[發明專利]改進的熱能存儲裝置

有效

• 申請號: 201380031315.6
• 申請日: 2013-03-14
• 公開（公告）號: CN104380024B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 喬納森·塞巴斯蒂安·豪斯;詹姆斯·麥克納斯滕;羅蘭·杰弗里·亨特;羅伯特·杰弗里·班尼特;亞歷山大·布魯斯·威爾森
• 申請（專利權）人: 能源技術研究所
• 主分類號: F28D20/00
• 分類號: F28D20/00
• 代理公司: 上海和躍知識產權代理事務所(普通合伙)31239
• 代理人: 胡艷

技術領域

本發明涉及熱能存儲裝置，以及構造和操作這種裝置的方法。本發明還涉及包含這種裝置的系統，包括能量存儲系統，特別地，是電力存儲系統，諸如，泵浦熱電存儲(PHES，pumped heat electricity storage)系統。

背景技術

在某些應用中，希望在包含熱存儲介質(該介質能夠有效地存儲熱能直至其隨后恢復)的熱能存儲裝置(以下稱為“熱存儲器”)中存儲‘熱’或‘冷’。‘熱’或‘冷’通過與熱存儲介質直接接觸的流體，通常是氣體(例如，惰性氣體)傳遞至熱存儲介質以及從熱存儲介質傳遞過來。熱存儲介質應當具有高的表面面積以促進能量傳遞，用于氣流的良好的孔隙度，以及在存儲器的工作溫度范圍內合適的熱容量。通常，存儲介質設置成包含在隔熱壓力容器中的多孔顆粒或多孔固體介質。特別地，在存儲器構成需要存儲大量熱或冷的能量存儲系統的一部分的情況下，要求的熱存儲介質的質量可能在10’s或100’s公噸，這要求構造大的、昂貴的壓力容器。因此，在這種容器中，所有的死區必須保持在最小限度。

如上所述，更高的表面面積導致更好的能量傳遞。當使用較小的微粒(或者固體介質中的通道或氣孔)，那么存儲介質每單位體積的表面積趨于增加，也就是說，具有更高的“比表面”(specific surface)。

例如：

·直徑10mm的填充床球體(立方填充)約為314m²/m³

·直徑1mm的填充床球體(立方填充)約為3140m²/m³

·每英寸5孔的多孔金屬泡沫(12％密度)約為430m²/m³

·每英寸40孔的多孔金屬泡沫(12％密度)約為2100m²/m³

這表明1mm顆粒尺寸的填充球體的比表面大約為每立方米3140m²表面面積。對于每英寸40孔的多孔泡沫金屬來說，比表面為每立方米2100m²表面面積。泡沫金屬的密度為固體的12％，這意味著其具有88％的空隙率。相比較而言，本實例中的球體的空隙率僅約50％。

使用具有更高比表面的更小微粒還有另外一個優勢。使用更小的微粒時，“不可逆的”熱損失更少，因為微粒平衡更好，并且遭受更少的內部熱混合(其會導致蓄熱后的微粒平均溫度比外部經歷的最高氣體溫度更低，因此會導致釋熱從而使氣體被再次加熱至較低的溫度)。然而，盡管這些‘不可逆的’熱損失能夠通過降低顆粒尺寸來減少，但這增加了通過存儲器的氣壓損失。

根據顆粒尺寸對熱前緣的影響，顆粒尺寸也影響存儲效用。在熱存儲器的情況下，‘熱前緣(thermal front)’在存儲容器中產生，即，隨著距離向下游移動存儲介質和/或氣體中的溫度升高或降低，所述熱前緣發生在存儲器的活躍區域，也就是說，在這里熱傳遞最為活躍。

圖1說明了熱存儲器中熱前緣的形成，并示出了使熱存儲器蓄熱的過程是如何在存儲器區域內建立向下游前進的熱前緣，熱前緣通常最初十分陡峭但(對于以較低溫度進入具有存儲介質的存儲器的氣體而言)隨著蓄熱的繼續而逐漸變得較為平緩。這樣，前緣開始具有長度L1，但隨著前緣向容器底部移動，前緣長度延長至長度L2，然后是長度L3。由于前緣通常是漸進的，因此能夠按照前緣在T_H2和T_A2(其在峰值溫度T_H1和開始溫度T_A1的3％之內)之間的長度來討論前緣長度。如果建立不同的標準，也就是說，在峰值溫度和開始溫度的2％之內，那么指定的前緣長度會稍微變長。

對于某一存儲器幾何形狀來說，較長的前緣會帶來較低的熱損失，但前緣長度也會減小存儲器的可用量，即，會減小存儲效用。如果存儲器的直徑為5m，長度為10m，并且熱前緣的長度為5m，則存儲效用降至約50％。

當使用相同大小的存儲器而減小顆粒尺寸時，由于短得多的前緣，能夠實現相同水平的熱損失。由此，填充床中更小的顆粒大小或多孔介質中更小的孔大小會趨向于帶來更好的熱傳遞，更低的熱損失，以及更好的存儲效用(更短的熱前緣)。一個不利之處在于存在與通過填充床的流體流動有關的壓降，并且這一壓降隨著顆粒或孔大小的減小而顯著增大。