热能存储装置的制作方法

1.本公开内容总体涉及能量存储的领域，并且特别涉及用于存储和使用由可再生源（例如光伏发电、风力发电和波浪发电）产生的能量的装置。然而，所公开的构思可以与在一天的某些时段产生超过直接需求量的电力并且出于时移目的需要临时能量存储解决方案的任何能量源一起使用。
2.本公开内容涉及一种热存储装置和方法，但是将了解，许多其他领域也是适用的。例如，用户可能能够捕获通过常规化石燃料燃烧或电动发电产生的多余热以及来自例如工厂废热回收和地热发电等不同领域的多余热。


背景技术：

3.在整个说明书中对现有技术的任何论述都决不应该视为承认这种现有技术广为人知或形成本领域中的公知常识的一部分。
4.在世界范围内，越来越意识到需要减少对化石燃料的依赖并增加可再生能量源的使用。在可预见的将来实际上不受限制的一个主要可再生能量源是太阳能（以及其他类型的光伏(pv)能量捕获），然而，太阳能具有如下缺点：其在夜间不可用，在恶劣天气或者甚至在多云时段也不可用，并且因此，如果其要提高可调度性以作为能量源变成化石燃料的可行替代品，则用于可再生能量装备的转换系统需要包括某一形式的能量存储装置。
5.其他可再生能量源（例如风力发电、波浪发电和潮汐发电）最多也具有可变输出，并且在一些情况下，不可预测地可变。为了确保容量可用性满足需求，如果这发生在高峰可再生能量捕获时间之外的时间，则需要一些存储装置来使供应与需求相匹配。当前电池昂贵并且限于短期电网频率稳定作用，而非用于在没有阳光照射时迎合二次峰值需求的负载转移。
6.现在已知的是，可以借助广泛的不同技术实现所谓的“热能存储”(tes)的此一般领域。根据具体技术，多余热能可以在从单独过程、建筑物、多用户建筑物、地区、城镇或区域变化的规模上存储和使用数小时、数天或数月。已经提出的用于能量存储的一种方法是在能量生产超过需求时加热本体，并且在需求超过供应时回收热并将其转换为电力。已经提出各种材料供用于热存储本体，并且已经发现石墨在此角色中特别有用。然而，众所周知，石墨在非常高温度下在某些条件下可燃，因此如果使用石墨作为热存储介质，则这提出了特殊挑战。
7.呈石墨形式的碳在多种应用中用于存储热或缓冲高温电厂中的产热。如果处于高温的石墨与氧气（或空气）进行接触，则这种应用中的持续风险是石墨着火的可能性。
8.本发明的一个目的是克服或改善现有技术的缺点中的至少一个缺点，或提供有用和/或更安全的替代方案。在本领域中普遍期望一种如下的能量存储系统：其可以通过提供具有成本效益、安全且高效的方式来存储和分配多余能量来克服所识别的局限性中的至少一些。
9.除非上下文另外明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括
(comprises)”、“包括(comprising)”等等将与排他性或穷尽性意义截然相反、按包括性意义（即，从“包括但不限于”的意义上）解释。
10.虽然将参考具体示例描述本发明，但是所属领域的技术人员将了解，本发明可以按许多其他形式实施。


技术实现要素：

11.在第一方面中，公开了一种热能存储装置的实施例，其包括：壳体，所述壳体限定中空内部室，所述室在使用中被布置成在其中容纳处于惰性气体气氛中的石墨固体材料；以及至少一个导管，所述至少一个导管被布置成经由所述壳体中的入口和出口开口延伸穿过所述中空内部室，所述导管在所述入口和出口开口处密封地装配到所述壳体，并且所述导管或每一导管的外表面被布置成与位于所述中空内部室内的所述石墨固体材料成紧密面对关系，其中，在使用中，所述导管或每一导管被布置成用于输送流体流从其通过，使得在第一配置中，所述流将热能传递到所述石墨固体材料，并且在第二配置中，所述石墨固体材料将热能传递到所述流体流。
12.在一些实施例中，所述流体是热（热量）能传递流体，其操作成使得：在所述第一配置中，所述流体流传导地加热所述导管或每一导管，并且所述导管朝向所述石墨固体材料传导和辐射热，并且在所述第二配置中，所述石墨固体材料朝向所述导管或每一导管传导和辐射热，并且所述导管传导地加热其内的所述流体流，在一些实施例中，所述石墨固体材料通过热能进出所述热能传递流体流的相应传递而被反复加热和冷却。
13.在一些实施例中，当所述装置布置有单个导管时，则以所述第一配置和所述第二配置两者操作，所述导管适于顺序地输送不同流体从其通过。
14.在一些实施例中，当在所述第一配置中时，所述导管包括适于输送高温流体(htf)流或超临界流体流的材料，并且当在所述第二配置中时，所述导管包括适于输送超临界流体流的材料。在替代实施例中，当在所述第一配置中时，所述导管包括适于输送高温流体(htf)流或超临界流体流的材料，并且当在所述第二配置中时，所述导管包括适于输送高温流体(htf)流的材料。
15.在一些实施例中，当所述装置布置有至少两个导管时，则以所述第一配置操作，所述装置适于在第一导管中输送流体，并且以所述第二配置操作，所述装置适于在第二单独导管中输送流体。
16.在一些实施例中，所述第一导管包括适于输送高温流体(htf)流或超临界流体流的材料，并且所述第二导管包括适于输送超临界流体流的材料。在替代实施例中，所述第一导管包括适于输送高温流体(htf)流或超临界流体流的材料，并且所述第二导管包括适于输送高温流体流的材料。
17.在一些实施例中，所述高温流体(htf)是包括以下各项的群组中的至少一者：液态钠(na)、液态钾(k)、液态nak(77.8%k)、液态锡(sn)、液态铅(pb)、液态铅铋(pbbi) (45%/55%)。
18.在一些实施例中，所述超临界流体是包括以下各项的群组中的至少一者：二氧化碳(co2)、甲烷(ch4)、乙烷(c2h6)、丙烷(c3h8)、乙烯(c2h4)、丙烯(c3h6)、甲醇(ch3oh)、乙醇
(c2h5oh)、丙酮(c3h6o)和一氧化二氮(n2o)。在一些实施例中，所述第一导管和第二导管包括具有约550℃至约1000℃的操作温度范围的材料。在此的一种特定形式中，所述第一导管和第二导管包括具有约550℃至约900℃、700℃至约900℃或550℃至约800℃的操作温度范围的材料。在其他实施例中，所述操作温度范围可以为约600
‑
1000℃、约700
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1000℃、约800
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1000℃、约900
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1000℃、约550
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900℃、约550
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800℃、约550
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700℃、约550
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600℃、约600
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900℃、约600
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800℃或约600
‑
700℃。
19.在一些实施例中，借助于包入所述石墨固体材料的大致气密壳体和初始引入量的惰性气体维持所述中空内部室内的所述惰性气体气氛。在一些替代实施例中，借助于馈送到包入所述石墨固体材料的所述壳体中的惰性气体的正流维持所述室内的所述惰性气体气氛。例如，惰性气体（例如氩气）可以经由位于石墨块和粉末内含物上方的气体进入端口周期性地泵送到所述中空室的最上端中，以置换可能进入的任何氧气。在一些实施例中，所述石墨固体材料可以在操作期间在不依赖于外部系统的情况下产生惰性气体。例如，在空气中将石墨固体材料加热至例如约550℃至1000℃的操作温度可以产生一氧化碳和二氧化碳，其是惰性气体。
20.在一些实施例中，所述中空内部室中的所述石墨固体材料包括适于嵌入所述导管或每一导管的多个实心石墨块，以及放置在其周围的粉末状石墨，以基本上填充所述室中的剩余空隙空间。
21.在一些实施例中，所述中空室成形为矩形棱柱，并且表现为具有顶部、侧边缘提升和安装适配件的面板。所述热能存储面板可以各自包含不超过5000 kg的石墨，并且各自可以包含2000 kg至3800 kg之间或2000 kg至3000 kg之间的石墨。
22.在一些实施例中，在所述第一配置中用于输送高温流体(htf)流或超临界流体流的所述导管提供到上游源的流体连通以便加热所述流体。
23.在一些实施例中，在所述第二配置中用于输送超临界流体流的所述导管提供到下游超临界流体涡轮机的流体连通。
24.在第二方面中，公开一种热能存储模块的实施例，其包括：多个在第一方面中公开的热能存储装置；所述装置中的每一者的所述壳体适于安装和悬置在可定位在联运运送容器的内部的框架上；并且提供在所述壳体处的所述导管或每一导管的所述入口和出口开口在外部连接到输入歧管和输出歧管，所述输入歧管和输出歧管在使用中用于输送所述流体流通过所述导管。
25.在一些实施例中，所述热能存储模块可以包括2个至40个之间的热能存储面板，并且优选地4个至16个之间的热能存储面板。
26.所述热能存储模块入口歧管可以连接所述多个热能存储面板的导管入口。入口歧管温度传感器可以测量入口歧管温度。所述热能存储模块可以还包括出口歧管，所述出口歧管连接所述多个热能存储面板的导管出口。出口歧管温度传感器可以测量出口歧管温度。
27.在所述模块的一些实施例中，所述多个热能存储装置中的每一者具有一个或多个相关传感器以测量其内的所述石墨固体材料的状况。
28.在所述模块的一些实施例中，所测量的状况包括包含以下各项的群组中的一者或多者：所述石墨固体材料的温度、惰性气体压力的量和所存在氧气的量。
29.每一热能存储装置（在图中按面板的形式示出）可以具有氧气或惰性气体传感器，用于监测用于填充热能存储面板中的空隙的惰性气体（例如氩气）的水平和/或检测热能存储面板内的氧气。
30.测试惰性气体的状况的方法可以包括：i) 当温度稳定时，通过进行压力保持测试；ii)使用氧气传感器来检测面板内氧气的存在；iii)测量进入到面板中的惰性气体的流量以检测异常流入速率。
31.用于测量热能存储面板中的惰性气体（例如氩气）的状况的传感器还可以连接到plc，并且所述plc可以被编程为监测所述传感器并控制阀、泵或其他辅助设备，并且可能隔离超临界流体流，或者在特定热能存储面板中的惰性气体的状况劣化到预先确定的水平以下时（例如通过压力下降至低于预先确定的水平或压力或者快速降低），切断到所述特定热能存储面板的电力供应。
32.替代性地，如果气体供应突然增加（这指示热能存储面板的室的外壁或外皮的可能破裂），则可以在惰性气体入口管线上使用流量计来监测气体消耗并操作电子功率控制设备。还可以使用对热能存储面板内氧气的存在的检测来操作电子功率控制设备。
33.在所述模块的一些实施例中，提供可编程逻辑控制器(plc)，使得来自用于监测所述石墨固体材料的相关传感器的信号连接到所述plc，并且所述plc控制相关响应电子控制设备，其中所述plc被编程为监测所述相关传感器并控制到所述模块的流体流。
34.所述plc可以被编程为提供信号输出和输入以传输进出系统级控制器（例如分布式控制系统(dcs)）和显示器，从而提供控制功能并指示包括以下各项中的一者或多者的所测量和所计算的参数：模块平均石墨温度；模块最大石墨温度（指示哪一温度传感器在哪一面板上）；模块最小石墨温度（指示哪一温度传感器在哪一面板上）；模块充热百分比状态；模块充热状态kwht；惰性气体（例如，氩气）压力和/或流率；入口歧管和出口歧管温度；用以开始或停止加热的系统生成的命令。
35.可以提供本地显示器来显示来自plc的输出。plc可以测量入口歧管温度，并且将所述入口歧管温度传输到中央控制器。plc还可以测量出口歧管温度，并且将所述出口歧管温度传输到中央控制器。
36.在第三方面中，公开一种以超临界流体作为工作流体操作闭环发电系统的方法的实施例，所述发电系统包括热能存储装置和超临界流体涡轮机，并且所述方法包括以下步骤：使用包括石墨固体材料的高温热能存储装置存储能量；并且然后，在需要所述能量时：通过将超临界流体流的组份放置成经由导管与所述热能存储装置接触来使用所存储的热能加热这些组份；以及将所产生的超临界流体流放置成与下游超临界流体涡轮机流体连通。
37.在所述方法的一些实施例中，在所述超临界流体流通过所述下游超临界流体涡轮机之后，其返回到所述导管用于进一步加热。
38.在所述方法的一些实施例中，使用所述超临界流体来操作所述涡轮机以产生电力。
39.在所述方法的一些实施例中，所述热能存储在石墨固体材料中，所述石墨固体材料在惰性气体气氛中容纳在室中。
40.在第四方面中，公开一种操作热能存储装置的方法的实施例，所述方法包括以下
步骤：形成到壳体的流体连接，所述壳体包括基本上填充有处于惰性气体气氛中的石墨固体材料的中空内部室，所述壳体具有至少一个导管，所述至少一个导管被布置成经由所述壳体中的入口和出口开口延伸穿过所述中空内部室，所述导管在所述入口和出口开口处密封地装配到所述壳体，所述导管或每一导管的外表面被布置成与位于所述中空内部室内的所述石墨固体材料成紧密面对关系；经由所述流体连接将来自上游源的高温流体(htf)流或超临界流体流输送到所述导管或每一导管中，从而将热能传递到所述石墨固体材料，直到达到所期望的石墨温度；然后，在将来时间，当下游需要所述热能时，所述方法包括以下另外的步骤：形成到所述壳体的流体连接；通过将超临界流体流的组份放置成在所述导管或每一导管中与所述热能存储装置接触来使用所存储的热能加热这些组份；以及将所产生的超临界流体流放置成与下游超临界流体涡轮机流体连通。
41.根据在结合附图考虑时的以下具体实施方式，本公开内容的方面、特征和优点将变得显而易见，所述附图是本公开内容的一部分，并且其通过示例示出所公开的任何发明的原理。
附图说明
42.现在将参考附图仅通过示例描述本发明的优选实施例，在附图中：图1是根据本公开内容的一实施例的热能存储模块的侧面顶部透视图。所述图示出了多个热能存储装置，每一热能存储装置安装在能够位于运送容器中的框架上。所述模块的每一存储装置被布置成用于将来自高温流体(htf)或来自超临界流体的能量转换为热能，并且将所述热能存储在石墨中以供稍后使用。高温隔热材料层在每一面板中间，所述高温隔热材料层也给容器顶部和内壁保温（但是为清楚起见未被示出）；图2是如图1中所示的一个热能存储装置在自立时的侧面顶部透视图。每一存储装置被布置成用于将来自高温流体(htf)或来自超临界流体的能量转换为热能，并且将所述热能存储在石墨中以供稍后使用；图3a示出了图2的热能存储装置的顶部平面图；图3b示出了图2的装置的侧面正视示意图；图3c示出了图2的装置的端部正视示意图；图4示出了在图2、图3和图6的装置内部使用的呈热交换器盘管形式的导管的透视图。图5示出了位于基部加盖石墨板上的图4的呈热交换器盘管形式的导管的局部透视图，并且示出了石墨板相邻于所述基部加盖板的插入；图6示出了如图4和图5中所示的呈热交换器盘管形式的导管的局部透视图，其中插入多个石墨板；图7示出了图4、图5和图6的呈热交换器盘管形式的导管在完全嵌入石墨板中时的透视图，其中石墨板部分地插入下侧；图8是如图2中所示的一个热能存储装置在自立时的侧面顶部透视图。每一存储装置装配有气密外部屏障以容纳石墨周围的惰性气体气氛；图9示出了图5、图6、图7和图8中所见的两个板的横截面，其示出半长圆形凹槽，呈热交换器管道系统形式的导管容纳在所述凹槽中；
图10是根据本公开内容的另一实施例的热能存储模块在自立时的侧面顶部透视图。每一存储装置装配有气密外部屏障以容纳石墨周围的惰性气体气氛。此装置的特征在于顶板在与竖直侧壁的界面处的弯曲边缘，以及导管离开界面处的盖形状，用于减少高应力区。图11示出了超临界二氧化碳的温度和压力相图，其示出了二氧化碳在其临界温度（304.25 k， 31.1℃）和临界压力（72.9个大气压， 7.39兆帕， 73.9巴）以上表现为超临界流体；并且图12示出了使用图2的装置产生的实验结果，数据示出了作为在100
‑
1000℃的范围内的石墨温度的函数的石墨的能量存储(kwh/t)。实验数据(b)被示出为与可用标准数据(a)相比，并且证明本发明装置的相对效率。图13示出了示例2中的热能存储装置的构建原型。图14示出了策略1的(a)致动器行为曲线图和(b)温度响应曲线图。图15示出了策略2的(a)致动器行为曲线图和(b)温度响应曲线图。图16示出了(a) 魏德米勒控制器（weidmuller controller）通常如何根据从matlab代码发送的指令控制热能存储装置；并且(b)示出了操作过程的流程图。图17示出了在热能存储装置的操作期间，在软件的不同阶段期间的典型温度行为（温度响应曲线图）。图18示出了针对示例2的原型开发的工艺和仪器图的变型(a)
‑
(i)。图19示出了(a) 针对示例3使用autodesk
®
inventor和thermal desktop开发的3d模型和热工水力模型；以及(b) 用于在液态钠工艺回路中进行测试的原型。图20示出了在示例3的热能存储装置的充热期间对(a) 平均石墨温度和(b) 钠出口温度的灵敏度评估。图21示出了在示例3的热能存储装置的充热期间的(a) 平均石墨温度和(b) 钠出口温度。图22示出了在示例3的热能存储装置的放热期间的(a) 平均石墨温度和(b) 钠出口温度。图23示出了在示例3的热能存储装置的充热期间的(a) 平均石墨温度和(b) 钠出口温度。图24示出了在示例3的热能存储装置的放热期间的(a) 平均石墨温度和(b) 钠出口温度。图25针对示例3的热能存储装置示出了(a) 在500℃的平均石墨温度和800℃的钠入口温度的情况下的充热；以及(b) 在800 ℃的平均石墨温度和500℃的钠入口温度的情况下的放热的累积能量传递。图26针对示例3的热能存储装置示出了(a) 在300℃的平均石墨温度和500℃的钠入口温度的情况下的充热；以及(b) 在500℃的平均石墨温度和300℃的钠入口温度的情况下的放热的累积能量传递。图27针对示例3的热能存储装置示出了(a) 在300℃的平均石墨温度和500℃的钠入口温度的情况下的充热；以及(b) 在500℃的平均石墨温度和800℃的钠入口温度的情况下的充热的能量传递速率。
具体实施方式
43.本公开内容总体上涉及能量存储的领域，并且特别涉及一种用于存储和使用热（或热量）能的装置和方法。发明人已经设计一种最大限度地利用呈石墨形式的碳作为高效热能存储介质的过程，已经发现在所述热能存储介质温度增加时，所述热能存储介质展现其热能存储容量的增加。
44.将热能转换为蒸汽来驱动蒸汽发电机是非常成熟的发电技术，其通常需要具有在400℃至580℃的范围内的温度的蒸汽。已知，此技术限于约36%的转换效率，并且另外，蒸汽发电厂的物理化学过程意指所述蒸汽发电厂有长的有效“启动”时间来产生电力。低转换效率意味着这种发电厂需要规模经济来使其可行，但是这还意味着其将是资本成本密集型的。
45.已知石墨能够被加热到非常高的温度（超过1200℃），因此其非常适于成为高温热存储的基础，或者作为高温电厂中的产热的缓冲器。在发明人进行并且附在图12中的实验中，数据显示作为在200℃
‑
1000℃的范围内的石墨温度的函数的石墨的能量存储容量(kwh/t)显著上升（上升到大约10倍）。发明人意识到，通过使用也在约550℃至1000℃、优选地700℃至900℃的温度范围内很好地操作的如超临界co2(“sco
2”)等辅助的高温热传递（“工作”）流体，能量存储容量的增加与温度匹配的可能性。
46.特别参考图12，数据证实使用超临界流体作为传热流体的更高操作温度范围的影响
‑
还注意到，石墨的热容量随温度而增加。对于在400 ℃至600℃之间操作的蒸汽发电，所存储的能量等于280
‑
170 = 110 kwht/公吨石墨
×
36% 蒸汽发电机效率 = 40 kwhe/公吨（即，线a）。然而，对于在700℃至900℃之间操作的sco2发电，所存储的能量等于480
‑
350 = 130 kwht/公吨石墨
×
45% sco2效率 = 59 kwhe/公吨（即，线b）。因此，每公吨石墨的sco2发电潜力比蒸汽发电高47%。
47.超临界二氧化碳(sco2)是二氧化碳的流体状态，在所述状态下，其保持处于或高于其临界温度和临界压力。二氧化碳通常在标准温度和压力(stp)下在空气中表现为气体，或者在冷冻时表现为固体（干冰）。如果温度和压力两者都从stp增加到处于或高于二氧化碳的临界点，则其可以采用介于气体与液体之间的性质。更具体来说，其在其临界温度（304.25 k， 31.1℃）和临界压力（72.9个大气压，7.39兆帕，73.9巴）以上表现为超临界流体，从而像气体一样膨胀以填充其容器，但是具有类似液体密度的密度。在本技术中，应参考图11。
48.作为工作流体，sco2具有例如化学稳定、低成本、无毒、不易燃和容易获得等所期望的性质。因此，当寻找不易燃工作流体与石墨一起使用时，这种性质在闭环发电应用中有用。sco2动力循环（布雷顿循环）通常在500℃至900℃之间操作。
49.在sco2的情况下，温度越高，从热到电力的能量转换越高效。一些研究显示，在600℃下，转换效率与蒸汽循环（朗肯循环）相同，但是超过约650℃，则效率在850℃下可以达到58%。
50.最近，基于sco2的涡轮机以50%的效率操作。其中，sco2被加热到700℃。其需要较少的压缩，并且其在2分钟内达到全功率，而蒸汽涡轮机需要至少30分钟。原型产生10 mw，并且仅为相当的蒸汽涡轮机的大小的大约10%。
51.实际上，这意味着，结合石墨的热能存储容量使用sco2可以显著且协同地倍增每
单位所需输入能量产生的电功率。
52.另外，由于其高流体密度，sco2实现极其紧凑和高度高效的涡轮机。其可以使用更简单的单个机壳本体设计，而蒸汽涡轮机需要多个涡轮级和相关联的机壳，以及额外入口和出口管道。使用传统空气布雷顿和蒸汽朗肯循环的发电系统可以升级为sco2以增加效率和功率输出。
53.此外，由于其优越的热稳定性和耐燃性，从高温源的直接热交换是可能的，从而准许更高的工作流体温度、并且因此更高的循环效率。而且，与两相流不同，sco2的单相性质消除了用于水到蒸汽转换所需的相变的热输入的必要性，从而还消除了相关联的热冲击应力、疲劳应力和腐蚀。
54.除成本效益和效率以外，安全问题也很重要，因为如果处于高温的石墨与氧气（或空气）进行接触，则存在石墨着火的可能性。利用石墨作为热能存储介质的先前系统由于其设计而易受灾难性故障。当电加热元件直接加热带有嵌入导管的大石墨块以将所存储的能量转换成蒸汽时，存在高度着火风险。
55.在本公开内容中，石墨包入完全焊接的壳中，并且嵌入有多个呈热交换器形式的导管，用于加热石墨块以及向超临界流体提供热能。使用带有在外部连接到输入和输出歧管的多个嵌入导管的多个悬置石墨面板容易允许传热流体的充热和经加热传热流体的移除。因此，可以通过歧管上的流量控制阀来调节传热速率和热提取率。
56.最后，可以用氩气吹扫密封石墨面板，并且通过氧气传感器监测氧气的存在。热电偶插入每一面板中，从而允许监测每一面板的温度，并根据需要调节流量，以最大化性能。
57.总之，所公开的装置和操作方法具有以下优点：安全性
‑ꢀ
设计时排除石墨着火的所有条件；可运输
–
可以使用联运框架和运送移动；可扩展
–
可以根据需要添加模块，并且针对高容量制造设计面板；以及效率
–
不易燃工作流体sco2的经优化操作温度与石墨的增加的热存储容量的协同作用。
58.参考图1，示出了能量存储模块100。热20能存储模块100容纳在具有标准联运运送容器的尺寸的壳体101中，从而使所述单元相对容易通过使用常规运输装备来运输。壳体101将通常具有外皮和内部绝缘件，其在图1中未被示出以准许观察内部部件。在所述壳体内，多个分立的热能存储面板102被示出为悬置。每一热能存储面板102具有金属壳，其包含石墨本体和嵌入导管用于热回收，下文也对此进行详细描述。
59.热能存储面板102从其螺栓连接到的安装框架105悬置。安装框架105又从支撑在热能存储模块100的壳体101的上导轨103之间的横向30构件104悬置。
60.热能存储面板102中的每一者包括嵌入导管，其载运传热流体，并且使得能够从热能存储面板回收热。入口导管113、114将传热流体从入口歧管115递送到每一热能存储面板102，并且在被加热之后，所述传热流体经由连接到出口歧管119的出口导管117、118从每一热能存储面板102经过。
61.当对电能的需求超过供应时，传热流体穿过嵌入石墨中的导管以提取所存储的热以供使用。所述系统快速预热用于发电的发电系统（例如，sco2涡轮机或某一其他超临界流体涡轮机）。
62.多个热能存储模块100可以用于一系统中，其中当多余能量的量增加时，不同的热能存储模块被切换成接收多余能量。类似地，可以使不同的热能存储模块100在线以准许当
需求增加到高于可用能量供应时回收所存储的能量。
63.本文中描述的多个热能存储面板在热能存储模块中的使用及其操作方法限制石墨着火的可能性。当每一热能存储面板中的石墨包入具有高温不锈钢外皮并且空隙空间填充有惰性气体（例如氩气）的室中时。可以连续监测惰性气体的状态，并且当热能存储面板中的惰性气体的状态丢失时，关闭所述模块单元或降低其操作温度。例如，如果一个热能存储面板中的压力下降到预先确定的水平以下，或者如果在温度稳定时，压力并不保持在预先限定的限度内，则可以监测惰性气体的压力，并且关闭所述模块。所述热能存储面板可以还包括用于监测氧气的存在的氧气传感器，并且如果检测到任何显著量的氧气，则可以关闭加热。
64.每一热能存储面板可以具有用于测量所述面板内的多个位置处的石墨温度的多个温度传感器（例如热电偶）。石墨可以被加热到最大操作温度（例如、约550℃
‑
1000℃、优选地约700℃
‑
900℃），这与sco2同步，并且也远低于可以起始或维持石墨着火的温度（即， >1400℃）。
65.所述热能存储模块可以包括8个热能存储面板，其中每一个热能存储面板包含2200 kg的石墨。每一热能存储面板与模块中的相邻能量存储面板分离，并且每一能量存储面板由高温钢外皮包入。这将石墨质量分成小的子单元，所述子单元各自低于起始或维持石墨着火所需的临界质量。
66.所述热能存储模块被设计成通过每一热能存储面板的石墨中的呈热交换器管形式的嵌入导管高效地提取热。热能存储模块的当前实施例已经额定为在4小时内提取3.6 mwh的热能，但是可以被设计成在更短或更长的时间周期内提取更多或更少的热能，这取决于被选择以适应特定应用的各种参数（例如，传热流体、流率等等），而不背离本文中论述的基本设计原则。
67.在电厂存储系统级，热能存储模块可以按“列”连接，其中一列根据所述电厂所需的输出条件由串联和/或并联连接的热能存储模块组成。
68.在图2中，按透视图示出了热能存储面板102的外部壳体的示例。图2的面板还按平面图（图3a）、正视图（图3b）和端部正视图（图3c）示出在图3中。热能存储面板壳体包括两个大的大致扁平平行侧壁212、213，其由底部壁214、端壁215、216和顶部壁217定界以形成封闭容器。在使用中，面板102将通常竖直地取向，其中底部壁214通常位于面板的下端处。参考图2以及图3a、图3b、图3c，在一种形式中，所述壳体具有2200 mm (c)
ꢀ×
1800 mm (b)
×
400 mm (a)的尺寸（参见图3），然而，这些尺寸可以变化以优化从标准尺寸石墨块切割的石墨的使用，并且优化完整热能存储面板到具有不同大小的容器中的填装。
69.所述壳体的底部壁214可以通过将单件壁材料弯折成“u”形而与两个侧壁212、213一体地形成，其中基部经由具有半径r的弯曲弯折部271过渡到所述侧壁中的每一者中，在本示例中，半径r在50mm至180 mm的范围内、并且标称80 mm。所述壁材料优选地是能够保持结构完整性以在至少1000℃的升高的温度下支撑封闭的石墨芯、导管和包含在其中的任何热交换流体的片材钢板材料。
70.图2和图3中的壳体的壁优选地由不锈钢(316/304)或精加工至轧制光洁度2b级的253ma奥氏体不锈钢（或任何合适的高温导热材料，例如800h奥氏体钢、800ht或例如铬镍铁合金和耐热铬镍铁合金等合金）制作而成。热能存储面板102的表面212、213、214、215、216、
217可以具有不锈钢材料的天然光洁度（比发射率0.7）或经抛光的表面（比发射率0.2
‑
0.3），或者可以设置有另一合适的表面涂层或处理（在0.3
‑
0.8的范围内的比发射率）。表面212、213、214、215、216、217还可以涂覆有强健高温热吸收（例如，在0.8
‑
1.0、优选地0.90
‑
1.0的范围内的黑色
‑
比吸收率）涂料、表面处理或其他合适的涂层。
71.提供安装凸缘121，其从端壁215、25 216的顶部延伸，并且包括相应的安装孔223。通过经由安装孔223将凸缘121螺栓连接到安装框架，凸缘121用于使面板102从安装框架105悬置。每一凸缘可以包括端壁215、216中的一者的超过其联接到的相应侧壁213的延伸部（即，所述凸缘可以从与端壁215、216相同的片材材料件切割而成，所述凸缘从端壁215、216延伸）。通过使热能存储面板从凸缘121悬置、而非从下方支撑它，侧壁中因作用在壳体上的石墨芯的重力而产生的张力允许其抵抗屈曲以维持与石墨芯的良好热连通。侧壁215、216通过弯折部271联接底部壁214的壳体的弯曲形状也往往保持金属壁压靠在石墨芯上。
72.在壳体的顶部壁217中提供通风孔251以允许在将壳体壁焊接在一起期间的通风。这些孔可以被塞住（例如，在5个面板壁联接之后通过焊接），或者它们可以用于容纳穿过壁的密封电缆端口以使仪器电缆（例如热电偶线）进入壳体，作为填充端口来向石墨芯提供氩气覆盖层，用于容纳填充喷嘴以用石墨粉或其他导热介质填充空隙空间和/或内部贮存器，或用于容纳到外部贮存器的连接以当石墨芯和壳体在热循环期间膨胀并接触时维持这种材料的10等级。在所示出的实施例中，通风孔251中的一者用于容纳穿过壁的密封电缆端口161以使仪器电缆（例如热电偶线）进入壳体。电缆端口161还用作填充端口以向石墨芯提供氩气覆盖层。第二通风孔251用于容纳15填充喷嘴163以用石墨粉或其他导热介质填充空隙空间和/或内部贮存器。
73.在壳体的顶部壁217中提供其他孔252、253以分别允许导管出口117、118的通过。类似地，在壳体的侧壁216中提供孔254、255以分别允许导管入口114、113的通过。
74.参考图4，按透视图示出了导管420。导管420被嵌入石墨芯中，如图5、图6和图7中所见。导管420包括导管425、426、427、438、439、440以及第一和第二导管入口113、114以及第一和第二导管出口117、118。第一和第二导管入口113、114以及第一和第二导管出口117、118可根据在特定应用中期望使热交换流体流过导管的方向互换为入口或出口。导管入口113、114终止笔直管部分440，笔直管部分440形成包括顺序“u”形区段428的第一蛇形管部分425的一部分。第一蛇形管部分425（其中的两者平行）借助焊接接头437联接到多个中间蛇形管部分426，中间蛇形管部分426类似地通过焊接接头437联接。最后蛇形管部分426通过其他焊接接头437联接到最后蛇形管部分427。最后蛇形管部分427各自终止在分别延伸到出口117、118的出口区段438、439中。
75.在蛇形部分425、426、427中提供的“u”形区段428的数目可以根据应用变化。例如，对于具有长排放持续时间的低流率，可能需要的“u”形区段428的数目更少，并且相反地，对于具有短排放持续时间的高流率，可能需要更多“u”形区段428。
76.所述导管可以例如由253ma奥氏体不锈钢（或任何合适的高温导热材料，例如800h奥氏体钢、800ht或例如铬镍铁合金和耐热铬镍铁合金等合金）制成，并且可以具有在例如26.67 mm至42.16 mm的范围内的标称外径。在本实施例中，标称外径为33.4 mm，但是外径可以根据应用的特定情况变化为大于或小于此值。导管426、439、440以及相关联的导管入口113、114以及第一和第二导管出口117、118优选地形成有管组件的至少一些区段，所述管
组件采用适于在组装期间压缩（像弹簧一样）的盘绕或蛇形形状（例如，蛇形部分425、426、427和出口区段438、439），使得当壳体102因热膨胀而膨胀时，因导管配置的移动产生的应力并不超过导管材料的机械性质。
77.参考图4，导管420包括两个平行的蛇形管组件，每一管组件具有独立的输入113、114和输出117、118，然而，应用可能需要不同数目个盘管，例如1个、2个、3个、4个盘管等等。导管420几乎完全嵌入石墨芯中，如图5、图6、图7中所见。导管420包括导管425、426、427、438、439、440、117、118、113和114。下管端113和114提供两个导管入口，并且连接到包括管部分425、426、427的主要管组件的下端。导管入口113、114也可以充当放泄口。上管端117、118提供两个导管出口并终止从包括导管部分427的主要导管组件的上端延伸的管区段439、440。导管部分425、426、427通过焊接件437联接在一起。在各种应用中，流动可以反向，使得入口可以是117、118，并且出口可以是113、114。
78.所述导管可以例如由253ma奥氏体不锈钢（或任何合适的高温导热材料，例如800h奥氏体钢、800ht或例如铬镍铁合金和耐热铬镍铁合金等合金）制成，并且在此实施例中，可以具有例如33.4mm的标称外径，但是外径可以根据应用的特定情况变化为大于或小于此值。在一些实施例中，可以使用更小的直径导管（例如具有21.3mm的外径(od)的dn15 mm管道或具有17.1mm的外径(od)的dn10 mm管道）以迎合更高的压力。
79.参考图5、图6和图7，导管入口113、114延伸穿过底部石墨加盖板509中的凹槽511的端部。导管部分426中的“u”形弯折部428容纳在石墨板512的端部中的凹口513中。还在石墨板512中提供孔522以准许插入定位管（未示出）以在组装之后维持所述石墨板的位置。参考图8，导管出口117、118延伸穿过壳体102的顶部壁117中的开口252、253，并且导管入口113、114延伸穿过壳体102的端壁216的底部中的开口255、254。导管部分425、426、427能够移动以适应导管在使用中的膨胀，而不超过导管的材料限制。
80.围绕导管入口113、114和出口117、118密封所述壳体，其中所述入口和出口通过孔252、253、255、254离开壳体，使得空气无法在壳体密封之后进入壳体。壳体的顶部壁217中的多个开口251（如图8中所见）在将壁面板焊接在一起期间充当通风孔。这些通风孔可以在面板的其余部分已经焊接在一起之后通过焊接密封，或者它们可以用作传感器（例如用于在操作中监测面板内部的状态的热电偶）的密封电缆端口，作为填充和吹扫端口以向石墨芯提供氩气覆盖层，或者作为填充喷嘴以用石墨粉或其他导热介质填充空隙空间。参考图10，与带有其扁平顶部壁217的图2中所示的热能存储面板相比，唯一区别在于，顶部壁现在是弯曲的，但是此装置的特征在于在与竖直侧壁212、213的界面处顶板的弯曲边缘668、669以及在使用中定位成覆盖在导管出口界面处的波纹管或靴形覆盖件670、671，以减少高应力区。在那些上边缘位置处和导管的出口点处，在冷却循环、而非加热循环期间观察到高应力位置。
81.在制作导管之后，预先成形的石墨板509、512被定位成包围大部分导管。参考图5，首先将下加盖板509定位在延伸到入口113、114的最低导管440下方。
82.下加盖板509在一个（上）表面上带凹槽511，其中所述凹槽具有符合导管的最低区段440的形状和半径的半圆形（或优选地长圆形）横截面。下加盖板509的下边缘506在与带凹槽表面相对的面（即，图5、图6、图7中的面朝下的表面）之间具有与壳体的侧壁212、213与底壁214（参见图8）之间的过渡部271相对应的半径。边缘506可以具有在50mm
‑
150 mm的范
围内的半径，并且在所提出的实施例中，将具有80 mm的半径。
83.参考图5、图6、图7、图9，大部分石墨板512定位在管部分425、426、427中的成排的导管之间。石墨板512各自包括两个相对表面，其中形成半圆形（或优选地半长圆形）凹槽511、516，其符合导管部分425、426、427的导管的形状和半径。当使用半长圆形凹槽时，其在竖直方向上是细长的（即，两个凹槽邻接以形成具有竖直10主轴的长圆形横截面）以适应导管组件在竖直方向上的膨胀（如图7中所观察的）。参考图9，两个邻接板512的局部横截面示出了包围一对导管426的两对对齐的半长圆形凹槽(511、516)。
84.参考图8，在剩余的石墨板512处于适当位置中之后，空隙802将保留在板上方以容纳导管区段438、439。一定体积的石墨粉801沉积在空隙802中的上管区段438、439上方以适应壳体在组件的温度改变时的膨胀和收缩。石墨粉可能不完全填充空隙802，从而在石墨粉801上方留下小空间。
85.优选地，图5、图6和图7的石墨板的邻接表面将具有为n8或更好的表面光洁度(iso 1302)。在一些实施例中，石墨板的邻接表面具有为n6、n7、n8、n9或n10的表面光洁度（即，数字越小，光洁度越精细）。使得当在成排的笔直导管部分之间进行组装时，在高达1000℃的面板的内部工作温度下，相邻成对的板包围并密切符合相应笔直导管部分和第一连接导管部分，使凹槽比管的标称外径大大约1.6%，其中公差为大约 0.00/
‑
1.00%。例如，在导管由253ma奥氏体不锈钢（任何合适的高温导热材料，例如800h奥氏体钢、800ht或例如铬镍铁合金和耐热铬镍铁合金等合金）制成并具有33.4 mm的标称外径时，凹槽的直径将优选地为33.9mm ( 0.00/
‑
0.25mm)。替代性地，当导管由相同或类似材料制成并且具有26.67mm的标称外径时，凹槽的直径将优选地为27.1mm ( 0.00/
‑
0.25 mm)，并且当导管具有42.16 mm的标称外径时，凹槽的直径将优选地为42.9 ( 0.00/
‑
0.25 mm)。为在无过多费用的情况下实现高接触表面，凹槽内的石墨的表面将优选地具有n7或更好的表面光洁度(iso 1302)。通过通过将凹槽设计成在工作温度下针对导管直径适当定大小并且通过提供适当表面光洁度来最大化石墨与凹槽的表面的接触，增强了石墨内的导管的操作。
86.将石墨板509、512组装成使导管420包围在开口壳体中，并且将定位管插入到孔522中，延伸穿过所有板以维持对齐。所述定位管可以接合从壳体的基部突出的定位销（未示出）以将石墨芯509、512定位在壳体内。然后将壳体焊接成封闭，包括密封所述开口255、254、252、253，入口导管113、114和出口导管117、118通过所述开口穿过壳体，以形成成品面板102（参见图3和图8）。通风孔251也可以通过焊接或通过插入密封塞或允许换能器电缆（例如热电偶线）密封进入面板的内部的端口配件而被密封。通风孔251还可以装配有端口配件以便用作填充端口以向石墨芯提供氩气覆盖层，或者作为填充喷嘴以用石墨粉或其他导热介质填充空隙空间802。
87.由于石墨板延伸到壳体的端部并且几乎完全占据壳体内的空间，因此石墨的负载均匀地散布在壳体的底部壁214上，从而允许使用更薄的材料。同样，通过最大化与壁接触的石墨的面积、并且因此最小化空隙空间，可以最大化通过传导到石墨中的热传递。最小化空隙空间也最小化可用于在面板被加热到其操作温度时与石墨反应的滞留空气的量。
88.在本实施例中，壳体内未被石墨或管道系统占据的空隙空间的体积通常在壳体的内部体积的4
‑ꢀ
10%、并且通常5
‑
7%的范围内（在工作温度下）。相应地，壳体的侧面板（当在使用中时，其是面板的被辐照的表面）通常在除其面积的1
‑
5%、并且在优选实施例中通常2
‑
3%（在工作温度下）以外全部都由石墨芯支撑。
89.在所述面板的顶部壁中，开口251允许内部空气在制造期间的膨胀，并且可以被焊接成封闭或用作端口。开口251中的一者被示出为附接有填充喷嘴163以准许用石墨粉末填充空隙空间（参考下文图8的描述）。
90.图8示出了热能存储面板102，其中移除一个侧壁，从而示出了形成石墨芯的石墨板509、512。在石墨板与壳体的壁之间（例如，在图8中可见的板509、512与包括已经被移除的壁213在内的竖直壁212、213、215、216之间）将存在空隙。较大的空隙802在石墨芯的顶部与壳体的顶部之间形成贮存器。在此情况下，贮存器802和空隙至少部分填充有石墨粉801。石墨粉801增强壳体的壁与石墨芯之间的热传递。填充喷嘴163与贮存器802连通以实现壳体中的空隙的填充和贮存器802的加满。贮存器802存储额外的石墨粉，当在热循环期间发生壳体和芯的膨胀和收缩时，这防止空间打开。可以在任何先前描述的实施例中采用此布置。
91.在某些实施例的前述描述中，为清楚起见，已经采用特定术语。然而，本公开内容并不旨在限于如此选择的特定术语，并且应理解，每一特定术语包括按类似方式操作以实现类似技术目的的其他技术等效物。使用术语（例如“上部”和“下部”、“上方”和“下方”等等）作为方便词语来提供参考点，并且不被解释为限制性术语。
92.前述描述是关于可以共享共同特性和特征的数个实施例提供的。应理解，任何一个实施例的一个或多个特征可以与其他实施例的一个或多个特征组合。另外，任一所述实施例中的任何单个特征或特征组合可以构成额外的实施例。
93.另外，前述内容仅描述本发明的一些实施例，并且可以在不背离所公开实施例的范围和精神的情况下对其进行更改、修改、添加和/或改变，所述实施例是说明性而非限制性的。
94.此外，已经结合当前视为最实用且优选的实施例描述了本发明，应理解，本发明并不限于所公开的实施例，而是相反，旨在涵盖包括在本发明的精神和范围内的各种修改和等效布置。同样，上文描述的各种实施例可以结合其他实施例实现，例如，一个实施例的方面可以与另一实施例的方面结合以实现再其他实施例。进一步，任一给定组件的每一独立特征或部件可以构成额外实施例。
95.实验部分示例1
ꢀ–
能量存储容量的计算热能存储装置的能量存储容量可以取决于操作温度。操作温度可以基于所使用的热（热量）能传递流体来调整。
96.使用超临界流体作为传热流体效应增加了操作温度范围，这增加了能量存储容量。操作温度的增加还可以增加能量存储容量，因为石墨的热容量随温度增加，如图12中所示。
97.能量存储容量可以根据图12计算能量存储容量的计算，图12示出了热能存储对平均石墨温度的依赖性。
98.例如，如果使用蒸汽（其通常提供400℃至600℃的操作温度），则由石墨在所述温度范围存储的能量为110 kwht/公吨石墨。这是根据图12计算的，其中石墨在600℃下的能
量存储为约280 kwht/公吨石墨，并且在400℃下为约170 kwht/公吨石墨。因此，这两个温度下的能量存储差为110 kwht/公吨石墨。
99.如果使用超临界流体（例如sco2，与蒸汽相比，其通常提供更高的操作温度），则由石墨在700℃至900℃的操作温度下存储的能量为130 kwht/公吨石墨。这是根据图12计算的，其中石墨在900℃下的能量存储为约480 kwht/公吨石墨，并且在700℃下为约350 kwht/公吨石墨。因此，这两个温度下的能量存储差为130 kwht/公吨石墨。
100.能量转换效率在放热期间产生的能量则可以由所使用的能量发电机的类型确定，所述类型是例如蒸汽发电或超临界流体发电（如在使用sco2的布雷顿循环发电机中）。
101.蒸汽发电机的理论功率转换效率为约36%，并且超临界流体发电机的理论功率转换效率为45%。
102.照此，对于在400℃至600℃之间操作的蒸汽发电，能量转换为40 kwhe/公吨（110 kwht/公吨石墨
×
36%效率）。
103.对于在700℃至900℃之间操作的超临界流体发电，能量转换为59 kwhe/公吨（130 kwht/公吨石墨
×
45%效率）。
104.因此，可以看出，由于与蒸汽动力发电机相比，布雷顿循环发电机的更高的操作温度和经改善的效率，超临界发电大于蒸汽发电。对于以上示例性计算，每公吨石墨的sco2发电潜力比蒸汽发电高47%（59 kwhe/公吨/40 kwhe/公吨
×
100%）。
105.示例2
ꢀ–
优化从高温流体到石墨固体材料的热能传递开发了一种使用电加热传热流体(htf)的泵送回路或环路的装置来优化所述热能存储装置借助htf的充热，从而最小化充热时间，同时避免过热。构建示例性实施例以及cad变型，如图13中所示。在此情况下，选择风扇强制的空冷散热器来模拟所述热能存储装置，因为其实现对所耗散热的量的测量和控制。htf将通常使用来自仪表后方的太阳能光伏和/或风力发电厂的原本减少的发电量被电加热。
106.所述热能存储装置适用于可再生能量发电机以根据需要存储和使用能量。本发明的热能存储装置被设计成匹配使用超临界co
2 (sco2)的新兴布雷顿循环发电机的要求。可以使用高达800℃的被电加热的htf来给所述热能存储装置充热（加热）。
107.使用matlab开发用以操作所述热能存储装置的控制软件，如图16中所示。借助两个不同的pid策略调整htf流和加热控制功能。这些策略是，策略1. 级联pid：使用2个单独的pid，一个用于泵，并且一个用于加热器。加热器pid始终是活动的，而泵pid仅在加热器功率达到其最大加热容量时才被激活。
108.对于策略1，使用所述pid来控制加热器的加热速率和泵的流量以控制上升时间、稳定时间和b4温度的过冲。加热器pid始终是活动的，并且泵pid在加热器功率达到其最大值时被激活。这是为了即使在零部件达到其最大容量时也稳定b4温度。在图14中示出了策略1的致动器行为和温度响应。
109.对于策略1，可以限制泵速的控制范围，即，从0.5 l/min到1.4 l/min，这导致在泵pid期间对热传递的有限控制。此限制导致10%过冲。
110.策略2. 基于操作阶段的pid：针对加热器实现2个pid，其中pid切换是基于操作阶段的。在整个操作中，泵速被设置为最大值。
111.开发策略2以解决策略1的问题。在策略2中，加热器基于其操作的阶段具有两个不同pid。第一控制器在加热阶段期间被激活，并且第二控制器在稳定和存储阶段期间被激活，如图17中所示。
112.泵速在所有阶段都被设置为最大值（例如，1.4 l/min），因为当泵速为最大值时，htf中的热循环较高。在图15中示出了策略1的致动器行为和温度响应。
113.比例积分微分控制器（pid控制器或三作用控制器）是采用反馈的控制环路机制，其广泛用于工业控制系统和需要连续调制的控制的多种其他应用中。pid控制器连续计算误差值作为所期望的设定点(sp)与所测量的过程变量(pv)之间的差，并基于比例、积分和微分项（分别表示为p、i和d）施用校正。
114.策略2通常以较低过冲和较低稳定时间提供所期望的结果。本技术人出乎意料地发现：当泵流率增加时，过冲和欠冲因htf内的热传递的增加而减小，这提供对其温度的更好控制；当htf以低流率被泵送通过散热器时，冷却速率因接触时间的增加而增加，并且在系统中具有最少体积的htf花费最少时间来加热和冷却。这涉及比热公式q = mcδt（方程1），其中当质量增加时，加热htf所需的能量也增加。q是能量传递，m是物质的质量，c是比热，δt是温度的变化。
115.下文在表1中示出了对策略1和策略2的比较。
116.表1.策略结果比较性质策略1策略2变化上升时间64.6秒73.5秒增加13.7%过冲8.1℃(10%)3.8℃(4.8%)减少53%欠冲2.5℃(3%)0.5℃(0.6%)减少80%稳定时间154.9秒108.6秒减少30%
117.虽然在策略2中上升时间增加，但是其他性质也得到改善。一个重要因素是稳定时间；在达到设定点之前htf中的所有加热能量都不存储在热能存储装置中，而是被引导到罐。使用策略2通常是更优选的。
118.图15b中的此系统的主要限制在于泵流率不能超过1.4 l/min，即使其具有3.5 l/min的额定流率。这是因为泵入口导管的大小与出口导管的大小相同，从而过早阻塞泵。因此，泵流率被限制在1.4 l/min，从而致使系统的加热时间、冷却时间和关闭停机时间比针对更高泵流率原本将发生的时间长。
119.在一些情况下，在代码执行与来自系统中的致动器部件的响应之间可能存在延迟。这些是由于在matlab中使用的多个类和库。然而，使用工业系统很可能可以减少这些问题。
120.在示例2的构思验证系统中，所述系统可能没有足够功率来同时启动系统中的所有部件。当它们同时启动时，系统可能暂时失去能量并停止操作。对于不间断的操作，顺序地启动所述部件。
121.当泵流率增加时，过冲和欠冲在htf中的热循环随流率增加时减小，并且最小化加热器与散热器入口之间的温度差。因此，pid稳定时间随高流率减小。
122.当流率降低时，散热器的冷却速率增加，因为来自htf的能量提取随增加的接触时间而增加。
123.在系统中具有较低体积的htf减少加热和冷却的时间。当体积增加时，将所述质量升高到所期望的温度所需的能量也增加。由于加热器供应能量的容量有限，因此实现目标温度所花费的时间增加。在热能存储装置中使用较少htf通常更高效，因为在加热阶段和稳定阶段中使用的能量减少。
124.可以根据以下因素调整加热时间、冷却时间和关闭停机时间：使用具有较高流率范围的泵；将泵的入口导管和装配孔大小选择成大于（至少50%）泵出口导管大小；在热能存储装置中使用最小htf体积；并且在具有专用计算机和有线连接的工业系统中实现所述软件。
125.也可以优化所述热能存储装置，包括：将泵入口导管半径调整为泵出口导管的半径的至少两倍以在不损坏泵的情况下在较高流率下平衡泵入口与出口导管之间的质量流量；使用具有大于所需流率范围的流率范围的泵；尽可能在热能存储装置中使用最小htf体积；避免同时启动系统部件，因为系统可能无法供应必需电流，并且使用部件启动之间的时间间隔来管理系统的功耗；并且在具有专用计算机的工业系统中实现所述软件以避免通信延迟和中断。优选地，计算机将使用有线连接以提高通信稳定性。
126.示例2是构思验证，并且照此为了分析，将htf加热到80℃以最小化风险并确保测试期间的安全性。
127.热能存储装置操作图16a示出了控制器通常如何根据从matlab代码发送的指令控制热能存储装置，并且图16b示出了操作过程的流程图。
128.表2. 标识符、零部件类型和用途标识符零部件类型用途b1流量变送器测量导管中的htf的流率。b2温度变送器用于测量htf在加热之前的温度。b3压力变送器监测导管中的压力。b4温度变送器用于测量经加热的htf的温度。b5压力变送器监测导管中的压力。b6温度变送器测量离开e2的htf的温度。b7压力变送器监测导管中的压力。b8温度变送器监测加热器内部的温度。c1开口罐用于存储htf。窥镜用于监测罐中的htf。e1加热器用于将htf加热到所期望的温度。e2散热器/热交换器(导管)充当热能存储单元。其从htf吸收热。g1泵用于在整个系统中泵送htf。g2风扇其冷却e2中的经加热的流体。q1阀从系统放泄htf。q2阀从罐放泄平衡htf。q3三通阀基于htf的温度旁通htf。
129.当启动所述热能存储装置时，其立即进入加热阶段。致动器的默认值是：接通泵，速度 = 0 l/min；加热器处于5秒的工作周期，其中工作循环为0%；打开三通阀，并且htf绕
过散热器进入罐；并且然后切断散热器。
130.当所述热能存储装置进入关闭阶段时，系统以其最大速度运行散热器和泵以将所述热能存储装置中的htf冷却至40℃。加热器处于0%的工作循环，并且三通阀将htf朝向散热器引导。
131.在借助不同p、i和d常数的多次测试运行之后完成pid调整。使系统冷却至恒定温度以获得一致初始条件。
132.图17示出了在所述热能存储装置的操作期间在软件的不同阶段期间的典型温度行为。
133.关于导管和仪器图，上文在表2中描述缩写及其零部件。
134.在图18a中示出了用于所述热能存储装置和系统过程的导管和仪器图的一个实施例。来自罐(c1)的htf通过重力给泵(g1)灌液。当泵活动时，htf通过一组温度(b2)和压力(b3)传感器并且到达滤油器(r1)。然后通过流量传感器(b1)，其进入加热器(e1)并且被加热。所述加热器具有内部温度传感器(b8)，所述内部温度传感器(b8)给出关于加热器中的htf的平均温度读数。在离开加热器之后，htf通过另一组温度(b4)和压力(b5)传感器，并且其到达三通阀(q3)。默认情况下，所述阀将htf朝向所述罐引导。
135.当htf温度达到设定点（在b4温度传感器处）时，所述阀引导htf通过散热器（e2和g2）。此系统中的散热器通过从htf吸收热来模拟所述热能存储装置的行为。在离开散热器之后，htf通过另一组温度(b6)和压力(b7)传感器并且返回到罐。当散热器出口温度达到其最大值时，系统认为所述热能存储装置被充热，并且系统关闭。在关闭周期期间，泵和散热器速度处于最大值，同时切断加热器，因为系统冷却到安全温度。
136.下文列出变型i的设计考虑：使用三通阀来旁通温度低于设定点温度的htf。当具有低于存储温度的温度的htf通过热存储罐时，其对所述热能存储装置放热，从而可能导致低效存储系统；使系统成为开放系统。这消除由于htf在其经历温度变化时的体积变化而需要管理系统的内部压力；放泄阀(q1)处于系统的最低点处，并且根据需要通过重力放泄htf；b1（流量）传感器、（泵出口压力）b3传感器和（温度）b2传感器的布置允许用户观察直列式过滤器是否被堵塞（即，如果b1流量读数急剧下降到所设置的泵速率以下，并且b3压力读数比系统的其余部分增加更多，则可以推断，在b3传感器与b1传感器中间存在堵塞。照此，可以检测到堵塞；此系统的罐出口导管比最低点高大约100 mm。
137.所述设置允许系统利用不含灰尘和污垢颗粒的油，因为灰尘沉降在罐的底部处；为罐(q2)添加单独的放泄阀允许用户单独对罐进行放泄，使得放泄所述系统中的灰尘颗粒，而不使其与剩下的油混合。
138.就安全性和危险因素而言，图13和图18a是最低风险桌面系统。图13和图18a的初始安全考虑是：温度设定点是最终系统的1/10；通过使其通向大气而避免内部压力；与其他选项（例如sco2/液体金属）相比，使用更低风险的htf；并且电气装备使用12v至24v直流电流。
139.在图18中示出了用于热能存储装置和系统过程的导管和仪器图的替代实施例。
140.针对导管和仪器图的实施例（图18d），重新布置b1（流量）传感器、（泵出口压力）b3传感器和（温度）b2传感器。此重新布置允许用户观察直列式过滤器是否被堵塞。这可以通过监测b1传感器和b3传感器的行为来完成。即，如果b1读数急剧下降到所设置的泵速率以
下，并且b3读数比通常增加更多，则在b3传感器与b1传感器中间可能存在堵塞。为罐添加单独的放泄阀，并且此系统的罐出口（图18d）比最低点高大约100 mm。此设置允许系统利用来自系统的不含灰尘和污垢颗粒的油，因为灰尘沉降在罐中。
141.针对导管和仪器图的实施例（图18f），移除冷却进入罐的htf的冷却系统。即使在电池存储阶段期间，冷却器也在htf离开存储装置之后冷却htf。这导致极大能量浪费，并且冷却器仅在对所述热能存储装置完全充热之后在关闭所述热能存储装置时才使用。
142.表3.热能存储装置的潜在故障模式
故障模式症状原因电源故障系统完全停止熔断保险丝e1不加热/工作htf被冷却，还引起存储装置中的热损失熔断保险丝；故障传感器（b1、b2或b4）；通信故障g1故障使htf过热可能导致相变并且在系统中建立压力。这可能导致爆炸和着火熔断保险丝；通信故障故障温度传感器(b2、b4、b6)e1中的加热速率受到影响，并且最终进入e2的冷却模式或使e1中的htf过热，从而导致事故。错误连接；需要校准故障流率传感器(b1)通过b1调整g1以获得所期望的流率。e1中的加热速率受到影响，并且最终进入存储系统的冷却模式或使加热器中的htf过热，从而导致事故。故障接线；需要校准故障压力传感器(b3、b5、b7)当其仍为正常压力时，读数指示危险模式，这导致系统的不必要关闭。当在系统中存在可能导致爆炸/泄漏的高压时，其也可能指示正常故障接线；需要校准故障阀(q1、q2)htf可能泄漏到环境中，在较高温度下，其可能是反应性流体。磨损和撕裂故障冷却器(g3)系统关闭过程将被延迟，因为冷却过程将是由于冷却器的自然对流而非强制对流熔断保险丝；通信故障故障控制器(t1、t2)htf不期望地冷却或加热并导致事故。熔断保险丝；通信故障
143.将放泄阀降低到热能存储装置的最低位置使得整个系统能够通过重力进行放泄。由于在此实施例中已经通过将最大系统压力从10巴减小到3巴来改变系统规格，因此不需要压力释放阀(prv)。
144.对于导管和仪器图的实施例（图18h），将封闭系统配置成开放系统。这样做的原因是当封闭系统被配置成开放系统时，避免需要管理内部压力，这允许将所述热能存储装置开发成不那么复杂。泵出口管线使用一管线连接到加热器入口，并且将压力释放阀(prv)添加到所述管线（在一些实施例中，从所述管线移除）。此prv管线管理由泵产生的过多压力。当压力超过所设定的限制时，此管线使多余流体旁通到罐并稳定压力。
145.对于导管和仪器图的实施例（图18i），当htf未被足够加热到所期望的存储温度时，添加三通阀以针对htf形成旁路。
146.这样做的原因是当具有低于存储温度的温度的htf通过热存储装置时，htf可以使电池放热并导致低效热能存储装置。借助三通阀，热能存储装置可以旁通较低温度的htf，使其不进入热存储装置。
147.对于不同的实施例，htf具有相比于针对为0.031w/mm
2 (20 w/in2)的加热器推荐的温度相等或更高的表面温度（skin temperature），并且沸点应该高于80℃。在示例2中使用具有0.031w/mm
2 (20 w/in2)的最大加热速率和359℃的沸点的htf (therminol 66)。
148.i) 泵速变化可以改变泵速，这可能影响热能存储装置的温度差，如以下表4中所示。
149.泵速的变化可能影响htf的温度差（在最大加热功率的情况下）。对于60℃至10℃的温度差，具有1.4 l/min至8.7 l/min的流率的泵是优选的。由于可以控制加热器功率，因
此为要以各种加热器功率操作的系统选择具有0.5 l/min至3.5 l/min的现成泵。
150.表4.关于温度差的泵速变化。
151.ii) 导管大小变化可以改变导管大小，这可能影响热能存储装置的流动类型，如表5中所示。
152.表5. 针对不同导管大小的流动类型的变化
。
153.当使用伴热配置（trace heating configuration）加热htf时，湍流是优选的以增加热流。当使用管壳式配置加热htf时，层流是优选的以避免热能存储装置的热损失。
154.基于热传递性质，与瞬态流或湍流相比，在导管中具有层流具有更少的热传递，因为瞬态流或湍流引发热传递。由于导管的热损失应该被最小化，因此层流是优选的。在示例2中考虑的另一个因素是热能存储装置中的htf的体积，因为在系统中具有较少htf减少了加热和冷却时间。选定泵的入口外径(od)为1/8英寸(~0.3cm)，因此导管需要具有更大的od以促进平滑流动。针对示例2，1/4英寸(~0.6 cm) 的od导管是优选的。
155.从1/4英寸(~0.6 cm)导管范围，选择具有最小壁厚度的导管大小以便于制造，因为导管是借助手动弯管机弯折的。
156.示例3
ꢀ–
热能存储装置的建模针对800℃的较高操作温度对本发明的热能存储装置（例如图2和图6中）进行建模，因为示例2出于安全考虑和初始原型设计使用80℃的htf温度。使用autodesk
®ꢀ
inventor 3d模型开发建模。在spaceclaim中简化几何形状并生成网格。使用thermal desktop
®
开发热工水力模型。此软件套件由candr technologies开发和维护。在图19a和
图19b中分别示出了供与液态钠传热流体一起使用的模型和原型。
157.做出以下假定：仅已经对石墨和导管进行建模；已经假定石墨是单质量（即，没有单独的块），照此不包括石墨水平层之间的这种界面。考虑到类似组件的先前建模经验，证实这是可以忽略的；未考虑机壳的热损失，热损失将对确定合适的测试条件具有最小影响；由于网格和热传递边界条件的增加的复杂性，尚未对已经针对仪器移除的石墨的内部区段进行建模；不包括伴热；假定在进行测试运行时将临时关闭伴热；测量压降，然而确定压降在模型中是可以忽略的；所述模型使用253ma导管材料性质，但是可以包括铬镍铁合金625，并且导管至石墨界面处的接触传热系数被设置在400w/m2/℃，其基于david reynolds博士（博士、工商管理硕士、荣誉工程学士）的2014年11月17日发布的版本1.0的g2热工水力模型。进行灵敏度评估以验证400w/m2/℃的此值。接触传热系数是在模型的验证期间要评估的重要变量。
158.使用灵敏度评估来证实0.01
‑
0.05 kg/s流率和300
‑
800℃温度范围是合适的。针对导管与石墨之间的接触传热系数评估模型的灵敏度（因为这是要验证的重要变量）。
159.如图20中所示的灵敏度评估结果是针对0.02 kg/s流率和300
‑
500℃温度范围，其证实所述流率和温度范围是合适的。
160.在模型中考虑以下输入数据：基于steven wright (2010/2011)的csiro“商业石墨的热性质”测试报告（csiro“thermal properties of commercial graphite”test reports）的石墨材料性质；基于sandvik数据表(2019)（sandvik datasheet（2019））的253ma导管材料性质；液态钠材料性质；thermal desktop材料库。
161.在模型中考虑以下边界条件：htf限于液态钠；压力设置在2巴达300分钟的时间；htf流率：从0.01 kg/s至0.1 kg/s的各种固定流率；htf入口温度（充热）：800℃或500℃；htf入口温度（放热）：500℃或300℃；初始平均石墨温度（充热）：500℃或300℃；以及初始平均石墨温度（放热）：800℃或500℃。
162.模型的输出是所述热能存储装置的平均石墨温度和htf出口温度。
163.对于充热阶段期间的情形，使用500℃的平均石墨温度、800℃的钠入口温度、从0.01至0.1 kg/s的变化钠入口流量和300分钟的运行时间，平均充热石墨温度和钠出口温度被示出在图21中。
164.对于放热阶段期间的情形，使用800℃的平均石墨温度、500℃的钠入口温度、从0.01至0.1 kg/s的变化钠入口流量和300分钟的运行时间，平均充热石墨温度和钠出口温度被示出在图22中。
165.对于充热阶段期间的情形，使用300℃的平均石墨温度、500℃的钠入口温度、从0.01至0.025 kg/s的变化钠入口流量和300分钟的运行时间，平均充热石墨温度和钠出口温度被示出在图23中。
166.对于放热阶段期间的情形，使用500℃的平均石墨温度、300℃的钠入口温度、从0.01至0.025 kg/s的变化钠入口流量和300分钟的运行时间，平均充热石墨温度和钠出口温度被示出在图24中。
167.基于所述建模，还估计能量传递。每模拟时间间隔针对钠htf使用比热公式q = mcδt（方程式1）计算能量传递，并且将其转换为kwh，并且每时间间隔进行求和以提供累积能量传递q。在图25和图26中分别示出了针对不同充热和放热温度的累积能量传递。
168.表6. 能量输入和输出的充热和放热情形。
169.类似地，使用方程式1计算能量传递速率，并且将其示出在图27中。然而，仅计算充热，因为热输入的大小与维持恒定入口钠温度有关。放热能量传递速率是等效的。
170.上文在表6中示出了示出能量输入和输出的不同情形的总结。
171.虽然已经参考特定示例描述本发明，但是所属领域的技术人员将了解，本发明可以按许多其他形式实施。