改进的储热装置

摘要

一种热存储系统（400），其包括系统气体进口（460），系统气体出口（470），及至少两个在所述系统气体进口与系统气体出口之间连接在一起的热存储器（401，402），各所述热存储器包括腔室，所述腔室具有气体进口（461，462），气体出口（471，472），及设于所述进口与出口之间的透气热存储介质（431），所述系统还包括可操作地连接至旁通通路的流控制器（451，452，453，454，457）并且所述系统配置为，在工作期间，根据热传递的进程，能针对串联存储器中使用哪些存储器（401，402）来选择性地改变气体的流动路径，所述气体流经所述系统（400）以将热能传递至所述存储介质（431）或传递来自所述存储介质（431）的热能。

权利要求

1.一种热存储系统，其包括系统气体进口、系统气体出口、及三个以上在所述系统气体进口与系统气体出口之间串联连接在一起的热存储器，其中各所述热存储器包括腔室，所述腔室具有气体进口、气体出口，及设于所述气体进口与气体出口之间的透气热存储介质，其中，除串联的热存储器中的最后一个之外，各热存储器出口能选择性地连接至所述系统气体出口或串联的热存储器中下一个热存储器的所述进口，所述系统还包括可操作地连接至旁通通路的流控制器并且所述系统配置为，在工作期间，根据热传递的进程，能针对串联的热存储器中使用哪些热存储器来选择性地改变气体的流动路径，所述气体流经所述系统和流经所述热存储介质以将热能传递至所述热存储介质或传递来自所述热存储介质的热能。

2.如权利要求1所述的热存储系统，其中，所述热存储介质包括多孔或颗粒固体。

3.如权利要求1所述的热存储系统，其中，除串联的热存储器中的最后一个之外，各热存储器进口能选择性地连接至串联的热存储器中下一个热存储器的所述进口。

4.如权利要求1所述的热存储系统，其中所述系统配置为，在工作过程中，根据热前缘的首边沿的进程，气流能被导向入串联的热存储器中的下一个热存储器，其中所述热前缘发生在所述热存储器中热传递最为活跃的区域，所述热前缘的首边沿为活跃热传递区域的下游端。

5.如权利要求4所述的热存储系统，其中所述系统配置成，保持所述气体的流动路径的改变，以使之绕开含有所述首边沿之热存储器下游的所有串联的热存储器。

6.如权利要求1所述的热存储系统，其中所述系统配置为，在工作过程中，根据热前缘的尾边沿的进程，气流能被停止穿过热存储器，其中所述热前缘发生在所述热存储器中热传递最为活跃的区域，所述热前缘的尾边沿为活跃热传递区域的上游端。

7.如权利要求6所述的热存储系统，其中所述系统配置成，保持对气流路径的改变，以使之绕开含有所述尾边沿之热存储器上游的所有串联的热存储器。

8.如权利要求1所述的热存储系统，其中：

所述系统配置为第一重定向，使得在工作过程中，根据热前缘的首边沿的进程，气流能被导向入串联的热存储器中的下一个热存储器；

所述系统配置为第二重定向，使得在工作过程中，根据热前缘的尾边沿的进程，气流能被停止穿过热存储器；并且所述气流的所述第一重定向和所述第二重定向相互独立，

其中所述热前缘发生在所述热存储器中热传递最为活跃的区域，所述热前缘的首边沿为活跃热传递区域的下游端，所述热前缘的尾边沿为活跃热传递区域的上游端。

9.如权利要求1所述的热存储系统，其中三个以上的热存储器串联且并联。

10.如权利要求1所述的热存储系统，其中串联的热存储器至少包括两种不同的类型。

11.如权利要求1所述的热存储系统，还包括用于选择性地改变所述气体的流动路径的控制系统。

12.如权利要求4所述的热存储系统，还包括用于选择性地改变所述气体的流动路径的控制系统，其中使用控制逻辑将所述气流导向入串联的热存储器中的下一个热存储器。

13.如权利要求1所述的热存储系统，其中串联的热存储器中的至少一个热存储器的所述透气热存储介质为平均颗粒尺寸小于等于20mm的颗粒。

14.一种操作热存储系统的方法，所述系统包括系统气体进口、系统气体出口、及三个以上在所述系统气体进口与系统气体出口之间串联连接在一起的热存储器，其中各热存储器包括腔室，所述腔室具有气体进口、气体出口、及设于所述气体进口与气体出口之间的透气热存储介质，其中除串联的热存储器中的最后一个之外，各热存储器出口能选择性地连接至所述系统气体出口或串联的热存储器中下一个热存储器的所述进口，所述系统还包括可操作地连接至旁通通路的流控制器，其中使得气体流经所述系统以将热能传递至气体正流经的所述热存储介质或传递来自气体正流经的所述热存储介质的热能，并且根据热传递的进程，能针对串联的热存储器中使用哪些热存储器来选择性地改变气体的流动路径。

15.如权利要求14所述的方法，其中，根据热前缘的首边沿的进程，气流被导向入串联的热存储器中的下一个热存储器，其中所述热前缘发生在所述热存储器中热传递最为活跃的区域，所述热前缘的首边沿为活跃热传递区域的下游端。

16.如权利要求15所述的方法，其中，当所述气体出口温度已经上升或下降到某一预设水平时，所述气流被导向入串联的热存储器中的下一个热存储器。

17.如权利要求15所述的方法，其中，保持所述气体的流动路径的改变，以使之绕开含有所述首边沿之热存储器下游的所有串联的热存储器。

18.如权利要求14所述的方法，其中，根据热前缘的尾边沿的进程，气流能被停止穿过热存储器，其中所述热前缘发生在所述热存储器中热传递最为活跃的区域，所述热前缘的尾边沿为活跃热传递区域的上游端。

19.如权利要求18所述的方法，其中，保持所述气体的流动路径的改变，以使之绕开含有所述尾边沿之热存储器下游的所有串联的热存储器。

20.如权利要求14所述的方法，其中根据热前缘的首边沿的进程，气流被导向入串联的热存储器中的下一个热存储器，并且其中根据热前缘的尾边沿的进程，气流能被停止穿过热存储器，并且其中所述气流的所述导向和停止相互独立，其中所述热前缘发生在所述热存储器中热传递最为活跃的区域，所述热前缘的首边沿为活跃热传递区域的下游端，所述热前缘的尾边沿为活跃热传递区域的上游端。

21.如权利要求14所述的方法，其中所述热存储系统为如权利要求1～3或9～13中任一项所述的热存储系统。

22.如权利要求14所述的方法，其中三个以上的热存储器串联且并联，并且其中在蓄热相过程中，或者在放热相过程中，以串联和并联的方式使用热存储器。

23.如权利要求22所述的方法，其中一个热前缘被分割并用来生成多个热前缘。

24.如权利要求22所述的方法，其中多个热前缘被合并而生成一个热前缘。

25.电力存储系统，包括如权利要求1～13中任一项所述的热存储系统。

说明书

改进的储热装置

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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”。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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，

[0011] 填充床球体10mm直径(立方填充)约为314m2/m3

[0012] 填充床球体1mm直径(立方填充)约为3140m2/m3

[0013] 多孔金属泡沫每英寸5孔(12％密度)约为430m2/m3

[0014] 多孔金属泡沫每英寸40孔(12％密度)约为2100m2/m3

[0015] 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％。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 在储热的情况下，在存储容器中形成“热前缘”，即，在存储介质和/或气体中带有向下游移动距离的温度升高或降低，所述热前缘发生在存储器中热传递最为活跃的区域。图3示出了热存储器中的热前缘形成，并且示出了对热存储器蓄热而在存储器的区域中形成热前缘，所述热前缘向下游行进并且通常初始时相当陡峭但随着蓄热的继续而渐渐变得平缓。由此，所述热前缘开始时的长度为L1，但随着热前缘向容器的下部移动其长度延长为L2，然后延长为L3。由于前缘通常是呈渐近线形状，因此可根据TH2和TA2(峰值温度的3％和开始温度之内)之间的前缘长度来讨论前缘长度。若设定不同的标准，即，峰值温度的3％和开始温度之内，则标示前缘长度将会稍长。

[0019] 对于某一存储器几何形状，较长的前缘会导致较低的热损失，但是前缘长度也会减小存储器的可用量，即，其会减小存储效用。若存储器的直径为5m，长度为10m，并且热前缘的长度为5m，则存储效用减少约50％。

[0020] 若使用相同尺寸的存储器并且减小颗粒尺寸，则可利用短很多的前缘达成相同级别的热损失。由此，较小的填充床颗粒尺寸或较小的多孔介质孔尺寸趋向于具有较佳的热传递，较低的热损失，及较佳的热效用(较短的热前缘)。有一个不利之处是具有与流经填充床的流体流相关的压降，并且这一压降会随着颗粒尺寸或孔尺寸的减小而显著增大。

[0021] 颗粒尺寸增大使得流体流的阻力增大，而阻力增大使得流体中的压降(δP)增大。压力并非是向量，但可相对于距离定义压力梯度。在热存储器中，存储器长度L上具有某一压降δP，其意味着压力梯度为δP/L。这一压力沿流体速度的方向减小，气体压力才由此在气体经过存储器之后将会变小。这一压降也是不将填充床颗粒尺寸减小至非常小尺寸(这会导致非常高的热可逆性)的原因。压降带来的损失大于更小颗粒尺寸带来的益处。

[0022] 因此，本申请人意识到需要一种改进的能量存储系统，其克服或者至少减轻与现有技术相关的一些问题。

发明内容

[0023] 本发明提供了一种热存储系统，其包括系统气体进口、系统气体出口、及至少两个在所述系统气体进口与系统气体出口之间串联连接在一起的热存储器，其中各所述热存储器包括腔室，所述腔室具有气体进口、气体出口、及设于所述进口与出口之间的透气热存储介质，所述系统还包括可操作地连接至旁通通路的流控制器并且所述系统配置为，在工作期间，根据热传递的进程，能针对串联热存储器中使用哪些热存储器来选择性地改变气体的流动路径，所述气体流经所述系统以将热能传递至所述存储介质或传递来自所述存储介质的热能。

[0024] 随着气体流过存储介质以进行热传递时，会发生与这一收缩流相关的压降。在非常大的热存储器中，这可能是非常大的压降。例如，通过将整个热存储器容量分为独立的热存储器并且使得能够随着热传递的进行随时间改变气体的流动路径，通过使得穿过非活跃热存储器(例如，热传递基本完成的热存储器)及/或发生最小热传递的热存储器的气流为最小，从而能够使得这一压降最小化。所述气体的流动路径可设置为，例如通过经过热存储器的代替路径，而绕开此类非活跃区域。

[0025] “串联在一起”系指各热存储器出口连接至串联热存储器中的下一热存储器的进口，以使得在一个容器中进行热传递的气体随后可以被依次传递至下一容器中并且在下一容器中进行热传递。这一连接使得要进行传递的热前缘在一个容器和下一容器之间基本保持原样；例如，在最终移出上游热存储器之前(即，当上游热存储器完全蓄热时)，热前缘可保持散布在串联的两个热存储器内一段时间。

[0026] 根据所需的热存储容量，可串联三个、四个、五个或更多个热存储器。一实施例中，系统配置为随时间改变气体的流动路径以使其穿过那些发生大量活跃热传递(例如，存在显著的温度梯度)之存储介质区域的热存储器。可改变气体的流动路径以使之与被监视的热前缘的自然行进相适应，并且可通过传感器进行监视这一过程。在热传递仅在一个热存储器中活跃的情况下，气体的流动路径可排除上游和下游的所有其他热存储器。然而，若热前缘延伸超过两个相邻热存储器，可将气体的流动路径限制在那两个热存储器中，并因此将气体的流动路径改变为将其导向为仅穿过那些热传递活跃的热存储器。因此，气体的流动路径可延伸超过多个热存储器。

[0027] 一实施例中，系统中的所有热存储器串联在一起。一实施例中，所述系统配置为可将各热存储器单独与气体的流动路径隔离(即，绕开)。

[0028] 用以改变气体的流动路径的流控制器可将气流导入旁通通路，以使得热传递的行进过程中将一或多个热存储器从气体的流动路径中排除。流控制器可位于热存储器进口及/或出口及/或各热存储器之间，并且流控制器可包括双通，三通(或更多通路的)阀。例如，流控制器可设于热存储器出口和下一热存储器进口之间以允许或阻止气流经过连接。

[0029] 热存储器通常为用于气流垂直地流经其中的直立容器，以使得热前缘向上或向下流经热存储器，并且不受对流的影响(即，最热的气体总是从热存储器的顶部进入或离开)。

[0030] 热存储系统中，串联热存储器中至少有一个热存储器出口可选择性地连接至系统出口或串联热存储器中其他一或多个热存储器的进口；除串联热存储器中的最后一个之外，各热存储器出口可选择地连接至所述系统出口或串联热存储器中的随后一或多个热存储器的所述进口。

[0031] 所述系统中，串联热存储器中至少有一个热存储器进口可选择性地连接至串联存储中一或多个热存储器的进口；除串联热存储器中的最后一个之外，各热存储器进口可选择地连接至串联热存储器中下一热存储器的所述进口。

[0032] 一实施例中，所述系统配置为，在工作过程中，根据热前缘的首边沿的进程，能够将所述气流导向(或移动)入串联热存储器中的下一热存储器。所述系统可配置为，保持对气体的流动路径的改变，以使之绕开含有所述首边沿之热存储器下游的所有串联热存储器。

[0033] 一实施例中，其中所述系统配置为，在工作过程中，根据热前缘的尾边沿的进程，能够停止所述气流穿过热存储器。所述系统可配置为，保持对气体的流动路径的改变，以使之绕开含有所述尾边沿之热存储器上游的所有串联热存储器。

[0034] 根据所述首边沿和尾边沿进行气流重定向最好是相互独立进行。这意味着多热存储器系统也可适用于长度随时间变化的热前缘，而通常热前缘的长度都会随着热传递的进行而变化。

[0035] 带有串联的独立热存储器的热存储系统的优点在于可容易地将不同类型的热存储器(例如，两种或三种不同的类型)结合入串联热存储器中。因此，热存储器可包括具有定制存储特性的各不同热存储器，并且所述系统可包括多个不同的预编程控制序列，所述序列包括仅使用串联热存储器中的某些热存储器(控制气体的流动路径以绕开不需要的热存储器)。例如，热存储器可为不同的尺寸(宽度或高度)，具有不同类型的存储介质(例如，不同孔隙度或颗粒尺寸或材料类型)，或者可在热存储器内部进行不同的分隔。

[0036] 一实施例中，两个或两个以上的热存储器使用时仅进行串联。

[0037] 一实施例中，两个或两个以上的热存储器同时串联且并联。尽管热存储器进行串联是最根本的，但可设置旁通通路以并联热存储器。这有许多优点。这可简单高效地分别将各热存储器进口连接至系统进口，并且将各热存储器出口连接至系统出口。并联结构还使得系统能够灵活地满足需求，从而能够与串联流、或并联流、或串并联混合流一起工作。蓄热相中，例如，可使用本身并联蓄热的一组三个热存储器对一个热存储器进行串联蓄热，即，一个热存储器可供给三个热存储器，或者，在放热时相反。组合的串并联连接还使得可不按顺序对热存储器进行蓄热，或者根据其自身的独有特性选择某些热存储器。因此，如前所述，带有串并联热存储器的系统有利地可具有各带有不同存储介质特性的热存储器(例如，本系统中至少有两个具有不同存储特性的热存储器)。

[0038] 一实施例中，所述系统中的所有热存储器都串联且并联。

[0039] 就有关蓄热和放热(发生气流反向)的热存储器和旁通通路系统的结构而言，所述系统的布置可为非对称。

[0040] 随着存储介质颗粒尺寸减小，使用根据本发明的可避开的多个热存储器而不是单个简单热存储器变得更加有利。一实施例中，串联热存储器中至少一个热存储器中的透气热存储介质为平均颗粒尺寸小于等于20mm的颗粒。

[0041] 热存储系统还包括用于选择性地改变所述气体的流动路径的控制系统。控制系统可包括位于各热存储器的进口及/或出口的传感器以及热存储系统本身的传感器。然而，例如在工作方式是公知的或是可预测的情况下，通过控制系统进行主动控制并不是必须的。

[0042] 本发明还提供了热能存储系统，其包括至少两个串联在一起的热存储器，其中各热存储器包括腔室，所述腔室具有气体进口，气体出口，及设于所述进口与出口之间的透气热存储介质，所述系统配置为，在工作期间，根据热传递的进程，能针对串联的热存储器中使用哪些热存储器来选择性地改变气体的流动路径，所述气体流经所述系统以将热能传递至所述存储介质或传递来自所述存储介质的热能。

[0043] 所述热存储系统可形成电力存储的一部分，例如，泵式电力存储系统或压缩空气能量存储系统。

[0044] 本发明还提供了一种操作热存储系统的方法，所述系统包括系统气体进口、系统气体出口及至少两个在所述系统气体进口与系统气体出口之间串联连接在一起的热存储器，其中各热存储器包括腔室，所述腔室具有气体进口、气体出口、及设于所述进口与出口之间的透气热存储介质，所述系统还包括可操作地连接至旁通通路的流控制器，其中使得所述气体流经所述系统以将热能传递至所述存储介质或传递来自所述存储介质的热能，并且根据热传递的进程，能针对串联的热存储器中使用哪些热存储器来来选择性地改变气体的流动路径。

[0045] 所述方法中，所述热存储系统为如前所述的热存储系统。

[0046] 在两个或两个以上热存储器串并联的情况下，在蓄热相过程中，或者在放热相过程中，以串联和并联的方式使用热存储器。例如，一实施例中，一个热前缘被分割并用来生成多个热前缘。一实施例中，多个热前缘被合并为一个热前缘。

附图说明

[0047] 图1为包括根据本发明实施例的多个存储器之热存储系统的示意剖视图；

[0048] 图2a～2i示出了蓄热和放热期间图1所示热存储系统的工作；

[0049] 图3示出了热存储器中热前缘的形成；及

[0050] 图4为结合两个根据本发明所示热存储系统之电力存储系统的示意图。

具体实施方式

[0051] 参考图1，图1示出了为根据本发明的改进热存储器300。所述系统包括热存储容器或存储器401、402、403及404，热介质支撑结构421，热介质431(所述热介质由多孔或颗粒固体制成)，及选择阀451、452、453、454、455、456、457、458及459，由于所述阀旨在将气流导向穿过不同的存储容器，因此所述阀设计为仅用于小压力负载。设有气体进口/出口460、461、462、463、464、470、471、472、473及474。各存储容器中，所述热介质之上和之下的间隙中设有空腔481和491。可使用热交换器485和486选择性地将气体加热或冷却至一或多个基准温度。所述基准温度接近环境温度，并且在所有热损失或热获取受关注的区域通常会进行隔热。

[0052] 这一配置(将介质分为能够被绕开的各串联在一起的独立存储器)使得各存储可设计为具有较大的存储介质比表面，大于将多个存储器组成一个简单的大存储器所能够达成的比表面。在简单的大存储器中，等价比表面下压力损失会非常大(由于气体无法避开任何的存储介质)，并且当用作电力存储系统的一部分时，系统效率会下降。通常可通过减小比表面来减小压力损失(若使用颗粒，则这将导致使用更大的颗粒)，但由于热传递效率较低而会导致系统效率降低，只有通过增加热前缘的长度才能抵消。较长的热前缘会减少存储材料的可用量，或者会增大存储器尺寸(对相同量的存储能量而言)。较长的前缘需要额外的存储介质也会产生额外的压力损失。因此，所提出的实施例将会形成更小，更有效的存储器，特别是用作电气存储系统的一部分时。

[0053] 存储介质可包括任何适于在热存储器所涵盖的温度和压力下进行热交换的材料。所述介质可为设有通路/孔的互联内部网络的单体多孔结构，或可为颗粒材料(包括进行填充而能够透气的纤维、颗粒或其它常用固体材料)的填充床。在使用颗粒材料的情况下，材料越小并且填充地越紧密，则压降的潜在可能越大，因此更有利于使用流调节。因此，在此类存储器中，可使用小于等于20mm，或小于等于10mm，甚至小于等于7mm的颗粒尺寸。

[0054] 本实例中，热交换器486用于从系统去除少量的废热。在这一情况下，无需热交换器485。然而，若这一系统用于存储“冷”，则不需要热交换器486，而需要使用热交换器485作为代替。

[0055] 存储器可用于存储热或“冷”。现参考图2a～2i描述系统及其各存储器的工作，简明起见，省略了热交换器和标号。

[0056] 图1中，系统示出为第一存储器处于完全放热状态，这一状态通常是开始使用时的状态。图中各存储器的左侧示出了这一状态，其代表了贯穿整个存储器的气体温度分布，并且如图所示，整个存储器的温度为TA(环境温度)。尽管如前所述，气体温度分布在工作中会根据气流和颗粒尺寸变化，但静止状态下，气体的温度分布等于固体的温度分布。

[0057] 图2a示出了开始蓄热的系统—热气通过系统进口/出口460流入并且通过阀451将其导入存储容器401的进口461，然后气流在进口461处进入热介质431。随着气体穿过热介质，其变得冷却并且将它的热传递至热介质431。图2a示出了已经在热介质中形成了温度分布。随着这一过程继续，热前缘向存储器的下部移动。如前所述，这一前缘的长度取决于多个不同的因素。在本实例所示的工作模式中，无论何时前缘的长度都不超过存储器长度的两倍，但其他应用中，可能有延伸超过多倍存储器长度的较长前缘。

[0058] 应注意，实际上有两个热前缘，一个位于固体热介质中，而另一个位于气体中。这是由气体与固体热介质431之间的由一系列因素造成的温差所导致，这一系列的因素，例如是流速及热介质431中各成分的尺寸。若热介质由非常小的颗粒(如，沙)制成，则气体与固体热介质之间的温差非常小。若热介质(如碎石)较大，则相同流速气体的温差较大并且气体热前缘与固体热前缘之间会有分离。对热存储器蓄热时，固体热前缘通常会落后于气体热前缘。

[0059] 由于这一稍许的温差，存储器或层的温度永远不会到达气体进入存储器时的温度。因此，当“完全蓄热”时，需要确定不同的存储器和操作使用可能会有不同的温度。

[0060] 气体通过进口/出口471排出系统，然后通过系统进口/出口470排出系统，可通过热交换器486去除气体任何细微的供热。图2b示出了靠近存储容器401端部的前缘。当排出进口/出口471之气体的温度上升至某一预设水平时，通过阀457和阀452对气流进行导向以使之于此时通过进口/出口462进入存储容器402。这样，大部分的热前缘从存储容器401中的存储介质431的端部传递入存储容器402开始处的存储介质431。图2c示出了从存储容器401传递至存储容器402的前缘。如图2c所示，热前缘穿过空腔空间491而进入空腔空间481。
尽管穿过了空腔，但气体并没有机会冷却，因此整个空腔的温度基本恒定，如图中的直线所示。图2d示出了已经完全传递的热前缘。如前所述，这决不是完整的热前缘，而是在某些能带(例如，见图3)，可认为是热前缘的主要部分并且是“完全传递”的部分。

[0061] 图2e中，前缘已经完全传递，并且可认为已对存储容器401进行了完全的蓄热，则将阀451切换为使得气流在此时绕开存储容器401。这一切换动作的控制逻辑例如可为，当空腔491中的气体温度上升至某一范围内的某一温度时(若是对热存储器进行蓄热)，例如，20℃，即，气体进口460中进入系统之气体的温度。

[0062] 图2f中，热前缘接近存储容器402中的存储介质431的端部，并且在将气流切换至存储容器403的情况下并且在最后完全切换至存储容器404时，会发生如图2b～2e所示的类似接近。

[0063] 可独立地控制以对气流进行切换，以使其流入或流出热前缘上游和下游的不同存储器。使得气流流经下一存储器的决定与热前缘的首边沿的状态相关。使得气体停止穿过存储器的决定与热前缘的尾边沿的状态相关。有可能根据是对系统进行蓄热还是放热而改变首边沿的状态和尾边沿的状态。例如，将气流切换至流经下一存储器的决定可为，当空腔491中的气体温度已经上升至某一温度(若是对热存储器进行蓄热)，所述温度超过热交换器进行排出的环境温度达到某一特定范围(例如，50℃)，即，若外部环境为20℃，则当气体温度上升至70℃时进行切换。

[0064] 图2g示出了完全蓄热的系统。图2h示出了开始放热的系统，而图2i示出了处于放热状态的系统，其中前缘的一部分已经留在存储容器401的存储介质431中。这样，当蓄热过程重新开始时，不必从处于环境温度的存储介质形成这一热前缘。

[0065] 现更详细地描述放热模式。由于进行放热，由此气流反向，系统出口470现变为允许冷气体进入(热)存储系统并且首先进入存储器404的系统进口。通过冷气体使得介质冷却，并且活跃传递区域开始朝向存储器404的下游端移动(图2h)。

[0066] 控制热前缘的首边沿(即，活跃传递区域的下游端，也就是离系统进口470最远)的控制逻辑可为，即，将气流从存储器404切换至下一存储器403的控制逻辑例如可为，当空腔481中的传感器记录到气体已经完成冷却至比(热的)开始温度(如仍然代表其余下游存储器的下游)低某一量时，例如，冷却了20℃，则将流动路径(其已经直接行进至系统出口460，见图2h)换成导向至存储器403的进口473。一段时间之后，则使得气流穿过存储器404和403这两者，从而使得这两个存储器中都有活跃的热传递。

[0067] 控制热前缘的尾边沿(即，活跃传递区域的上游端，也就是离系统进口470最近)的控制逻辑可为，即，随着尾边沿接近存储器404的端部，通过对气流导向而使其直接从系统进口470导向至存储器403的进口473而将尾边沿完全切换出存储器404的控制逻辑可为，例如，当空腔481中的温度差不多和(冷)进口温度(现仍然代表活跃热传递区域的上游)一样冷时(例如，仅高10℃)，进行上述切换。

[0068] 可在热交换器486中连续进行热交换以去除气体的少量热量，其目的在于保证排出气体的温度接近于设定的基准。如前所述，可使用简单的控制逻辑，即，当检测到进入热交换器486或进口/出口470、471、472、473、474中一个的气体的温度发生上升至某一设定温度时，在存储器之间切换。这样具有对位于最靠近外部环境的端部处的热前缘进行修正的效果。

[0069] 各热存储器401、402、403和404可具有不同的介质类型及/或尺寸，或者不同的介质布置，即，不同存储器的空隙空间可以不同。这样，存储器可适于不同的应用，例如，若需要可设置为串联存储器以进行高效蓄热，或者并联存储器以进行快速蓄热。

[0070] 应注意，在这一特定多存储器系统中，存储器既串联又并联。(可设置不串联的并联存储器，并且可设置不并联的串联存储器)。这是一种简单的方式，可以达成必要的绕开连接，但或者也可同时使用所有的存储器以对系统进行更快速的蓄热。

[0071] 此外，气流也可跟随串联路径和并联路径的组合，例如，气流可穿过第一存储器进入并联存储器的多重结构中。这样，就能够仅使用由第一存储器(就本实例而)有效提供的一个热前缘对并联的多个存储器进行蓄热。当第一存储器被完全蓄热并且对并列存储器进行蓄热时，可将气流切换出第一存储器。当进行放热时，气体的流动路径可反向，以使得所有的热前缘最终在第一存储器中终止。若介质与存储器相同，则经过第一存储器的压力损失可能大于由并列存储器造成的压力损失，但这一压力损失仅在有限的时间内发生，并且当用作电力存储系统的一部分时，由于不在各存储器中形成多个热前缘，效率得以改进，可形成较高的系统效率。

[0072] 热存储系统可形成电力存储系统的一部分，尤其是泵式电力存储系统或压缩空气能量存储系统。

[0073] 泵式电力存储系统可包括第一级，所述第一级包括：压缩器；及

[0074] 根据本发明的第一热存储系统，用以接收和存储来自被压缩器压缩的气体的热能；及

[0075] 第二级，所述第二级包括：从第一热存储器接收气体的膨胀器；及根据本发明的第二热存储系统，用以将热能传递至被膨胀器膨胀的气体；

[0076] 所述系统包括回路，所述回路配置为允许气体在蓄热相与放热相中的至少一个过程中循环经过第一级和第二级。

[0077] 图4示出了，可逆系统90的例子，其中使用了根据本发明的两个热存储系统93和95。

[0078] 所述系统为泵式热存储系统，如申请人在线的第WO 2009/044139号专利申请所述，并且该系统为可在将电能存储为热能的蓄热模式下工作和可在利用所存储的热能生成电能的放热模式下工作的可逆系统。所述系统包括分别用作压缩器96和膨胀器98的各容积式装置，以及由高压(热)存储器196、197、198、199形成的热存储系统95和由低压(冷)存储器192、193、194、195形成的热存储系统93。

[0079] 各热存储系统93、95通常包括控制系统92，其用于控制流控制器(例如，旁通阀)的工作，并且如前所述，控制系统可连接至设于各系统93、95中的传感器。

[0080] 系统95中，存储器198与其他存储器196、197、198为不同类型，即，存储器198具有不同的存储特性，例如，其可由不同存储介质材料制成，并且例如可仅在某些情况下使用；另一系统93中，存储器193也是如此。

[0081] 蓄热相期间，如前所述，一装置96压缩低压气体，然后加压气体依次穿过高压存储器196、197、198、199的系统95，如之前所述的，加压气体在另一装置98中再次膨胀并且依次穿过低压存储器192、193、194、195的系统93之前在系统95中失去其热量，然后再次以之前所述的顺序方式，所述气体在系统93中获得热并且以初始温度和压力返回至回路的开始处。

[0082] 放热模式中，需要容积式装置和各系统的热存储器及冷存储器进行反向的作用，例如使得被蓄热的热存储具有重新进入冷进口(其之前为出口)的温度较低的气体。

[0083] 所述可逆系统可进行完整的蓄热循环或完整的放热循环，或者在蓄热或放热过程中的任意点上进行反向的作用；例如，若国家电网需要电力，则可中断蓄热循环并且通过使得系统开始进行放热而将存储热能转换为电能。所述系统可能还需要在一段时间内保持蓄热，未蓄热，或部分蓄热状态。

[0084] 在这一可逆系统中，气体可为空气或氮气或氩气之类的惰性气体。作为例子，热存储器可利用氩气在约12巴的压力和0～500℃的温度范围工作，并且冷存储器可在0～-160℃的温度范围内以接近大气压力的压力工作。

[0085] 应理解，所述改进热存储系统结合入了用于将热从气体传递至固体的填充床或多孔介质，随后使用不同存储器来生成改进的热存储系统，并且可能达成更佳的热传递及/或减小的整体压降。