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用于储存热能的设备和方法

阅读：136发布：2020-06-13

专利汇可以提供用于储存热能的设备和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于在要求大的储能源来满足工作负荷的工业系统中储存热的方法和设备，通过使用热工作流体作为蒸气形式的传热流体并且将其热焓沉积在储热介质上然后除去该传热流体的冷却和冷凝的液相，来储存热工作流体的热焓，并且当再次需要热工作流体时，使液态传热流体返回被加热的储存介质并且在其经过热的储存介质时被再热，然后返回工作系统以便被用作热工作流体。，下面是用于储存热能的设备和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有用于利用处于温度Ta或温度Ta左右的传热流体提供所储存的热的储热系统的发电机组，所述系统包括：
a.具有沿纵向轴线延伸的延长纵向区段的陶瓷储热介质，所述介质由颗粒物形成，所述颗粒物相互配合并在所述颗粒物之间限定出空隙以有利于传热流体流在所述纵向上的流动，所述空隙相互结合以限定出沿所述纵向轴线穿过所述介质的纵向流路，b.所述颗粒物和空隙能使所述流体横向经过所述介质沿垂直于所述轴线的平面流动，所述颗粒物构造成限制颗粒物与颗粒物间的传热，所述颗粒物构造成促进所述平面中热与所述流体的直接传递并且对热与所述流体的直接传递具有吸引力并因此沿所述平面限定出热前缘，其中所述介质和流体配合以沿着所述平面在所述流体与所述介质之间传热，从而形成垂直于所述轴线且沿着所述平面的所述热前缘，
c.所述颗粒物同时通过彼此接触而阻止传热并且通过与所述流体直接接触而对快速传热具有吸引力，以及
d.所述流路具有用于供过热工作流体通过的端口，所述流路在所述端口具有用于在所述流动停止之后储存处于温度Ta的所述过热工作流体的热的区域。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括流控制器，所述控制器控制所述流体的流率，其中所述流率被选择成确保所述颗粒物和所述流体在所述平面内时沿着所述平面达到所述温度Ta，所述流路具有用于供处于温度Ta的所述加热的流体通过的端口，所述流体的蒸气相被用作所述系统中的工作流体。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括用于容纳所述介质且具有传热流体冷却端口和传热流体过热端口的容器，所述流路具有过热区域和沸腾区域，在所述冷却端口的区域内，所述流路将作为低于所述沸腾温度的液体的所述流体运送至所述沸腾区域，所述流路在所述过热端口的区域内储存作为处于温度Ta的过热蒸气的所述流体的热，并且所述流路在所述沸腾区域内储存作为沸腾液体的所述流体的热。
4.根据权利要求3所述的系统，所述颗粒物还包括储热材料和绝热材料，在所述流路中还包括所述绝热材料的有规则的多孔绝热层，以防止在所述前缘温度梯度由于穿过所述颗粒物的热传导而降低。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述绝热层是具有通道的板，所述板由绝热材料制成。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述绝热层是一层尺寸类似于导热材料的绝热颗粒物。
7.根据权利要求1所述的系统，所述流路具有如下能力：储存在聚光太阳能发电机组中产生的蒸汽的热，通过将水供给至储存容器而再生该蒸汽，以便在需要时传送所述再生的蒸汽。
8.根据权利要求1所述的系统，所述流路具有如下能力：每当不需要蒸汽来发电时储存在联合循环发电机组的蒸汽锅炉中产生的蒸汽的热，此后每当需要时在单独的涡轮中使用所储存的蒸汽，从而向联合循环机组提供负荷跟踪能力和储存。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述附加的蒸汽涡轮大于机组本身的蒸汽涡轮并提供更大的短期负荷跟踪能力以用来稳定电网。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述机组是整体煤气化联合循环发电机组以向其提供更好的负荷跟踪能力。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述机组是燃煤蒸汽发电机组。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流路具有储存蒸汽的热的能力，其中在再热器之后从蒸汽发电机组的高压涡轮的出口提取用于储存的蒸汽以降低压力。
13.一种在发电机组中用于使用处于温度Ta或温度Ta左右的传热流体提供所储存的热的储热方法，所述方法包括以下步骤：
e.设置具有沿纵向轴线延伸的延长纵向区段的陶瓷储热介质，所述介质由颗粒物形成，所述颗粒物相互配合并在所述颗粒物之间限定出空隙以有利于传热流体流在所述纵向上的流动，所述空隙相互结合以限定出沿所述纵向轴线穿过所述介质的纵向流路，f.将所述颗粒物和空隙设置成能使所述流体横向经过所述介质沿垂直于所述轴线的平面流动，所述颗粒物构造成限制颗粒物与颗粒物间的传热，所述颗粒物构造成促进所述平面中热与所述流体的直接传递并且对热与所述流体的直接传递具有吸引力并因此沿着所述平面限定出热前缘，其中所述介质和流体配合以沿所述平面在所述流体与所述介质之间传热，从而形成垂直于所述轴线且沿着所述平面的所述热前缘，
g.将所述颗粒物设置成同时通过彼此接触而阻止传热并且通过与所述流体直接接触而对快速传热具有吸引力，以及
h.将所述流路设置成具有用于供过热工作流体通过的端口，所述流路在所述端口具有用于在所述流动停止之后储存处于温度Ta的所述过热工作流体的热的区域。
14.根据权利要求13所述的方法，还设置流控制器，所述控制器控制所述流体的流率，其中所述流率被选择成确保所述颗粒物和所述流体在所述平面内时沿着所述平面达到所述温度Ta，所述流路具有用于供处于温度Ta的所述加热的流体通过的端口，所述流体的蒸气相被用作所述系统中的工作流体。
15.根据权利要求13所述的方法，还设置用于容纳所述介质且具有传热流体冷却端口和传热流体过热端口的容器，所述流路具有过热区域和沸腾区域，在所述冷却端口的区域内，所述流路将作为低于所述沸腾温度的液体的所述流体运送至所述沸腾区域，所述流路在所述过热端口的区域内储存作为处于温度Ta的过热蒸气的所述流体的热，并且所述流路在所述沸腾区域内储存作为沸腾液体的所述流体的热。
16.根据权利要求13所述的方法，还将所述颗粒物设置成包括储热材料和绝热材料，在所述流路中包括所述绝热材料的有规则的多孔绝热层，以防止在所述前缘温度梯度由于穿过所述颗粒物的热传导而降低。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述绝热层是具有通道的板，所述板由绝热材料制成。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述绝热层是一层尺寸类似于导热材料的绝热颗粒物。
19.根据权利要求13所述的方法，还将所述流路设置成具有如下能力：储存在聚光太阳能发电机组中产生的蒸汽的热，通过将水供给至储存容器而再生该蒸汽，以便在需要时传送所述再生的蒸汽。
20.根据权利要求13所述的方法，还将所述流路设置成具有如下能力：每当不需要蒸汽来发电时储存在联合循环发电机组的蒸汽锅炉中产生的蒸汽的热，此后每当需要时在单独的涡轮中使用所储存的蒸汽，从而向联合循环机组提供负荷跟踪能力和储存。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述附加的蒸汽涡轮大于机组本身的蒸汽涡轮并提供更大的短期负荷跟踪能力以用来稳定电网。
22.根据权利要求13所述的方法，其中，所述机组是整体煤气化联合循环发电机组以向其提供更好的负荷跟踪能力。
23.根据权利要求13所述的方法，其中，所述机组是燃煤蒸汽发电机组。
24.根据权利要求13所述的方法，其中，所述流路具有储存蒸汽的热的能力，其中在再热器之后从蒸汽发电机组的高压涡轮的出口提取用于储存的蒸汽以降低压力。
25.一种用于提供处于温度Ta或温度Ta左右的传热流体X的储存的热的储热系统，所述系统包括：
a)具有传热流体冷却输入部和传热流体过热输出部的容器，所述容器具有与所述输入部和输出部连通的纵向区段，
b)所述纵向区段中的陶瓷储热介质，所述介质具有主纵向轴线和次轴线，所述介质由颗粒物形成并在所述颗粒物之间限定出空隙以有利于流体流动和热传递，所述空隙相互配合以在所述纵向区段中限定出沿所述主轴线延伸的主纵向流路，
c)所述流路向所述沸腾区域供应低于沸腾温度的流体流以便沸腾，所述流路向所述过热区域供应所述沸腾流以将所述流加热至过热，以及
d)流控制器，所述控制器设定所述流体流的流率，所述流率使得能够通过所述沸腾区域中的所述沸腾的颗粒物和所述过热区域中的所述过热的颗粒物的一系列薄片实现加热，每个所述颗粒物薄片由所述颗粒物的在垂直于所述主轴线的所述次轴线中的横截面限定，所述薄片被加热并加热一部分量的所述流，所述部分量在所述沸腾区域中沸腾并在所述过热区域中被过热至温度Ta或温度Ta左右，然后处于温度Ta或温度Ta左右的所述传热流体X在所述传热流体过热输出部被输出。

说明书全文

用于储存热能的设备和方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请根据美国专利法第119(e)条要求2008年1月31日递交的序号为61/063,467、2008年3月17日递交的序号为61/069,778、2008年3月17日递交的序号为
61/069,779、2008年9月15日递交的序号为61/097,043、2008年7月23日递交的序号为
61/083,005、2008年7月23日递交的序号为61/083,051、2008年8月4日递交的序号为
61/086,055、2008年11月18日递交的序号为61/115,831、2007年12月21日递交的序号为
61/008,635的专利申请的优先权，这些专利申请的内容通过引用被清楚地全文并入本申请中。本申请还是2008年3月6日递交的序号为12/066,054的申请的部分继续申请，序号为12/066,054的申请是根据美国专利法第119(e)条要求2007年3月8日递交的序号为
60/905,729的申请的优先权的在2007年7月27日递交的序号为PCT/US07/74646的国际申请的国家阶段，并且本申请还是根据美国专利法第119(e)条要求2006年8月1日递交的序号为60/834,736的申请的优先权的在2007年7月27日申请的序号为PCT/US07/74647的国际申请的部分继续申请，这些申请的公开内容通过引用被清楚地全文并入本申请中。

技术领域

[0003] 本发明一般而言涉及用于储存热能的方法和设备，并且更具体而言，本发明涉及特别是在工业发电系统中使用的用于储热的方法和设备。

背景技术

[0004] 对电力或能够产生电力的能量的储存的需求很大。在某种意义上，矿物燃料是被储存的阳光。电化学电池适合储存能量以便以后取回，例如电化学电池可用于家用物品、小型器具并且甚至用于电动车辆。但是在尺寸和成本方面，这些大部分是小规模应用。

[0005] 但是更大型的发电应用不可能通过电化学蓄电池来充分地满足。这些使用包括储存用于发电机组或要用所储存的能量驱动的其它大型机械的动力。我们将这些称为“大规模”应用或“工业”应用。在电力网中，水力发电通常被用来按需提供所储存的能量且能够实现用于调节电网变化的快速的负荷跟踪。但这些大规模应用不能够被成本有效地提供电化学储备，并且水电储备能力仍局限于特定地区和当地条件。能量也可作为蒸汽被储存。已知一种用于储存蒸汽的工业方法，该方法通过将加压沸水储存在管道中并通过降低压力来发电而完成，降低压力使沸点下降并使一部分储存的蒸汽蒸发。但这由于所获得的蒸汽具有较低的温度和压力而导致显著的自由能损失，且它是一种热效率低的昂贵方法。但这种方法可行。

[0006] 类似于水电的泵抽式储存在地质条件允许的情况下被广泛地实践，但它仅具有中等效率。还可使用压缩空气，但它仅具有中等效率并且成本较高。目前没有可用来满足支持电网的大规模需求的方法。

[0007] 此外，可以理解的是：电网上的负荷需求在白天和傍晚大而在夜间和周末较低。过去，这种重负荷是通过设计可快速改变功率输出而不会显著损失效率的发电机组来解决的。除水电发电机组以外，具有锅炉的蒸汽发电机组和具有大调节比的涡轮具有这种能力。
它们起动费时(高达半天)，但它们可在其全容量的13％左右操作并且仍然效率高，且能够快速改变它们的输出以便进行电网上的负荷跟踪或负荷调节。但是，要想有效的话，与机组的平均容量相比这需要大的过载容量。我们使用的发电系统中这种过载容量系数为大约
1.5至2。但目前发电机组并不维持这种过剩容量。

[0008] 发电机组可操作而不会显著损失效率的最大容量与最小容量之间的比率称为调节比(turndown ratio)。对于常规的煤发电机组而言，设计规格要求8∶1的最小调节比。这些机组曾在已设有足够的过载容量的电网上被用作电力的有效提供者和调节者。

[0009] 但是，需求不断增长，但并未以跟上这种增长的速度建造新的机组。相反，过剩容量已简单地变成定期使用的容量的一部分。此外，虽然当今煤发电机组比50年前更有效，但总体上它们每kWh运转却变得更昂贵，因为减少污染的需要已大幅增加了它们的成本。

[0010] 由于这种过载容量的损失，需要发现过剩能量的源来满足峰值需求并用于电网调节。

[0011] 此外，在电网的过载容量已大大降低的同时，电网操作的可变性已显著增加。这已引起严峻的供应和控制危机。我们不仅具有新的使用技术，比如在使用过程中更易变并且相当多地增加了负荷的空气调节，而且我们现在具有新型的可变发电源，诸如风力涡轮机、太阳能电池以及可导致电网上的危险波动的聚光太阳能发电(CSP)。

[0012] 虽然CSP发电机组大到足以使其经济并实用地设有大规模储存，但大部分不能够这样，特别是熔盐、太阳能电池和风。应对这种状态的一种方式是建造更多快速响应的蒸汽发电机组，以增加过载容量并快速响应以便供应和调节电网。但建造新发电机组是漫长的过程并且非常昂贵。可增加容量和可控性的替代解决方案因此将是受欢迎的。

[0013] 对储存的需求增加的另一个原因是发电技术已经改变。核发电机组具有慢得多的响应和低调节比。联合循环发电机组(CCPP)也具有很低的调节比，但对于天然气而言，它们具有比任何其它基于矿物燃料的发电机组高得多的效率(60％对煤的37-45％)并因此被投入使用。CCPP技术基于高温燃气涡轮，其热排气被供给至产生用于蒸汽轮机的蒸汽的锅炉。这些机组提供了全世界很大一部分电能并且它们的使用快速增长(在美国达到装机容量的20％以上)。问题在于燃气涡轮具有很低的调节比，当电力低于最大需求时非常快地损失效率。仅有的控制基本上是开-关，因为它们可在一小时内停机并且在一到两小时内起动。但它们不适合对电网调节进行快速负荷跟踪，并且实际上没有足够的过载容量来实现这种操作。

[0014] 对于整体煤气化联合循环(IGCC)发电机组，实际上仅有的足够清洁以被添加至美国当今电网的燃煤发电机组，情况同样如此。这些是基本的联合循环发电机组，其中气体不是天然气，而是煤气化器的产物。IGCC的问题之一在于其调节比很低，因此其快速负载跟随能力低。再次，电网调节的需求未得到满足。

[0015] 因此，可以理解的是：仍然亟需能够帮助解决上述供应和控制问题的新型能量储存系统。本发明解决与现有储热系统相关的一个或多个问题，并且涉及用于所储存的能量的这些和其它用途。

发明内容

[0016] 本发明提供用于最为突出地在工业系统中储热的方法和设备，在工业系统中要求大的储能源来满足工作负荷，例如用于驱动发电机组中的涡轮。本发明克服了储热限制并且实际上能实现在大部分发电机组可操作的实际上任何温度储热。与其它用于大规模应用的储热方法相比，本发明在设计上简单且更加牢靠，并且实施和操作起来更廉价。

[0017] 在一个例子中，在使用热工作流体来完成系统的工作如用于使泵工作或驱动涡轮的系统中，例如，其中本发明教导：通过使用热工作流体作为蒸气形式的传热流体并将其热焓沉积在储热介质上，然后移除此时冷却并冷凝的液相传热流体——可以移除至保持罐，来储存该热工作流体的热焓。当再次需要热工作流体时，液态传热流体返回至被加热的储存介质并且在其经过热的储存介质时被再热，然后返回至工作系统并在需要时被用作热工作流体。

[0018] 在各种实施例中，我们教导使用在温度Ta或温度Ta左右的传热流体提供所储存的热的系统和方法，其示例性的系统和方法包括：具有沿纵向轴线延伸的延长纵向区段的陶瓷储热介质，该介质由颗粒物形成，颗粒物相互配合并在颗粒物之间限定出空隙以有利于传热流体流在纵向上的流动，这些空隙相互结合以沿穿过介质的纵向轴线限定出纵向流路；颗粒物和空隙能使流体横向经过介质沿垂直于轴线的平面流动，颗粒物构造成限制颗粒物与颗粒物间的传热，颗粒物构造成促进平面中热与流体的直接传递并且对热与流体的直接传递具有吸引力并因此沿平面限定出热前缘(front)，其中介质和流体配合以沿该平面在流体与介质之间传热，从而形成垂直于该轴线且沿着该平面的热前缘；颗粒物同时通过彼此接触而阻止传热并且通过与流体直接接触而对快速传热具有吸引力；以及流路具有用于供过热工作流体通过的端口，该流路在该端口具有在流动停止之后储存处于温度Ta的过热工作流体的热的区域。

[0019] 另外的实施例包括流控制器，该控制器控制流体的流率，其中流率被选择成确保颗粒物和流体在所述平面中时沿所述平面达到温度Ta，所述流路具有用于供处于温度Ta的已加热流体通过的端口，流体的蒸气相被用作系统中的工作流体；还包括用于容纳介质且具有传热流体冷却端口和传热流体过热端口的容器，所述流路具有过热区域和沸腾区域，在冷却端口的区域中，该流路将作为低于沸腾温度的液体的流体运送至沸腾区域，该流路在过热端口区域中储存作为处于温度Ta的过热蒸气的流体的热，并且该流路在沸腾区域中储存作为沸腾液体的流体的热。在一些实施例中，所述颗粒物还包括储热材料和绝热材料，在流路中还包括绝热材料的有规则的(间歇的/断续的，periodic)多孔绝热层以防止在前缘处温度梯度由于穿过颗粒物的热传导而降低，其中优选绝热层是具有通道的板，该板由绝热材料制成，并且可以是在尺寸上类似于热传导材料的绝热颗粒物层。

[0020] 在本发明的实践中，所述流路具有如下能力：储存在聚光太阳能发电机组中产生的蒸气的热，通过将水供给至储存容器而再生该蒸汽，以便在需要时传送再生的蒸汽。在各种实施例中，这包括如下能力：每当不需要蒸汽来发电时储存在联合循环发电机组的蒸汽锅炉中产生的蒸汽的热，此后每当需要时在单独的涡轮中使用所储存的蒸汽，从而向联合循环机组提供负荷跟踪能力和储存；或者其中附加的蒸汽涡轮大于机组本身的蒸汽涡轮并提供更大的短期负荷跟踪能力以用来稳定电网；或者其中该机组是整体煤气化联合循环发电机组以向其提供更好的负荷跟踪能力；或者其中该机组是是燃煤蒸汽发电机组；或者其中所述流路具有储存蒸汽的热的能力，其中在再热器之后从蒸汽发电机组的高压涡轮的出口收回用于储存的蒸汽以降低压力。

[0021] 在用于使用处于温度Ta或温度Ta左右的传热流体提供所储存的热的又一储热方法中，该方法包括以下步骤：设置具有沿纵向轴线延伸的延长纵向区段的陶瓷储热介质，该介质由颗粒物形成，颗粒物相互配合并在颗粒物之间限定出空隙以有利于传热流体流在纵向上的流动，这些空隙相互结合以沿穿过介质的纵向轴线限定出纵向流路；将颗粒物和空隙设置成能使流体横向经过介质沿垂直于轴线的平面流动，颗粒物构造成限制颗粒物与颗粒物间的传热，颗粒物构造成促进平面中热与流体的直接传递并且对热与流体的直接传递具有吸引力并因此沿平面限定出热前缘，其中介质和流体配合以沿该平面在流体与介质之间传热从而形成垂直于该轴线且沿着该平面的热前缘；将颗粒物设置成同时通过彼此接触而阻止传热并且通过与流体直接接触而对快速传热具有吸引力；以及将流路设置成具有用于供过热工作流体通过的端口，该流路在该端口具有用于在流动停止之后储存处于温度Ta的过热工作流体的热的区域。

[0022] 另外的实施例包括流控制器，该控制器控制流体的流率，其中该流率被选择成确保颗粒物和流体在平面中时沿该平面达到温度Ta，所述流路具有用于供处于温度Ta的已加热流体通过的端口，流体的蒸气相被用作系统中的工作流体；并且还包括用于容纳介质且具有传热流体冷却端口和传热流体过热端口的容器，所述流路具有过热区域和沸腾区域，在冷却端口的区域中，该流路将作为低于沸腾温度的液体的流体运送至沸腾区域，在过热端口的区域中该流路储存作为处于温度Ta的过热蒸气的流体的热，并且在沸腾区域中该流路储存作为沸腾液体的流体的热。在各种实施例中，颗粒物还包括储热材料和绝热材料，在所述流路中还包括绝热材料的有规则的多孔绝热层以防止在前缘温度梯度由于通过颗粒物的热传导而降低。在一些实施例中，绝热层是带通道的板，该板由绝热材料或在尺寸上类似于导热材料的绝热颗粒物制成。

[0023] 在优选实施例中，存在用于提供处于温度Ta或温度Ta左右的传热流体X的储存的热的储热系统，该系统包括：具有传热流体冷却输入部和传热流体过热输出部的容器，该容器具有与输入部和输出部连通的纵向区段；纵向区段中的陶瓷储热介质，该介质具有主纵向轴线和次轴线，该介质由颗粒物形成并在颗粒物之间限定出空隙以有利于流体流动和传热，这些空隙相互配合以限定出沿纵向区段中的主轴线延伸的主纵向流路；所述流路向沸腾区域供应低于沸腾温度的流体流以进行沸腾，所述流路向过热区域供应沸腾流以将该流加热至过热；以及流控制器，该控制器设定流体流的流率，该流率通过沸腾区域中的沸腾颗粒物和过热区域中的过热颗粒物的一系列薄片实现加热，各颗粒物薄片由颗粒物在垂直于主轴线的次轴线的横截面限定，该薄片被加热并加热一部分量的流，该部分量在沸腾区域中沸腾并在过热区域中被过热至温度Ta或温度Ta左右，然后处于温度Ta或温度Ta左右的传热流体X在传热流体过热输出部被输出。

[0024] 这些和其它实施例包括各种发电应用、工业过程等，并且在其它应用中可被用于太阳能发电机组、CCPP机组、ICGG机组、燃煤和燃气机组、核发电机组、地热发电机组以及其它使用过热流体工作的操作。附图说明

[0025] 附图示出本发明的实施例并用来解释其原理。但是可以理解，附图只是为了例示的目的而设计的，且并非作为对本发明的界限的定义。

[0026] 图1示出了具有根据本发明的储热系统的普通发电机组；

[0027] 图2以截面示出了图1的实施例的一个实践中本发明的示例性储存容器；

[0028] 图3-5示出了本发明的不同实施例中在蒸汽再生期间的热传播的对比，其中图3示出了本发明的使用CO2传热流体系统的热前缘传播，对比的图4示出了本发明的H2O系统中的热前缘传播，二者均在1500psi，并且对比的图5示出了在600psi的本发明的H2O系统中的热前缘传播；

[0029] 图6示出了根据本发明的储热系统在作为本发明的多种应用之一的小规模太阳能蒸汽发电机组上的应用。

[0030] 下面论述本发明的各种非限制性的示例性和优选的实施例。

具体实施方式

[0031] 在此示出的细节只是举例和示例性地论述本发明的实施例，并且是为了提供确信是对本发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。就这一点而言，并未试图比基本理解本发明所需的详细程度更详细地显示本发明的结构细节，结合附图进行的描述使本领域技术人员清楚如何在实践中实施本发明的几种形式。

[0032] 除非另外指出，对化合物或成分的提及包括该化合物或成分本身，以及与其它化合物或成分相结合，例如化合物的混合物。文中所用的单数形式“一”和“该”也包括复数指代物，除非上下文清楚地另外指出。

[0033] 除非另外指出，本说明书和权利要求中使用的所有表达组分、反应条件等的量可以理解为在所有情况下都由用语“约”修饰。因此，除非相反地指出，以下说明书和所附权利要求书中的阐述的数值参数是可根据本发明寻求获得的期望特征而变化的近似值。至少，并且不应当视为试图限制等同原则在解释权利要求范围时的应用，每个数值参数应当按照有效位数字和普通的四舍五入惯例进行解释。

[0034] 另外，本说明书内数值范围的叙述被视为该范围内的所有数值和范围的公开。例如，如果某一范围是从约1至约50，则认为该范围包括例如1，7，34，46.1，23.7或该范围内的任何其它值或范围。但是，权利要求中未引述的任何范围仅旨在进行说明而不是为了限制本发明所涵盖的范围。

[0035] 本发明提供用于在系统中、优选在诸如发电机组之类的工业系统中储热的方法和设备。本发明克服了储热限制，并且事实上，能实现在大部分发电机组可操作的实际上任何温度储热。本发明在设计上简单，并且与其它用于大型应用的实用储热方法相比更加可靠且实现和操作起来相对廉价。

[0036] 本发明可在各种系统中实现，并且特别是提供流体且更具体而言为热工作流体的热焓的储存。在一个实施例中，热工作流体是可被加热且在其加热状态下可用来执行工作功能的流体，例如水被加热以产生蒸汽并且蒸汽被用来驱动机器进行做功，或用于其它储存的热能的用途。

[0037] 本发明通过使用热工作流体作为传热流体并且将该传热流体的蒸气相的热焓沉积在容器内的储热介质上，并且然后冷却的蒸气变成液体并从容器除去，来提供热工作流体的热焓的储存。当再次需要热工作流体时，一部分冷工作流体作为传热流体返回储热介质并被再热成其蒸气相，然后从容器取出以用作热工作流体。这里不需要锅炉，因为再热代替了利用所储存能量的锅炉。

[0038] 在优选实施例中，本发明通过利用可经历相变的热工作流体作为传热流体并且将该传热流体的热焓沉积在容器内的储热介质上，并且然后在流体沿充填(charge)方向流经储存介质时从容器除去全部的冷却的流体，来提供热工作流体的热焓的储存。当再次需要热工作流体时，一部分工作流体作为传热流体返回储热介质，优选与充填方向对流，并被再热，然后从容器取出并返回工作系统以被用作热工作流体。

[0039] 在本发明的优选实践中，使用并通过处于其加热的蒸气相的工作流体进行工作或从该相储存热，然后利用首先处于液相的相同类型的流体作为传热流体并且然后利用处于蒸气相并且返回的流体作为工作流体来回收热。更优选地，本发明使用蒸汽工作流体和蒸汽传热流体，最优选过热的加压蒸汽。

[0040] 蒸汽在发电机组中最重要的使用是过热蒸汽，其自由能很大程度上取决于蒸汽的温度。本发明能够以＞90％并且或许甚至＞95％的热效率操作。高效储存蒸汽的热焓的能力产生了在许多领域广泛应用的技术机会，例如用于扩大发电机组的容量，提供可分派能量，向发电机组提供更好的控制功能以进行电网调节，以及用于其它使用储存的热或蒸汽的工业目的。

[0041] 储存电力已成为当今环境下的主要需求。由于大多数发电机组涉及蒸汽，所以在此所述的本发明通过储存蒸汽的热焓而“储存”用于发电机组的电力的等同物。这种创新与在此类大规模、工业规格量储存电力的其它方法相比是成本有效的。

[0042] 在本发明的一个实施例中，热源(例如，锅炉)产生用来在工作回路中做功的蒸汽，例如在工作回路中蒸汽驱动蒸汽涡轮以发电。当此工作流体、优选过热蒸汽可为储存循环所利用时，即，当可获得超过需求的容量时，通常在非峰值负荷时段，过热工作流体蒸汽从工作回路被发送至包括储存介质的储存回路，并且此时此流体用作将蒸汽热携带至储存介质的传热流体——热从传热流体蒸汽传递至储存介质，其中蒸汽冷凝并且冷凝物液态水从储存介质排出。热被按需储存并且在需要时取回。当需要从储存介质取回蒸汽时，水被用管道输送至已加热的储存介质，并且蒸汽被再生然后作为热工作流体返回工作回路。优选地，工作回路和储存回路用合适的阀互相连接以实现闭合的回路，从而保存流体(水)。

[0043] 在优选实施例中，本发明包括将蒸汽的热焓沉积在固体材料上，该固体材料优选具有高热容量和高热传导率，例如为氧化铝卵石，沉积的方式是我们优选通过经储存介质对流地供给水而在或许稍低的压力在原始温度或在原始温度左右再生蒸汽。就效率而言，这相当于直接储存蒸汽。

[0044] 储存蒸汽的热焓并向发电机组提供第二涡轮以利用所储存的热，可在很大程度上有助于满足国家能源需求。另外，蒸汽热焓的储存可有助于在联合循环发电机组(CCPP)中提供合理的调节比并且可提高负荷跟踪能力。在CCPP中，蒸汽发电机组一般提供机组总电力输出的约40％-45％，并且燃气涡轮可始终在锅炉处于最大容量的状态下操作，从而允许对第二(蒸汽)涡轮进行负荷跟踪同时将任何过剩的蒸汽转移到储存装置。辅助涡轮在需要时通过该储存的蒸汽驱动，这增加了CCPP在峰值负荷的总容量或在其它方面控制电网波动。对于平常的蒸汽发电机组而言，问题是，在任何情况下，如果储存蒸汽的热焓用于某种目的，比如如果它比增加容量更便宜，则在大多数情况下其目的是提供这种储存的能量的额外的源且其更便宜。

[0045] 对于聚光太阳能发电机组而言，蒸汽热储存是有价值的选择，特别是已存在直接产生蒸汽的收集器。在需要时，例如，当比如在晚上太阳能不足时，蒸汽被再生。在适当地定制尺寸的情况下，太阳能发电机组可24/7操作，并且还可用来通过使用本储存系统而控制电网波动。

[0046] 如上所述，本文所述的实施例是通过举例说明而非限制的方式提供的，且并非意图将本发明的范围或其应用限制于热蒸汽的热焓的储存。因此，如在此公开内容中所述，蒸汽的热焓的储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个高温蒸气相和一个较冷液相的两相系统。该系统优选在两相操作，并且代替水，也可使用丙烷、丁烷和其它可冷凝的气体。

[0047] 在本发明的优选实施例中，对流式卵石床热交换器具备储存功能，其中热以非循环方式进行交换，即，热被储存并在以后需要时可利用。热蒸气优选在竖直定向的容器的顶部沿一个行进方向进入储存容器，并加热储存介质(优选陶瓷颗粒物)，并且优选地，底端保持冷却以便不会不必要地排出热能——否则将降低储存效率。管道和介质以及流动被设计成使得热作为比较明显的前缘通过储存容器前进。当进一步加载将会排出蒸气或沸水时，达到容量。当要取回热时，冷却水沿相反的流动方向流入排出端以形成并传送从容器的顶部取回并返回工作系统的再生蒸气，即蒸汽。

[0048] 在优选实施例中，为了确保明显的前缘，要加热(或冷却)的流体足够缓慢地流动，使得其温度在很短的距离(与交换器的总长度相比)达到与储存介质完全平衡，最优选在超过1比100(距离与总长度)的系数，或优选至少1比10的系数，但要获得高效率，该系数应当比10大很多。

[0049] 这要求储热介质的颗粒物即卵石或石子的加热时间与蒸气的停留时间相比很短。2
这种情况下，对于颗粒物的给定形状而言，加热时间与r/α成正比，其中“α”是介质的热传导率且“r”是所选填充材料的特征长度。因此优选具有高热传导率的更小颗粒物。本领域技术人员可以理解，该加热时间控制或限制对于热加载和热回收这两者而言给定的储存容器所容许的理想最大速度。

[0050] 本发明提供了能够以高效率在各种应用中以可取回方式储存热能的储热系统。该储热系统可适合供各种动力源如蒸汽动力源使用。本发明的实施例教导在包括聚光太阳能发电机组、蒸汽发电机组、燃煤发电机组、联合循环发电机组、小规模太阳能发电机组的各种应用中以及其它用途中热的储存。

[0051] 图1示出了根据本发明的包括发电机组10A和储热系统10B的示例性发电系统10，其中发电机组10A产生热流体11，该热流体可用于在该机组中做功或可用于将热储存到储热系统10B中和从储热系统10B取回热。也通过使用流体11，储存在储存系统10B中的热不时返回机组10A以在该机组额外做功。

[0052] 在实践中，锅炉12中产生的热流体(例如，过热蒸汽)11被用作用于驱动涡轮13的工作流体11a，或可替代地，该过热蒸汽在阀14处被从涡轮13转移并被用作储热系统10B中的传热流体11b。

[0053] 热流体/过热蒸汽11作为传热流体11a经由储存容器16的输入部15进入储热系统10B，并流经和加热容器内的储热介质18。该储存的热以后在需要时被从储存介质18取回，以再生返回至机组10B并在机组10B使用的过热蒸汽11。

[0054] 参考图2，优选地，储存容器16竖直定向成使得过热蒸汽11a被用于从容器16的顶部38对储存介质充热并在其向下到达容器16的底部39的路线上在沿纵向轴线I-II的充填方向上流经储存介质18，在底部39冷凝水20被移至储罐22。水20保持在该罐中，然后在需要时从储罐22返回至锅炉12以便再热或者在对流流动中被重新引导至容器16以再生过热蒸汽11。

[0055] 当需要来自储存系统10B的过热蒸汽时，优选水20从罐22被泵送至竖直容器16的入口25，沿轴线I-II向上通过已加热的储存介质18到达容器16的顶部38以再生过热蒸汽11，过热蒸汽11经由在容器16的顶部38的出口28输出并作为工作流体11a返回至机组10A以驱动涡轮13。这样，储热状态实质上不存在大量液体，即，来自过热蒸汽的热而不是大量流体被储存在容器16中，然后一定量的较冷液体20仅在需要蒸汽再生时被重新引导。

[0056] 在本发明的优选实践中，容器16是竖直的并且过热蒸汽11在容器顶部38被引导并行经储存介质18，使得至少在取回期间热沿比较明显的前缘传播以使传热效率最大化，其中容器顶部38在输入的蒸汽11的温度处于最大热而在容器的底部39的离开端保持较冷。为了效率的目的而保持较冷的端部，使得沸水不会从储存容器流出至罐22——其中水的热将被浪费。在希望使储存效率最大化的情况下并未这样做。

[0057] 在本发明的优选实践中，一部分储存介质在被提供到达的传热流体时被加热至很高的温度。在回收期间，流率被控制成使得热在比较明显的前缘传播，从而允许在热被储存的最高温度回收所储存的热，该热优选来自过热蒸汽。可以理解的是：如果在回收期间前缘移动过快，则总储存容器将被几乎均匀地冷却，并且所回收的蒸汽的温度将连续下降至平均温度。回收的总热量将保持恒定，但仅一部分蒸汽将在顶部温度被回收，导致自由能大量损失。这在本发明的实践中得以避免，因为寻求回收最高储存温度，而不是平均储存温度。

[0058] 在一个示例中，热流体11是处于初始温度的过热气体蒸气且流经容器16直到介质18被加热至该温度为止。当蒸气经过介质时，蒸气冷却并且因此蒸气在较低的温度离开容器，并且容器端部24处于该较低的温度。当较低的温度开始上升时，充填过程停止。但是，最优选在热端保持温度尽可能接近并且甚至在顶部保持恒定，以维持高热效率。在冷端的温度接近控制没有在热端那么重要。

[0059] 更具体而言，过热蒸汽传热流体11a从容器16的顶部38被引导并在其继续流动时将区域18a加热至温度Ta，直到流体已释放足够的能量使得其经历相变并冷凝成沸水，然后将区域18b中的储存介质加热至沸腾温度Tb。冷凝的传热流体11a在其流向容器底部39时继续将区域18b中的介质加热至沸腾温度，并且此后，此时处于温度Td的进一步冷却的传热流体11a到达处于容器16端部的区域18c——其中没有剩下足够的热能来使储存介质达到用于储存的沸腾温度，并且因此传热流体作为处于温度Td的冷却的排出流体20被排出至罐22。再一次，出于效率的目的，希望在介质的充填期间加热尽可能多的储存介质
18而不在出口21将蒸汽从容器释放出来，并且因此在这种情况下排出流体20将是低于沸点的水。

[0060] 本领域技术人员现在可理解，可通过监测排出水20的温度并在温度开始上升或变得过高时停止流动、且优选在远低于沸点(即，远低于处于储存压力的水的沸点)时停止，来在充填期间控制储热系统10B。流率优选选择成使得获得尽可能多的传热并且优选建造更大的过热区18a使得在蒸汽再生时能够在过热温度Ta再生更大量的蒸汽，用于再生的流率被选择成使作为从在容器16顶部的出口28出来的工作流体的过热蒸汽的传送最大化，并且再生的过热蒸汽的流动在温度不再处于用作工作流体11a的期望温度时停止，除非希望额外的再热。

[0061] 从图2可见，在一个示例中，热的传热流体11a是处于初始温度Ta的过热水蒸汽并流经容器16，直到介质18的第一区域18a被加热至该过热温度Ta。当流体经过介质时，流体冷却并在在处于温度Tb的介质的第二区域18b中变成沸水，并且在容器底部39在第三区域18c中达到低于沸点的较低温度Tc，并且此后在温度Tc在出口21离开容器。在一个实施例中，流率是满足要求的，其中大部分介质18被加热至过热温度Ta并且仅小部分区域处于沸点，然后端部低于沸点。

[0062] 加热水平可通过监测流体流的出口温度Td来检测，并且当出口温度达到指定的“停止”温度时，则流体流动和充填过程停止。优选地，该停止温度接近但低于沸腾温度Tb以使经由离开容器的热流体的热损失最小化，因为热损失会影响整体系统效率。

[0063] 在本发明的可选实践中，处于温度Ta的过热蒸汽11流经容器中的整个路径I-II，并且流动仅在出口温度Td在蒸汽流出容器时处于或接近初始温度Ta时停止。这能实现容器16的最大储存利用但在充填过程中损失了流出的蒸汽所携带的热能，因此当效率最重要时不这样做。

[0064] 可以理解的是：在图1的发明的太阳能发电实施例中，锅炉12是太阳能加热的且如上所述提供过热蒸汽11以驱动涡轮13或被重新定向至储存装置10B。这种情况下，来自储存装置10B的再生的过热蒸汽11在夜间驱动现有的涡轮13以提供额外的电力输出30。在本发明常规的燃料式发电机组实施例中，涡轮13通常在峰值生产操作，因此在需要时引导所取回的蒸汽11以驱动辅助涡轮32，以供应额外的电力输出30，从而增加涡轮13的输出。

[0065] 在优选实施例中，储存介质18具有高热容量以最小化储存量，比如通过使用可获得的、众所周知的材料，该材料可大批量生产以降低成本。在优选实施例中，储热介质18形成为氧化铝材料部分19’的床19，例如石子、卵石或球丸，蒸汽11沿流路I-II(在图2中为竖向)行经介质18，在材料部分19’之间流动。

[0066] 可以理解的是：当储存过热蒸汽的热时，将存在过热区域18a和沸腾区域18b，然后是短的较冷区域18c。在实践中，希望保持过热区域18a的热与沸腾区域18b的热之间的“明显的”前缘。“明显的”前缘是指过热区域被最佳地加热并与沸腾区域分离，边界相应随同流动移动。明显的前缘在充填循环中不是必需的，但在再生循环中非常优选。流体垂直于截面流过容器，目的是获得蒸汽与储存介质之间在短距离(即，沿流路数英尺)上的完全温度均等，作为明显的前缘，我们将其定义为垂直于纵向轴线的平面P。在一个非限制性示例中，明显的前缘与140’储存路径上长30’的过渡区域18b有关。平面P在图2中被示为与沸腾区域18b重合并且在此实施例中应该被理解为沿着实质上平行于板40的流动轴线随同流体流移动。

[0067] 选择优选的储存介质，氧化铝颗粒物(例如，石子或卵石)，因为蒸汽系统中的传热阻力低。后者意味着氧化铝的热传导率高并且它们的尺寸小，使得达到热流体流的温度所需的时间与流体停留时间相比非常短，并且氧化铝的温度因此实际上瞬时跟随周围热流体的温度。

[0068] 一优选设计允许从顶部向下的充填和从底部向上的对流再生，优选横向经过直径具有一致和均匀的流分布，在沿着流动轴线I-II的非常短的流体流动距离(例如，140’的30’)上达到完全的传热和温度均等。该系统包括固体填充料，例如，能实现具有低压降的流体流的设计中的高密度陶瓷颗粒物。填充料的热传导率应当高并且填充料的加热时间应当尽可能短，但过小的颗粒物会导致流体流动过程中的过度压降。即使如此，对于后者而言，储存容器中的低压降对于蒸汽储存而言并不是关键的，因为不需要重新压缩。可使用满足本文所述的基本设计概念且允许储存比如来自蒸汽的蒸气热的具有高热效率(优选利用对流流动)的任何设计。本领域技术人员可以理解，颗粒物的尺寸和结构将是可接受的加热时间与可接受的压降之间的折衷。此外，当储存介质如陶瓷卵石暴露于变化的温度、压力和条件时，选择此材料使得其可耐受这些条件，并且优选具有低孔隙率(大致＜5％)的材料。

[0069] 此外，在优选实施例中，为了防止特别是当床中存在温度梯度时在储存过程中通过颗粒物的传热，以便能够在床中缓慢加热至很高的温度，我们优选在卵石床内间隔地设置绝热多孔板，孔足够小以保持填充材料。本领域技术人员可以理解，在一优选实施例中，我们规定固体颗粒物的加热时间短。

[0070] 可以理解的是：在允许高效储存的条件窗内操作对于最高效率而言是优选且有益的，因此，供给用于再生的过热蒸汽或水的速度的方式应当是使得热特别是在回收过程中在明显的前缘中传播。

[0071] 图2在侧截面中示出了组装好的模块，装填了卵石床19并从容器顶部至容器底部填充了容器内部，流路I-II在卵石床19的卵石材料19’之间延伸通过介质18。在本发明的实践中，可使用单个大储存容器16，尽管优选组装较小的模块以形成容器。单个这种模块(比如20-30英尺长的管道段)适合形成小型发电机组，而对于更大型的机组可组装多个容器。例如，可层叠七个20英尺长的模块以形成具有端盖(即，歧管)的140英尺储存容器。

[0072] 再次参照图2，在本发明的示例性实践中，储存容器16优选包括圆筒形模块16A，两个模块16A1和16A2被竖直层叠并且封闭的容器16是通过在模块16A1和16A2的相应外端上分别在容器16的顶部38和底部39增设歧管板16B1和16B2形成的。此外，每个模块16A在其顶部和底部设有凸缘41使得匹配的模块可在汇合的相邻凸缘41被密封在一起以形成密封部43，如图所示。歧管板16B1被设置在模块16A1的顶端使得歧管板边缘45与相邻的凸缘41配合以在此处形成密封部47，并且歧管板16B2被设置在模块16A2的底端使得板边缘45与相邻的凸缘41配合以形成密封部49，从而提供密封的储存容器16，如图2所示。

[0073] 图2的圆筒形模块16A、16B优选使用现成的大直径钢管比如用于天然气管线的钢管的区段，各区段被切割成易于运输和组装的长度(比如20-30英尺长的区段)，并且装设有凸缘以协助现场组装容器。这些模块16A、16B等优选被装配有穿孔板40(图2)，其孔44小于储存材料19’的直径以保持储存材料处于适当位置。本领域技术人员可以理解，这些板40还用作具有期望压降的常规的流分配器。应该进一步理解的是：这些板优选由不导热陶瓷制成以最小化通过储存材料的热传导，因为传热理想地被局限于流体11a与卵石材料19’之间的直接接触，并且因为较热和较冷的储存区段之间的平衡可减少可被再生并从储存系统传送的最高温度过热蒸汽的量。希望限制颗粒物之间的热传导，因此在本发明的一个实践中，我们设置了绝热步骤，比如间隔开的板40，这些板具有足够的孔隙率以容许流体流动并且足够小以将颗粒物保持在适当位置。

[0074] 这样，热可在每个充填的区段长时间保存。这种设置还有利于通过其中储存单元的热区段和冷区段之间可分离的区段而有利于部分回收区段，比如当进行一些储存的热的部分回收时。在一个实施例中，还设置了另外的端口46以有利于部分回收或其它可选的流体流，比如用于增加用于储存或回收的流体输入或抽出流体以便进行温度监控等。

[0075] 推荐的陶瓷填充材料19’的一个示例是使用直径为1-10mm(优选2-3mm)的无孔氧化铝的小球，期望的结果是快速加热介质。

[0076] 模块式容器及相关供给管道的构造形成牢固的结构，其中带凸缘的管段加强单独的管道的强度以形成可被锚定至地面的高强度结构。通常，对于尺寸高达约5英尺直径的管线而言，可利用管道区段。该设计避免了现场构成并且可在卡车中运输。这些管段应当被设计成容易在现场组装。为此，这些管段应当足够短，使得它们可形成并填充可买到的陶瓷，并且完整地运输以便随时进行最终组装。这比在现场建造大型储存容器更廉价。

[0077] 在一个实施例中，储存介质适用于宽温度范围，优选从环境温度至特定发电技术所需的最高温度以上。该温度对于高效蒸汽发电机组而言为约1350℉，而对于燃气涡轮而言为2200-2500℉。可实现的最高温度还决定了储存成本。事实上，虽然高温可能要求更昂贵的材料，但所需的储存量以及因此系统的成本与发电循环的顶部温度和底部温度之差成反比，正如发电机组中那样。

[0078] 现在可以理解的是：在本发明的蒸汽储存实施方式中，使用相同的构成流体(即，水)的蒸气相和液相。这有利地能使相同的流体可互换地既是工作流体又是传热流体，这允许工作系统极为经济。因此，在本发明的实践中，储存介质18被充填优选来自过热加压蒸汽11的热，然后储存介质18中的热保持被储存，直到后续利用较冷的水20的按照要求的取回为止。因此，系统的工作流体(例如，蒸汽)也是用于在下游使用的传热流体(例如，蒸汽)，比如用于驱动蒸汽涡轮13进行发电。

[0079] 利用水/蒸汽作为传热流体具有高传热系数的优点。迄今为止还没有对过热蒸汽的实用储存。但在本发明中，在优选实施例中，使用了过热蒸汽，优选如上所述从顶部向下填充储存容器。以后，可通过在底部供给冷水、以对流方式再生、并从顶部作为实际上处于与最初储存相同的温度和压力的过热蒸汽离开，来回收热。本发明的优选工序是：供应过热气体蒸气(例如，蒸汽)11，将热储存在冷凝蒸气(例如，蒸汽)的介质18中并且然后将冷凝液体20(例如，水)排出至罐22，等待需求，并且在将冷却液体20重新引导到容器内以后再生加热的气体蒸气(例如，蒸汽)11。

[0080] 优选地，过热蒸汽输入部15和再生蒸汽输出部28位于处于容器16的顶部38的储存介质18上方，并且液体输出部21和输入部25位于处于容器16的底部39的储存介质下方。这样，储存介质18和流体流在容器16内竖直定向，比如将容纳在顶部引入的蒸汽11和允许冷凝的液体在传热和相变之后朝出口落下，并且还将在蒸汽再生期间在较冷的液体20被引入后容纳蒸汽上升。这种设置有助于过热蒸汽11的再生。

[0081] 应该进一步理解的是：容器顶部上的输入部15和输出部28实际上可以是随时间具备相应所述的入口和出口功能的单个双向端口，并且处于容器底部的出口21和入口25同样可为具备相应所述功能的另一单个双向阀。在任何情况下，优选这些端口在充填储存介质期间和再生时打开而在储存期间关闭。

[0082] 此外，在优选实施例中，为了防止在长期的储存期间特别是当床中存在温度梯度时通过颗粒物的传热，以便能够在床中缓慢加热至很高的温度，我们优选在卵石床内间隔地设置绝热多孔板或多孔物质，孔足够小以容许流体流动同时保持陶瓷材料19’。

[0083] 对于许多应用而言，特别是在用于分配能量的小规模机组——其不可利用具有再热功能的涡轮——中，蒸汽是有利的传热流体选择。对于使用气体作为驱动流体的发电机组(例如，燃气涡轮、斯特林(Stirling)发动机或类似装置)而言，本发明使得能够使用与用作工作流体的气体相同的气体作为传热流体。

[0084] 可以进一步理解的是：在H2O系统中不需要用于再热工作流体的锅炉；被充填的储存容器16是锅炉。在本发明的优选CO2实施方式中，再生的过热CO2将被传送至锅炉以产生蒸汽，该蒸汽又将驱动蒸汽涡轮。

[0085] 图3-5提供了本发明的不同实施例中热传播的对比。图3示出了利用CO2传热流体系统的热前缘传播，示出了在热回收期间压力为1500psi时在容器内热前缘的行进的图示。

[0086] 图4示出了在热回收期间压力为1500psi和温度为1200℉时，在本发明的H2O系统中过热蒸汽的热前缘传播。本领域技术人员可以理解，在恒定的压力，过热越大，前缘就越陡峭，并且前缘越陡峭，传热就越有效。在储存蒸汽热的过程中，在一个实施例利用较低的压力完成使用相同的过热回收蒸汽以避免由相变导致的“箍缩(pinch)”(在“Z”处)。只要最终蒸汽温度保持恒定，降低压力对效率的影响就小。参看图4可以看到，当前缘行进时存在不断增长但短平的温度前缘区段。只要完全被加热的区段内保持这种状况，蒸汽就会被过热。图4和图5中的图示只是示意性的并且是基于整个床中的温度恒定这样的假设。
本领域技术人员可以理解，在实际循环中，温度轮廓要复杂得多，但温度前缘的特征类似于图4和图5中所示的那些。

[0087] 本领域技术人员可以进一步理解，该处于恒定温度的短区段会导致储存循环中的“箍缩”。克服这种箍缩效应的一种方式是在更低的压力执行回收循环使得平直区段低于用于储存的蒸汽的沸点。这在图5中示出，通过将压力降至600psi(或甚至400psi)，该平直区域Z的温度显著降低至进入储存装置的新鲜蒸汽的沸点以下。由于储存不是在低于沸点完成的，所以箍缩无关紧要。

[0088] 如果在储存循环端部的平直区域短，则存在克服箍缩的可选方式，即，通过供应热以仅使用额外蒸汽的过热克服此平直区域内的箍缩。冷凝以及冷却冷凝的水的额外热将导致冷区段中较高的温度。当平直区段短时这是有用的。这两种方法可以在需要时结合和优化。在大多数情况下，优选第一种方法。允许我们降低压力的是：在恒定的过热，压力对自由能的影响小。

[0089] 在回收期间热前缘的形成由于以下事实发生：加热率的斜度由于蒸发发生在恒定温度的事实而变成水平或中断。在一个实施例中，我们降低压力以适应这种情况。如图5所示，通过将压力降至600psi(或甚至400psi)，该平直区域Z的温度显著降低至进入储存装置的新鲜蒸汽的沸点以下。可替代地，更多蒸汽被供给至储存装置，其热量随着热水接近沸点而被回收。为了更高效率，可将热水供给至收集器或锅炉以增加热并维持系统效率。这两种方法可以在需要时结合和优化。在大多数情况下，优选第一种方法。允许我们降低压力的是：在恒定的过热，压力对自由能的影响小。

[0090] 此外，在优选实施例中，为了防止通过颗粒物的传热以便能够在床中缓慢加热至很高的温度，我们优选在卵石床内部间隔地设置绝热多孔板，孔足够小以保持填充材料，或可替代地，我们可使用尺寸与储存颗粒物相同的绝热颗粒物的薄层。

[0091] 对蒸汽可被储存的温度和压力没有进行物理限制。问题在于成本。随着压力上升至1800psi，容器的成本开始急剧上升。在我们的优选设计中，只要压力低于比方说1200psi，压力对成本的影响就很小，或甚至在1500psi影响仍然小。如果需要，并且论证了更高的成本是合理的，则可将储存容器设计成用于更高的压力。

[0092] 同样的情况应用于温度。储存方法本身并没有温度限制，但在1100或1150℉以上，容器和管道应当由可在高达1500℉使用的不锈钢制成，尽管在实践中很少存在需要在高于1400℉的温度储存蒸汽的应用。但是，通过使用陶瓷涂层使容器与内部绝热并且然后未进行与外部绝热，可在更高的温度使用标准钢质容器。

[0093] 在本发明的优选实践中，热沿着比较明显的前缘传播以最大化传热，其中，通过在热前缘到达出口之前停止或倒转循环，热出口总是保持热并且冷出口保持冷。非常优选的是：储存容器的热端总是保持在待储存的蒸汽或蒸气的最高温度。因此，虽然热端的温度可变，但优选储存容器的热端保持在基本上恒定的温度。冷端仅需处于低于用于充填的蒸汽或蒸气的沸点的温度。因此，冷端的温度可变而不用优选保持在基本上恒定的温度。

[0094] 可以理解的是：本发明在热和交换的循环过程中利用了回热式热交换器的原理，这种回热式热交换器过去已用来通过使热废气与被供给至燃烧器的新鲜空气进行热交换而提高发电机组的热效率。最近在循环催化反应器的开发中已使用相同的原理。通常，对于回热式热交换器和循环催化反应器而言，循环交替并且持续时间相等，而气体速度在两个方向上也相等。

[0095] 本发明包括这种认识：可对这些循环热交换器进行修改以提供增加的发电值，其中储存介质的充填在热储存之后被中断，储存介质储存热直到其需要为止。根据储存系统的容量，这可以用于任何实际的时间段。

[0096] 本领域技术人员可以理解，为了生成明显的前缘，在垂直于通过介质的流动方向的截面上使供给均匀。在优选的实施例中，我们使用具有压降的流分配器并且我们要求储存装置的传热阻力足够低并且卵石的热传导率足够高而它们的尺寸足够小，因此达到气流的温度所需的时间与气体停留时间相比可以接受地较短或甚至很短，并且颗粒物的温度因此实际上甚至瞬时跟随周围流体的温度。

[0097] 在优选实施例中，储存介质适用于宽温度范围，优选从环境温度至特定发电技术所需的最高温度以上。该温度对于高效蒸汽发电机组而言为约1350℉，而对于燃气涡轮而言为2200-2500℉。可实现的最高温度还决定了储存成本。事实上，虽然高温可能要求更昂贵的材料，但所需的储存量以及因此系统的成本与发电循环的顶部温度和底部温度之差成反比，正如发电机组中那样。

[0098] 在优选实施例中，储存介质具有高热容量以最小化储存量，并且优选使用可获得的、众所周知的材料，该材料可大批量生产以降低成本。在优选实施例中，储热介质使用小氧化铝球丸。

[0099] 利用水/蒸汽作为传热流体具有高传热系数的优点。迄今为止还没有对过热蒸汽的实用储存。但在本发明中，甚至可使用过热蒸汽，优选如上所述从顶部向下填充储存容器。以后，可通过在底部供给冷水、以对流方式再生、并作为实际上处于与最初储存相同的温度和压力的过热蒸汽从顶部离开，来回收热。

[0100] 图5示出了压力为600psi时H2O系统中的热前缘传播。通过将压力降至600psi(或甚至400psi)，该平直区域Z的温度显著降至进入储存装置的新鲜蒸汽的沸点以下。可替代地，当箍缩区域小时，我们可仅对储存装置供给更多蒸汽作为接近沸点的热水，蒸汽的热将被回收。热水可被供给至收集器或锅炉，增加了它们的流量使得不会损失热，因为使用相同的热输入产生了更多蒸汽。这两种方法可以在需要时结合并优化。在大多数情况下，优选第一种方法。允许我们降低压力的是：在恒定的过热，压力对自由能的影响小。

[0101] 对蒸汽可被储存时的温度和压力没有物理限制。问题在于成本。随着压力上升至1800psi以上，容器的成本开始急剧上升。在我们的优选设计中，只要压力低于比方说1200psi或甚至1500psi——其中效果仍然小，压力对成本的影响就很小。如果需要，并且论证了更高的成本是合理的，则可将储存容器设计成用于更高的压力。

[0102] 同样的情况应用于温度。储存方法本身并没有温度限制，但在1100或1150℉以上，容器和管道应当由可在高达1500℉使用的不锈钢制成，尽管在实践中很少存在需要在高于1400℉的温度储存蒸汽的应用。但是，通过使用陶瓷涂层使它们与内部绝热并且然后并不希望与外部绝热，可在较高的温度使用标准钢质容器。

[0103] 每个容器的长度和所需容器的数量取决于具体设计。实际设计取决于负荷模式和物理约束，并且优选通过确保在所有条件下热前缘都保持足够明显以保证加热的蒸汽离开储存容器时的顶部温度始终保持在期望值而引导设计。

[0104] 蒸汽储存发明的一些示例性应用：

[0105] 聚光太阳能发电机组(CSP)：

[0106] 大部分目前正在运行的CSP机组，以及正在开发的CSP机组，使用在锅炉中产生的蒸汽作为工作流体，同时如果存在，它们在收集器和储存装置中使用另一种传热流体。但是，存在使用蒸汽作为传热流体操作的CSP机组。我们相信，沸腾水/蒸汽系统可提供最好的传热功能。

[0107] 一个已知示例是利用在容器内储存加压的沸水并通过降低压力产生蒸汽的短期储存方法在600℉操作的太阳能塔。这种做法的效率不高。但在本发明的实践中可容易地修改这种塔以使用比方说1200℉的温度产生蒸汽，并且过热蒸汽在热效率方面大大优于饱和蒸汽。

[0108] 可利用具有在1050℉或更高温度产生过热蒸汽的直接蒸汽发生的槽式收集器。但这些收集器目前缺乏储存装置。在本发明的实践中，我们提供效率很高的储存装置，以在相同的压力和过热，或在一些情况下在相同的过热但较低的压力，收回精确相同的蒸汽。这增加了储存装置的ΔT并因此减小了储存容器的尺寸和它们的成本。

[0109] 蒸汽大大优于目前分别被用作传热流体和储存介质的导热姆换热剂(Dowtherm)和熔盐，因为它没有温度限制。它也不需要热交换器或锅炉。同样，H2O系统可被最经济地既用作工作流体又用作传热流体。

[0110] 本发明的蒸汽系统无需锅炉，因此不存在热交换器引起的温度损失。设计简单并且不需要压缩机；管线或收集器内的压降具有很小的影响，因为在恒定的过热和没有再热的情况下，效率仅为压力的弱函数。

[0111] 具有直接蒸汽的太阳能发电机组对于多种用途是有利的。在具有直接蒸汽的情况下，无需重新压缩任何气体或长距离泵送传热流体，这两者均需要派生的动力消耗。在不进行再热的直接蒸汽使用中，仍然实现了较高的温度而无需传热。较高的温度加上不存在派生损耗，补偿了效率与增加的再热的差别的相当大一部分。

[0112] 直接蒸汽的一个优选应用是用于小型CSP机组，比方说低于100MW，并且特别是用于规格低至或许50kW的更小型的分配式CSP机组。这些对于偏远地区是有用的。

[0113] 发电机组具有显著的尺寸因素。具有一定效率和污染控制的10MW常规燃煤发电机组比用于相同条件的200MW机组每kWh贵大约三倍多。

[0114] 尺寸对成本的影响对于具有直接蒸汽储存装置的CSP机组而言小得多。用于我们的方法的CSP收集器和储存容器是优选大批量生产并且尺寸定制成容易运输的模块组件。在示例性系统中，我们需要的无非是连结在一起的足够的收集器、储存容器、泵和涡轮，并且尺寸影响仅与占CSP的总成本一小部分的涡轮和泵相关。这种情况下，具有直接蒸汽储存装置的CSP的简单性使其对于小型机组而言大大优于煤或其它类型的CSP或太阳能。

[0115] 太阳能直接蒸汽储存具有决定性优点的第二种应用是用于为用于大型化工厂和精炼厂的蒸汽和电力联产或为用于在具有充足阳光的地区进行重油回收或类似用途的大规模蒸汽发生而设计的CSP机组。在所有这些应用中，必须进行24小时运行并且本发明的储存方法可比任何其它CSP设计更便宜地提供这一点。

[0116] 对于所有这些应用而言，过热蒸汽是优选的，其由于低温饱和蒸汽的储存根据本发明是可行的而重要，但将更加昂贵。应当针对应用选择蒸汽的压力，但对于储存而言，建议将压力保持在1500psi以下，因为高压力使储存成本过高。对于具有直接蒸汽发生的小型CSP机组而言，这种高压力无论如何都不合适：这种情况下1000psi就足够了。另一方面，至少在1000℉以上的过热既提供了效率又提供了低储存成本。

[0117] 图6示出了用于小规模聚光太阳能发电机组50的又一实施例。太阳能收集器52被提供有来自水罐56的水并在收集器内产生过热蒸汽58，该过热蒸汽经由控制器62被供给至蒸汽涡轮60以在输出部64产生电力。当以低于峰值功率运行时，额外或多余的过热蒸汽58在控制部62被转移到储热装置66内，该储热装置如前文所述储存来自转移的蒸汽的热。冷凝水55经由控制器62返回到罐56。当需要取回热时，将来自罐56的冷水68优选从下方以对流方式被引导到储热罐66内。水被转换成过热蒸汽70并从储存装置66的顶部取回且被用来驱动涡轮60以在输出部64产生电力。

[0118] 图6的实施例满足特别的需要：向阳光充足但未与电网连接并且可短期供应燃料和水的偏远地区供应电力。这种情形在许多不发达国家和建立与电网的连接太昂贵的地方存在。为了供应小型村庄或城市，这种机组的尺寸应当介于或许50KW至20MW之间。这些小型机组每千瓦本来就比大型机组更昂贵，但它们在不存在电网或矿物燃料的情况下具有一定竞争力，比使用蓄电池的PV便宜得多，并且在无法获得用来建造更大型机组的资源的地方是必需的。

[0119] 优选地，这种小型CSP机组应当具有低维护需求并且在不需要专门的全职操作人员或许多技术人员的情况下运行。另外，希望较大的储存容量，优选超过一天。水冷却应当是不需要的。根据本发明的设计满足所有这些要求。

[0120] 优选实施例的特征是抛物线形槽式收集器或其它成套的收集器，其中热交换流体是基于H2O的(例如，水被供给至收集器并被加热成过热蒸汽)。这些收集器可从若干公司(例如，Schott公司)以能够进行大批量生产的设计获得。过热蒸汽可被直接供给至设计为具有空气冷却的背压涡轮的蒸汽涡轮；冷凝水被再循环至储存罐且然后被再循环至收集器。

[0121] 如果当地条件容许，则该CSP机组可在涡轮60为背压涡轮的情况下具备第二功能。离开背压涡轮60的蒸汽74可用于对当地的水源进行净化或脱盐。如图6所示，蒸汽*124被作用至脱盐锅炉126，其中输入的H2O被处理并作为可饮用水H2O 输出。

[0122] 应当理解的是：根据本发明，提供了一种储存系统，其可储存过热蒸汽的热并且在需要时可产生具有相同过热的蒸汽。该系统简单。未设置压缩机或锅炉并且仅设置少数几个泵。整个系统可设计和制造成用于通过卡车运输以便容易在现场组装。另外，其可设计成完全自动控制。其成本也较低。

[0123] 在此实施例中，具有位置远离电网的小型当地村落的不发达国家可获得可靠的能源，因此此系统比基于与电池结合的太阳能电池的系统便宜得多。小型CSP机组可用来产生用于通信、致冷和照明的电力，而且用于净化当地水源、灌溉和农业，并用于为小规模工业提供电力。在发展中国家，小型机组也可用于分配式能量。虽然它们与大型发电机组相比效率更低且成本更高，但它们对于偏远地区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：虽然文中论述了特定实施例，但蒸汽的直接使用并不局限于小型机组并且可用于各种受益的应用中。

[0124] 联合循环发电机组：

[0125] 本发明不仅涵盖了独特的储存方法，而且涵盖了其应用。具有许多实施方案的一个应用是联合循环发电机组(CCPP)中的蒸汽储存。

[0126] 联合循环发电机组具有高温燃气涡轮，该燃气涡轮的热排气用来为附属的蒸汽发电机组提供热，对于气态燃料而言联合循环发电机组是最有效的发电机组(效率高达60％)，高于任何基于矿物燃料的发电机组。它们可通过天然气、柴油、甲醇和其它更轻的清洁燃料来供应燃料，并且还用于从煤提供清洁电力的IGCC发电机组中。燃气CCPP目前供应美国在用电力的20％。

[0127] 但是，所有CCPP均具有这样一个缺点：它们不能快速进行负荷跟踪。要实现高效率，燃气涡轮必须在最大负荷运行，并且当负荷低于80％时它们变得效率很低。但是，它们可在比燃煤发电机组短得多的时间内停机和再次起动，后者具有很高的调节比(8∶1)但是起动要花费至少半天。

[0128] CCPP目前广泛应用。CCPP的蒸汽发电机组部分供应CCPP机组总电力的36-45％，并且本身具有高调节比。但是，由于蒸汽机组必须接收来自燃气涡轮的所有热气体，不能够利用这种控制能力。但是本发明对储存蒸汽的创新完全改变了这一点。

[0129] 根据本发明，可通过将任何不需要的蒸汽转移至储热单元而单独控制蒸汽机组。燃气涡轮总是在最佳容量运行并且所有输出的控制都通过控制被供给至蒸汽轮机的蒸汽的量来完成，将其余蒸汽转移至储存装置。为了利用所储存的蒸汽，除储存装置以外，还提供另外的蒸汽涡轮，其尺寸可基于所设计的负荷跟踪能力而选择。因此，其可大于原来的机组中的蒸汽涡轮，以在设计的时间段提供更大的峰值功率或负荷跟踪能力。因此，提供了具有40％调节能力的快速负荷跟踪能力，以及以甚至大比率短时间增加功率的能力。这完全改变了联合循环机组进行负荷跟踪的能力。

[0130] 常规的蒸汽发电机组：

[0131] 美国电力的50％且在世界范围内大部分电力仍然由常规的蒸汽发电机组供应，主要部分由煤供给，但一些发电机组燃烧重油、石油、焦炭和天然气。污染控制已增加了它们的成本。向电网增加绿色能源增加了对我们的发电机组中更可行的控制功能的需要，而本发明可提供这一点。

[0132] 由于它们的快速响应和高调节比，标准蒸汽发电机组可仅通过具有充足的过载容量而处理任何负荷问题和高负荷变化，这正是过去所进行的事业。但是，大过载容量昂贵并且目前短缺。目前，过载容量局限于低电力需求的时段，比如夜间和周末。但是，控制绝大部分是在高需求时段需要。同时，蒸汽的储存可降低电网控制所需的过载容量并提供显著更便宜的替代方案。

[0133] 在此情况下，锅炉始终全负荷运行并且过剩的蒸汽从锅炉给水转移至储存容器。但是，在大部分大型常规发电机组中，过热蒸汽在2500psi或甚至超过3200psi(超临界条件)的高压产生，并且用于高于1500psi的压力的储存容器是昂贵的。

[0134] 此问题有几种解决方案。在一个实施例中，可在再热器之后提取所有蒸汽进行储存，其中蒸汽具有适当更低的压力。即使在需求低的时段，高压涡轮仍将在需要电力时发电。在第二实施例中，蒸汽可绝热地膨胀。为所储存的蒸汽使用再热涡轮是不切实际的，因为蒸汽仅在负荷超过最大容量(锅炉被完全利用的点)时需要；相反，储存单元起到使得在需要时可获得蒸汽的“锅炉”的作用。用于所储存的蒸汽的特别涡轮可根据系统需要定制尺寸，并且如果仅在短时间使用额外负荷，则导致总输出暂时比发电机组的设计容量大得多。该方法是一种用来处理峰值负荷和负荷波动的非常成本有效的工具，允许比建造新的燃煤发电机组便宜得多地增加短时间额外容量，并且比仅将新发电机组的装机容量增加至大于稳定运行所需的容量更便宜。

[0135] 地热机组：

[0136] 地热机组可容易地进行负荷跟踪，但是，由于地热电力的主要成本是特定容量的投资成本，因此重新定向(即，降低)容量以控制负荷跟踪导致很大的经济损失。本发明的储存装置克服了这种与其它发电机组有关的地热问题。本发明的用于储存蒸汽热的系统允许在电力需求低的时段并因此以低电价储存蒸汽。当在电力成本较高时(即，在需求高时)从储存装置回收电力时，节省了大笔开支。这是因为本发明的储存装置每kWh的储存成本比高需求与低需求之间的价差低得多。

[0137] 现在可以理解的是：根据本发明，蒸汽热能能够以很高的效率储存并以节省成本的方式取回和使用。过热蒸汽本身不能以合理的成本有效地储存，但本发明提供了与通过在高温储存过热蒸汽并取回过热蒸汽而储存蒸汽一样好的解决方案。

[0138] 本发明解决了现有技术发电机组和发电行业所面临的多个问题。本发明能实现太阳能的储存并且能实现在不可利用太阳能的时段发电。常规的发电机组可配有储热能力，以在需要负荷跟踪和电网波动的控制时在非峰值时段储存热量并且在峰值时段或任何时段将其用于额外的容量。在具备这种储存能力的情况下，这些发电机组为电网提供了改进的控制功能。同样，通过增设辅助涡轮，可使发电机组的峰值负荷容量超过其正常容量并且减少对用于峰值需求的附加发电机组的需要。

[0139] 可以理解的是：可在所附权利要求的范围内实施特定的变化和改型。因此，应当认识到：根据本发明，其它系统、功能、方法及其结合是可能的。此外，虽然参照本发明的具体实施例和附图描述了本发明，但实施例和附图只是示例性的，并且不对本发明的范围构成限制。

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