带有相变材料喷雾的热能储存系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及通过电能和热能之间的转换进行能量存储。特别是，本发明涉及一种根据独立权利要求序言所述的带有热动力电路的储能系统的系统和方法。

背景技术

风能和太阳能发电的可持续电力生产存在一个问题，即生产时不一定需要电力，需求时也不一定有电力。因此，人们提出了各种储能设施，将电能转化为热能并储存起来，直到有需求时再将其转化为电能。

国际专利申请WO2009/044139公开了一种系统，该系统包括一个第一热能储存(TES)容器和一个温度较低的第二热能储存(TES)容器，这两个容器通过一个压缩机/膨胀机装置相互连接，以便在系统充电或放电时分别提高或降低第一热能储存(TES)容器中的温度。当电力过剩时，由电力发动机驱动压缩机，通过压缩提高气体温度，然后用于加热第一个TES容器中的砾石床形式的TES介质。当有用电需求时，压缩的热气体通过膨胀机从第一个热沉容器中释放出来，膨胀机驱动发电动机回收电能。

在充放电过程中，由于TES容器内的温度逐渐变化，热区和冷区之间的热前沿会从一端向另一端移动。在这种热前线移动过程中，尤其是重复充放电过程时，存储容器两端之间的温度梯度会趋于平缓，这就是所谓的温跃层退化。温跃层退化是温度过渡区(也称为温跃层区或温跃层区域)变宽的一种效应。人们不希望出现温跃层退化，因为它会降低系统的整体效率。人们提出了各种方法，通过陡化梯度和减小温跃层区的宽度来抵消这种温跃层退化。

WO2009/044139的系统在实际应用中还存在另一个问题，即砾石的比热容随温度的升高而降低。特别是在零下温度时，与砾石交换的热能不多。这就意味着，低温范围内的热能利用率无法达到最佳状态，而热能利用率的高低取决于热介质和TES介质之间的温差。为了平衡能量储存，这也意味着冷储存容器需要比热储存容器更多的砾石。考虑到储能系统的成本对容器大小的敏感性，这似乎不是最佳方案。

其他系统在TES系统中使用相变材料(PCM)，控制TES容器一端或两端的温度。这种系统的一个优点是可以更好地控制温跃层。

集成多层PCM温跃层热能储能的太阳能塔式发电厂的技术经济性能评估--与传统双罐储能系统的比较研究。由Guestez等人在SolarPACES2015、AIP Conf Proc.1734，070012-1-070012-9；doi；10.1063/1.4949159处呈现，发表于AIP Publishing，978-0-7354-1386-3.在文章中讨论和示出了PCM的使用。

US984124公开了在TES容器中使用PCM的例子，其中PCM位于TES容器的一端，但最好是两端，TES容器的中间是显热TES介质。本公开文件提供的理论数据显示，显热和潜热TES系统组合的耐热能力是显热系统或潜热系统的两倍以上，因此有利于将显热和潜热TES储存组合在一起。

US2017/226900号文件讨论了多层PCM的各种示例及其对温跃层的影响。作为PCM，建议使用熔化温度为130℃的石蜡。为了防止石蜡熔化并凝固成固体块，从而阻止气体穿过PCM，石蜡被封装并作为颗粒材料提供。

不过，这也引出了一个与颗粒状PCM封装有关的普遍问题。如果颗粒太小，PCM的成本就会很高，而且PCM的体积相对于传热封装的体积也会太小，不适合大规模实际应用。另一方面，如果颗粒过大，进入PCM材料的热传导就不充分，这也会给实际应用带来困难，尤其是当标准包括商业方面时，如建造和维护成本以及长期盈利能力。

WO2014/036476公开了显热TES容器和潜热TES容器的组合，例如冰浆容器。特别是，它公开了一种热力学回路，该回路包括一个装有可增加热容量的颗粒的显热TES容器和一个潜热TES容器，以及一个串行流经这些容器的两相工作流体，工作流体根据回路中的位置被冷凝和汽化。两相工作流体在环境温度下进行冷凝，同时与周围环境进行能量交换。当工作介质处于液相状态时，由泵在显热和潜热TES容器之间泵送，泵送方向取决于是充电还是放电。在TES容器的另一侧，相对于泵在回路中的位置，工作流体处于气相，流经压缩机/膨胀机，分别用于接收或输出能量。图14中还公开了一个实施例，该实施例在排气模式下，潜热TES容器位于膨胀机的下游，泵的上游，而膨胀机又位于显热TES容器的上游。显热TES容器的下游是与环境温度进行热交换的热交换器系统。因此，显热TES容器的温度范围介于环境温度T

WO2013/164563A1号文件公开了用于将超导体冷却室冷却到低温的显热TES容器组合。该电路在充电和放电期间都会从冷却室中提取热量，因此可以随时提取热能，而不会在冷却室中转移和存储热能。

总体而言，在优化储能系统方面仍需改进。

发明内容

因此，本发明的目的是提供本领域的改进。特别地，提供一种热能存储(TES)系统和一种操作该系统的方法，目的是不仅相对于温跃层控制优化该系统，其中该温跃层形区域中的温度梯度保持陡峭，而且相对于一般效率和成本优化。通过如下权利要求中描述的系统和方法来实现该目的进一步的优点。

简单地说，本发明提供了一种储能系统的操作方法。该系统包括一个热的热能储存介质和一个冷的热能储存介质，它们在一个以气体为工作流体的热力学回路中相互连接。带有电动机/发电动机系统的能量转换器在功能上与压缩机/膨胀机系统相连，用于在热动力流体回路中转换电能和工作流体的热能。热电解质系统的低温部分由显热热电解质介质和潜热热电解质介质组合而成，后者与热动力回路热连接，为低温显热电解质介质提供温度下限。具体来说，潜热热交换介质是一种液体，通常是水，以雾化喷雾的形式喷入潜热热交换介质容器中，气态工作介质在零度以下的温度下流经容器，将液滴冻结成微小的冰晶，从而有效地将气态工作流体加热到或高于潜热式热交换介质的凝固点，例如在潜热热交换介质是水的情况下为0℃。

按技术领域的习惯，显热TES介质指在充放电过程中不改变相位的TES介质。与此相反，技术领域通常使用潜热热电解质介质一词来表示在充放电过程中相位发生变化的热电解质介质。

通过在气态工作流体和TES介质之间提供这种热传递，实现了许多优点：

-在气态工作流体从冷TES介质接收热能之前-该气态工作流体的温度可以保持在受控的预定温度水平，诸如在零水平，其高于在膨胀器出口处的气态工作流体的温度；

-能量可在低温下以高效率存储，而不需要在冷TES容器中相对大量的砾石；

-控制温跃层，抵消梯度展平，影响热力学回路的高效率；

-由于流动动力学、小的液滴表面积，并且因为气态工作流体和潜热TES介质之间不存在阻碍气体的几乎即时的温度变化的壁，所以-将热能传递到喷雾以产生雪比使用固定PCM更有效；

-潜热TES容器在TES系统的设计阶段期间适合作为简单的可选附加特征，使得具有或不具有PCM的设计比PCM在显热TES容器中的结合更容易；

-PCM系统适合作为已经存在的TES系统的改进添加。

如上所述，所提出的配置具有许多益处。以下解释系统的细节。

在具有热力学回路的TES系统中，使用气态工作流体，例如干燥空气。在整个热力学气体流动回路中，工作流体保持在气相中并且不变成液相，这就是术语气态工作流体在本文中全文使用的原因。

提供第一TES容器，例如在热力学回路的热部分中的第一显热TES容器。它包含作为热存储介质的第一TES介质。第一TES介质沿着第一气流路径与气流回路热连接，用于与气态工作流体交换热能，其中第一气流路径是气流回路的一部分。

例如，第一TES介质通过中间流体回路热连接到第一气体流动路径中的气态工作流体，中间流体回路在循环期间在TES介质与气态工作流体之间传递热能。可选地，第一气体流动路径通过第一TES介质，例如，当气态工作流体通过TES介质时，通过接触在气态工作流体和第一TES介质之间交换热能。

提供穿过第二TES介质的第二气流路径作为用于在气态工作流体和第二TES介质之间交换热能的气流回路的一部分。

为了使气态工作流体流过TES介质，有利地是气体可渗透的。例如，TES媒介是砾石，例如花岗岩砾石或其它类型的石料。这种材料在低成本下是可用的并且通常在TES系统中使用。而且，从气态工作流体到砾石的传热是有效的，特别是如果砾石具有小于10mm的粒度。尽管原则上气态工作流体也可以在管中流动通过TES介质，使得可以使用紧凑的或液体TES介质，这通常由于较低的热传递效率而不是优选的。

对于电能的输入和提取，能量转换器被插入到电路中。一方面，其将电能转换成热能，该热能在充电期间添加到热动力学流体回路中的气态工作流体，另一方面，在放电期间将热能转换成电能。为此，能量转换器包括具有电动机和发电动机的电动机/发电动机系统，并且包括具有压缩机和膨胀机的压缩机/膨胀机系统。电动机/发电动机系统的电动机用于驱动压缩机/膨胀器系统的压缩机，例如涡轮压缩机，用于通过压缩、有利绝热地压缩在充电阶段中的气态工作流体并由此增加气体的温度来向电路添加能量。发电动机用于在排放阶段中产生电力，其中当热气态工作流体在排放阶段期间膨胀、有利地绝热膨胀时，发电动机由压缩机/膨胀器系统的膨胀器驱动。

在一些实际实施例中，涡轮用作压缩机和膨胀器。或者，使用其它类型的压缩机和膨胀机，例如活塞压缩机和活塞膨胀机。所述电动马达在充电时驱动所述压缩机的轴，所述膨胀机的轴在放电时驱动所述发电动机，分别存储和回收电能。通常，压缩机和膨胀器通过用于同步旋转运动的旋转轴互连，并且相同的轴可以用于连接到马达和/或发电动机。

在充电和放电循环期间，在电路的热部分中的第一TES介质具有高于在电路的冷部分中的第二TES介质的温度范围。

在第一TES介质和第二TES介质是显热的实施例中，第一TES介质的下端的温度通常低于第二TES介质的上端中的温度。例如，第一TES介质中的温度范围在充电期间在下端处是50-100℃并且在充电期间在顶部处是500-700℃，而第二TES介质中的温度范围在充电期间在顶部处是350-450℃。

在充电期间，在下端处的第二TES介质保持在砾石有用的比热容温度，例如保持在等于或高于0℃的温度。

对于后者，TES系统包括潜式TES系统，潜式TES系统包括含有潜式TES介质的潜式TES容器。潜热路径延伸穿过潜热TES容器，用于在气态工作流体沿着潜热路径流过潜热TES容器期间在气态工作流体与潜热TES介质之间交换热能。潜在气流路径是气流回路的一部分，并且相对于气态工作流体的流动位于压缩机/膨胀机系统和第二TES容器之间。

在充电期间，气态工作流体在进入第二TES容器之前在膨胀器中膨胀，以从第二TES介质吸收热量。在膨胀机的出口处，气态工作流体的温度为低于零，例如低于零下20℃或甚至低于零下30℃，如上所述，砾石的比热容低。因此，有益的是，在气态工作流体进入第二TES容器之前，将气态工作介质的温度提高到较高的温度，这由潜热TES介质完成。

已发现以下类型的潜热TES系统可用于此目的。在这种情况下，潜热TES容器包括喷雾喷嘴，通过该喷雾喷嘴，潜热TES介质(通常为水)在充电时段期间作为雾化液滴喷雾到潜在气体流动路径中，并且因此通过将热能从雾化液滴高效地传递到气态工作流体并且将液滴冷却成冰颗粒来加热气态工作流体。冰颗粒向下落下并积聚为潜热TES容器中的潜热TES介质的雪。尽管通过潜热TES容器的气态工作流体的水平路径是可能的，但是如果潜热的气体流动路径向上通过喷雾，则已经发现，如果所产生的冰晶向下并且因此通过并抵抗气态工作流体的流动，则更有效。

可选地，第一TES介质是显热TES介质，并且第一气流路径延伸穿过该第一TES介质以在第一TES介质和气态工作流体之间交换热能。在一些这样的实施例中，在充电时段期间，气态工作流体典型地通过相应的管道从第二TES容器被引导至压缩机并且绝热地压缩在压缩机中以升高其温度。然后，压缩气态工作流体被引导到第一TES容器中并且将大量热能传递到第一TES介质。在热能在第一TES容器中转移之后，气态工作流体在膨胀器中绝热膨胀至使气态工作流体达到零下温度的压力，例如在零下20℃至零下50℃范围内的温度，可选地在零下30℃至零下50℃范围内或在零下30℃至零下40℃范围内的温度。

当具有这种零下温度的气态工作流体然后沿着潜热路径流动通过潜热热TES容器时，其由于将潜热介质喷雾到潜热气体流动路径中而被加热，该潜热气体流动路径在潜热TES容器中产生潜热TES介质的雪。

例如，在雪的产生之后，气态工作流体具有处于或接近潜热工作流体的凝固点的温度。然而，这取决于液体在喷雾到潜热TES容器中时的温度和气体流过容器的速度。因此，气体的温度可以被提升到高于冰点。

随后，将加热的气态工作流体从潜热TES容器引导到第二TES容器中，并且沿着第二气流路径引导通过第二TES介质，以将热能从第二TES介质传递到气态工作流体。然后，将其返回到压缩机。

第一TES容器具有顶部和底部，并且在其中包含用于存储热能的其相应TES介质。第二TES容器具有顶部和底部，并且在其中包含用于存储热能的其相应TES介质。相应的TES介质具有上端和下端。

在一些实施例中，特别是在第一TES介质和第二TES介质是显热TES介质的情况下，第一TES容器的顶部和第二TES容器的顶部在充电期间通过压缩机互连并且在放电期间通过膨胀器互连。第一TES容器的底部和第二TES容器的底部在排放期间通过压缩机互连并且在充电期间通过膨胀器互连。连接在充电期间以一种方式提供用于气态工作流体的气流回路，并且在放电期间以相反的方式提供用于气态工作流体的气流回路。

在操作中，在充电期间，第一TES容器和第二TES容器的顶部通过压缩机连接，并且底部通过膨胀机连接。当通过电动马达驱动压缩机/膨胀器系统时，来自第二TES容器的顶部的气态工作流体由压缩机接收并且绝热地压缩以增加气态工作流体的温度。例如，压缩机在充电期间将气态工作流体的温度升高到高于400℃的温度，任选地升高到400℃到700℃范围内的温度，例如在550℃到650℃的范围内。当气态工作流体取自第二TES容器的顶部并且温度被压缩机进一步升高时，压缩机下游的温度总是高于第二TES容器在充电期间的温度。

来自压缩机的热气态工作流体被提供到第一TES容器的顶部中，并且在其从第一TES容器的顶部向下通过第一TES介质向下的方式期间将热量传递到第一TES介质。此后，气态工作流体被膨胀器接收并绝热膨胀，这降低了气态工作流体在其通过潜热TES容器之前的温度，其中从潜热工作流体的喷雾接收热能。随后，气态工作流体被供应到第二TES容器的底部，并且通过第二TES介质从底部到顶部进行其从第二TES介质吸收热能的方式。

在将热能从潜热TES介质的喷雾转移到气态工作流体期间，调节气态工作流体的流动和喷雾量，使得如果喷雾的温度高于冰点，则气态工作流体达到冰点的温度，或者甚至被调节到高于冰点。这样，当供应到第二TES介质时，潜热TES介质设定气体温度的下限。

例如，潜热工作流体的温度T

例如，在充电期间，潜热TES系统升高来自膨胀器的气态工作流体的温度，离开膨胀器的气体温度T

在放电期间，气流回路的气流中的流动方向相反。例如，第一TES容器和第二TES容器的顶部通过膨胀器和底部通过压缩机连接。来自第一TES容器的顶部的气态工作流体由膨胀器接收，并且在热气态工作流体朝向回路的低温段绝热膨胀期间驱动膨胀器以及发电动机。来自膨胀器的气态工作流体被引导到第二TES容器的顶部中并且通过第二TES介质，用于在从第二TES容器的顶部到底部的途中将热能从气态工作流体传递到第二TES介质。

可选地，气态工作流体还横穿潜热TES系统，用于在排放时段期间将热能从第二TES容器的底部传递到压缩机。对于这种情况，潜热TES系统包括在排放时段期间作为气流回路的一部分的气体冷却路径。气体冷却路径设置在第二TES容器与压缩机之间的气体流动方向上，用于在进入压缩机之前冷却气态工作流体。气态工作流体沿着气体冷却路径的流动仅在排放时段期间建立，其中潜热TES介质不作为液体喷雾到气流中。相反，提供了用于将较早产生的雪喷雾到气体冷却路径中的气态工作流体中的雪喷雾器。这在气态工作流体在进入压缩机之前熔化雪来冷却气态工作流体。

作为选择，潜热TES容器包含喷嘴，并且另一潜热TES容器包含雪喷雾器。可替代地，潜热TES容器包含具有喷嘴的潜热气体流动路径以及具有雪喷雾器的气体冷却路径。在充电时段期间，注入液体用于产生雪，并且在排放时段期间，提供雪，雪在充电时段期间产生并且由积雪喷雾器喷雾到潜热TES容器内的气态工作流体中。

不管气态工作流体在排放期间被潜热TES系统预冷却，来自第二TES容器的气态工作流体被压缩机接收并绝热压缩，这增加了气体的温度。压缩气态工作流体被接收在第一TES容器的底部处，用于在其朝向第一TES容器的顶部流动期间将进一步的热能从第一热介质转移到气态工作流体，这完成了排放循环。

第一TES容器中和压缩机/膨胀机系统上方的管道系统中的压力高于第二TES容器中和压缩机/膨胀机系统下方的管道系统中的压力。因此，在压缩机/膨胀机之上的热力回路的区域是高压区域，并且在压缩机/膨胀机系统下方的热力回路的区域是低压区域。

TES容器的顶部之间的区段的温度高于TES容器的底部之间的区段，TES容器的顶部之间的区段被称为热力学回路的高温区段，TES容器的底部之间的区段被称为热力学回路的低温区段。

潜热TES系统可以被建立为现有的热力学回路的附加件，用于以两种方式改善功效。一方面，通过抵消TES容器中的梯度的有害展平来实现改进。另一方面，当在充电期间供应到冷的第二TES介质时，其设定气体温度的下限，从而避免第二TES介质的比热容低的低温工况。后者是重要的，因为使用第二TES介质的比热容较高的温度范围允许最小化第二TES容器中的第二TES介质的量。这反过来又降低了成本，因为大部分建筑成本都用于容器。

在实验中，仅通过在能量转换器与第二TES容器的底部之间的流动回路中的热交换来提供气态工作流体与潜热工作流体之间的热能交换已被证明有足够高的效率。因此，在一些实施例中，这种潜热TES系统是与热动力气体回路热连接的唯一潜热TES系统。

由于这种简单的潜热添加系统的效率提高，TES容器可以保持免于潜热存储并且仅包含显热的TES介质。

不过，在第一TES容器底部和压缩机/膨胀机系统之间的气流回路中再设置一个热交换器可能是有用的。在一些进一步的实施方案中，进一步热交换器在气态工作流体和流经进一步热交换器的流体之间交换热能，以改变流体的温度。例如，向此类流体(可选择水)提供热量，以达到加热目的，如在住宅的热分配网络中。

附图说明

本发明将参照附图进行详细说明，其中

图1是储能系统在A)充电循环在B)放电循环中的原理简图；

图2展示了潜热TES系统的喷雾功能；

图3展示了潜热TES系统的喷雪装置；

图4展示了另一个实施方案。

具体实施方式

图1A是热能储存(TES)系统100在充电周期中的原理简图，图1B是在相应的放电周期中的原理简图。

该系统100包括一个电动机/发电动机系统，其中有一个电动机1A和一个发电动机1B，通过轴连接到一个压缩机/膨胀机系统2，其中有一个压缩机2A和一个膨胀机2B，通过一个共同的旋转轴3连接，例如一个共同功能的压缩机/膨胀机装置。

系统100还包括一个第一热能储存(TES)容器5，其中装有第一气体渗透TES介质5'，以及一个第二热能储存(TES)容器4，其中装有第二气体渗透TES介质4'。例如，介质为砾石。

工作流体在整个回路中都是气体。

参照图1A，在充电期间，电动机1A驱动压缩机2A，通过压缩机2A压缩气态工作流体，其中气态工作流体取自第二TES容器4的顶部。来自第二TES容器的气态工作流体的温度在压缩机2A的压缩作用下绝热升高，来自压缩机2A出口的热气态工作流体被添加到第一TES容器5的内腔顶部，用于加热第一TES容器5内部的第一TES介质5'，例如砾石。

当压缩气态工作流体在第一TES容器5中从上到下流经第一TES介质5'时，会加热所包含的第一TES介质5'，首先在顶部加热，然后再向下加热。在加料过程中，第一TES介质5'中已达到压缩气态工作流体温度的热温体积5A的大小随着时间的推移逐渐增大，因此加热后的热温体积5A在第一TES容器5中向下膨胀，第一TES介质5'的低温体积5B相应减小。

例如，压缩气态工作流体的温度范围为500℃至700℃，这将是加料开始时第一TES容器5顶部的温度。当气态工作流体穿过第一TES容器5时，通过热传导冷却第一TES容器5内的第一TES介质5'，并以较低的温度离开第一TES容器的底部，例如在充注开始时的温度范围为50-100℃。它在膨胀机2B中膨胀，使气态工作流体进一步冷却，例如冷却到-25℃至-45℃范围内的温度T

在膨胀器2B之后，气态工作流体进入第二TES容器4的底部，并在其从底部到顶部的途中穿过第二TES容器4’中的第二TES介质4，使得其被加热到例如350℃至450℃范围内的温度，此后其再次进入回路。第二TES介质4的低温体积4B在该过程期间增加，而第二TES容器4中的高温体积4A在充电过程期间相应地减小。

在第一TES容器5中的高温体积5A和低温体积5B之间，具有从高温到低温的温度梯度的温度过渡区5C被称为温跃层区。类似地，在第二TES容器4中的高温体积4A与第二TES介质4的低温体积4B之间的具有温跃层区4C的过渡区被称为温跃层区。期望这些过渡区域或温跃层区域4C、5C具有陡峭的梯度。

作为提高效率的措施，提供热交换器6以便将热量传递到外部流体。例如，热交换器6接收的热量用于加热住宅。它也可以被存储用于稍后返回到电路。

当在电力系统中例如从太阳能发电厂或风力涡轮机或从使用化石燃料的更常规的电力生产工厂获得过剩电力时，完成充电过程。在充电过程中，电力驱动压缩机/膨胀机2的电动机1A。

第一TES容器5中和压缩机/膨胀机系统2上方的管道系统中的压力高于第二TES容器4中和压缩机/膨胀机2下方的管道系统中的压力。因此，压缩机/膨胀机2上方的热力回路区域为高压区域，压缩机/膨胀机2下方的热力回路区域为低压区域。TES容器4和5的顶部之间的区段的温度高于TES容器的底部之间的区段，TES容器的顶部之间的区段被称为热力学回路的高温区段，TES容器的底部之间的区段被称为热力学回路的低温区段。

一旦完成充电过程，就存储热能，直到存在对电力的需求，并且排放开始于沿相反方向的气流。在排放期间，来自第一TES容器5A的热气态工作流体在顶部离开容器5，并且在膨胀器2B中朝向第二TES容器4中的低压绝热膨胀。膨胀器2B驱动发电动机1B产生电力，例如用于将电力提供回到电网以用于一般消耗。膨胀器2B中的热气态工作流体的膨胀导致气体的冷却。然后将冷却的气态工作流体供应到第二TES容器4的顶部，在第二TES容器4中，冷却的气态工作流体通过热传递到第二TES介质4’到达底部而被进一步冷却。冷的气态工作流体在底部离开第二TES容器4，并且在压缩机2A中的压缩和相应的温度升高之后，被添加到第一TES容器5的底部，在那里它在其从第一TES容器5的底部流动到顶部期间由第一TES介质5’加热。

注意，在该电路中，作为工作流体的气体不经历到液体中的相移。

如果在没有潜热TES系统7的情况下提供该刚刚描述的电路，则该电路具有一些缺点，这在下面更详细地描述。这些缺点如下。首先，如已经讨论的，温度梯度有利地保持在包含温跃层的过渡区域4C和5C中陡峭。然而，如在介绍中所讨论的，尤其在重复循环期间，温跃层在充电和放电期间退化是常见的风险。当温跃层区4C、5C移动通过相应的容器4和5时，温跃层趋于变平。其次，如上所述，尽管由于其低成本而砾石是用于大规模储热设施的有用材料，但是砾石具有随着温度降低而降低的比热容的不利特性。因此，在非常低的温度下(例如在-35℃的温度T

为了优化关于温跃层控制和关于第二TES容器4中砾石含量的降低的系统，已经发现以下技术方案是非常有用的。

在该技术方案中，在压缩机/膨胀机系统2与第二TES容器4的底部之间的气体流路中设置有潜热TES系统7。潜热TES系统7包括潜热充电阶段7A和潜热放电阶段7B。尽管这些阶段7A、7B被图示为被组合，但这不需要是这种情况，因为气态工作流体可以在充电时段中被引导到潜热充电阶段7A中并且在放电时段期间被引导到潜热放电阶段7B中的其他管道。

图2是示例性潜热充电阶段7A的草图。它包括潜热TES容器8A，在充电期间，来自膨胀器2B的气态工作流体通过由箭头10A所示的下气体导管9A进入。气态工作流体向上移动通过潜热TES容器8A，这由箭头10B指示并且通过上气体导管9B离开潜热TES容器8A，该上气体导管9B由箭头10C指示，以流动到第二TES容器4。在气态工作流体流过潜热TES容器8A期间，气态工作流体满足潜热TES介质的喷雾11。潜热TES介质，通常为水，已被提供为流过管12的液体，如箭头13所示，并且通过喷嘴17形成为雾化液滴14的液体喷雾11。由于气态工作流体的温度低于潜热TES介质的冷冻温度，所以液滴14冷冻成微小的冰颗粒，其作为雪15积聚在TES容器8A的底部。雪15可以由输送机16取出并存储以供以后使用，特别是在排放期间使用。当液滴14具有与它们的体积相比大的表面并且在潜热TES介质与气态工作流体之间存在直接接触时，热能从潜热TES介质到气态工作流体的传递是高效的。

图3是示例性潜热放电阶段7B的草图。它包括另一潜热TES容器8B，在排放时段期间，来自第二TES 4容器的气态工作流体通过由箭头20A示出的下气体导管19A进入。气态工作流体向上移动通过另一潜热TES容器8B，这由箭头20B指示并且通过上部气体导管19B离开另一潜热TES容器8B，这由箭头20C指示。在气态工作流体流过另一潜热TES容器8B期间，气态工作流体满足潜TES介质的冰颗粒的粉末前端27。潜热TES介质的冰粉，通常为水冰，已经被提供为由传送机18运输的雪，可能被压实的雪，如箭头21所示。为了将压实的雪提供为细粉，有利地提供了雪喷雾器22。由于气态工作流体的温度高于潜TES介质的冻结温度，雪颗粒熔融成微小液滴14，其积聚在另一潜热TES容器8B的底部并且在底部通过液体排放口23排出。当雪颗粒与它们的体积相比具有大的表面并且在潜热TES介质与气态工作流体之间存在直接接触时，热能从气态工作流体到潜热TES介质的雪的传递是高效的。

潜热TES容器8A和另一潜热TES容器8B可选地并排设置。也可以将两个功能集成在单个容器中，并且通过管道和阀连接气态工作介质的入口和出口，如本技术领域中惯用的。

重要的是，由于潜热的充电阶段7A在充电阶段期间进入第二TES容器4之前升高气态工作流体的温度，砾石的比热容保持相对高。这又意味着砾石的量可以保持比在冷储罐中的温度远低于0℃的比较系统中小得多。作为上面提到的示例，在充电期间膨胀机下游的气体温度可以低至-35℃，其中砾石的比热容非常低。

潜热TES系统7的添加是有用的，因为它可以在现有系统的改型期间被提供为附加特征。由于PCM不被添加在显热TES容器4和5中的任一个内，因此这种添加是非常简单的，仅需要在流动路径中插入或连接到压缩机/膨胀器系统2之间的流动路径。

如果TES系统还设置有排放潜热级7B，则在排放时段中从第二TES容器4的下端流动的气态工作流体将使其温度通过将热能从气态工作流体传递到潜热TES介质而降低。

此外，该系统通过抵消TES容器中的梯度的变平而提高了效率，并且当供应到冷的第二TES介质时设置了气体温度的下限，从而避免了第二TES介质的比热容低的低温工况。

图4示出了另一实施例，其中第一TES介质5’的显热或潜热或其组合通过热交换器25热连接到气流回路。通过热传递电路26在气流回路与第一TES介质之间传递热能。