在所述回热器中。4. 根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述系统配置成在所述存储模式中，当凝 结仅出现在所述回热器下游长度的最后5%或更少时停止运转。5. 根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述系统配置成在所述存储模式中，当所 述回热器中的凝结即将完成时停止运转使得一些过热气体即将开始退出所述回热器。6. 根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述系统配置成在所述存储模式过程中存 在递减的L1的T 其液体/蒸汽平衡相变温度，并且，在所述回收模式过程中存在递增的 L1的T 其液体/蒸汽平衡相变温度。7. 根据权利要求6所述的系统，其中又一回热器设置在所述动力机械和存储在所述第 一容器中的液体之间。8. 根据权利要求6或7所述的系统，其中所述系统包括在所述第一容器中的附加热碎 石或者与所述第一容器关联的温度调节子系统，其配置成分别在所述存储和回收模式过程 中降低L 1的T u相应的递减和递增速度。9. 根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述回热器位于所述第二容器内的所述液 体之上，和/或所述又一回热器，如果存在，位于所述第一容器内的所述液体之上。10. 根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述系统配置成当蒸汽压力分别超过大 气压力或者所述子系统的压力时，通过允许工作流体蒸汽Ll排出至大气或者至余热再俘 获子系统来损失所述第一容器的余热。11. 根据前述任一权利要求所述的系统，其中可选择地通过在选定点停止先前的回收 模式，所述工作流体液体LdP L2在所述存储模式开始之前最初各预加热或者预冷却至各自 选定的温度。12. 根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述工作流体包括水/蒸汽混合物。13. 操作根据前述任一权利要求所述的能量存储和回收系统的方法，其中在所述存储 模式过程中，过热和潜热沿所述回热器的所述固体热存储介质存储在各自的上游过热传递 区和下游潜热传递区，并且其中在所述存储模式过程中，所述固体热存储介质的温度曲线 在上述两个区中逐步增加温度。14. 根据权利要求13所述的方法，其中在所述存储模式过程中，在所述过热传递区和 /或所述潜热传递区中至少一个选定的下游位置处，优选地在所有下游位置处，所述蒸汽和 与其接触的所述固体热存储介质之间的温度差A T通常小于15°。15. 操作使用经历相变的工作流体的能量存储系统的方法，所述方法包括在能量存储 /蓄热模式下存储能量，包括以下步骤： i) 蒸发一些量的具有温度Tu的饱和液体L i以形成蒸汽， ii) 可选择地，加热所述蒸汽使其过热， iii) 通过将所述蒸汽压缩至更高温度和压力来做功， iv) 使一些量的所述压缩蒸汽冷却并凝结成具有温度IY2的液体L2，以便热能从所述蒸 汽传递至所述液体， 并且还包括在能量回收/释热模式下回收所述能量，包括以下步骤： V)蒸发在温度IY2的一些量的饱和液体L 2以形成蒸汽， vi) 加热所述蒸汽使其过热， vii) 使所述蒸汽膨胀至更低压力和温度以做功， vi ii)可选择地，冷却所述蒸汽， ix)凝结一些量的所述膨胀蒸汽返回至具有温度Tu的液体L 1; 其中所述能量存储系统包括其中所述工作流体表现为较低蒸汽压力的液体/蒸汽混 合物L1的较低压LP侧，和其中所述工作流体表现为较高蒸汽压力的液体/蒸汽混合物L 2 的较高压HP侧，所述较低压LP侧和所述较高压HP侧被至少一个压缩机/膨胀机分开，操 作所述压缩机/膨胀机以便在各自所述压力的各自所述侧之间输送蒸汽， 其中在蓄热和释热过程中，IY2大于T u， 其中加热步骤vi)使用存储的热能， 其中所述存储的热能通过直接传递至回热器中的热介质来存储，随后返还时所述气体 通过所述回热器中的所述热介质，所述回热器包括具有固体热存储介质的通流回热器以便 允许在所述蒸汽和固体介质之间直接热传递， 其中在所述回热器内凝结发生之前，在冷却时所有显热传递，优选地，也发生少量的凝 结。16. 存储和回收能量的方法，其中，在存储模式中，包含饱和工作液体/蒸汽混合物的 第一容器的工作流体蒸汽由动力机械压缩，并经由回热器传到第二容器，在这里凝结成饱 和工作液体/蒸汽混合物，其温度和蒸汽压力随着更多的能量存储其中而增加，并且其中， 在回收模式中，存储的能量通过蒸发所述第二容器中饱和工作液体/蒸汽混合物中的蒸汽 来回收，使得所述混合物的温度和蒸汽压力降低，在凝结返回至所述第一容器的饱和工作 液体/蒸汽混合物之前，所述蒸汽通过所述回热器返回并在动力机械中膨胀以做功，其中 所述回热器包括透气性固体热存储介质，并且其中在所述存储模式过程中，过热和潜热沿 所述固体热存储介质存储在各自的上游过热传递区和下游潜热传递区，并且其中在所述存 储模式过程中，所述固体热存储介质的温度曲线在上述两个区中逐步增加温度。17. 大致如参照附图4、5、7a至7c，以及8至16所述的方法。18. 大致如参照附图4、5、7a至7c，以及8至16所述的装置或系统。
【专利摘要】在能量存储和回收系统中，来自第一容器中的工作流体被动力机械压缩并经由回热器传到第二容器中，在这里工作流体被迫冷凝，在存储过程中，饱和工作液体/蒸汽混合物的温度和压力持续升高。存储的能量由蒸汽返回通过回热器和动力机械来回收，在动力机械中，蒸汽在凝结回第一容器之前膨胀以做功。回热器包括透气性固体热存储介质，其在存储过程中将通过其的蒸汽的过热和一些潜热存储在各自的下游区域，该区域在存储过程中显示出持续升高的温度曲线以及与周围蒸汽小的温度差，因此使热能传递过程中的不可逆损失最小化。
【IPC分类】F01K3/00, F01K3/12, F01K3/06
【公开号】CN105102768
【申请号】CN201480018226
【发明人】乔纳森·塞巴斯蒂安·豪斯, 詹姆斯·麦克纳斯滕
【申请人】等熵有限公司
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年4月2日
【公告号】WO2014162129A1