再生熱能系統(tǒng)、具有再生熱能系統(tǒng)的發(fā)電設施及其操作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種包括熱交換反應器(110)的再生熱能系統(tǒng)，所述熱交換反應器(110)包括頂部入口部分(116)、下部入口部分(120)和底部排放部分(130)。所述系統(tǒng)還包括至少一個流體源(122)，所述至少一個流體源(122)在所述下部入口部分處與所述至少一個熱交換反應器以流動連通方式連接。所述系統(tǒng)還包括至少一個冷顆粒存儲源(118)，所述至少一個冷顆粒存儲源(118)在所述頂部入口部分處與所述至少一個熱交換反應器以流動連通方式連接。所述系統(tǒng)進一步包括至少一個熱能存儲(TES)容器(160)，所述至少一個熱能存儲容器(160)在所述底部排放部分和所述頂部入口部分中的每一個處與所述熱交換反應器以流動連通方式連接。所述熱交換反應器配置用于促進固體顆粒與流體之間的直接接觸和逆流熱交換。
【專利說明】再生熱能系統(tǒng)、具有再生熱能系統(tǒng)的發(fā)電設施及其操作方 法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明的領域總體涉及能源儲存，并且更具體地，涉及與絕熱壓縮空氣能源儲存 (A-CAES)系統(tǒng)相關聯(lián)的再生熱能儲存（TES)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 至少一些已知的A-CAES系統(tǒng)使用膨脹密封裝置（例如，壓力容器或地下洞穴） 來儲存熱的壓縮空氣。使用人造壓力容器的存儲設施需要密封裝置壁具有足夠的強度以 長時間承受由壓縮空氣引起的高壓。此外，這些已知壓力容器由于存儲在其內(nèi)的空氣的壓 縮而暴露于高溫。因此，一些已知壓力容器是由昂貴的金屬合金制成，所述金屬合金具有 厚壁以承受約450攝氏度CC ) (842華氏度（° F))的溫度。其他已知密封裝置包括具有 復雜結(jié)構(gòu)的厚混凝土壁以促進高壓力下的氣密性。此類混凝土壁通常被構(gòu)造用于承受約 100°C (212° F)的溫度，并且因此需要有效的冷卻系統(tǒng)。
[0003] 此類已知密封裝置（不論是人造洞穴或是天然洞穴）需要大量的熱絕緣材料來促 進減少對局部環(huán)境的傳熱，從而保存盡可能多的熱能以用于后續(xù)轉(zhuǎn)換。因此，由于密封裝置 需要大體積，所以僅用于降低來自所存儲壓縮氣體的傳熱A-CAES系統(tǒng)內(nèi)的熱能儲存就需 要大量的資金投入。
[0004] 至少一些已知A-CAES系統(tǒng)包括位于存儲有固體物質(zhì)的獨立容器內(nèi)的固定矩陣再 生器。當熱空氣被引導通過固體物質(zhì)上方時，固體物質(zhì)存儲熱能。同樣，當冷空氣被引導通 過固體物質(zhì)上方時，固體物質(zhì)釋放熱能。然而，這些獨立容器的壁必須提供足夠的強度以承 受被引導穿過所述壁的空氣的壓力。因此，強化所述壁將增加 A-CAES系統(tǒng)的基本建設成 本。此外，至少一些已知A-CAES系統(tǒng)還包括間接傳熱系統(tǒng)，所述間接傳熱系統(tǒng)使用用于促 進大量熱損失的設備。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 一個方面，提供一種再生熱能系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括熱交換反應器，所述熱交換反應 器包括頂部入口部分、下部入口部分和底部排放部分。所述系統(tǒng)還包括至少一個流體源，所 述流體源在下部入口部分處與至少一個熱交換反應器以流動連通方式連接。所述系統(tǒng)還包 括至少一個冷顆粒存儲源，所述至少一個冷顆粒存儲源在頂部入口部分處與至少一個熱交 換反應器以流動連通方式連接。所述系統(tǒng)進一步包括至少一個熱能存儲（TES)容器，所述 熱能存儲容器在底部排放部分和頂部入口部分中的每一個處與熱交換反應器以流動連通 方式連接。熱交換反應器被配置用于促進固體顆粒與流體之間的直接接觸和逆流熱交換。
[0006] 另一個方面，提供一種發(fā)電設施。所述設施包括至少一個發(fā)電設備和連接至所述 至少一個發(fā)電設備的至少一個再生熱能系統(tǒng)。所述至少一個再生熱能系統(tǒng)包括熱交換反應 器，所述熱交換反應器包括頂部入口部分、下部入口部分和底部排放部分。所述系統(tǒng)還包括 至少一個流體源，所述流體源在下部入口部分處與至少一個熱交換反應器以流動連通方式 連接。所述系統(tǒng)進一步包括至少一個冷顆粒存儲源，所述至少一個冷顆粒存儲源在頂部入 口部分處與至少一個熱交換反應器以流動連通方式連接。所述系統(tǒng)還包括至少一個熱能存 儲（TES)容器，所述熱能存儲容器在底部排放部分和頂部入口部分中的每一個處與熱交換 反應器以流動連通方式連接，其中所述熱交換反應器被配置用于促進固體顆粒與流體之間 的直接接觸和逆流熱交換，并且將熱的加壓空氣引導至至少一個發(fā)電設備。
[0007] 另一個方面，提供一種操作發(fā)電設施的方法。所述方法包括引導固體顆粒向下穿 過熱交換反應器以及引導加壓空氣向上穿過熱交換反應器。所述方法還包括通過直接接觸 將熱量從加壓空氣傳遞給固體顆粒。所述方法進一步包括將固體顆粒引導至至少一個熱能 存儲（TES)容器中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 在參考附圖閱讀以下詳細說明后，將更好地理解本發(fā)明的這些和其他特征、方面 和優(yōu)點，在整個附圖中，類似的符號代表所有附圖中類似的部分，其中：
[0009] 圖1為示例性再生熱能系統(tǒng)的第一部分的示意圖。
[0010] 圖2為對圖1中示出的再生熱能系統(tǒng)進行充電的方法的流程圖。
[0011] 圖3為圖1中部分地示出的再生熱能系統(tǒng)的第二部分的示意圖。
[0012] 圖4為使圖3中示出的再生熱能系統(tǒng)放電的方法的流程圖。
[0013] 圖5為使用圖1和圖3中示出的再生熱能系統(tǒng)的示例性發(fā)電設施的示意圖。
[0014] 除非另有說明，否則本說明書中提供的附圖用于示出本發(fā)明的關鍵發(fā)明特征。這 些關鍵發(fā)明特征被認為適用于包括本發(fā)明的一個或多個實施例的各種系統(tǒng)。因此，附圖并 不包括所屬領域中的普通技術(shù)人員已知的實踐本發(fā)明所需的所有傳統(tǒng)特征。

【具體實施方式】
[0015] 在以下說明和隨附權(quán)利要求書中，將參考多個術(shù)語，這些術(shù)語的定義如下。
[0016] 單數(shù)形式"一"、"一個"和"所述"包括復數(shù)形式，除非上下文另外明確規(guī)定。
[0017] "任選"或"任選地"表示后續(xù)描述的事件或情況可能會或可能不會發(fā)生，并且所述 描述包括事件發(fā)生和不發(fā)生的情況。
[0018] 本說明書全文和權(quán)利要求書中所用的近似語言可用于修飾能夠合理改變而不改 變相關對象的基本功能的任何數(shù)量表示。因此，由一個或多個如"約"和"大體上"等術(shù)語修 飾的值并不限于所指定的精確值。在至少一些情況下，近似語言可能與用于測量值的儀器 的精度對應。此處以及在整個說明書和權(quán)利要求書中，范圍限制可以相結(jié)合和/或交替，除 非上下文或語言另有說明，否則此類范圍均指示并且包括本說明書中包含的所有子范圍。
[0019] 圖1為示例性再生熱能系統(tǒng)100的第一部分102的示意圖。第一部分102包括系 統(tǒng)100的在充電操作期間（即，當利用所存儲的熱能對固體物質(zhì)（以下進一步描述）進行 充電時）所使用的部件。
[0020] 在示例性實施例中，再生熱能系統(tǒng)100包括熱交換反應器110,所述熱交換反應器 110包括限定全封閉式傳熱腔114的多個壁112。壁112還限定與至少一個冷顆粒存儲源 118以流動連通方式連接的頂部入口部分116。冷顆粒存儲源118是使得如本說明書中所 描述的再生熱能系統(tǒng)100能夠運行的任何密封和遞送系統(tǒng)，包括（但不限于）料斗、料箱、 料倉、固體傳送裝置和重力進給裝置。存儲源118和頂部入口部分116協(xié)作以將小的、冷的 固體顆粒119噴射至傳熱腔114中。顆粒119是使得如本說明書中所描述的再生熱能系統(tǒng) 100能夠運行的任何固體，包括（但不限于）砂。
[0021] 此外，在示例性實施例中，壁112限定與至少一個流體源（即空氣壓縮機122,例 如但不限于，多級空氣壓縮機）以流動連通方式連接的下部入口部分120。或者，使用使得 如本說明書中所描述的再生熱能系統(tǒng)100能夠運行的任何流體，包括液體和氣體。此外，或 者，系統(tǒng)100包括具有串聯(lián)連接的多個空氣壓縮機122的分級空氣壓縮系統(tǒng)（未示出）。另 夕卜，或者，下部入口部分120限定可連接至進氣歧管（未示出）的多個進氣口（未圖示）。 空氣壓縮機122連接至電動機124。或者，空氣壓縮機122由使得如本說明書中所描述的再 生熱能系統(tǒng)100能夠運行的任何機構(gòu)驅(qū)動，所述機構(gòu)包括（但不限于）根據(jù)需要配有齒輪 聯(lián)軸器的蒸汽渦輪機、燃氣渦輪機、水力渦輪機、風力渦輪機、汽油內(nèi)燃機和柴油機?？諝鈮?縮機122配置用于接收冷的周圍空氣126,并將熱的壓縮空氣128排放至傳熱腔114中，如 以下進一步描述。
[0022] 在示例性實施例中，再生熱能系統(tǒng)100包括水分去除設備，所述水分去除設備配 置用于在將熱的壓縮空氣128噴射至傳熱腔114中之前從壓縮空氣去除水分。這種水分去 除設備包括以下各項中的至少一個：位于空氣壓縮機122上游、與空氣壓縮機122以流動 連通方式連接的上游水分分離器123 ;位于空氣壓縮機122下游、與空氣壓縮機122以流動 連通方式連通的下游水分分離器125 ;以及位于空氣壓縮機122內(nèi)的多個級間水分分離器 127。上游水分分離器123、下游水分分離器125和級間水分分離器127中的每一個促進從 空氣去除水129。
[0023] 另外，在示例性實施例中，壁112限定配置用于促進存儲熱的固體顆粒132的向內(nèi) 傾斜的底部排放部分130。底部排放部分130還配置用于在重力的幫助下促進將熱的固體 顆粒132從傳熱腔114排放出去。
[0024] 此外，在示例性實施例中，再生熱能系統(tǒng)100包括通過抽氣導管142與傳熱腔114 以流動連通方式連接的至少一個旋風過濾器140。導管142被定位在頂部入口部分116與 下部入口部分120之間，并且配置用于將冷的加壓空氣144和夾帶顆粒146從傳熱腔114 引導至旋風過濾器140。至少一個冷的加壓空氣存儲容器148與旋風過濾器140以流動連 通方式連接。此外，旋風過濾器140包括配置用于保留夾帶顆粒146的傾斜部分150。存儲 源118與傾斜部分150以流動連通方式連接。
[0025] 此外，在示例性實施例中，再生熱能系統(tǒng)100包括至少一個熱能存儲（TES)容器 160,所述熱能存儲容器160在底部排放部分130處與熱交換反應器110以流動連通方式連 接。TES容器160限定配置用于在其中接收并存儲熱的固體顆粒132的顆粒存儲腔162。 腔162具有足夠的尺寸以使得如本說明書中所描述的再生熱能系統(tǒng)100能夠運行通過一個 完整周期。TES容器160包括絕熱層164,所述絕熱層164足以能夠在如本說明書中所描述 的再生熱能系統(tǒng)100的一個完整周期中將熱的固體顆粒132維持在預定溫度范圍內(nèi)。例如 (但不限于），絕熱層164促進將熱的固體顆粒132維持在預定溫度范圍內(nèi)達12小時至24 小時。TES容器160配置用于在約大氣壓下操作。
[0026] 另外，在示例性實施例中，再生熱能系統(tǒng)100包括與TES容器160以流動連通方式 連接的至少一個固體傳送泵166。泵166配置用于從TES容器160傳送熱的顆粒168,如以 下進一步描述。在示例性實施例中，固體傳遞泵166為可從位于美國喬治亞州亞特蘭大市 的GE Energy公司購得的GE Posimetricx'泵。或者，使用使得如本說明書中所描述的再生 熱能系統(tǒng)100能夠運行的任何泵送裝置。
[0027] 此外，在示例性實施例中，再生熱能系統(tǒng)100包括配置用于增加固體顆粒119和熱 的壓縮空氣128的停留時間的至少一個裝置。例如（但不限于），多個空氣和顆粒偏轉(zhuǎn)裝置 163連接至傳熱腔114內(nèi)的壁112,并且從所述壁112向內(nèi)延伸。此外，例如（但不限于）， 空氣和顆粒偏轉(zhuǎn)裝置163和壁112限定彎曲的傳熱通道165。另外，例如（但不限于），傳 熱突出部167 (例如但不限于，散熱片）定位在通道165內(nèi)。偏轉(zhuǎn)裝置163、通道165和突出 部167有利于增加停留時間，以進一步促進顆粒119與空氣128之間的傳熱。
[0028] 圖2為對再生熱能系統(tǒng)100(圖1中示出）進行充電的方法200的流程圖。在充 電操作期間，小的、冷的固體顆粒119(圖1中示出）從存儲源118通過頂部入口部分116 噴射202至傳熱腔114中（所有這些均在圖1中示出）。在約0攝氏度（°C ) (32華氏度 (° F))與大約49°C (120° F)之間的溫度范圍內(nèi)噴射顆粒119?；蛘?，在使得如本說明書 中所描述的再生熱能系統(tǒng)100能夠運行的任何溫度范圍內(nèi)噴射顆粒119。在使得如本說明 書中所描述的再生熱能系統(tǒng)100能夠運行的任何壓力下噴射顆粒119。
[0029] 此外，在充電操作期間，在重力的幫助下引導204顆粒119向下穿過熱交換反應器 110(圖1中示出）。空氣壓縮機122(圖1中示出）接收并壓縮206冷的周圍空氣126(圖 1中示出）。周圍空氣126處于約0°C(32° F)與約49°C(120° F)之間的溫度范圍內(nèi)，并 且具有約一個大氣壓的大氣壓力，即1.015巴、101. 353千帕斯卡（kPa)和14. 7鎊/平方英 寸（psi)?；蛘?，至空氣壓縮機122的進氣126具有在使得如本說明書中所描述的再生熱能 系統(tǒng)100能夠運行的任何范圍內(nèi)的溫度和壓力。
[0030] 另夕卜，在充電操作期間，空氣壓縮機122在約250 °C (482 ° F)與約 700°C (1292° F)之間的溫度范圍以及約20巴（2000kPa、290psi)與約70巴（7000kPa、 1015psi)之間的壓力范圍的情況下將熱的壓縮空氣128(圖1中示出）排放208至傳熱腔 114中?；蛘撸瑥目諝鈮嚎s機122排放的熱的壓縮空氣128具有在使得如本說明書中所描述 的再生熱能系統(tǒng)100能夠運行的任何范圍內(nèi)的溫度和壓力。熱的壓縮空氣128被引導210 向上穿過傳熱腔114。
[0031] 此外，在充電操作期間，因為顆粒119和空氣128彼此逆向流動，所以顆粒119和 空氣128在傳熱腔114內(nèi)彼此直接接觸?？諝?28與顆粒119之間的這種直接接觸促進它 們之間的熱交換，以使得空氣128將熱能傳遞212給顆粒119。熱交換產(chǎn)生熱的固體顆粒 132、冷的加壓空氣144和夾帶顆粒146 (所有這些均在圖1中示出）。偏轉(zhuǎn)裝置163、通道 165和突出部167有利于增加停留時間，以進一步促進顆粒119與空氣128之間的傳熱。
[0032] 此外，在充電操作期間，將冷的加壓空氣144和夾帶顆粒146從傳熱腔114抽 吸214至旋風過濾器140,所述旋風過濾器140使用氣旋作用來將空氣144與顆粒146分 離216?？諝?44被引導218至至少一個冷的加壓空氣存儲容器148?？諝?44具有在 約20°C (68° F)與60°C (140° F)之間的范圍內(nèi)的溫度值并且是在約20巴（2000kPa、 290psi)與約70巴（7000kPa、1015psi)之間的壓力范圍內(nèi)?；蛘撸諝?44是在使得如本 說明書中所描述的再生熱能系統(tǒng)100能夠運行的任何溫度范圍內(nèi)。
[0033] 另外，在充電操作期間，在重力的幫助下引導220夾帶顆粒146向下穿過旋風過濾 器140,并且將其存儲在旋風過濾器140的傾斜部分150 (圖1中示出）處。顆粒146具有 在約20°C (68° F)與大約60°C (140° F)之間的范圍內(nèi)的溫度值?；蛘?，顆粒146是在使 得如本說明書中所描述的再生熱能系統(tǒng)100能夠運行的任何溫度范圍內(nèi)。將顆粒146引導 至冷顆粒存儲源118,以供再生使用。
[0034] 此外，在充電操作期間，熱的固體顆粒132沉積在向內(nèi)傾斜的底部排放部分130 處。在重力的幫助下將熱的固體顆粒132從傳熱腔114傳送222出至TES容器160。TES容 器160接收熱的固體顆粒132并將其存儲在顆粒存儲腔162內(nèi)。在如本說明書中所描述的 再生熱能系統(tǒng)100的一個完整周期中，將熱的固體顆粒132維持224在約240°C (464° F) 與約690°C (1274° F)之間的預定溫度范圍內(nèi)。例如（但不限于），將熱的固體顆粒132維 持在示例性溫度范圍內(nèi)達約12小時至約24小時。將TES容器160維持在約大氣壓力下。
[0035] 圖3為再生熱能系統(tǒng)100的第二部分170的示意圖。第二部分170包括系統(tǒng)100 的在充電操作期間（即，當存儲在熱的固體物質(zhì)（以下進一步描述）中的熱能被釋放來發(fā) 電時）使用的部件。系統(tǒng)100的在第一部分1〇2(圖1中示出）進行以上所述充電操作時 所使用的相同部件中的許多部件還用于放電操作。
[0036] 如上所述，在示例性實施例中，再生熱能系統(tǒng)100包括與TES容器160以流動連通 方式連接的至少一個固體傳送泵166。固體傳送泵166還通過頂部入口部分116與熱交換 反應器110的傳熱腔114以流動連通方式連接。固體傳送泵166配置用于將熱的顆粒168 從TES容器160傳送至傳熱腔114中。
[0037] 此外，如上所述，將所存儲的冷的加壓空氣144容納在空氣存儲容器148中，處于 約20巴（2000kPa、290psi)與約70巴（7000kPa、1015psi)之間的壓力范圍內(nèi)。因此，固體 傳送泵166配置用于利用足以克服空氣144的壓力的壓力來將顆粒168噴射至熱交換反應 器110中。
[0038] 另外，如上所述，旋風過濾器140通過抽氣導管142與傳熱腔114以流動連通方式 連接。旋風過濾器140進一步通過夾帶顆粒返回導管175與傳熱腔114以流動連通方式連 接。
[0039] 此外，在示例性實施例中，再生熱能系統(tǒng)100包括可旋轉(zhuǎn)地連接至機器（例如但不 限于，發(fā)電機182)的至少一個膨脹器180。膨脹器180與旋風過濾器140以流動連通方式 連接。
[0040] 在至少一些替代實施例中，再生熱能系統(tǒng)100包括與旋風過濾器140和膨脹器180 以流動連通方式連接的至少一個燃燒設備181。燃燒設備181包括連接至旋風過濾器140 的熱空氣延伸管線183。燃燒設備181還包括燃料管線185。燃燒設備181進一步包括連接 至熱空氣延伸管線183和燃料管線185的空氣/燃料混合器186。燃燒設備181還包括連 接至空氣/燃料混合器186和熱空氣延伸管線183的燃燒室187。燃燒設備181進一步包 括連接至燃燒室187、熱空氣延伸管線183和膨脹器180的熱交換裝置188。燃燒設備181 進一步包括連接至熱交換裝置188的排氣導管189。
[0041] 圖4為使再生熱能系統(tǒng)100(圖3中示出）放電的方法300的流程圖。在放電操 作期間，在如本說明書中所描述的再生熱能系統(tǒng)100的一個完整周期中，將熱的固體顆粒 132(圖3中示出）維持302在約240°C (464° F)與約690°C (1274° F)之間的預定溫度 范圍內(nèi)。例如（但不限于），將熱的固體顆粒132維持在示例性溫度范圍內(nèi)達12小時至24 小時。將TES容器160(圖3中示出）維持在約大氣壓力下。在類似的溫度范圍內(nèi)，通過頂 部入口部分116(圖3中示出）將熱的顆粒168(圖3中示出）從TES容器160傳送至傳熱 腔114(圖3中示出）中。
[0042] 此外，在放電操作期間以及如上所述，冷的加壓空氣144容納304在空氣存儲容器 148(圖3中示出）中?？諝?44具有在約20°C (68° F)與60°C (140° F)之間的溫度值 并且是在約20巴（2000kPa、290psi)與約70巴（7000kPa、1015psi)之間的壓力范圍內(nèi)。將 所存儲的冷的加壓空氣144排放306至傳熱腔114中。引導308空氣144向上穿過傳熱腔 114。固體傳送泵166(圖3中示出）利用足以克服空氣144的壓力的壓力來將顆粒168噴 射310至熱交換反應器110中。
[0043] 另外，在放電操作期間，因為顆粒168和空氣144彼此逆向流動，所以顆粒168和 空氣144在傳熱腔114內(nèi)彼此直接接觸。空氣144與顆粒168之間的這種直接接觸促進它 們之間的熱交換，以使得顆粒168將熱能傳遞312給空氣144。熱交換產(chǎn)生熱的加壓空氣 172、夾帶顆粒174和冷的顆粒190 (所有這些均在圖3中示出）。
[0044] 此外，在放電操作期間，熱的加壓空氣172和夾帶顆粒174從傳熱腔114被抽吸 314至旋風過濾器140(圖3中示出），所述旋風過濾器140使用氣旋作用來將空氣172 與顆粒174分離316。熱的加壓空氣172和夾帶顆粒174是在約240°C (464° F)與約 690°C (1274° F)的溫度范圍內(nèi)。
[0045] 此外，在放電操作期間，在重力的幫助下將夾帶顆粒174向下引導318穿過旋風過 濾器140,并且將其存儲在旋風過濾器140的傾斜部分150(圖3中示出）處。一些可重復 使用的（即，仍然可傳遞的）熱能可駐留在顆粒174內(nèi)。因此，在約240°C (464° F)與約 690°C (1274° F)之間的溫度范圍內(nèi)，將此類顆粒174再噴射320至傳熱腔114中，以便將 熱能進一步傳遞給空氣144。或者，在使得如本說明書中所描述的再生熱能系統(tǒng)100能夠 運行的任何溫度范圍內(nèi)將顆粒174再噴射至傳熱腔114中。當顆粒174的溫度達到在約 20°C (68° F)與約60°C (140° F)之間的預定范圍內(nèi)的值時，將顆粒174傳送322至冷顆 粒存儲源118,以供再生使用?；蛘?，在使得如本說明書中所描述的再生熱能系統(tǒng)100能夠 運行的任何溫度范圍內(nèi)將顆粒174引導至冷顆粒存儲源118。
[0046] 另外，在放電操作期間，其可傳遞熱能已大致被耗盡的一些冷顆粒190沉積在向 內(nèi)傾斜的底部排放部分130(圖3中示出）處。在重力的幫助下，以如下方式將顆粒190從 傳熱腔114傳送324出至TES容器160 :使得調(diào)撥存儲在熱顆粒132中的熱能的可能性減 小。TES容器160接收冷顆粒190并將其存儲在顆粒存儲腔162內(nèi)。冷顆粒190被傳送326 至冷顆粒存儲源118,以供再生使用。
[0047] 此外，在放電操作期間，將具有在約240°C (464° F)與約690°C (1274° F)之間 的范圍內(nèi)的溫度值并且在約20巴（2000kPa、290psi)與約70巴（7000kPa、1015psi)之間 的壓力范圍內(nèi)的熱的加壓空氣172引導328至膨脹器180 (圖3中示出）?；蛘?，空氣172 是在使得如本說明書中所描述的再生熱能系統(tǒng)100能夠運行的任何溫度范圍和任何壓力 范圍內(nèi)。膨脹器180(圖3中示出）驅(qū)動330發(fā)電機182(圖3中示出），并且將消耗的空 氣184(圖3中示出）排放至使得如本說明書中所描述的再生熱能系統(tǒng)100能夠運行的任 何位置。
[0048] 在至少一些替代實施例中，通過導管183將來自旋風過濾器140的熱空氣引導至 燃燒設備181。分別通過導管183和燃料管線185將熱空氣和燃料中的一些引導至空氣/ 燃料混合器186,所述熱空氣和燃料在所述空氣/燃料混合器186處被混合。將空氣/燃料 混合物被引導至燃燒室187,并且通過導管183將額外的熱空氣噴射至燃燒腔187中。產(chǎn)生 熱氣體并將其引導至熱交換裝置188。在擴展器180之前，從氣體到通過導管183引導的熱 空氣的傳熱進一步增加空氣172的溫度。燃燒氣體被引導通過排氣導管189。
[0049] 圖5為使用再生熱能系統(tǒng)100的示例性發(fā)電設施500的示意圖。在示例性實施例 中，發(fā)電設施500包括多個發(fā)電機502,所述發(fā)電機502包括但不限于：蒸汽渦輪發(fā)電機、燃 氣渦輪發(fā)電機、水力渦輪發(fā)電機、風力渦輪發(fā)電機、汽油內(nèi)燃機驅(qū)動發(fā)電機和柴油發(fā)電機及 其任何組合。
[0050] 操作發(fā)電設施500的一個實例包括（但不限于）在非峰值周期期間存儲熱能以及 在峰值周期期間消耗所存儲的熱能。在非峰值發(fā)電周期期間，發(fā)電設施的所有者/操作員 預期在未來峰值周期期間對額外發(fā)電的需要。發(fā)電機502將電力傳輸至空氣壓縮機122的 電動機124(圖1中示出），并且將熱能存儲在如上所述的再生熱能系統(tǒng)100中。在峰值周 期期間，再生熱能系統(tǒng)100大致上回收所存儲的熱能，并且將由發(fā)電機182產(chǎn)生的電力添加 至由發(fā)電機502產(chǎn)生的電力以供傳輸。這種再生操作（包括充電操作和放電操作）表示再 生熱能系統(tǒng)100的一個完整周期。舉例來說（但不限于），此類周期在工作日可發(fā)生兩次， 即在約早上5:00與約上午9:00之間執(zhí)行放電操作，并且在約下午5:00與約晚上10:00之 間再次執(zhí)行放電操作。當不執(zhí)行放電操作時，在這兩個時間周期之間執(zhí)行充電操作?；蛘撸?發(fā)電設施500的一些實施例可包括再生熱能系統(tǒng)100的多次迭代，以使得一個系統(tǒng)100正 在充電并且為正在放電的第二系統(tǒng)100供電。
[0051] 上述再生熱能系統(tǒng)提供一種用于產(chǎn)生和存儲熱能以供后續(xù)使用的具有成本效益 的方法。本說明書中所描述的實施例有利于在低功率使用周期期間將熱能存儲在熱能存儲 容器中，以供未來在峰值功率使用周期期間使用。具體地說，本說明書中所描述的裝置、系 統(tǒng)和方法有利于在重力的幫助下通過直接接觸將熱量從熱的壓縮空氣傳遞給小的、冷的固 體顆粒。更具體地說，本說明書中所描述的裝置、系統(tǒng)和方法有助于使用發(fā)電設施，以使用 所述發(fā)電設施中產(chǎn)生的電力中的至少一些來在低功率使用周期期間驅(qū)動空氣壓縮機。利用 絕熱容器中的顆粒來存儲現(xiàn)在包含在熱的小顆粒中的熱能，所述絕熱容器配置用于在大氣 壓力下將所述顆粒維持在特定溫度范圍內(nèi)達一定的時間周期。將冷的加壓空氣引導至存儲 容器。在高功率使用周期期間，引導熱顆粒以與所存儲的、冷的加壓空氣混合，從而將熱能 傳遞回至空氣中。將再受熱的空氣引導至連接至發(fā)電機的膨脹器。因此，因為小的熱顆粒 存儲在比用于存儲空氣的容器更小的容器中，所以不再需要使用更堅固的結(jié)構(gòu)材料和絕熱 材料以用于空氣存儲。此外，因為顆粒和空氣是直接接觸的，所以不需要用于促進間接熱能 傳遞所必需的設備。
[0052] 本說明書中所描述的方法、系統(tǒng)和設備的示例性技術(shù)效果包括以下各項中的至少 一個：（a)減小用于存儲熱能的容器的體積；以及（b)將冷顆粒與熱空氣直接接觸并且將熱 顆粒與冷空氣直接接觸以便在它們之間再生地傳遞熱能。
[0053] 以上詳細描述了用于發(fā)電設施的再生熱能系統(tǒng)以及用于操作所述再生熱能系統(tǒng) 的方法的示例性實施例。再生熱能系統(tǒng)、發(fā)電設施以及此類系統(tǒng)和設施的操作方法并不限 于本說明書中所描述的具體實施例，相反，系統(tǒng)的部件和/或方法的步驟可獨立使用并且 與本說明書中所描述的其他部件和/或步驟分開使用。例如，所述方法還可結(jié)合需要熱能 存儲的其他系統(tǒng)和方法使用，并不限于僅通過如本說明書中所描述的再生熱能系統(tǒng)、發(fā)電 設施和方法進行實踐。實際上，示例性實施例可與許多其他熱能存儲和傳送應用結(jié)合實施 和使用。
[0054] 雖然本發(fā)明的各種實施例的具體特征可能在某些附圖中示出而未在其他附圖中 示出，但這僅僅是為了方便起見。根據(jù)本發(fā)明的原理，附圖中的任何特征可結(jié)合其他任何附 圖的任何特征進行參考和/或提出權(quán)利主張。
[0055] 本說明書使用多個實例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，同時還允許所屬領域的任 何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造并使用任何裝置或系統(tǒng)、以及執(zhí)行所涵蓋的任何方 法。本發(fā)明的保護范圍由權(quán)利要求書限定，并且可包括所屬領域的技術(shù)人員想出的其他實 例。如果其他此類實例的結(jié)構(gòu)要素與權(quán)利要求書的字面意義相同，或如果此類實例包括的 等效結(jié)構(gòu)要素與權(quán)利要求書的字面意義無實質(zhì)差別差別，那么此類實例也應在權(quán)利要求書 的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種再生熱能系統(tǒng)，所述再生熱能系統(tǒng)包括： 熱交換反應器，所述熱交換反應器包括頂部入口部分、下部入口部分和底部排放部 分； 至少一個流體源，所述至少一個流體源在所述下部入口部分處與所述至少一個熱交換 反應器以流動連通方式連接； 至少一個冷顆粒存儲源，所述至少一個冷顆粒存儲源在所述頂部入口部分處與所述至 少一個熱交換反應器以流動連通方式連接；以及 至少一個熱能存儲（TES)容器，所述至少一個熱能存儲容器在所述底部排放部分和所 述頂部入口部分中的每一個處與所述熱交換反應器以流動連通方式連接，其中所述熱交換 反應器配置用于促進固體顆粒與流體之間的直接接觸和逆流熱交換。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的再生熱能系統(tǒng)，其中所述至少一個流體源包括至少一個流體 壓縮機和至少一個流體存儲源，其中所述至少一個流體壓縮機配置用于在第一溫度下將流 體引導至所述熱交換反應器中，并且所述至少一個流體存儲源配置用于在第二溫度下將流 體引導至所述熱交換反應器中，其中所述第一溫度高于所述第二溫度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的再生熱能系統(tǒng)，所述再生熱能系統(tǒng)進一步包括至少一些水分 去除設備，所述至少一些水分去除設備包括以下各項中的至少一個： 在所述至少一個流體壓縮機上游與所述至少一個流體壓縮機以流動連通方式連接的 至少一個水分去除設備； 在所述至少一個流體壓縮機下游與所述至少一個流體壓縮機以流動連通方式連接的 至少一個水分去除設備；以及 位于所述至少一個流體壓縮機內(nèi)的至少一個級間水分去除設備。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的再生熱能系統(tǒng)，所述再生熱能系統(tǒng)進一步包括至少一個固體 傳送泵，所述至少一個固體傳送泵與所述至少一個熱能存儲容器以及所述熱交換反應器的 所述頂部入口部分以流動連通方式連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的再生熱能系統(tǒng)，所述再生熱能系統(tǒng)進一步包括至少一個旋風 過濾器，所述至少一個旋風過濾器在所述頂部入口部分與所述下部入口部分之間與所述熱 交換反應器以流動連通方式連接，其中所述至少一個旋風過濾器配置用于接收離開所述熱 交換反應器的流體以及所述流體中夾帶的固體顆粒。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的再生熱能系統(tǒng)，其中所述至少一個旋風過濾器進一步與所述 至少一個冷顆粒存儲源以流動連通方式連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的再生熱能系統(tǒng)，其中所述至少一個熱能存儲容器包含至少一 些絕熱材料，并且配置用于在預定溫度范圍內(nèi)容納固體顆粒達預定時間周期。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的再生熱能系統(tǒng)，其中所述至少一個熱交換反應器限定其中的 傳熱腔，所述傳熱腔配置用于促進所述固體顆粒與所述流體之間的所述直接接觸和所述逆 流熱交換，所述傳熱腔至少部分地封閉配置用于增加所述固體顆粒和所述流體的停留時間 的至少一個裝置，所述至少一個裝置包括以下各項中的至少一個： 至少一個流體和顆粒偏轉(zhuǎn)裝置； 至少一個傳熱突出部；以及 至少一個傳熱通道。
9. 一種發(fā)電設施，所述發(fā)電設施包括： 至少一個發(fā)電設備；以及 連接至所述至少一個發(fā)電設備的至少一個再生熱能系統(tǒng)，所述至少一個再生熱能系統(tǒng) 包括： 熱交換反應器，所述熱交換反應器包括頂部入口部分、下部入口部分和底部排放部 分； 至少一個流體源，所述至少一個流體源在所述下部入口部分處與所述至少一個熱交換 反應器以流動連通方式連接； 至少一個冷顆粒存儲源，所述至少一個冷顆粒存儲源在所述頂部入口部分處與所述至 少一個熱交換反應器以流動連通方式連接；以及 至少一個熱能存儲（TES)容器，所述至少一個熱能存儲容器在所述底部排放部分和所 述頂部入口部分中的每一個處與所述熱交換反應器以流動連通方式連接，其中所述熱交換 反應器配置用于促進固體顆粒與流體之間的直接接觸和逆流熱交換，并且將熱的加壓空氣 引導至所述至少一個發(fā)電設備。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電設施，其中所述至少一個流體源包括至少一個流體壓 縮機和至少一個流體存儲源，其中所述至少一個流體壓縮機配置用于在第一溫度下將流體 引導至所述熱交換反應器中，并且所述至少一個流體存儲源配置用于在第二溫度下將流體 引導至所述熱交換反應器中，其中所述第一溫度高于所述第二溫度。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電設施，所述發(fā)電設施進一步包括至少一個旋風過濾器， 所述至少一個旋風過濾器在所述頂部入口部分與所述下部入口部分之間與所述熱交換反 應器以流動連通方式連接，其中所述至少一個旋風過濾器配置用于接收離開所述熱交換反 應器的流體以及所述流體中夾帶的固體顆粒。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)電設施，其中所述至少一個旋風過濾器進一步與所述至 少一個冷顆粒存儲源和所述至少一個發(fā)電設備以流動連通方式連接。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電設施，其中所述至少一個熱能存儲容器包含至少一些 絕熱材料，并且配置用于在預定溫度范圍內(nèi)容納固體顆粒達預定時間周期。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電設施，所述發(fā)電設施進一步包括與所述至少一個旋風 過濾器和所述至少一個發(fā)電設備以流動連通方式連接的至少一個燃燒設備。
15. -種操作發(fā)電設施的方法，所述方法包括： 引導固體顆粒向下穿過熱交換反應器； 引導加壓空氣向上穿過所述熱交換反應器； 通過直接接觸將熱量從所述加壓空氣傳遞給所述固體顆粒；以及 將所述固體顆粒引導至至少一個熱能存儲（TES)容器中。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，所述方法進一步包括： 引導所述固體顆粒從所述熱能存儲容器向下穿過所述熱交換反應器； 引導加壓空氣向上穿過所述熱交換反應器； 通過直接接觸將熱量從所述固體顆粒傳遞給所述加壓空氣；以及 將所述加壓空氣引導至至少一個發(fā)電設備。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中引導固體顆粒向下穿過熱交換反應器包括在所 述熱交換反應器的所述頂部處噴射所述固體顆粒以及在重力的幫助下向下引導所述固體 顆粒。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中引導加壓空氣向上穿過所述熱交換反應器包括 引導所述空氣穿過旋風過濾器，以除去所述空氣中夾帶的固體顆粒中的至少一部分。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中引導所述固體顆粒至至少一個熱能存儲（TES) 容器中包括在預定溫度范圍內(nèi)容納所述固體顆粒達預定時間周期。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，所述方法進一步包括：其中： 在第一壓力下操作所述熱交換反應器；以及 在第二壓力下操作所述至少一個熱能存儲容器，其中所述第一壓力大于所述第二壓 力，并且所述第二壓力具有為約大氣壓力的值。
【文檔編號】F02C6/16GK104508257SQ201380040843
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月31日
【發(fā)明者】A. 岡薩雷斯薩拉扎 M., 比伯爾 M., 芬肯拉思 M. 申請人:通用電氣公司