[发明专利]改进的热能存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及热能存储装置，以及构造和操作这种装置的方法。本发明还涉及包含这种装置的系统，包括能量存储系统，特别地，是电力存储系统，诸如，泵浦热电存储(PHES，pumped heat electricity storage)系统。

背景技术

在某些应用中，希望在包含热存储介质(该介质能够有效地存储热能直至其随后恢复)的热能存储装置(以下称为“热存储器”)中存储‘热’或‘冷’。‘热’或‘冷’通过与热存储介质直接接触的流体，通常是气体(例如，惰性气体)传递至热存储介质以及从热存储介质传递过来。热存储介质应当具有高的表面面积以促进能量传递，用于气流的良好的孔隙度，以及在存储器的工作温度范围内合适的热容量。通常，存储介质设置成包含在隔热压力容器中的多孔颗粒或多孔固体介质。特别地，在存储器构成需要存储大量热或冷的能量存储系统的一部分的情况下，要求的热存储介质的质量可能在10’s或100’s公吨，这要求构造大的、昂贵的压力容器。因此，在这种容器中，所有的死区必须保持在最小限度。

如上所述，更高的表面面积导致更好的能量传递。当使用较小的微粒(或者固体介质中的通道或气孔)，那么存储介质每单位体积的表面积趋于增加，也就是说，具有更高的“比表面”(specific surface)。

例如：

·直径10mm的填充床球体(立方填充)约为314m²/m³

·直径1mm的填充床球体(立方填充)约为3140m²/m³

·每英寸5孔的多孔金属泡沫(12％密度)约为430m²/m³

·每英寸40孔的多孔金属泡沫(12％密度)约为2100m²/m³

这表明1mm颗粒尺寸的填充球体的比表面大约为每立方米3140m²表面面积。对于每英寸40孔的多孔泡沫金属来说，比表面为每立方米2100m²表面面积。泡沫金属的密度为固体的12％，这意味着其具有88％的空隙率。相比较而言，本实例中的球体的空隙率仅约50％。

使用具有更高比表面的更小微粒还有另外一个优势。使用更小的微粒时，“不可逆的”热损失更少，因为微粒平衡更好，并且遭受更少的内部热混合(其会导致蓄热后的微粒平均温度比外部经历的最高气体温度更低，因此会导致释热从而使气体被再次加热至较低的温度)。然而，尽管这些‘不可逆的’热损失能够通过降低颗粒尺寸来减少，但这增加了通过存储器的气压损失。

根据颗粒尺寸对热前缘的影响，颗粒尺寸也影响存储效用。在热存储器的情况下，‘热前缘(thermal front)’在存储容器中产生，即，随着距离向下游移动存储介质和/或气体中的温度升高或降低，所述热前缘发生在存储器的活跃区域，也就是说，在这里热传递最为活跃。

图1说明了热存储器中热前缘的形成，并示出了使热存储器蓄热的过程是如何在存储器区域内建立向下游前进的热前缘，热前缘通常最初十分陡峭但(对于以较低温度进入具有存储介质的存储器的气体而言)随着蓄热的继续而逐渐变得较为平缓。这样，前缘开始具有长度L1，但随着前缘向容器底部移动，前缘长度延长至长度L2，然后是长度L3。由于前缘通常是渐进的，因此能够按照前缘在T_H2和T_A2(其在峰值温度T_H1和开始温度T_A1的3％之内)之间的长度来讨论前缘长度。如果建立不同的标准，也就是说，在峰值温度和开始温度的2％之内，那么指定的前缘长度会稍微变长。

对于某一存储器几何形状来说，较长的前缘会带来较低的热损失，但前缘长度也会减小存储器的可用量，即，会减小存储效用。如果存储器的直径为5m，长度为10m，并且热前缘的长度为5m，则存储效用降至约50％。

当使用相同大小的存储器而减小颗粒尺寸时，由于短得多的前缘，能够实现相同水平的热损失。由此，填充床中更小的颗粒大小或多孔介质中更小的孔大小会趋向于带来更好的热传递，更低的热损失，以及更好的存储效用(更短的热前缘)。一个不利之处在于存在与通过填充床的流体流动有关的压降，并且这一压降随着颗粒或孔大小的减小而显著增大。