具有环形管道装置的泵送热能储存系统

本申请要求申请日为2019年12月09日的美国临时申请62/945,521的权益，该美国临时申请通过参引并入本文中。

背景技术

公开的实施方式总体上涉及泵送热能储存(PHES)系统的领域，并且更具体地涉及包括环形管道装置的PHES系统。

PHES系统在过量发电的时期期间以热能的形式储存过量的电力，该过量的电力例如可以在电网中获得。相反，在电的高需求的时期期间，PHES系统使用储存的热能来发电，该电能够传递至电网以满足高需求。在PHES系统中，马达可以在充电循环期间利用电能来驱动热泵循环。热泵循环将热能从冷贮存器有效地移动至热贮存器以储存热能。当需要时，可以利用热机循环来提取和转换储存的热能以产生机械能，进而可以利用该机械能来发电。

附图说明

图1是如可以在所公开的PHES系统中非限制性地使用的理想化重叠循环的流程图。

图2是非限制性温度范围的可视化表格，该非限制性温度范围可以与通用的PHES系统中可能涉及的各种循环相关，通用的PHES系统包括所公开的构造有重叠循环的PHES系统；这种可视化表格对于在概念上将与各种PHES循环相关的温度范围进行相互关联可能是有用的。

图3是所公开的PHES系统的一个非限制性实施方式的示意图，该示意图示出了与可以作为所公开的PHES系统中的特征的环形管道装置的一个示例有关的某些结构细节。

图4是所公开的热储存单元的一个非限制性实施方式的示意图，该示意图示出了适用于环形管道装置的某些结构细节，并且还示出了在PHES系统的充电循环期间工作流体的示意流程图。

图5是在图4中所示的所公开的热储存单元的示意图并且还示出了在PHES系统的放电循环期间工作流体的示意流程图。

图6是图示了所公开的充电涡轮机的一个非限制性实施方式的横截面图，该横截面图示出了可以在环形管道装置的另一示例中实现的某些结构细节。

图7是图示了所公开的放电涡轮机的一个非限制性实施方式的横截面图，该横截面图示出了可以在环形管道装置的又一示例中实现的某些结构细节。

图8是所公开的阀装置的一个非限制性实施方式的截面图，该截面图示出了可以在环形管道装置的又一示例中实现的某些结构细节。

图9是图8中所示的阀装置的俯视图。

具体实施方式

本发明人已经认识到，PHES系统中的循环效率通常随着例如在热涡轮机与热储存部之间流动的工作流体的更高的温度而提高。工作流体的非限制性示例可以是空气、氮气、氩气等。此外，更高的温度将导致相对更小的储存容量，这将有利于降低PHES系统的成本。因此，在理想化的实现方式中，该温度应尽可能高。

本发明人已经进一步认识到，在PHES系统的现实的实现方式中适当地容纳工作流体的高温、高压流可能存在若干挑战。例如，低成本材料、比如碳钢在高温下往往会损失其强度。在大幅升高的温度下，诸如镍基合金、钴基合金等高温合金可能是必要的，因为这样的高温合金在高温下保持有利的强度。然而，这种合金昂贵并且难以制造，并且因此，在PHES系统的具有成本效益的实现方式中这种合金的使用应被理想性地最小化或至少大幅减少。

实际PHES系统中涉及的储存部和管道可能是大容量的，并且因此，仅仅依靠高温合金制造这种部件将不具有成本效益。此外，即使使用高温合金，但温度水平在某些情况下也可能超过这些合金的温度极限，并且在这些情况下，高温合金可能必须涂覆有隔热涂层以保护合金免受高温流的影响，并且这将进一步增加所涉及的储存部和管道的成本和复杂性。

所公开的实施方式被认为是通过以具有成本效益且可靠的方式适当地划分温度管理和压力安全壳的功能而解决了在升高的压力下容纳高温工作流体的问题。在所公开的PHES系统中，这可以通过将系统的高温部段的至少部分构造成具有环形构型来顺利地实现。

在下面的详细描述中，阐述了各种具体的细节以提供对此类实施方式的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践所公开的实施方式，本发明的各方面不限于所公开的实施方式，并且本发明的各方面可以以各种替代性实施方式实践。在其他情况下，没有详细描述本领域技术人员将很好地理解的方法、程序和部件，以避免不必要且繁琐的解释。

此外，可以将各种操作描述为以对理解本发明的实施方式有帮助的方式来执行的多个离散步骤。然而，除非另有指示，否则描述的顺序不应解释为暗示这些操作需要按照它们被呈现的顺序来执行，也不应解释为这些操作甚至是依赖于顺序的。此外，短语“在一个实施方式中”的重复使用不一定指相同的实施方式，尽管它可能指相同的实施方式。

要注意的是，所公开的实施方式不必解释为相互排斥的实施方式，因为可以由本领域技术人员根据给定应用的需要适当地组合这些公开的实施方式的各方面。

图1是关于如可以在所公开的PHES系统11中布置的PHES热力学循环的理想化流程图。在某些实施方式中，PHES系统11可以构造成执行重叠循环。也就是说，PHES热力学循环可以是重叠循环。

如在图1中可以理解的，在PHES系统11的热力学充电子系统11’中，充电涡轮机——比如包括热压缩机10和冷膨胀机12——布置成将热能从冷的热交换和热储存设备14朝向热的热交换和储存设备16移动。也就是说，在由热力学充电子系统11’执行的循环的充电部分期间，该系统作为使用例如由电动马达18产生的功的热泵来操作，以有效地将热量以与热量的自然梯度相逆的方式从较冷的区域移动至较热的区域，并以热量的形式储存可用的能量，其中，电动马达18通过能够从电力源获得的电力驱动，该电力比如可以来源于可再生和/或不可再生的资源(例如风、太阳、天然气、石油等)并且可以(但不必)布置在电网中。

由于PHES循环与任何现实世界的热力学系统一样涉及不可逆的能量损失或耗散，因此，该系统包括布置成排放这种能量损失或耗散的排热装置19。不存在排热件将暗指在物理上不可能的永动机。虽然图1图示了位于循环的充电部分中的排热件，但是将理解的是，排热件可以位于循环的放电部分中，或者替代性地，可以位于循环的充电部分及循环的放电部分两者中。

如在图1中可以进一步理解的，在PHES系统11的热力学放电子系统11”中，放电涡轮机——比如包括冷压缩机20和热膨胀机22——布置成将热能从热的热交换储存设备16朝向冷的热交换储存设备14移动。也就是说，在循环的放电部分期间，系统作为热机操作，可以在该热机中提取功，以便例如驱动发电机28并且产生电能。

如在图2中可以理解的，在重叠循环中，低温热交换过程(标记为冷储存)可以扩展至与回热器热端温度相当的温度(标记为T

下面的描述将继续描述与可以作为所公开的PHES系统中的特征的环形管道装置相关的各种非限制性结构和/或操作关系。除非另有说明，否则具有与先前的附图中所图示的附图标记相同的附图标记(或标记)的元件提供相同的功能并且将不再进行讨论以避免多余的描述。

图3非限制性地描绘了以上在图1的上下文中所描述的PHES热力学循环的类似版本，区别在于，图3用于详细说明关于可以作为所公开的PHES系统100中的特征的环形管道装置的结构和/或操作细节，该PHES系统100包括充电子系统102，该充电子系统102能够操作成将热量从冷的热储存设备105传递至热的热储存设备103，该热的热储存设备103可以包括一个或更多个热储存单元107，所述一个或更多个热储存单元107具有适用于环形管道装置的结构特征。

充电子系统102包括充电涡轮机104，该充电涡轮机104包括热压缩机106和冷膨胀机108。在一个非限制性实施方式中，管道装置110具有内管道112和围绕内管道同轴地设置的环形管道114。在一个非限制性实施方式中，内管道112和环形管道114的第一部分116可以连接至充电涡轮机104，使得内管道112连接成将工作流体的高温、高压流从热压缩机106传输至热的热储存设备103，并且环形管道114连接成将从热的热储存设备103返回的工作流体的低温、高压流传输至冷膨胀机108。

通常，环形管道装置可以布置在路径的任何可选的位置处，以在泵送热能储存系统的热的热储存设备103与充电涡轮机104和/或放电涡轮机162之间传输工作流体的高温、高压流和工作流体的低温、高压流。也就是说，基于给定应用的需要，设计者具有选择性地将环形管道装置布置在PHES系统的期望位置处的灵活性。换言之，虽然可以在热的热储存设备103与充电涡轮机104和/或放电涡轮机162之间涉及工作流体的高温、高压流的每个可能的位置处实现所公开的环形管道装置，但设计者具有在期望位置处使用目标方法以便部分实现环形管道装置的灵活性。

例如，可以布置环形管道装置的非限制性位置可以包括充电涡轮机104中的涡轮机管道装置122(图6)，并且/或者可以包括放电涡轮机162中的涡轮机管道装置172(图7)。

在另一非限制性示例中，环形管道装置可以布置在涉及阀装置190的位置中，以在PHES系统的充电循环期间将充电涡轮机104流体联接至热的热储存设备103，并且在PHES系统的放电循环期间将放电涡轮机162流体联接至热的热储存设备103。

在又一非限制性示例中，环形管道装置可以布置在涉及排热冷却器150的位置中，并且可以包括隔板152，该隔板152布置在由环形管道114限定的环形部中，以便例如在PHES系统的充电循环期间将在环形管道内传输的工作流体的低温、高压流转移到排热冷却器150中。

无论实现位置如何，管道装置100都允许传输高温、高压流的内管道112位于传输低温、高压流的环形管道114的内部，使得低温流占据内管道112与环形管道114的外壁之间的环形空间。

在一个非限制性实施方式中，高温、高压流可以在充电子系统中达到大约2300°F或更高的温度，以及大约500psi或更高的压力。作为非限制性的对比，低温、高压流可以达到大约355°F或更高的温度以及大约480psi或更高的压力。

由于工作流体的高温流和工作流体的低温流处于相当的压力(例如，在值上彼此相对接近)——非限制性地，在一个实施方式中，这样的压力彼此可以相差大约百分之十以内——这意味着分开这些流的管道边界(例如，金属结构，比如衬里，或管状结构)不承受由管道边界处的压力差造成的任何实质性的负载。因此，提供管道边界、比如在内管道112与环形管道114之间提供管道边界的金属结构可以制造得相对薄。高压流的最外层安全壳可以由相对较厚的结构处理，比如可以由环形管道114的外壁处理，该环形管道114的外壁处的温度与内管道112中的温度相比更低。

由于管道边界可以制造得相对薄，因此如果需要，那么这种金属结构可以由更昂贵的高温合金以具有成本效益的方式制成。由于管道边界不承受由压力差造成的任何实质性的负载，因此基于给定应用的需要，如果需要的话可以使用波纹管式热膨胀装置。还要注意的是，由于管道边界可以制造得相对薄，这有利于避免不期望的热梯度，否则不期望的热梯度可能会限制系统的加热或冷却速率。

如在图3中进一步图示的，可以将排热冷却器150设置在冷膨胀机108的上游。如上所述，隔板152可以布置在由环形管道114限定的环形部中，以在PHES系统的充电循环期间、在工作流体经由环形管道114返回至冷膨胀机108之前将在环形管道114内传输的工作流体的低温、高压流转移至排热冷却器150。

在一个非限制性实施方式中，如在图6中示意性地图示的，充电涡轮机104可以具有涡轮机管道装置122，该涡轮机管道装置122适用于连接至上面在图3的上下文中所描述的环形管道装置。在一个非限制性实施方式中，充电涡轮机104的外壳120围封涡轮机管道装置122，涡轮机管道装置122可以连接至内管道112和环形管道114的第一部分116。

在一个非限制性实施方式中，涡轮机管道装置122限定热压缩机106的出口124，该出口124可以连接至内管道112的第一部分116(图3)以将工作流体的高温、高压流供应至热的热储存设备103。该高温、高压流在图4和图6中由标记有附图标记134的相应箭头示意性地表示。

涡轮机管道装置122还限定冷膨胀机108的入口126，该入口126可以连接至环形管道114的第一部分116以接收从热的热储存设备103返回的工作流体的低温、高压流。该低温、高压流在图4和图6中由标记有附图标记138的相应箭头示意性地表示。将理解的是，在涡轮机管道装置122中，低温、高压流138围绕高温、高压流134同轴地设置，如上面在管道装置110的上下文中所描述的那样。例如，冷膨胀机108的入口126的至少一些部分围绕热压缩机106的出口124的一些部分同轴地设置。

如在图3中进一步图示的，PHES系统100还包括放电子系统160，该放电子系统160能够操作成将热量从热的热储存设备103传递至冷的热储存设备105。放电子系统160包括放电涡轮机162，该放电涡轮机162包括冷压缩机164和热膨胀机166。

在一个非限制性实施方式中，内管道112和环形管道114的第二部分168可以连接至放电涡轮机162，使得环形管道114连接成将工作流体的高压流从冷压缩机164传输到热的热储存设备103中，并且内管道112连接成将从热的热储存设备103返回的工作流体的高温、高压流传输至热膨胀机166。与在内管道112内传输的高温、高压流相比，在环形管道114内传输的工作流体的高压流的温度更低。在一个非限制性实施方式中，高温、高压流可以在放电子系统中达到大约2280°F或更高的温度，以及大约480psi或更高的压力。作为非限制性的对比，低温、高压流可以达到大约330°F或更高的温度以及大约500psi或更高的压力。

在一个非限制性实施方式中，如在图7中可以理解的，放电涡轮机162具有适用于连接至环形管道装置的涡轮机管道装置172。在一个非限制性实施方式中，放电涡轮机162的外壳170围封涡轮机管道装置172，涡轮机管道装置172可以连接至内管道112和环形管道114的第二部分168。

在一个非限制性实施方式中，放电涡轮机162的涡轮机管道装置172限定冷压缩机164的出口174，该出口174可以连接至环形管道114的第二部分168(图3)，以将工作流体的低温、高压流供应到热的热储存设备103中。该低温、高压流在图5和图7中由标记有附图标记167的相应箭头示意性地表示。

放电涡轮机162的涡轮机管道装置172还限定热膨胀机166的入口176，该入口176可以连接至内管道112的第二部分168以接收来自热的热储存设备103的工作流体的高温、高压流。该高温、高压流在图5和图7中由标记有附图标记169的相应箭头示意性地表示。

将理解的是，再次地，如上面在环形管道装置110的上下文中所描述的那样，低温、高压流167围绕高温、高压流169同轴地设置。例如，冷压缩机164的出口174的至少一些部分围绕热膨胀机166的入口176的一些部分同轴地设置。

如可以在与具有适用于环形管道装置的结构特征的热储存单元107有关的图4中(也在图5中)理解的，衬里131限定环形管道装置的内管道。衬里131还形成环形管道装置的环形管道114的内壁130。在一个非限制性实施方式中，衬里131的内侧部132承受在内管道内传输的工作流体的高温、高压流(由箭头134示意性地表示)，并且衬里131的外侧部136承受在环形管道内传输的工作流体的低温、高压流(由箭头138示意性地表示)。

如在图4和图5中可以进一步理解的，在一个非限制性实施方式中，环形管道114的外壁140可以构造成向通过环形管道114的工作流体提供压力安全壳。在一个非限制性实施方式中，与外壁140的横截面(由标记为T1的箭头示意性地表示)相比，衬里131的横截面具有更小的厚度(由标记为T2的箭头示意性地表示)。如上所述，在所公开的实施方式中可以由相对薄的金属结构制成的衬里131可以由更昂贵的高温合金以具有成本效益的方式制造在期望位置处。将理解的是，基于给定的应用的需要，可以可选地对衬里的这些位置在内部进行隔热，以进一步降低衬里的操作温度。

在一个非限制性实施方式中，热储存单元107(图4和图5)具有腔室180，该腔室180容纳热储存介质182、例如固体热储存介质，比如可以包括但不限于：颗粒状材料，比如沙子；岩石散体材料，比如石英岩和片麻岩，包括火山成因的材料，比如玄武岩、辉绿岩和花岗岩。在某些实施方式中，热储存介质可以是散体固体热储存介质，比如可以为金属氧化物或者包括金属氧化物，比如赤铁矿(氧化铁)和铝土(氧化铝)；并且可以包括cofalit填充材料。在某些实施方式中，热储存介质可以包括球状散体材料，比如单粒散体材料，比如包括具有大致相同直径的球体的单粒散体材料或包括不同直径的球体的多粒散体材料等。在某些应用中，热储存介质可以为热储存陶瓷或包括热储存陶瓷。

在某些应用中，比如在涉及天然介质和球状散体材料两者的应用中，一种应用可以具有“随机填充”的热储存部，即可以将组合材料倒入腔室中，并且这种组合材料将以自然的方式安置。除了球状散体材料之外，应当理解的是，介质可以呈砖状物的形式，砖状物被设计成包含通道或孔，工作流体可以通过这些通道或孔并且将热量传递至介质或从介质传递热量。按预期，砖状物形式可以有利于“规整填料”，这可以是一种有吸引力的形式，因为在规整填料中，人们可以将介质的至少一部分设计成将其自身重量向下承载至支承地基。作为对比，某些随机填料可能会在材料安置时潜在地产生作用在热储存单元的壁上的环向应力。

在一个非限制性实施方式中，热储存单元107可以包括介质支承系统218，比如可以包括支承地基220，例如混凝土地基，并且热储存单元107的基部222可以通过螺栓组件224锚固到地基220上。在一个非限制性实施方式中，填料226、例如灌浆填料可以用于提供地基220与基部222的外表面之间的界面。在一个非限制性实施方式中，隔热砖状物228的布置结构被设计成在至少两个方向(例如，竖向和水平)上使流体通过，以允许工作流体例如从环形管道114(图5)朝向腔室180的中心行进，并且通过热介质182建立向上的流体连通(或在相反的方向上(图4))的流体连通，同时提供足够的负荷承载能力来承载热介质182的重量，在某些实施方式中，热介质182的重量可能很大、例如很多吨。

如本领域技术人员现在应当理解的，一般而言，可以使用用于支承热储存介质182的各种形式来实现介质支承系统218。例如，热储存单元107中的介质支承件可以是从热储存单元107的基部222至介质形成其自己的基部的点填充的随机填充材料的床。替代性地，热储存单元107中的介质支承件可以包括具有孔的规整的砖状物，砖状物允许流从环形部进入/进入至环形部并且砖状物本身遍布底部表面分布；或者热储存单元107中的介质支承件可以呈具有开口的足够坚固的金属格栅的形式，其中，格栅又由从热储存单元107的基部222延伸的格栅支承结构(例如，包括柱和/或梁)支承。

在一个非限制性实施方式中，腔室180具有位于该腔室的第一轴向端部处的开口184，在充电循环期间，开口184可以与内管道流体连通以允许来自热压缩机106(图6)的工作流体的高温、高压流134进入到腔室中。

在一个非限制性实施方式中，腔室180的第二轴向端部可以与环形管道114流体连通——通过介质支承系统218流体连通——以在充电循环期间将返回至冷膨胀机108的工作流体的低温、高压流138(图4)从腔室180排出。

如在图5中可以理解的，在放电循环期间，介质支承系统218可以与环形管道114流体连通以允许来自冷压缩机164的工作流体的低温、高压流167进入到腔室中，并且开口184可以与内管道流体连通以将返回至热膨胀机166的工作流体的高温、高压流169从腔室180排出。

如图3中所示，在一个非限制性实施方式中，阀装置190可以用于在充电循环期间将充电涡轮机104流体联接至热的热储存设备103，并且在放电循环期间将放电涡轮机162流体联接至热的热储存设备103。

在一个非限制性实施方式中，阀装置包括第一阀组件190’和第二阀组件190”，第一阀组件190’比如可以布置在内管道和环形管道的第一部分116中，并且第一阀组件190’构造成：1)在充电循环中，将充电涡轮机104流体联接至热的热储存设备103，以及2)在放电循环中，将放电涡轮机162与热的热储存设备断开联接；第二阀组件190”可以布置在内管道和环形管道的第二部分168中，并且第二阀组件190”构造成：1)在放电循环中，将放电涡轮机162流体联接至热的热储存设备103，以及2)在充电循环中，将充电涡轮机104与热的热储存设备断开联接。

如图8和图9中所示，在一个非限制性实施方式中，每个阀组件190具有板200，板200位于与相应内管道的纵向轴线正交的平面中。(该轴线由图8中的线192和图9中的点192示意性地表示)。板200在内管道中限定有中央开口202并且还在环形管道中限定有两个开口204。致动轴206可以正交于纵向轴线192延伸。

在一个非限制性实施方式中，第一阀元件208可以设置在中央开口202中。第二阀元件210’和第三阀元件210”可以各自分别设置在由板200在环形管道中限定的两个开口204中。第一阀元件208、第二阀元件和第三阀元件210可以各自安装在致动轴206上。在一个非限制性实施方式中，每个阀元件可以是蝶形阀瓣，该蝶形阀瓣响应于致动轴206的旋转位置——例如，响应于致动器212——从而相对于在相应的内管道内和在相应的环形管道内通过的工作流体同时处于关闭状态或处于打开状态。

在操作中，所公开的实施方式被认为是通过以具有成本效益并且可靠的方式适当地划分温度管理和压力安全壳的功能而解决了在升高的压力下容纳高温工作流体的问题。在所公开的PHES系统中，这通过将系统的高温部分的至少部分构造成具有环形构型来顺利地实现。

在操作中，可以以具有成本效益的方式制造所公开的PHES系统中涉及的储存部和管道，因为在提供可靠且持久的可用性的同时可以减少高温合金的使用。

尽管已经以示例性形式公开了本公开的实施方式，但是对于本领域技术人员而言将明显的是，在不背离如在所附权利要求中所阐述的本发明及其等同物的范围的情况下，可以在本公开的实施方式中进行许多修改、添加和删除。