[发明专利]改进的储热装置

说明书

技术领域

本发明涉及存储热能量的装置及其操作方式。所述装置可形成接收和返回电形式的能量之装置（下文称为“储电装置”）的一部分。

技术背景

现已提出多种储电系统，其存储空气压缩产生的热量并且吸收空气膨胀做的功。

此类系统的常见例子系所谓的绝热CAES，其一般使用盐穴作为压缩空气存储器。当要存储电时，发动机驱动压缩机将空气压缩到所述洞穴内。所述压缩过程升高了所述空气的温度，并且为了有效地回收能量，有必要用某种形式的热存储器来存储这一“压缩热”。

所述洞穴一般保持为最小压力，诸如40巴，并且在充气过程中，其压力增加到较高的极限值，例如60巴。这些压力有可能利用空气产生650摄氏度范围内的峰值温度。这一热量通常会被热量交换机传递到未加压的热存储器，或者直接存储在加压容器内所包含的热存储基质内。为了回收电力，使所述过程反向，并且所述被压缩的气体在膨胀之前由热存储器重新加热。利用膨胀所做的功用来驱动发电机发电。

这样做的目的是以压缩空气温度和存储材料温度之间的小温差来存储热，由此，当所述过程反向时，可将所述空气被大致加热至原始温度。

如前所述，一种选择是在加压容器内使用热交换机而非热存储基质。然而，这类热交换极难以实现，因为不存在在0-650摄氏度范围内工作的液体载热剂。这意味着必须使用多种液体，或者经由气体进行热交换，也就意味着需要气-气热交换机。

多种热量传递液体是难以控制的，需要多个存储容器，并且通常较昂贵，但是它们可以有效地工作，并且避免高压容器的成本。

就气-气热交换机而言，所述温度范围需要使用优质的钢，并且气流需要非常大的热交换机来避免压力下降。这样做的结果是，这些热交换机通常既非常昂贵又效率较低，而且在每次热传递过程之后，会有较大的大温差，比如50摄氏度。

最有效的解决方案是使用容纳在绝热压力容器内的诸如颗粒结构之类的热存储基质，并且类似于超大规模再生器的方式，将热传递给气体，并且从气体获得热。这具有最佳的热传递，但是存储物质必须都包含在压力容器内，这非常昂贵。

填充床或多孔介质内的热传递一般是表面积的函数。表面积越大则热交换越佳。若使用较小的颗粒或通道或孔，则单元体积的存储材料的表面积趋向于增大，即，具有更大的“比表面”。例如，

填充床球体10mm直径（立方填充）约为314m²/m³

填充床球体1mm直径（立方填充）约为3140m²/m³

多孔金属泡沫每英寸5孔（12%密度）约为430m²/m³

多孔金属泡沫每英寸40孔（12%密度）约为2100m²/m³

这表明1mm颗粒尺寸的填充球体的比面积为每立方米约3140m²。对于每英寸40孔的多孔泡沫金属，其比面积则为每立方米2100m²。该泡沫金属的密度为12%的实体，即88%的空泡。相对而言，本例子中球体的空泡仅为约50%。

大比面积的另外一个优点就是，两个物体之间没有温度差从而没有热交换。这一温度差必然会导致不可逆的热混合，而热混合对所存储的总热量没有影响，却会降低存储的温度。由于热的质量降低，这反过来又减少了可从所存储热恢复的能量的量。应将这一降低与经由存储器的隔热壁传递至环境单纯的热损失区分开来。

这一降低是由气体与存储器中颗粒之间的温度差而形成的，因此，当被蓄热（在热存储器中）时，颗粒的温度总是比气体稍低。当该系统放热并且气体沿反方向回流时，此时的气体一定会比颗粒的温度低，由此，若是热存储容器，气体则以较低的温度回流出热存储器，若是冷存储容器，气体则以较高的温度回流出热存储器。这一降低可认为是某些不可逆过程的结果并且这些结果具有相关的热损失，这些损失在能量存储方案中导致了电力恢复量的减少。可通过减小颗粒尺寸来减少这些“不可逆的”热损失，但这会增大通过存储器的气体压力损失。