專利名稱：用于儲存熱能的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明一般而言涉及用于儲存熱能的方法和設備，并且更具體而言，本發(fā)明涉及 特別是在工業(yè)發(fā)電系統(tǒng)中使用的用于儲熱的方法和設備。
背景技術：
對電力或能夠產(chǎn)生電力的能量的儲存的需求很大。在某種意義上，礦物燃料是被 儲存的陽光。電化學電池適合儲存能量以便以后取回，例如電化學電池可用于家用物品、小 型器具并且甚至用于電動車輛。但是在尺寸和成本方面，這些大部分是小規(guī)模應用。但是更大型的發(fā)電應用不可能通過電化學蓄電池來充分地滿足。這些使用包括儲 存用于發(fā)電機組或要用所儲存的能量驅動的其它大型機械的動力。我們將這些稱為“大規(guī) 模”應用或“工業(yè)”應用。在電力網(wǎng)中，水力發(fā)電通常被用來按需提供所儲存的能量且能夠 實現(xiàn)用于調節(jié)電網(wǎng)變化的快速的負荷跟蹤。但這些大規(guī)模應用不能夠被成本有效地提供電 化學儲備，并且水電儲備能力仍局限于特定地區(qū)和當?shù)貤l件。能量也可作為蒸汽被儲存。已 知一種用于儲存蒸汽的工業(yè)方法，該方法通過將加壓沸水儲存在管道中并通過降低壓力來 發(fā)電而完成，降低壓力使沸點下降并使一部分儲存的蒸汽蒸發(fā)。但這由于所獲得的蒸汽具 有較低的溫度和壓力而導致顯著的自由能損失，且它是一種熱效率低的昂貴方法。但這種 方法可行。類似于水電的泵抽式儲存在地質條件允許的情況下被廣泛地實踐，但它僅具有中 等效率。還可使用壓縮空氣，但它僅具有中等效率并且成本較高。目前沒有可用來滿足支 持電網(wǎng)的大規(guī)模需求的方法。此外，可以理解的是電網(wǎng)上的負荷需求在白天和傍晚大而在夜間和周末較低。 過去，這種重負荷是通過設計可快速改變功率輸出而不會顯著損失效率的發(fā)電機組來解決
5的。除水電發(fā)電機組以外，具有鍋爐的蒸汽發(fā)電機組和具有大調節(jié)比的渦輪具有這種能力。 它們起動費時(高達半天)，但它們可在其全容量的13%左右操作并且仍然效率高，且能夠 快速改變它們的輸出以便進行電網(wǎng)上的負荷跟蹤或負荷調節(jié)。但是，要想有效的話，與機 組的平均容量相比這需要大的過載容量。我們使用的發(fā)電系統(tǒng)中這種過載容量系數(shù)為大約 1.5至2。但目前發(fā)電機組并不維持這種過剩容量。發(fā)電機組可操作而不會顯著損失效率的最大容量與最小容量之間的比率稱為調 節(jié)比(turndown ratio)。對于常規(guī)的煤發(fā)電機組而言，設計規(guī)格要求8 1的最小調節(jié)比。 這些機組曾在已設有足夠的過載容量的電網(wǎng)上被用作電力的有效提供者和調節(jié)者。但是，需求不斷增長，但并未以跟上這種增長的速度建造新的機組。相反，過剩容 量已簡單地變成定期使用的容量的一部分。此外，雖然當今煤發(fā)電機組比50年前更有效， 但總體上它們每kWh運轉卻變得更昂貴，因為減少污染的需要已大幅增加了它們的成本。由于這種過載容量的損失，需要發(fā)現(xiàn)過剩能量的源來滿足峰值需求并用于電網(wǎng)調 節(jié)。此外，在電網(wǎng)的過載容量已大大降低的同時，電網(wǎng)操作的可變性已顯著增加。這已 引起嚴峻的供應和控制危機。我們不僅具有新的使用技術，比如在使用過程中更易變并且 相當多地增加了負荷的空氣調節(jié)，而且我們現(xiàn)在具有新型的可變發(fā)電源，諸如風力渦輪機、 太陽能電池以及可導致電網(wǎng)上的危險波動的聚光太陽能發(fā)電(CSP)。雖然CSP發(fā)電機組大到足以使其經(jīng)濟并實用地設有大規(guī)模儲存，但大部分不能夠 這樣，特別是熔鹽、太陽能電池和風。應對這種狀態(tài)的一種方式是建造更多快速響應的蒸汽 發(fā)電機組，以增加過載容量并快速響應以便供應和調節(jié)電網(wǎng)。但建造新發(fā)電機組是漫長的 過程并且非常昂貴。可增加容量和可控性的替代解決方案因此將是受歡迎的。對儲存的需求增加的另一個原因是發(fā)電技術已經(jīng)改變。核發(fā)電機組具有慢得多的 響應和低調節(jié)比。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組(CCPP)也具有很低的調節(jié)比，但對于天然氣而言，它 們具有比任何其它基于礦物燃料的發(fā)電機組高得多的效率(60%對煤的37-45%)并因此 被投入使用。CCPP技術基于高溫燃氣渦輪，其熱排氣被供給至產(chǎn)生用于蒸汽輪機的蒸汽的 鍋爐。這些機組提供了全世界很大一部分電能并且它們的使用快速增長(在美國達到裝機 容量的20%以上)。問題在于燃氣渦輪具有很低的調節(jié)比，當電力低于最大需求時非?？?地損失效率。僅有的控制基本上是開_關，因為它們可在一小時內(nèi)停機并且在一到兩小時 內(nèi)起動。但它們不適合對電網(wǎng)調節(jié)進行快速負荷跟蹤，并且實際上沒有足夠的過載容量來 實現(xiàn)這種操作。對于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電機組，實際上僅有的足夠清潔以被添加至 美國當今電網(wǎng)的燃煤發(fā)電機組，情況同樣如此。這些是基本的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，其中氣體 不是天然氣，而是煤氣化器的產(chǎn)物。IGCC的問題之一在于其調節(jié)比很低，因此其快速負載跟 隨能力低。再次，電網(wǎng)調節(jié)的需求未得到滿足。因此，可以理解的是仍然亟需能夠幫助解決上述供應和控制問題的新型能量儲 存系統(tǒng)。本發(fā)明解決與現(xiàn)有儲熱系統(tǒng)相關的一個或多個問題，并且涉及用于所儲存的能量 的這些和其它用途。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于最為突出地在工業(yè)系統(tǒng)中儲熱的方法和設備，在工業(yè)系統(tǒng)中要求 大的儲能源來滿足工作負荷，例如用于驅動發(fā)電機組中的渦輪。本發(fā)明克服了儲熱限制并 且實際上能實現(xiàn)在大部分發(fā)電機組可操作的實際上任何溫度儲熱。與其它用于大規(guī)模應用 的儲熱方法相比，本發(fā)明在設計上簡單且更加牢靠，并且實施和操作起來更廉價。在一個例子中，在使用熱工作流體來完成系統(tǒng)的工作如用于使泵工作或驅動渦輪的 系統(tǒng)中，例如，其中本發(fā)明教導通過使用熱工作流體作為蒸氣形式的傳熱流體并將其熱焓沉 積在儲熱介質上，然后移除此時冷卻并冷凝的液相傳熱流體——可以移除至保持罐，來儲存該 熱工作流體的熱焓。當再次需要熱工作流體時，液態(tài)傳熱流體返回至被加熱的儲存介質并且在 其經(jīng)過熱的儲存介質時被再熱，然后返回至工作系統(tǒng)并在需要時被用作熱工作流體。在各種實施例中，我們教導使用在溫度Ta或溫度Ta左右的傳熱流體提供所儲存 的熱的系統(tǒng)和方法，其示例性的系統(tǒng)和方法包括具有沿縱向軸線延伸的延長縱向區(qū)段的 陶瓷儲熱介質，該介質由顆粒物形成，顆粒物相互配合并在顆粒物之間限定出空隙以有利 于傳熱流體流在縱向上的流動，這些空隙相互結合以沿穿過介質的縱向軸線限定出縱向流 路；顆粒物和空隙能使流體橫向經(jīng)過介質沿垂直于軸線的平面流動，顆粒物構造成限制顆 粒物與顆粒物間的傳熱，顆粒物構造成促進平面中熱與流體的直接傳遞并且對熱與流體的 直接傳遞具有吸引力并因此沿平面限定出熱前緣(front)，其中介質和流體配合以沿該平 面在流體與介質之間傳熱，從而形成垂直于該軸線且沿著該平面的熱前緣；顆粒物同時通 過彼此接觸而阻止傳熱并且通過與流體直接接觸而對快速傳熱具有吸引力；以及流路具有 用于供過熱工作流體通過的端口，該流路在該端口具有在流動停止之后儲存處于溫度Ta 的過熱工作流體的熱的區(qū)域。另外的實施例包括流控制器，該控制器控制流體的流率，其中流率被選擇成確保 顆粒物和流體在所述平面中時沿所述平面達到溫度Ta，所述流路具有用于供處于溫度Ta 的已加熱流體通過的端口，流體的蒸氣相被用作系統(tǒng)中的工作流體；還包括用于容納介質 且具有傳熱流體冷卻端口和傳熱流體過熱端口的容器，所述流路具有過熱區(qū)域和沸騰區(qū) 域，在冷卻端口的區(qū)域中，該流路將作為低于沸騰溫度的液體的流體運送至沸騰區(qū)域，該流 路在過熱端口區(qū)域中儲存作為處于溫度Ta的過熱蒸氣的流體的熱，并且該流路在沸騰區(qū) 域中儲存作為沸騰液體的流體的熱。在一些實施例中，所述顆粒物還包括儲熱材料和絕熱 材料，在流路中還包括絕熱材料的有規(guī)則的(間歇的/斷續(xù)的，periodic)多孔絕熱層以防 止在前緣處溫度梯度由于穿過顆粒物的熱傳導而降低，其中優(yōu)選絕熱層是具有通道的板， 該板由絕熱材料制成，并且可以是在尺寸上類似于熱傳導材料的絕熱顆粒物層。在本發(fā)明的實踐中，所述流路具有如下能力儲存在聚光太陽能發(fā)電機組中產(chǎn)生 的蒸氣的熱，通過將水供給至儲存容器而再生該蒸汽，以便在需要時傳送再生的蒸汽。在各 種實施例中，這包括如下能力每當不需要蒸汽來發(fā)電時儲存在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的蒸汽 鍋爐中產(chǎn)生的蒸汽的熱，此后每當需要時在單獨的渦輪中使用所儲存的蒸汽，從而向聯(lián)合 循環(huán)機組提供負荷跟蹤能力和儲存；或者其中附加的蒸汽渦輪大于機組本身的蒸汽渦輪并 提供更大的短期負荷跟蹤能力以用來穩(wěn)定電網(wǎng)；或者其中該機組是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā) 電機組以向其提供更好的負荷跟蹤能力；或者其中該機組是是燃煤蒸汽發(fā)電機組；或者其 中所述流路具有儲存蒸汽的熱的能力，其中在再熱器之后從蒸汽發(fā)電機組的高壓渦輪的出口收回用于儲存的蒸汽以降低壓力。 在用于使用處于溫度Ta或溫度Ta左右的傳熱流體提供所儲存的熱的又一儲熱方 法中，該方法包括以下步驟設置具有沿縱向軸線延伸的延長縱向區(qū)段的陶瓷儲熱介質，該 介質由顆粒物形成，顆粒物相互配合并在顆粒物之間限定出空隙以有利于傳熱流體流在縱 向上的流動，這些空隙相互結合以沿穿過介質的縱向軸線限定出縱向流路；將顆粒物和空 隙設置成能使流體橫向經(jīng)過介質沿垂直于軸線的平面流動，顆粒物構造成限制顆粒物與顆 粒物間的傳熱，顆粒物構造成促進平面中熱與流體的直接傳遞并且對熱與流體的直接傳遞 具有吸引力并因此沿平面限定出熱前緣，其中介質和流體配合以沿該平面在流體與介質之 間傳熱從而形成垂直于該軸線且沿著該平面的熱前緣；將顆粒物設置成同時通過彼此接觸 而阻止傳熱并且通過與流體直接接觸而對快速傳熱具有吸引力；以及將流路設置成具有用 于供過熱工作流體通過的端口，該流路在該端口具有用于在流動停止之后儲存處于溫度Ta 的過熱工作流體的熱的區(qū)域。另外的實施例包括流控制器，該控制器控制流體的流率，其中該流率被選擇成確 保顆粒物和流體在平面中時沿該平面達到溫度Ta，所述流路具有用于供處于溫度Ta的已 加熱流體通過的端口，流體的蒸氣相被用作系統(tǒng)中的工作流體；并且還包括用于容納介質 且具有傳熱流體冷卻端口和傳熱流體過熱端口的容器，所述流路具有過熱區(qū)域和沸騰區(qū) 域，在冷卻端口的區(qū)域中，該流路將作為低于沸騰溫度的液體的流體運送至沸騰區(qū)域，在過 熱端口的區(qū)域中該流路儲存作為處于溫度Ta的過熱蒸氣的流體的熱，并且在沸騰區(qū)域中 該流路儲存作為沸騰液體的流體的熱。在各種實施例中，顆粒物還包括儲熱材料和絕熱材 料，在所述流路中還包括絕熱材料的有規(guī)則的多孔絕熱層以防止在前緣溫度梯度由于通過 顆粒物的熱傳導而降低。在一些實施例中，絕熱層是帶通道的板，該板由絕熱材料或在尺寸 上類似于導熱材料的絕熱顆粒物制成。在優(yōu)選實施例中，存在用于提供處于溫度Ta或溫度Ta左右的傳熱流體X的儲存 的熱的儲熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有傳熱流體冷卻輸入部和傳熱流體過熱輸出部的容器，該 容器具有與輸入部和輸出部連通的縱向區(qū)段；縱向區(qū)段中的陶瓷儲熱介質，該介質具有主 縱向軸線和次軸線，該介質由顆粒物形成并在顆粒物之間限定出空隙以有利于流體流動和 傳熱，這些空隙相互配合以限定出沿縱向區(qū)段中的主軸線延伸的主縱向流路；所述流路向 沸騰區(qū)域供應低于沸騰溫度的流體流以進行沸騰，所述流路向過熱區(qū)域供應沸騰流以將該 流加熱至過熱；以及流控制器，該控制器設定流體流的流率，該流率通過沸騰區(qū)域中的沸騰 顆粒物和過熱區(qū)域中的過熱顆粒物的一系列薄片實現(xiàn)加熱，各顆粒物薄片由顆粒物在垂直 于主軸線的次軸線的橫截面限定，該薄片被加熱并加熱一部分量的流，該部分量在沸騰區(qū) 域中沸騰并在過熱區(qū)域中被過熱至溫度Ta或溫度Ta左右，然后處于溫度Ta或溫度Ta左 右的傳熱流體X在傳熱流體過熱輸出部被輸出。這些和其它實施例包括各種發(fā)電應用、工業(yè)過程等，并且在其它應用中可被用于 太陽能發(fā)電機組、CCPP機組、ICGG機組、燃煤和燃氣機組、核發(fā)電機組、地熱發(fā)電機組以及 其它使用過熱流體工作的操作。
附圖示出本發(fā)明的實施例并用來解釋其原理。但是可以理解，附圖只是為了例示的目的而設計的，且并非作為對本發(fā)明的界限的定義。圖1示出了具有根據(jù)本發(fā)明的儲熱系統(tǒng)的普通發(fā)電機組；圖2以截面示出了圖1的實施例的一個實踐中本發(fā)明的示例性儲存容器；圖3-5示出了本發(fā)明的不同實施例中在蒸汽再生期間的熱傳播的對比，其中圖3 示出了本發(fā)明的使用CO2傳熱流體系統(tǒng)的熱前緣傳播，對比的圖4示出了本發(fā)明的H2O系統(tǒng) 中的熱前緣傳播，二者均在1500psi，并且對比的圖5示出了在600psi的本發(fā)明的H2O系統(tǒng) 中的熱前緣傳播；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的儲熱系統(tǒng)在作為本發(fā)明的多種應用之一的小規(guī)模太陽 能蒸汽發(fā)電機組上的應用。下面論述本發(fā)明的各種非限制性的示例性和優(yōu)選的實施例。
具體實施例方式在此示出的細節(jié)只是舉例和示例性地論述本發(fā)明的實施例，并且是為了提供確信 是對本發(fā)明的原理和概念方面的最有用和容易理解的描述而提出的。就這一點而言，并未 試圖比基本理解本發(fā)明所需的詳細程度更詳細地顯示本發(fā)明的結構細節(jié)，結合附圖進行的 描述使本領域技術人員清楚如何在實踐中實施本發(fā)明的幾種形式。除非另外指出，對化合物或成分的提及包括該化合物或成分本身，以及與其它化 合物或成分相結合，例如化合物的混合物。文中所用的單數(shù)形式“一”和“該”也包括復數(shù) 指代物，除非上下文清楚地另外指出。除非另外指出，本說明書和權利要求中使用的所有表達組分、反應條件等的量可 以理解為在所有情況下都由用語“約”修飾。因此，除非相反地指出，以下說明書和所附權利 要求書中的闡述的數(shù)值參數(shù)是可根據(jù)本發(fā)明尋求獲得的期望特征而變化的近似值。至少， 并且不應當視為試圖限制等同原則在解釋權利要求范圍時的應用，每個數(shù)值參數(shù)應當按照 有效位數(shù)字和普通的四舍五入慣例進行解釋。另外，本說明書內(nèi)數(shù)值范圍的敘述被視為該范圍內(nèi)的所有數(shù)值和范圍的公開。例 如，如果某一范圍是從約1至約50，則認為該范圍包括例如1，7，34，46. 1,23. 7或該范圍內(nèi) 的任何其它值或范圍。但是，權利要求中未引述的任何范圍僅旨在進行說明而不是為了限 制本發(fā)明所涵蓋的范圍。本發(fā)明提供用于在系統(tǒng)中、優(yōu)選在諸如發(fā)電機組之類的工業(yè)系統(tǒng)中儲熱的方法和 設備。本發(fā)明克服了儲熱限制，并且事實上，能實現(xiàn)在大部分發(fā)電機組可操作的實際上任何 溫度儲熱。本發(fā)明在設計上簡單，并且與其它用于大型應用的實用儲熱方法相比更加可靠 且實現(xiàn)和操作起來相對廉價。本發(fā)明可在各種系統(tǒng)中實現(xiàn)，并且特別是提供流體且更具體而言為熱工作流體的 熱焓的儲存。在一個實施例中，熱工作流體是可被加熱且在其加熱狀態(tài)下可用來執(zhí)行工作 功能的流體，例如水被加熱以產(chǎn)生蒸汽并且蒸汽被用來驅動機器進行做功，或用于其它儲 存的熱能的用途。本發(fā)明通過使用熱工作流體作為傳熱流體并且將該傳熱流體的蒸氣相的熱焓沉 積在容器內(nèi)的儲熱介質上，并且然后冷卻的蒸氣變成液體并從容器除去，來提供熱工作流 體的熱焓的儲存。當再次需要熱工作流體時，一部分冷工作流體作為傳熱流體返回儲熱介質并被再熱成其蒸氣相，然后從容器取出以用作熱工作流體。這里不需要鍋爐，因為再熱代 替了利用所儲存能量的鍋爐。在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明通過利用可經(jīng)歷相變的熱工作流體作為傳熱流體并且將 該傳熱流體的熱焓沉積在容器內(nèi)的儲熱介質上，并且然后在流體沿充填(charge)方向流 經(jīng)儲存介質時從容器除去全部的冷卻的流體，來提供熱工作流體的熱焓的儲存。當再次需 要熱工作流體時，一部分工作流體作為傳熱流體返回儲熱介質，優(yōu)選與充填方向對流，并被 再熱，然后從容器取出并返回工作系統(tǒng)以被用作熱工作流體。在本發(fā)明的優(yōu)選實踐中，使用并通過處于其加熱的蒸氣相的工作流體進行工作或 從該相儲存熱，然后利用首先處于液相的相同類型的流體作為傳熱流體并且然后利用處于 蒸氣相并且返回的流體作為工作流體來回收熱。更優(yōu)選地，本發(fā)明使用蒸汽工作流體和蒸 汽傳熱流體，最優(yōu)選過熱的加壓蒸汽。蒸汽在發(fā)電機組中最重要的使用是過熱蒸汽，其自由能很大程度上取決于蒸汽的 溫度。本發(fā)明能夠以>90%并且或許甚至>95%的熱效率操作。高效儲存蒸汽的熱焓的 能力產(chǎn)生了在許多領域廣泛應用的技術機會，例如用于擴大發(fā)電機組的容量，提供可分派 能量，向發(fā)電機組提供更好的控制功能以進行電網(wǎng)調節(jié)，以及用于其它使用儲存的熱或蒸 汽的工業(yè)目的。儲存電力已成為當今環(huán)境下的主要需求。由于大多數(shù)發(fā)電機組涉及蒸汽，所以在 此所述的本發(fā)明通過儲存蒸汽的熱焓而“儲存”用于發(fā)電機組的電力的等同物。這種創(chuàng)新 與在此類大規(guī)模、工業(yè)規(guī)格量儲存電力的其它方法相比是成本有效的。在本發(fā)明的一個實施例中，熱源(例如，鍋爐)產(chǎn)生用來在工作回路中做功的蒸 汽，例如在工作回路中蒸汽驅動蒸汽渦輪以發(fā)電。當此工作流體、優(yōu)選過熱蒸汽可為儲存循 環(huán)所利用時，即，當可獲得超過需求的容量時，通常在非峰值負荷時段，過熱工作流體蒸汽 從工作回路被發(fā)送至包括儲存介質的儲存回路，并且此時此流體用作將蒸汽熱攜帶至儲存 介質的傳熱流體——熱從傳熱流體蒸汽傳遞至儲存介質，其中蒸汽冷凝并且冷凝物液態(tài)水 從儲存介質排出。熱被按需儲存并且在需要時取回。當需要從儲存介質取回蒸汽時，水被 用管道輸送至已加熱的儲存介質，并且蒸汽被再生然后作為熱工作流體返回工作回路。優(yōu) 選地，工作回路和儲存回路用合適的閥互相連接以實現(xiàn)閉合的回路，從而保存流體(水)。在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明包括將蒸汽的熱焓沉積在固體材料上，該固體材料優(yōu)選 具有高熱容量和高熱傳導率，例如為氧化鋁卵石，沉積的方式是我們優(yōu)選通過經(jīng)儲存介質 對流地供給水而在或許稍低的壓力在原始溫度或在原始溫度左右再生蒸汽。就效率而言， 這相當于直接儲存蒸汽。儲存蒸汽的熱焓并向發(fā)電機組提供第二渦輪以利用所儲存的熱，可在很大程度上 有助于滿足國家能源需求。另外，蒸汽熱焓的儲存可有助于在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組(CCPP)中 提供合理的調節(jié)比并且可提高負荷跟蹤能力。在CCPP中，蒸汽發(fā)電機組一般提供機組總電 力輸出的約40% _45%，并且燃氣渦輪可始終在鍋爐處于最大容量的狀態(tài)下操作，從而允 許對第二(蒸汽)渦輪進行負荷跟蹤同時將任何過剩的蒸汽轉移到儲存裝置。輔助渦輪在 需要時通過該儲存的蒸汽驅動，這增加了 CCPP在峰值負荷的總容量或在其它方面控制電 網(wǎng)波動。對于平常的蒸汽發(fā)電機組而言，問題是，在任何情況下，如果儲存蒸汽的熱焓用于 某種目的，比如如果它比增加容量更便宜，則在大多數(shù)情況下其目的是提供這種儲存的能
10量的額外的源且其更便宜。對于聚光太陽能發(fā)電機組而言，蒸汽熱儲存是有價值的選擇，特別是已存在直接 產(chǎn)生蒸汽的收集器。在需要時，例如，當比如在晚上太陽能不足時，蒸汽被再生。在適當?shù)?定制尺寸的情況下，太陽能發(fā)電機組可24/7操作，并且還可用來通過使用本儲存系統(tǒng)而控 制電網(wǎng)波動。如上所述，本文所述的實施例是通過舉例說明而非限制的方式提供的，且并非意 圖將本發(fā)明的范圍或其應用限制于熱蒸汽的熱焓的儲存。因此，如在此公開內(nèi)容中所述，蒸 汽的熱焓的儲存包括利用任何可冷凝的蒸汽的概念，并且包括任何具有一個高溫蒸氣相和 一個較冷液相的兩相系統(tǒng)。該系統(tǒng)優(yōu)選在兩相操作，并且代替水，也可使用丙烷、丁烷和其 它可冷凝的氣體。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，對流式卵石床熱交換器具備儲存功能，其中熱以非循 環(huán)方式進行交換，即，熱被儲存并在以后需要時可利用。熱蒸氣優(yōu)選在豎直定向的容器的頂 部沿一個行進方向進入儲存容器，并加熱儲存介質(優(yōu)選陶瓷顆粒物)，并且優(yōu)選地，底端 保持冷卻以便不會不必要地排出熱能——否則將降低儲存效率。管道和介質以及流動被設 計成使得熱作為比較明顯的前緣通過儲存容器前進。當進一步加載將會排出蒸氣或沸水 時，達到容量。當要取回熱時，冷卻水沿相反的流動方向流入排出端以形成并傳送從容器的 頂部取回并返回工作系統(tǒng)的再生蒸氣，即蒸汽。在優(yōu)選實施例中，為了確保明顯的前緣，要加熱(或冷卻)的流體足夠緩慢地流 動，使得其溫度在很短的距離(與交換器的總長度相比)達到與儲存介質完全平衡，最優(yōu)選 在超過1比100 (距離與總長度)的系數(shù)，或優(yōu)選至少1比10的系數(shù)，但要獲得高效率，該 系數(shù)應當比10大很多。這要求儲熱介質的顆粒物即卵石或石子的加熱時間與蒸氣的停留時間相比很短。 這種情況下，對于顆粒物的給定形狀而言，加熱時間與r2/α成正比，其中“α ”是介質的熱 傳導率且“r”是所選填充材料的特征長度。因此優(yōu)選具有高熱傳導率的更小顆粒物。本領 域技術人員可以理解，該加熱時間控制或限制對于熱加載和熱回收這兩者而言給定的儲存 容器所容許的理想最大速度。本發(fā)明提供了能夠以高效率在各種應用中以可取回方式儲存熱能的儲熱系統(tǒng)。該 儲熱系統(tǒng)可適合供各種動力源如蒸汽動力源使用。本發(fā)明的實施例教導在包括聚光太陽能 發(fā)電機組、蒸汽發(fā)電機組、燃煤發(fā)電機組、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組、小規(guī)模太陽能發(fā)電機組的各 種應用中以及其它用途中熱的儲存。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的包括發(fā)電機組IOA和儲熱系統(tǒng)IOB的示例性發(fā)電系統(tǒng) 10，其中發(fā)電機組IOA產(chǎn)生熱流體11，該熱流體可用于在該機組中做功或可用于將熱儲存 到儲熱系統(tǒng)IOB中和從儲熱系統(tǒng)IOB取回熱。也通過使用流體11，儲存在儲存系統(tǒng)IOB中 的熱不時返回機組IOA以在該機組額外做功。在實踐中，鍋爐12中產(chǎn)生的熱流體(例如，過熱蒸汽)11被用作用于驅動渦輪13 的工作流體11a，或可替代地，該過熱蒸汽在閥14處被從渦輪13轉移并被用作儲熱系統(tǒng) IOB中的傳熱流體lib。熱流體/過熱蒸汽11作為傳熱流體Ila經(jīng)由儲存容器16的輸入部15進入儲熱 系統(tǒng)10B，并流經(jīng)和加熱容器內(nèi)的儲熱介質18。該儲存的熱以后在需要時被從儲存介質18取回，以再生返回至機組IOB并在機組IOB使用的過熱蒸汽11。參考圖2，優(yōu)選地，儲存容器16豎直定向成使得過熱蒸汽Ila被用于從容器16的 頂部38對儲存介質充熱并在其向下到達容器16的底部39的路線上在沿縱向軸線I-II的 充填方向上流經(jīng)儲存介質18，在底部39冷凝水20被移至儲罐22。水20保持在該罐中，然 后在需要時從儲罐22返回至鍋爐12以便再熱或者在對流流動中被重新引導至容器16以 再生過熱蒸汽11。當需要來自儲存系統(tǒng)IOB的過熱蒸汽時，優(yōu)選水20從罐22被泵送至豎直容器16 的入口 25，沿軸線I-II向上通過已加熱的儲存介質18到達容器16的頂部38以再生過熱 蒸汽11，過熱蒸汽11經(jīng)由在容器16的頂部38的出口 28輸出并作為工作流體Ila返回至 機組IOA以驅動渦輪13。這樣，儲熱狀態(tài)實質上不存在大量液體，即，來自過熱蒸汽的熱而 不是大量流體被儲存在容器16中，然后一定量的較冷液體20僅在需要蒸汽再生時被重新 引導。在本發(fā)明的優(yōu)選實踐中，容器16是豎直的并且過熱蒸汽11在容器頂部38被引導 并行經(jīng)儲存介質18，使得至少在取回期間熱沿比較明顯的前緣傳播以使傳熱效率最大化， 其中容器頂部38在輸入的蒸汽11的溫度處于最大熱而在容器的底部39的離開端保持較 冷。為了效率的目的而保持較冷的端部，使得沸水不會從儲存容器流出至罐22——其中水 的熱將被浪費。在希望使儲存效率最大化的情況下并未這樣做。在本發(fā)明的優(yōu)選實踐中，一部分儲存介質在被提供到達的傳熱流體時被加熱至很 高的溫度。在回收期間，流率被控制成使得熱在比較明顯的前緣傳播，從而允許在熱被儲存 的最高溫度回收所儲存的熱，該熱優(yōu)選來自過熱蒸汽?？梢岳斫獾氖侨绻诨厥掌陂g前緣 移動過快，則總儲存容器將被幾乎均勻地冷卻，并且所回收的蒸汽的溫度將連續(xù)下降至平 均溫度?；厥盏目偀崃繉⒈３趾愣?，但僅一部分蒸汽將在頂部溫度被回收，導致自由能大量 損失。這在本發(fā)明的實踐中得以避免，因為尋求回收最高儲存溫度，而不是平均儲存溫度。在一個示例中，熱流體11是處于初始溫度的過熱氣體蒸氣且流經(jīng)容器16直到介 質18被加熱至該溫度為止。當蒸氣經(jīng)過介質時，蒸氣冷卻并且因此蒸氣在較低的溫度離開 容器，并且容器端部24處于該較低的溫度。當較低的溫度開始上升時，充填過程停止。但 是，最優(yōu)選在熱端保持溫度盡可能接近并且甚至在頂部保持恒定，以維持高熱效率。在冷端 的溫度接近控制沒有在熱端那么重要。更具體而言，過熱蒸汽傳熱流體Ila從容器16的頂部38被引導并在其繼續(xù)流動 時將區(qū)域18a加熱至溫度Ta，直到流體已釋放足夠的能量使得其經(jīng)歷相變并冷凝成沸水， 然后將區(qū)域18b中的儲存介質加熱至沸騰溫度Tb。冷凝的傳熱流體Ila在其流向容器底部 39時繼續(xù)將區(qū)域18b中的介質加熱至沸騰溫度，并且此后，此時處于溫度Td的進一步冷卻 的傳熱流體Ila到達處于容器16端部的區(qū)域18c——其中沒有剩下足夠的熱能來使儲存介 質達到用于儲存的沸騰溫度，并且因此傳熱流體作為處于溫度Td的冷卻的排出流體20被 排出至罐22。再一次，出于效率的目的，希望在介質的充填期間加熱盡可能多的儲存介質 18而不在出口 21將蒸汽從容器釋放出來，并且因此在這種情況下排出流體20將是低于沸 點的水。本領域技術人員現(xiàn)在可理解，可通過監(jiān)測排出水20的溫度并在溫度開始上升或 變得過高時停止流動、且優(yōu)選在遠低于沸點(即，遠低于處于儲存壓力的水的沸點)時停
12止，來在充填期間控制儲熱系統(tǒng)10B。流率優(yōu)選選擇成使得獲得盡可能多的傳熱并且優(yōu)選 建造更大的過熱區(qū)18a使得在蒸汽再生時能夠在過熱溫度Ta再生更大量的蒸汽，用于再生 的流率被選擇成使作為從在容器16頂部的出口 28出來的工作流體的過熱蒸汽的傳送最大 化，并且再生的過熱蒸汽的流動在溫度不再處于用作工作流體Ila的期望溫度時停止，除 非希望額外的再熱。從圖2可見，在一個示例中，熱的傳熱流體Ila是處于初始溫度Ta的過熱水蒸汽 并流經(jīng)容器16，直到介質18的第一區(qū)域18a被加熱至該過熱溫度Ta。當流體經(jīng)過介質時， 流體冷卻并在在處于溫度Tb的介質的第二區(qū)域18b中變成沸水，并且在容器底部39在第 三區(qū)域18c中達到低于沸點的較低溫度Tc，并且此后在溫度Tc在出口 21離開容器。在一 個實施例中，流率是滿足要求的，其中大部分介質18被加熱至過熱溫度Ta并且僅小部分區(qū) 域處于沸點，然后端部低于沸點。加熱水平可通過監(jiān)測流體流的出口溫度Td來檢測，并且當出口溫度達到指定的 “停止”溫度時，則流體流動和充填過程停止。優(yōu)選地，該停止溫度接近但低于沸騰溫度Tb 以使經(jīng)由離開容器的熱流體的熱損失最小化，因為熱損失會影響整體系統(tǒng)效率。在本發(fā)明的可選實踐中，處于溫度Ta的過熱蒸汽11流經(jīng)容器中的整個路徑I_II， 并且流動僅在出口溫度Td在蒸汽流出容器時處于或接近初始溫度Ta時停止。這能實現(xiàn)容 器16的最大儲存利用但在充填過程中損失了流出的蒸汽所攜帶的熱能，因此當效率最重 要時不這樣做。可以理解的是在圖1的發(fā)明的太陽能發(fā)電實施例中，鍋爐12是太陽能加熱的且 如上所述提供過熱蒸汽11以驅動渦輪13或被重新定向至儲存裝置10B。這種情況下，來自 儲存裝置IOB的再生的過熱蒸汽11在夜間驅動現(xiàn)有的渦輪13以提供額外的電力輸出30。 在本發(fā)明常規(guī)的燃料式發(fā)電機組實施例中，渦輪13通常在峰值生產(chǎn)操作，因此在需要時引 導所取回的蒸汽11以驅動輔助渦輪32，以供應額外的電力輸出30，從而增加渦輪13的輸 出ο在優(yōu)選實施例中，儲存介質18具有高熱容量以最小化儲存量，比如通過使用可獲 得的、眾所周知的材料，該材料可大批量生產(chǎn)以降低成本。在優(yōu)選實施例中，儲熱介質18形 成為氧化鋁材料部分19’的床19，例如石子、卵石或球丸，蒸汽11沿流路I-II (在圖2中為 豎向)行經(jīng)介質18，在材料部分19’之間流動。可以理解的是當儲存過熱蒸汽的熱時，將存在過熱區(qū)域18a和沸騰區(qū)域18b，然 后是短的較冷區(qū)域18c。在實踐中，希望保持過熱區(qū)域18a的熱與沸騰區(qū)域18b的熱之間的 “明顯的”前緣?！懊黠@的”前緣是指過熱區(qū)域被最佳地加熱并與沸騰區(qū)域分離，邊界相應隨 同流動移動。明顯的前緣在充填循環(huán)中不是必需的，但在再生循環(huán)中非常優(yōu)選。流體垂直 于截面流過容器，目的是獲得蒸汽與儲存介質之間在短距離(即，沿流路數(shù)英尺)上的完全 溫度均等，作為明顯的前緣，我們將其定義為垂直于縱向軸線的平面P。在一個非限制性示 例中，明顯的前緣與140’儲存路徑上長30’的過渡區(qū)域18b有關。平面P在圖2中被示為 與沸騰區(qū)域18b重合并且在此實施例中應該被理解為沿著實質上平行于板40的流動軸線 隨同流體流移動。選擇優(yōu)選的儲存介質，氧化鋁顆粒物(例如，石子或卵石)，因為蒸汽系統(tǒng)中的傳 熱阻力低。后者意味著氧化鋁的熱傳導率高并且它們的尺寸小，使得達到熱流體流的溫度所需的時間與流體停留時間相比非常短，并且氧化鋁的溫度因此實際上瞬時跟隨周圍熱流 體的溫度。一優(yōu)選設計允許從頂部向下的充填和從底部向上的對流再生，優(yōu)選橫向經(jīng)過直徑 具有一致和均勻的流分布，在沿著流動軸線I-II的非常短的流體流動距離(例如，140’的 30’)上達到完全的傳熱和溫度均等。該系統(tǒng)包括固體填充料，例如，能實現(xiàn)具有低壓降的流 體流的設計中的高密度陶瓷顆粒物。填充料的熱傳導率應當高并且填充料的加熱時間應當 盡可能短，但過小的顆粒物會導致流體流動過程中的過度壓降。即使如此，對于后者而言， 儲存容器中的低壓降對于蒸汽儲存而言并不是關鍵的，因為不需要重新壓縮。可使用滿足 本文所述的基本設計概念且允許儲存比如來自蒸汽的蒸氣熱的具有高熱效率(優(yōu)選利用 對流流動)的任何設計。本領域技術人員可以理解，顆粒物的尺寸和結構將是可接受的加 熱時間與可接受的壓降之間的折衷。此外，當儲存介質如陶瓷卵石暴露于變化的溫度、壓力 和條件時，選擇此材料使得其可耐受這些條件，并且優(yōu)選具有低孔隙率(大致< 5% )的材 料。此外，在優(yōu)選實施例中，為了防止特別是當床中存在溫度梯度時在儲存過程中通 過顆粒物的傳熱，以便能夠在床中緩慢加熱至很高的溫度，我們優(yōu)選在卵石床內(nèi)間隔地設 置絕熱多孔板，孔足夠小以保持填充材料。本領域技術人員可以理解，在一優(yōu)選實施例中， 我們規(guī)定固體顆粒物的加熱時間短?？梢岳斫獾氖窃谠试S高效儲存的條件窗內(nèi)操作對于最高效率而言是優(yōu)選且有益 的，因此，供給用于再生的過熱蒸汽或水的速度的方式應當是使得熱特別是在回收過程中 在明顯的前緣中傳播。圖2在側截面中示出了組裝好的模塊，裝填了卵石床19并從容器頂部至容器底部 填充了容器內(nèi)部，流路I-II在卵石床19的卵石材料19’之間延伸通過介質18。在本發(fā)明 的實踐中，可使用單個大儲存容器16，盡管優(yōu)選組裝較小的模塊以形成容器。單個這種模 塊(比如20-30英尺長的管道段)適合形成小型發(fā)電機組，而對于更大型的機組可組裝多 個容器。例如，可層疊七個20英尺長的模塊以形成具有端蓋(即，歧管)的140英尺儲存 容器。再次參照圖2，在本發(fā)明的示例性實踐中，儲存容器16優(yōu)選包括圓筒形模塊16A， 兩個模塊16A1和16A2被豎直層疊并且封閉的容器16是通過在模塊16A1和16A2的相應 外端上分別在容器16的頂部38和底部39增設歧管板16B1和16B2形成的。此外，每個模 塊16A在其頂部和底部設有凸緣41使得匹配的模塊可在匯合的相鄰凸緣41被密封在一起 以形成密封部43，如圖所示。歧管板16B1被設置在模塊16A1的頂端使得歧管板邊緣45與 相鄰的凸緣41配合以在此處形成密封部47，并且歧管板16B2被設置在模塊16A2的底端 使得板邊緣45與相鄰的凸緣41配合以形成密封部49，從而提供密封的儲存容器16，如圖 2所示。圖2的圓筒形模塊16A、16B優(yōu)選使用現(xiàn)成的大直徑鋼管比如用于天然氣管線的鋼 管的區(qū)段，各區(qū)段被切割成易于運輸和組裝的長度(比如20-30英尺長的區(qū)段)，并且裝設 有凸緣以協(xié)助現(xiàn)場組裝容器。這些模塊16A、16B等優(yōu)選被裝配有穿孔板40(圖2)，其孔44 小于儲存材料19’的直徑以保持儲存材料處于適當位置。本領域技術人員可以理解，這些 板40還用作具有期望壓降的常規(guī)的流分配器。應該進一步理解的是這些板優(yōu)選由不導熱陶瓷制成以最小化通過儲存材料的熱傳導，因為傳熱理想地被局限于流體Ila與卵石材料 19’之間的直接接觸，并且因為較熱和較冷的儲存區(qū)段之間的平衡可減少可被再生并從儲 存系統(tǒng)傳送的最高溫度過熱蒸汽的量。希望限制顆粒物之間的熱傳導，因此在本發(fā)明的一 個實踐中，我們設置了絕熱步驟，比如間隔開的板40，這些板具有足夠的孔隙率以容許流體 流動并且足夠小以將顆粒物保持在適當位置。這樣，熱可在每個充填的區(qū)段長時間保存。這種設置還有利于通過其中儲存單元 的熱區(qū)段和冷區(qū)段之間可分離的區(qū)段而有利于部分回收區(qū)段，比如當進行一些儲存的熱的 部分回收時。在一個實施例中，還設置了另外的端口 46以有利于部分回收或其它可選的流 體流，比如用于增加用于儲存或回收的流體輸入或抽出流體以便進行溫度監(jiān)控等。推薦的陶瓷填充材料19’的一個示例是使用直徑為l_10mm(優(yōu)選2_3mm)的無孔 氧化鋁的小球，期望的結果是快速加熱介質。模塊式容器及相關供給管道的構造形成牢固的結構，其中帶凸緣的管段加強單獨 的管道的強度以形成可被錨定至地面的高強度結構。通常，對于尺寸高達約5英尺直徑的 管線而言，可利用管道區(qū)段。該設計避免了現(xiàn)場構成并且可在卡車中運輸。這些管段應當 被設計成容易在現(xiàn)場組裝。為此，這些管段應當足夠短，使得它們可形成并填充可買到的陶 瓷，并且完整地運輸以便隨時進行最終組裝。這比在現(xiàn)場建造大型儲存容器更廉價。在一個實施例中，儲存介質適用于寬溫度范圍，優(yōu)選從環(huán)境溫度至特定發(fā)電技術 所需的最高溫度以上。該溫度對于高效蒸汽發(fā)電機組而言為約1350下，而對于燃氣渦輪而 言為2200-2500下?？蓪崿F(xiàn)的最高溫度還決定了儲存成本。事實上，雖然高溫可能要求更 昂貴的材料，但所需的儲存量以及因此系統(tǒng)的成本與發(fā)電循環(huán)的頂部溫度和底部溫度之差 成反比，正如發(fā)電機組中那樣?，F(xiàn)在可以理解的是在本發(fā)明的蒸汽儲存實施方式中，使用相同的構成流體(即， 水)的蒸氣相和液相。這有利地能使相同的流體可互換地既是工作流體又是傳熱流體，這 允許工作系統(tǒng)極為經(jīng)濟。因此，在本發(fā)明的實踐中，儲存介質18被充填優(yōu)選來自過熱加壓 蒸汽11的熱，然后儲存介質18中的熱保持被儲存，直到后續(xù)利用較冷的水20的按照要求 的取回為止。因此，系統(tǒng)的工作流體(例如，蒸汽)也是用于在下游使用的傳熱流體(例如， 蒸汽)，比如用于驅動蒸汽渦輪13進行發(fā)電。利用水/蒸汽作為傳熱流體具有高傳熱系數(shù)的優(yōu)點。迄今為止還沒有對過熱蒸汽 的實用儲存。但在本發(fā)明中，在優(yōu)選實施例中，使用了過熱蒸汽，優(yōu)選如上所述從頂部向下 填充儲存容器。以后，可通過在底部供給冷水、以對流方式再生、并從頂部作為實際上處于 與最初儲存相同的溫度和壓力的過熱蒸汽離開，來回收熱。本發(fā)明的優(yōu)選工序是供應過熱 氣體蒸氣(例如，蒸汽)11，將熱儲存在冷凝蒸氣(例如，蒸汽)的介質18中并且然后將冷 凝液體20 (例如，水)排出至罐22，等待需求，并且在將冷卻液體20重新引導到容器內(nèi)以后 再生加熱的氣體蒸氣(例如，蒸汽)U。優(yōu)選地，過熱蒸汽輸入部15和再生蒸汽輸出部28位于處于容器16的頂部38的 儲存介質18上方，并且液體輸出部21和輸入部25位于處于容器16的底部39的儲存介質 下方。這樣，儲存介質18和流體流在容器16內(nèi)豎直定向，比如將容納在頂部引入的蒸汽11 和允許冷凝的液體在傳熱和相變之后朝出口落下，并且還將在蒸汽再生期間在較冷的液體 20被引入后容納蒸汽上升。這種設置有助于過熱蒸汽11的再生。
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應該進一步理解的是容器頂部上的輸入部15和輸出部28實際上可以是隨時間 具備相應所述的入口和出口功能的單個雙向端口，并且處于容器底部的出口 21和入口 25 同樣可為具備相應所述功能的另一單個雙向閥。在任何情況下，優(yōu)選這些端口在充填儲存 介質期間和再生時打開而在儲存期間關閉。此外，在優(yōu)選實施例中，為了防止在長期的儲存期間特別是當床中存在溫度梯度 時通過顆粒物的傳熱，以便能夠在床中緩慢加熱至很高的溫度，我們優(yōu)選在卵石床內(nèi)間隔 地設置絕熱多孔板或多孔物質，孔足夠小以容許流體流動同時保持陶瓷材料19’。對于許多應用而言，特別是在用于分配能量的小規(guī)模機組——其不可利用具有再 熱功能的渦輪——中，蒸汽是有利的傳熱流體選擇。對于使用氣體作為驅動流體的發(fā)電機 組(例如，燃氣渦輪、斯特林(Stirling)發(fā)動機或類似裝置)而言，本發(fā)明使得能夠使用與 用作工作流體的氣體相同的氣體作為傳熱流體?？梢赃M一步理解的是在H2O系統(tǒng)中不需要用于再熱工作流體的鍋爐；被充填的 儲存容器16是鍋爐。在本發(fā)明的優(yōu)選CO2實施方式中，再生的過熱CO2將被傳送至鍋爐以 產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽又將驅動蒸汽渦輪。圖3-5提供了本發(fā)明的不同實施例中熱傳播的對比。圖3示出了利用CO2傳熱流 體系統(tǒng)的熱前緣傳播，示出了在熱回收期間壓力為1500psi時在容器內(nèi)熱前緣的行進的圖
7J\ ο圖4示出了在熱回收期間壓力為1500psi和溫度為1200 °F時，在本發(fā)明的H2O系 統(tǒng)中過熱蒸汽的熱前緣傳播。本領域技術人員可以理解，在恒定的壓力，過熱越大，前緣就 越陡峭，并且前緣越陡峭，傳熱就越有效。在儲存蒸汽熱的過程中，在一個實施例利用較低 的壓力完成使用相同的過熱回收蒸汽以避免由相變導致的“箍縮(pinch)”(在“Z”處)。 只要最終蒸汽溫度保持恒定，降低壓力對效率的影響就小。參看圖4可以看到，當前緣行進 時存在不斷增長但短平的溫度前緣區(qū)段。只要完全被加熱的區(qū)段內(nèi)保持這種狀況，蒸汽就 會被過熱。圖4和圖5中的圖示只是示意性的并且是基于整個床中的溫度恒定這樣的假設。 本領域技術人員可以理解，在實際循環(huán)中，溫度輪廓要復雜得多，但溫度前緣的特征類似于 圖4和圖5中所示的那些。本領域技術人員可以進一步理解，該處于恒定溫度的短區(qū)段會導致儲存循環(huán)中的 “箍縮”?？朔@種箍縮效應的一種方式是在更低的壓力執(zhí)行回收循環(huán)使得平直區(qū)段低于用 于儲存的蒸汽的沸點。這在圖5中示出，通過將壓力降至600psi (或甚至400psi)，該平直 區(qū)域Z的溫度顯著降低至進入儲存裝置的新鮮蒸汽的沸點以下。由于儲存不是在低于沸點 完成的，所以箍縮無關緊要。如果在儲存循環(huán)端部的平直區(qū)域短，則存在克服箍縮的可選方式，S卩，通過供應熱 以僅使用額外蒸汽的過熱克服此平直區(qū)域內(nèi)的箍縮。冷凝以及冷卻冷凝的水的額外熱將導 致冷區(qū)段中較高的溫度。當平直區(qū)段短時這是有用的。這兩種方法可以在需要時結合和優(yōu) 化。在大多數(shù)情況下，優(yōu)選第一種方法。允許我們降低壓力的是在恒定的過熱，壓力對自 由能的影響小。在回收期間熱前緣的形成由于以下事實發(fā)生加熱率的斜度由于蒸發(fā)發(fā)生在恒定 溫度的事實而變成水平或中斷。在一個實施例中，我們降低壓力以適應這種情況。如圖5所 示，通過將壓力降至600psi (或甚至400psi)，該平直區(qū)域Z的溫度顯著降低至進入儲存裝置的新鮮蒸汽的沸點以下?？商娲兀嗾羝还┙o至儲存裝置，其熱量隨著熱水接近沸 點而被回收。為了更高效率，可將熱水供給至收集器或鍋爐以增加熱并維持系統(tǒng)效率。這 兩種方法可以在需要時結合和優(yōu)化。在大多數(shù)情況下，優(yōu)選第一種方法。允許我們降低壓 力的是在恒定的過熱，壓力對自由能的影響小。此外，在優(yōu)選實施例中，為了防止通過顆粒物的傳熱以便能夠在床中緩慢加熱至 很高的溫度，我們優(yōu)選在卵石床內(nèi)部間隔地設置絕熱多孔板，孔足夠小以保持填充材料，或 可替代地，我們可使用尺寸與儲存顆粒物相同的絕熱顆粒物的薄層。對蒸汽可被儲存的溫度和壓力沒有進行物理限制。問題在于成本。隨著壓力 上升至1800psi，容器的成本開始急劇上升。在我們的優(yōu)選設計中，只要壓力低于比方說 1200psi，壓力對成本的影響就很小，或甚至在1500psi影響仍然小。如果需要，并且論證了 更高的成本是合理的，則可將儲存容器設計成用于更高的壓力。同樣的情況應用于溫度。儲存方法本身并沒有溫度限制，但在1100或1150 T以 上，容器和管道應當由可在高達1500 用的不銹鋼制成，盡管在實踐中很少存在需要在 高于1400下的溫度儲存蒸汽的應用。但是，通過使用陶瓷涂層使容器與內(nèi)部絕熱并且然后 未進行與外部絕熱，可在更高的溫度使用標準鋼質容器。在本發(fā)明的優(yōu)選實踐中，熱沿著比較明顯的前緣傳播以最大化傳熱，其中，通過在 熱前緣到達出口之前停止或倒轉循環(huán)，熱出口總是保持熱并且冷出口保持冷。非常優(yōu)選的 是儲存容器的熱端總是保持在待儲存的蒸汽或蒸氣的最高溫度。因此，雖然熱端的溫度可 變，但優(yōu)選儲存容器的熱端保持在基本上恒定的溫度。冷端僅需處于低于用于充填的蒸汽 或蒸氣的沸點的溫度。因此，冷端的溫度可變而不用優(yōu)選保持在基本上恒定的溫度?？梢岳斫獾氖潜景l(fā)明在熱和交換的循環(huán)過程中利用了回熱式熱交換器的原理， 這種回熱式熱交換器過去已用來通過使熱廢氣與被供給至燃燒器的新鮮空氣進行熱交換 而提高發(fā)電機組的熱效率。最近在循環(huán)催化反應器的開發(fā)中已使用相同的原理。通常，對 于回熱式熱交換器和循環(huán)催化反應器而言，循環(huán)交替并且持續(xù)時間相等，而氣體速度在兩 個方向上也相等。本發(fā)明包括這種認識可對這些循環(huán)熱交換器進行修改以提供增加的發(fā)電值，其 中儲存介質的充填在熱儲存之后被中斷，儲存介質儲存熱直到其需要為止。根據(jù)儲存系統(tǒng) 的容量，這可以用于任何實際的時間段。本領域技術人員可以理解，為了生成明顯的前緣，在垂直于通過介質的流動方向 的截面上使供給均勻。在優(yōu)選的實施例中，我們使用具有壓降的流分配器并且我們要求儲 存裝置的傳熱阻力足夠低并且卵石的熱傳導率足夠高而它們的尺寸足夠小，因此達到氣流 的溫度所需的時間與氣體停留時間相比可以接受地較短或甚至很短，并且顆粒物的溫度因 此實際上甚至瞬時跟隨周圍流體的溫度。在優(yōu)選實施例中，儲存介質適用于寬溫度范圍，優(yōu)選從環(huán)境溫度至特定發(fā)電技術 所需的最高溫度以上。該溫度對于高效蒸汽發(fā)電機組而言為約1350下，而對于燃氣渦輪而 言為2200-2500下?？蓪崿F(xiàn)的最高溫度還決定了儲存成本。事實上，雖然高溫可能要求更 昂貴的材料，但所需的儲存量以及因此系統(tǒng)的成本與發(fā)電循環(huán)的頂部溫度和底部溫度之差 成反比，正如發(fā)電機組中那樣。在優(yōu)選實施例中，儲存介質具有高熱容量以最小化儲存量，并且優(yōu)選使用可獲得的、眾所周知的材料，該材料可大批量生產(chǎn)以降低成本。在優(yōu)選實施例中，儲熱介質使用小 氧化鋁球丸。利用水/蒸汽作為傳熱流體具有高傳熱系數(shù)的優(yōu)點。迄今為止還沒有對過熱蒸汽 的實用儲存。但在本發(fā)明中，甚至可使用過熱蒸汽，優(yōu)選如上所述從頂部向下填充儲存容 器。以后，可通過在底部供給冷水、以對流方式再生、并作為實際上處于與最初儲存相同的 溫度和壓力的過熱蒸汽從頂部離開，來回收熱。圖5示出了壓力為600psi時氏0系統(tǒng)中的熱前緣傳播。通過將壓力降至 600psi (或甚至400psi)，該平直區(qū)域Z的溫度顯著降至進入儲存裝置的新鮮蒸汽的沸點以 下。可替代地，當箍縮區(qū)域小時，我們可僅對儲存裝置供給更多蒸汽作為接近沸點的熱水， 蒸汽的熱將被回收。熱水可被供給至收集器或鍋爐，增加了它們的流量使得不會損失熱，因 為使用相同的熱輸入產(chǎn)生了更多蒸汽。這兩種方法可以在需要時結合并優(yōu)化。在大多數(shù)情 況下，優(yōu)選第一種方法。允許我們降低壓力的是在恒定的過熱，壓力對自由能的影響小。對蒸汽可被儲存時的溫度和壓力沒有物理限制。問題在于成本。隨著壓力上升 至ISOOpsi以上，容器的成本開始急劇上升。在我們的優(yōu)選設計中，只要壓力低于比方說 1200psi或甚至1500psi——其中效果仍然小，壓力對成本的影響就很小。如果需要，并且 論證了更高的成本是合理的，則可將儲存容器設計成用于更高的壓力。同樣的情況應用于溫度。儲存方法本身并沒有溫度限制，但在1100或1150 T以 上，容器和管道應當由可在高達1500 用的不銹鋼制成，盡管在實踐中很少存在需要在 高于1400下的溫度儲存蒸汽的應用。但是，通過使用陶瓷涂層使它們與內(nèi)部絕熱并且然后 并不希望與外部絕熱，可在較高的溫度使用標準鋼質容器。每個容器的長度和所需容器的數(shù)量取決于具體設計。實際設計取決于負荷模式和 物理約束，并且優(yōu)選通過確保在所有條件下熱前緣都保持足夠明顯以保證加熱的蒸汽離開 儲存容器時的頂部溫度始終保持在期望值而引導設計。蒸汽儲存發(fā)明的一些示例性應用聚光太陽能發(fā)電機組(CSP)大部分目前正在運行的CSP機組，以及正在開發(fā)的CSP機組，使用在鍋爐中產(chǎn)生的 蒸汽作為工作流體，同時如果存在，它們在收集器和儲存裝置中使用另一種傳熱流體。但 是，存在使用蒸汽作為傳熱流體操作的CSP機組。我們相信，沸騰水/蒸汽系統(tǒng)可提供最好 的傳熱功能。一個已知示例是利用在容器內(nèi)儲存加壓的沸水并通過降低壓力產(chǎn)生蒸汽的短期 儲存方法在600下操作的太陽能塔。這種做法的效率不高。但在本發(fā)明的實踐中可容易地 修改這種塔以使用比方說1200 °F的溫度產(chǎn)生蒸汽，并且過熱蒸汽在熱效率方面大大優(yōu)于 飽和蒸汽?？衫镁哂性?050 更高溫度產(chǎn)生過熱蒸汽的直接蒸汽發(fā)生的槽式收集器。 但這些收集器目前缺乏儲存裝置。在本發(fā)明的實踐中，我們提供效率很高的儲存裝置，以在 相同的壓力和過熱，或在一些情況下在相同的過熱但較低的壓力，收回精確相同的蒸汽。這 增加了儲存裝置的ΔT并因此減小了儲存容器的尺寸和它們的成本。蒸汽大大優(yōu)于目前分別被用作傳熱流體和儲存介質的導熱姆換熱劑(Dowtherm) 和熔鹽，因為它沒有溫度限制。它也不需要熱交換器或鍋爐。同樣，H2O系統(tǒng)可被最經(jīng)濟地既用作工作流體又用作傳熱流體。本發(fā)明的蒸汽系統(tǒng)無需鍋爐，因此不存在熱交換器引起的溫度損失。設計簡單并 且不需要壓縮機；管線或收集器內(nèi)的壓降具有很小的影響，因為在恒定的過熱和沒有再熱 的情況下，效率僅為壓力的弱函數(shù)。具有直接蒸汽的太陽能發(fā)電機組對于多種用途是有利的。在具有直接蒸汽的情況 下，無需重新壓縮任何氣體或長距離泵送傳熱流體，這兩者均需要派生的動力消耗。在不進 行再熱的直接蒸汽使用中，仍然實現(xiàn)了較高的溫度而無需傳熱。較高的溫度加上不存在派 生損耗，補償了效率與增加的再熱的差別的相當大一部分。直接蒸汽的一個優(yōu)選應用是用于小型CSP機組，比方說低于100MW，并且特別是用 于規(guī)格低至或許50kW的更小型的分配式CSP機組。這些對于偏遠地區(qū)是有用的。發(fā)電機組具有顯著的尺寸因素。具有一定效率和污染控制的IOMW常規(guī)燃煤發(fā)電 機組比用于相同條件的200麗機組每kWh貴大約三倍多。尺寸對成本的影響對于具有直接蒸汽儲存裝置的CSP機組而言小得多。用于我們 的方法的CSP收集器和儲存容器是優(yōu)選大批量生產(chǎn)并且尺寸定制成容易運輸?shù)哪K組件。 在示例性系統(tǒng)中，我們需要的無非是連結在一起的足夠的收集器、儲存容器、泵和渦輪，并 且尺寸影響僅與占CSP的總成本一小部分的渦輪和泵相關。這種情況下，具有直接蒸汽儲 存裝置的CSP的簡單性使其對于小型機組而言大大優(yōu)于煤或其它類型的CSP或太陽能。太陽能直接蒸汽儲存具有決定性優(yōu)點的第二種應用是用于為用于大型化工廠和 精煉廠的蒸汽和電力聯(lián)產(chǎn)或為用于在具有充足陽光的地區(qū)進行重油回收或類似用途的大 規(guī)模蒸汽發(fā)生而設計的CSP機組。在所有這些應用中，必須進行24小時運行并且本發(fā)明的 儲存方法可比任何其它CSP設計更便宜地提供這一點。對于所有這些應用而言，過熱蒸汽是優(yōu)選的，其由于低溫飽和蒸汽的儲存根據(jù)本 發(fā)明是可行的而重要，但將更加昂貴。應當針對應用選擇蒸汽的壓力，但對于儲存而言，建 議將壓力保持在1500psi以下，因為高壓力使儲存成本過高。對于具有直接蒸汽發(fā)生的小 型CSP機組而言，這種高壓力無論如何都不合適這種情況下IOOOpsi就足夠了。另一方 面，至少在1000 °F以上的過熱既提供了效率又提供了低儲存成本。圖6示出了用于小規(guī)模聚光太陽能發(fā)電機組50的又一實施例。太陽能收集器52 被提供有來自水罐56的水并在收集器內(nèi)產(chǎn)生過熱蒸汽58，該過熱蒸汽經(jīng)由控制器62被供 給至蒸汽渦輪60以在輸出部64產(chǎn)生電力。當以低于峰值功率運行時，額外或多余的過熱 蒸汽58在控制部62被轉移到儲熱裝置66內(nèi)，該儲熱裝置如前文所述儲存來自轉移的蒸汽 的熱。冷凝水55經(jīng)由控制器62返回到罐56。當需要取回熱時，將來自罐56的冷水68優(yōu) 選從下方以對流方式被引導到儲熱罐66內(nèi)。水被轉換成過熱蒸汽70并從儲存裝置66的 頂部取回且被用來驅動渦輪60以在輸出部64產(chǎn)生電力。圖6的實施例滿足特別的需要向陽光充足但未與電網(wǎng)連接并且可短期供應燃料 和水的偏遠地區(qū)供應電力。這種情形在許多不發(fā)達國家和建立與電網(wǎng)的連接太昂貴的地方 存在。為了供應小型村莊或城市，這種機組的尺寸應當介于或許50KW至20MW之間。這些 小型機組每千瓦本來就比大型機組更昂貴，但它們在不存在電網(wǎng)或礦物燃料的情況下具有 一定競爭力，比使用蓄電池的PV便宜得多，并且在無法獲得用來建造更大型機組的資源的 地方是必需的。
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優(yōu)選地，這種小型CSP機組應當具有低維護需求并且在不需要專門的全職操作人 員或許多技術人員的情況下運行。另外，希望較大的儲存容量，優(yōu)選超過一天。水冷卻應當 是不需要的。根據(jù)本發(fā)明的設計滿足所有這些要求。優(yōu)選實施例的特征是拋物線形槽式收集器或其它成套的收集器，其中熱交換流體 是基于H2O的(例如，水被供給至收集器并被加熱成過熱蒸汽)。這些收集器可從若干公司 (例如，Schott公司)以能夠進行大批量生產(chǎn)的設計獲得。過熱蒸汽可被直接供給至設計 為具有空氣冷卻的背壓渦輪的蒸汽渦輪；冷凝水被再循環(huán)至儲存罐且然后被再循環(huán)至收集器。如果當?shù)貤l件容許，則該CSP機組可在渦輪60為背壓渦輪的情況下具備第二功 能。離開背壓渦輪60的蒸汽74可用于對當?shù)氐乃催M行凈化或脫鹽。如圖6所示，蒸汽 124被作用至脫鹽鍋爐126，其中輸入的H2O被處理并作為可飲用水H2Cf輸出。應當理解的是根據(jù)本發(fā)明，提供了一種儲存系統(tǒng)，其可儲存過熱蒸汽的熱并且在 需要時可產(chǎn)生具有相同過熱的蒸汽。該系統(tǒng)簡單。未設置壓縮機或鍋爐并且僅設置少數(shù)幾 個泵。整個系統(tǒng)可設計和制造成用于通過卡車運輸以便容易在現(xiàn)場組裝。另外，其可設計 成完全自動控制。其成本也較低。在此實施例中，具有位置遠離電網(wǎng)的小型當?shù)卮迓涞牟话l(fā)達國家可獲得可靠的能 源，因此此系統(tǒng)比基于與電池結合的太陽能電池的系統(tǒng)便宜得多。小型CSP機組可用來產(chǎn) 生用于通信、致冷和照明的電力，而且用于凈化當?shù)厮础⒐喔群娃r(nóng)業(yè)，并用于為小規(guī)模工 業(yè)提供電力。在發(fā)展中國家，小型機組也可用于分配式能量。雖然它們與大型發(fā)電機組相 比效率更低且成本更高，但它們對于偏遠地區(qū)而言仍然比任何其它形式的可替代能量更便 宜。此外，可以理解的是雖然文中論述了特定實施例，但蒸汽的直接使用并不局限于小型 機組并且可用于各種受益的應用中。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組本發(fā)明不僅涵蓋了獨特的儲存方法，而且涵蓋了其應用。具有許多實施方案的一 個應用是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組(CCPP)中的蒸汽儲存。聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組具有高溫燃氣渦輪，該燃氣渦輪的熱排氣用來為附屬的蒸汽 發(fā)電機組提供熱，對于氣態(tài)燃料而言聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組是最有效的發(fā)電機組(效率高達 60%)，高于任何基于礦物燃料的發(fā)電機組。它們可通過天然氣、柴油、甲醇和其它更輕的清 潔燃料來供應燃料，并且還用于從煤提供清潔電力的IGCC發(fā)電機組中。燃氣CCPP目前供 應美國在用電力的20%。但是，所有CCPP均具有這樣一個缺點它們不能快速進行負荷跟蹤。要實現(xiàn)高效 率，燃氣渦輪必須在最大負荷運行，并且當負荷低于80%時它們變得效率很低。但是，它們 可在比燃煤發(fā)電機組短得多的時間內(nèi)停機和再次起動，后者具有很高的調節(jié)比(8 1)但 是起動要花費至少半天。CCPP目前廣泛應用。CCPP的蒸汽發(fā)電機組部分供應CCPP機組總電力的36_45 %， 并且本身具有高調節(jié)比。但是，由于蒸汽機組必須接收來自燃氣渦輪的所有熱氣體，不能夠 利用這種控制能力。但是本發(fā)明對儲存蒸汽的創(chuàng)新完全改變了這一點。根據(jù)本發(fā)明，可通過將任何不需要的蒸汽轉移至儲熱單元而單獨控制蒸汽機組。 燃氣渦輪總是在最佳容量運行并且所有輸出的控制都通過控制被供給至蒸汽輪機的蒸汽的量來完成，將其余蒸汽轉移至儲存裝置。為了利用所儲存的蒸汽，除儲存裝置以外，還提 供另外的蒸汽渦輪，其尺寸可基于所設計的負荷跟蹤能力而選擇。因此，其可大于原來的機 組中的蒸汽渦輪，以在設計的時間段提供更大的峰值功率或負荷跟蹤能力。因此，提供了具 有40%調節(jié)能力的快速負荷跟蹤能力，以及以甚至大比率短時間增加功率的能力。這完全 改變了聯(lián)合循環(huán)機組進行負荷跟蹤的能力。常規(guī)的蒸汽發(fā)電機組美國電力的50%且在世界范圍內(nèi)大部分電力仍然由常規(guī)的蒸汽發(fā)電機組供應，主 要部分由煤供給，但一些發(fā)電機組燃燒重油、石油、焦炭和天然氣。污染控制已增加了它們 的成本。向電網(wǎng)增加綠色能源增加了對我們的發(fā)電機組中更可行的控制功能的需要，而本 發(fā)明可提供這一點。由于它們的快速響應和高調節(jié)比，標準蒸汽發(fā)電機組可僅通過具有充足的過載容 量而處理任何負荷問題和高負荷變化，這正是過去所進行的事業(yè)。但是，大過載容量昂貴并 且目前短缺。目前，過載容量局限于低電力需求的時段，比如夜間和周末。但是，控制絕大 部分是在高需求時段需要。同時，蒸汽的儲存可降低電網(wǎng)控制所需的過載容量并提供顯著 更便宜的替代方案。在此情況下，鍋爐始終全負荷運行并且過剩的蒸汽從鍋爐給水轉移至儲存容器。 但是，在大部分大型常規(guī)發(fā)電機組中，過熱蒸汽在2500psi或甚至超過3200psi (超臨界條 件)的高壓產(chǎn)生，并且用于高于1500psi的壓力的儲存容器是昂貴的。此問題有幾種解決方案。在一個實施例中，可在再熱器之后提取所有蒸汽進行儲 存，其中蒸汽具有適當更低的壓力。即使在需求低的時段，高壓渦輪仍將在需要電力時發(fā) 電。在第二實施例中，蒸汽可絕熱地膨脹。為所儲存的蒸汽使用再熱渦輪是不切實際的，因 為蒸汽僅在負荷超過最大容量(鍋爐被完全利用的點)時需要；相反，儲存單元起到使得在 需要時可獲得蒸汽的“鍋爐”的作用。用于所儲存的蒸汽的特別渦輪可根據(jù)系統(tǒng)需要定制尺 寸，并且如果僅在短時間使用額外負荷，則導致總輸出暫時比發(fā)電機組的設計容量大得多。 該方法是一種用來處理峰值負荷和負荷波動的非常成本有效的工具，允許比建造新的燃煤 發(fā)電機組便宜得多地增加短時間額外容量，并且比僅將新發(fā)電機組的裝機容量增加至大于 穩(wěn)定運行所需的容量更便宜。地熱機組地熱機組可容易地進行負荷跟蹤，但是，由于地熱電力的主要成本是特定容量的 投資成本，因此重新定向(即，降低)容量以控制負荷跟蹤導致很大的經(jīng)濟損失。本發(fā)明的 儲存裝置克服了這種與其它發(fā)電機組有關的地熱問題。本發(fā)明的用于儲存蒸汽熱的系統(tǒng)允 許在電力需求低的時段并因此以低電價儲存蒸汽。當在電力成本較高時(即，在需求高時) 從儲存裝置回收電力時，節(jié)省了大筆開支。這是因為本發(fā)明的儲存裝置每kWh的儲存成本 比高需求與低需求之間的價差低得多。現(xiàn)在可以理解的是根據(jù)本發(fā)明，蒸汽熱能能夠以很高的效率儲存并以節(jié)省成本 的方式取回和使用。過熱蒸汽本身不能以合理的成本有效地儲存，但本發(fā)明提供了與通過 在高溫儲存過熱蒸汽并取回過熱蒸汽而儲存蒸汽一樣好的解決方案。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術發(fā)電機組和發(fā)電行業(yè)所面臨的多個問題。本發(fā)明能實現(xiàn)太 陽能的儲存并且能實現(xiàn)在不可利用太陽能的時段發(fā)電。常規(guī)的發(fā)電機組可配有儲熱能力，以在需要負荷跟蹤和電網(wǎng)波動的控制時在非峰值時段儲存熱量并且在峰值時段或任何時 段將其用于額外的容量。在具備這種儲存能力的情況下，這些發(fā)電機組為電網(wǎng)提供了改進 的控制功能。同樣，通過增設輔助渦輪，可使發(fā)電機組的峰值負荷容量超過其正常容量并且 減少對用于峰值需求的附加發(fā)電機組的需要。 可以理解的是可在所附權利要求的范圍內(nèi)實施特定的變化和改型。因此，應當認 識到根據(jù)本發(fā)明，其它系統(tǒng)、功能、方法及其結合是可能的。此外，雖然參照本發(fā)明的具體 實施例和附圖描述了本發(fā)明，但實施例和附圖只是示例性的，并且不對本發(fā)明的范圍構成 限制。
權利要求
一種具有用于利用處于溫度Ta或溫度Ta左右的傳熱流體提供所儲存的熱的儲熱系統(tǒng)的發(fā)電機組，所述系統(tǒng)包括a.具有沿縱向軸線延伸的延長縱向區(qū)段的陶瓷儲熱介質，所述介質由顆粒物形成，所述顆粒物相互配合并在所述顆粒物之間限定出空隙以有利于傳熱流體流在所述縱向上的流動，所述空隙相互結合以限定出沿所述縱向軸線穿過所述介質的縱向流路，b.所述顆粒物和空隙能使所述流體橫向經(jīng)過所述介質沿垂直于所述軸線的平面流動，所述顆粒物構造成限制顆粒物與顆粒物間的傳熱，所述顆粒物構造成促進所述平面中熱與所述流體的直接傳遞并且對熱與所述流體的直接傳遞具有吸引力并因此沿所述平面限定出熱前緣，其中所述介質和流體配合以沿著所述平面在所述流體與所述介質之間傳熱，從而形成垂直于所述軸線且沿著所述平面的所述熱前緣，c.所述顆粒物同時通過彼此接觸而阻止傳熱并且通過與所述流體直接接觸而對快速傳熱具有吸引力，以及d.所述流路具有用于供過熱工作流體通過的端口，所述流路在所述端口具有用于在所述流動停止之后儲存處于溫度Ta的所述過熱工作流體的熱的區(qū)域。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括流控制器，所述控制器控制所述流體的流率，其 中所述流率被選擇成確保所述顆粒物和所述流體在所述平面內(nèi)時沿著所述平面達到所述 溫度Ta，所述流路具有用于供處于溫度Ta的所述加熱的流體通過的端口，所述流體的蒸氣 相被用作所述系統(tǒng)中的工作流體。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，還包括用于容納所述介質且具有傳熱流體冷卻端口和 傳熱流體過熱端口的容器，所述流路具有過熱區(qū)域和沸騰區(qū)域，在所述冷卻端口的區(qū)域內(nèi)， 所述流路將作為低于所述沸騰溫度的液體的所述流體運送至所述沸騰區(qū)域，所述流路在所 述過熱端口的區(qū)域內(nèi)儲存作為處于溫度Ta的過熱蒸氣的所述流體的熱，并且所述流路在 所述沸騰區(qū)域內(nèi)儲存作為沸騰液體的所述流體的熱。
4.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，所述顆粒物還包括儲熱材料和絕熱材料，在所述流路 中還包括所述絕熱材料的有規(guī)則的多孔絕熱層，以防止在所述前緣溫度梯度由于穿過所述 顆粒物的熱傳導而降低。
5.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述絕熱層是具有通道的板，所述板由絕熱材料 制成。
6.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述絕熱層是一層尺寸類似于導熱材料的絕熱 顆粒物。
7.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，所述流路具有如下能力儲存在聚光太陽能發(fā)電機組 中產(chǎn)生的蒸汽的熱，通過將水供給至儲存容器而再生該蒸汽，以便在需要時傳送所述再生 的蒸汽。
8.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，所述流路具有如下能力每當不需要蒸汽來發(fā)電時儲 存在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的蒸汽鍋爐中產(chǎn)生的蒸汽的熱，此后每當需要時在單獨的渦輪中使 用所儲存的蒸汽，從而向聯(lián)合循環(huán)機組提供負荷跟蹤能力和儲存。
9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述附加的蒸汽渦輪大于機組本身的蒸汽渦輪 并提供更大的短期負荷跟蹤能力以用來穩(wěn)定電網(wǎng)。
10.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述機組是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組以向其提供更好的負荷跟蹤能力。
11.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述機組是燃煤蒸汽發(fā)電機組。
12.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述流路具有儲存蒸汽的熱的能力，其中在再 熱器之后從蒸汽發(fā)電機組的高壓渦輪的出口提取用于儲存的蒸汽以降低壓力。
13.—種在發(fā)電機組中用于使用處于溫度Ta或溫度Ta左右的傳熱流體提供所儲存的 熱的儲熱方法，所述方法包括以下步驟e.設置具有沿縱向軸線延伸的延長縱向區(qū)段的陶瓷儲熱介質，所述介質由顆粒物形 成，所述顆粒物相互配合并在所述顆粒物之間限定出空隙以有利于傳熱流體流在所述縱向 上的流動，所述空隙相互結合以限定出沿所述縱向軸線穿過所述介質的縱向流路，f.將所述顆粒物和空隙設置成能使所述流體橫向經(jīng)過所述介質沿垂直于所述軸線的 平面流動，所述顆粒物構造成限制顆粒物與顆粒物間的傳熱，所述顆粒物構造成促進所述 平面中熱與所述流體的直接傳遞并且對熱與所述流體的直接傳遞具有吸引力并因此沿著 所述平面限定出熱前緣，其中所述介質和流體配合以沿所述平面在所述流體與所述介質之 間傳熱，從而形成垂直于所述軸線且沿著所述平面的所述熱前緣，g.將所述顆粒物設置成同時通過彼此接觸而阻止傳熱并且通過與所述流體直接接觸 而對快速傳熱具有吸引力，以及h.將所述流路設置成具有用于供過熱工作流體通過的端口，所述流路在所述端口具有 用于在所述流動停止之后儲存處于溫度Ta的所述過熱工作流體的熱的區(qū)域。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，還設置流控制器，所述控制器控制所述流體的流率， 其中所述流率被選擇成確保所述顆粒物和所述流體在所述平面內(nèi)時沿著所述平面達到所 述溫度Ta，所述流路具有用于供處于溫度Ta的所述加熱的流體通過的端口，所述流體的蒸 氣相被用作所述系統(tǒng)中的工作流體。
15.根據(jù)權利要求13所述的方法，還設置用于容納所述介質且具有傳熱流體冷卻端口 和傳熱流體過熱端口的容器，所述流路具有過熱區(qū)域和沸騰區(qū)域，在所述冷卻端口的區(qū)域 內(nèi)，所述流路將作為低于所述沸騰溫度的液體的所述流體運送至所述沸騰區(qū)域，所述流路 在所述過熱端口的區(qū)域內(nèi)儲存作為處于溫度Ta的過熱蒸氣的所述流體的熱，并且所述流 路在所述沸騰區(qū)域內(nèi)儲存作為沸騰液體的所述流體的熱。
16.根據(jù)權利要求13所述的方法，還將所述顆粒物設置成包括儲熱材料和絕熱材料， 在所述流路中包括所述絕熱材料的有規(guī)則的多孔絕熱層，以防止在所述前緣溫度梯度由于 穿過所述顆粒物的熱傳導而降低。
17.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，所述絕熱層是具有通道的板，所述板由絕熱材 料制成。
18.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，所述絕熱層是一層尺寸類似于導熱材料的絕 熱顆粒物。
19.根據(jù)權利要求13所述的方法，還將所述流路設置成具有如下能力儲存在聚光太 陽能發(fā)電機組中產(chǎn)生的蒸汽的熱，通過將水供給至儲存容器而再生該蒸汽，以便在需要時 傳送所述再生的蒸汽。
20.根據(jù)權利要求13所述的方法，還將所述流路設置成具有如下能力每當不需要蒸 汽來發(fā)電時儲存在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的蒸汽鍋爐中產(chǎn)生的蒸汽的熱，此后每當需要時在單獨的渦輪中使用所儲存的蒸汽，從而向聯(lián)合循環(huán)機組提供負荷跟蹤能力和儲存。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其中，所述附加的蒸汽渦輪大于機組本身的蒸汽渦 輪并提供更大的短期負荷跟蹤能力以用來穩(wěn)定電網(wǎng)。
22.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述機組是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組以 向其提供更好的負荷跟蹤能力。
23.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述機組是燃煤蒸汽發(fā)電機組。
24.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述流路具有儲存蒸汽的熱的能力，其中在再 熱器之后從蒸汽發(fā)電機組的高壓渦輪的出口提取用于儲存的蒸汽以降低壓力。
25.一種用于提供處于溫度Ta或溫度Ta左右的傳熱流體X的儲存的熱的儲熱系統(tǒng)，所 述系統(tǒng)包括a)具有傳熱流體冷卻輸入部和傳熱流體過熱輸出部的容器，所述容器具有與所述輸入 部和輸出部連通的縱向區(qū)段，b)所述縱向區(qū)段中的陶瓷儲熱介質，所述介質具有主縱向軸線和次軸線，所述介質由 顆粒物形成并在所述顆粒物之間限定出空隙以有利于流體流動和熱傳遞，所述空隙相互配 合以在所述縱向區(qū)段中限定出沿所述主軸線延伸的主縱向流路，c)所述流路向所述沸騰區(qū)域供應低于沸騰溫度的流體流以便沸騰，所述流路向所述過 熱區(qū)域供應所述沸騰流以將所述流加熱至過熱，以及d)流控制器，所述控制器設定所述流體流的流率，所述流率使得能夠通過所述沸騰區(qū) 域中的所述沸騰的顆粒物和所述過熱區(qū)域中的所述過熱的顆粒物的一系列薄片實現(xiàn)加熱， 每個所述顆粒物薄片由所述顆粒物的在垂直于所述主軸線的所述次軸線中的橫截面限定， 所述薄片被加熱并加熱一部分量的所述流，所述部分量在所述沸騰區(qū)域中沸騰并在所述過 熱區(qū)域中被過熱至溫度Ta或溫度Ta左右，然后處于溫度Ta或溫度Ta左右的所述傳熱流 體X在所述傳熱流體過熱輸出部被輸出。
全文摘要
用于在要求大的儲能源來滿足工作負荷的工業(yè)系統(tǒng)中儲存熱的方法和設備，通過使用熱工作流體作為蒸氣形式的傳熱流體并且將其熱焓沉積在儲熱介質上然后除去該傳熱流體的冷卻和冷凝的液相，來儲存熱工作流體的熱焓，并且當再次需要熱工作流體時，使液態(tài)傳熱流體返回被加熱的儲存介質并且在其經(jīng)過熱的儲存介質時被再熱，然后返回工作系統(tǒng)以便被用作熱工作流體。
文檔編號F01P11/02GK101952564SQ200880127052
公開日2011年1月19日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權日2007年12月21日
發(fā)明者R·希納爾 申請人:紐約市立大學研究基金會