改进的热能存储装置制造方法及图纸

一种热能存储器，包括具有气体入口和气体出口的腔室，以及多个在气体入口和气体出口之间依次向下游放置的透气性热存储层，各层包括透气性热存储介质，存储器配置成使气流从气体入口通过层到达气体出口从而传递热能至热存储介质或者传递源自热存储介质的热能，其中至少一层是装有阀的层，该层设有至少一个阀，其可有选择地操作以允许或阻止至少一些气流经由阀通过该层以便绕过热存储介质。控制系统可有选择地改变气体从入口流到出口的流动路径以响应热前缘的前进，以便绕过热前缘上游完成了传递的热存储层，或者热前缘下游传递是最小的热存储层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改进的热能存储装置
本专利技术涉及热能存储装置，以及构造和操作这种装置的方法。本专利技术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，pumpedheatelectricitystorage)系统。
技术介绍
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”(specificsurface)。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(thermalfront)’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TH2和TA2(其在峰值温度TH1和开始温度TA1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。压力并非向量，但可相对于距离定义压力梯度。流体流的阻力随着颗粒尺寸的减小而增大，并引起流体的压降(δP)。在热存储器的情况下，在长度L的存储器上存在某一压降δP，在这种情况下这意味着压力梯度为δP/L。压力沿流体速度的方向减小，所以在气体穿过存储器之后，气压会降低。这一压降也是填充床中的颗粒尺寸不能减小至非常小的尺寸(这会带来高得多的热可逆性)的原因。压降带来的损失超过了更小微粒尺寸带来的益处。与存储器长度上压降相关的另一个问题是，只要有可能，气体会倾向于设法逃离存储介质的中心，而沿着腔室的侧面流下来，绕过介质从而导致不充足的热交换。然而，由于尺寸和热循环的特定问题，很难在热存储器内提供充分的密封。当存储器蓄热或释热时，温度可能改变数百度，并且当热前缘向着存储器的上部或下部前进时，上游和下游部分分别经历了相应的热收缩/膨胀，这可导致大的热存储器中例如2至20cm的间隙。申请人较早期的申请WO2011/104556描述了一种热存储器，其中介质的尺寸和种类能够在热存储器中改变以降低生成热前缘时产生的不可逆性或通过增加颗粒尺寸来减少穿过存储介质的气体的压降。热存储器可用在能量存储系统中，特别是泵浦热电力存储(PHES)系统中，这里需要至少一个热存储器和至少一个冷存储器。申请人较早期的申请WO2009/044139描述了泵浦热电力存储系统，该系统2在图2中示意地说明。系统2包括两个具有特定介质10的大型存储容器4、6，其中处于蓄热循环(顺时针方向—如箭头所示)的热泵浦/发动机8使用电力把热从一个容器4(‘冷’存储器)泵浦至另一个容器6(‘热’存储器)，导致第一容器4冷却而第二容器6加热。然后通过反转该循环(即，逆时针方向)使热从热存储器6经过发动机返回至冷存储器4能够再次生成电力，同时发动机8驱动发电机。存储的总能量仅由热能存储器的大小限制，因此，他们的设计对于总体系统来说是至关重要的。本专利技术涉及提供一种改进设计的热能存储装置，特别地，是适用于能量存储系统中的装置。
技术实现思路
第一方面在第一方面中，本专利技术提供了一种热能存储器，包括具有气体入口、气体出口，以及多个依次向下游设置在气体入口和气体出口之间的热存储层的腔室，各层包括透气性热存储介质，存储器配置成使气流从气体入口通过层到达气体出口以便热能传递至存储介质或者传递来自存储介质的热能，其中一个或多个层是装有阀的层，设有至少一个可操作以允许或阻止旁路气流通过该层的阀。通过装有阀的层的气体流动路线因此可由它的阀有选择地控制；如果阀是打开的，至少一些气体会绕过热存储介质而改为通过该阀(即，“旁路阀”)以便通过该层，这是较容易的路线。阀可以仅与一个层相关联，并且可以是固定阀，其构成了装有阀的层的一部分，例如，在层中具有相关联的固定阀机构的装设阀的开口。阀可包括通过层的装设阀的开口，该开口其中与其相关联的阀机构，该阀机构可以在开口内部阻塞开口，例如，枢转或旋转阀片，或者作用于开口的任一侧以阻塞开口，例如，诸如滑阀、屏蔽阀或旋转板阀的滑阀机构。例如，滑动屏蔽阀可设置在两层之间，包括静态的多孔阀座，多孔屏蔽阀板安装在多孔阀座上横向往复移动以打开和关闭阀座的孔，这里至少阀座中的一部分孔与穿过存储介质的通道连通，这部分孔允许旁路气流通过。当气体流过存储介质出现热传递时，存在与这个约束流有关的压降。在非常大的热存本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热能存储器，包括：具有气体入口和气体出口的腔室；以及多个在所述入口和所述出口之间依次向下游设置的透气性热存储层；各热存储层包括透气性热存储介质，所述存储器配置成使气流从所述气体入口通过所述多个热存储层到达所述气体出口以便热能传递至所述热存储介质或者传递来自所述热存储介质的热能，其中所述多个热存储层中的至少一个是装有阀的层，其具有至少一个阀，该阀可选择地操作以允许或阻止至少一些气流经由所述阀通过该层从而绕过所述热存储介质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.23 GB 1207114.81.一种热能存储器，包括：具有气体入口和气体出口的腔室；以及多个在所述入口和所述出口之间依次向下游设置的透气性热存储层；各热存储层包括透气性热存储介质，所述存储器配置成使气流从所述气体入口通过所述多个热存储层到达所述气体出口以便热能传递至所述热存储介质或者传递来自所述热存储介质的热能，其中所述多个热存储层中的至少一个是装有阀的热存储层，其具有至少一个可选择地操作以允许或阻止至少一些气流经由所述阀通过该层从而绕过该层中的所述热存储介质的阀。2.根据权利要求1所述的热能存储器，其中各装有阀的层设有多个隔开的阀。3.根据权利要求2所述的热能存储器，其中在装有阀的层中的所述阀可独立于在任何其他装有阀的层中的那些阀操作。4.根据前述任一权利要求所述的热能存储器，其中所述存储器的所述多个热存储层中的每一层是装有阀的层。5.根据权利要求1所述的热能存储器，其中所述存储器包括控制系统，其配置成可选择地改变从入口流向出口的所述气体的流动路径以响应热前缘的前进。6.根据权利要求5所述的热能存储器，其配置成在工作过程中能够改变所述气体的流动路径从而绕过在所述热前缘上游的、其内的热传递大体完成了的热存储层。7.根据权利要求5所述的热能存储器，其配置成在工作过程中能够改变所述气体的流动路径从而绕过在所述热前缘下游的、其内的热传递为最小的热存储层。8.根据权利要求5所述的热能存储器，其配置成在工作过程中：(i)能够改变所述气体的流动路径从而绕过在所述热前缘上游的、其内的热传递大体完成了的热存储层；并且(ii)能够改变所述气体的流动路径从而绕过在所述热前缘下游的、其内的热传递为最小的热存储层；使得在工作过程中能够改变所述气体的流动路径以便所述气体仅通过其中存在全部或部分所述热前缘的热存储层。9.根据权利要求1所述的热能存储器，其中所述腔室是包括多个水平透气性热存储层的竖直腔室，在所述气体入口和所述气体出口之间有多个水平透气性热存储层一个设置在另一个之上，以便所述存储器配置成使竖向气流从所述气体入口通过所述热存储层到达所述气体出口。10.根据权利要求9所述的热能存储器，其中所述存储器在工...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森·塞巴斯蒂安·豪斯，詹姆斯·麦克纳斯滕，罗兰·杰弗里·亨特，罗伯特·杰弗里·班尼特，亚历山大·布鲁斯·威尔森，
申请(专利权)人：等熵有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB