CN101278155A - 改进的能量存储系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种用于改进能量的使用的系统和方法。明确地说，本发明揭示一种能够通过以热能形式选择性地存储和提取来改进可再生能量的使用的系统。所述热能可通过俘获来自太阳的热能或通过转换来自风力涡轮机的电能而产生。接着将其存储在流体内，所述流体可在钻孔中、在地下回路设置中，或在用大量流体填充的储槽中被引导到地面回路中。随后，视需要使用所述热能来驱动热泵，所述热泵进而产生热水。

Description

改进的能量存储系统

技术领域

本发明涉及能量效率领域，且明确地说涉及一种用于改进能量的使用的系统和方法。

背景技术

2003年2月，英国政府颁布了能量白皮书，其中概述了对于提高能量效率的需求。简单地说，只有当通过能量效率实现至少50％的减少时才可满足大量减少碳放射的目标。因此，这是英国能量政策的精神所在。减少对电力供应网络的需求将直接导致碳放射的减少。

另一问题是燃料匮乏问题，在英国上百万户家庭不能充分支付起家庭的供热。一些供热系统运行起来效率低下且昂贵，且特别需要一种较便宜、能量效率较高的替代物。

来自太阳的能量是最广泛可用的能源之一，且是最显而易见的能源之一。太阳能面板主要用于发电，而且还已知太阳能水加热面板。太阳能水加热面板用于提供热水供给。

此类太阳能水加热面板的缺点是，其并不始终产生足够的热量来提供(例如)家庭热水供给。在夜间和多云条件下，有些时段将产生极少或不产生能量，且必须依靠标准家庭水加热。因此，这只有在适当条件下才会提高家庭中的能量效率。

考虑到近来对能量的更有效使用的需求的认识提高，使用热泵的益处很明显。热泵是一种热交换器，其将热量从一个位置转移到另一位置，从而有效地以热换冷，或反之亦然。冰箱是一种热泵，其中从食物储藏区取热量并通过处于电器后面的散热片来散热。

使用一种替代类型的热泵来利用各种可再生能量，尤其是来自周围空气，或地下温度，乃至来自日光加热的水或地面的热量的益处。在这种类型的系统中，能量效率显著提高。需要少量电力将热能从一个位置移动到另一位置，但热量所转移的能量通常是电力单独将产生的能量的若干倍。这提供一种增进(例如)家用和商用常规水加热系统的方式。已知1997年CO2放射的30％归因于建筑物加热，显然可通过使用能量效率较高的做法来大大减少总放射量。

然而，情况并非总是允许可以最佳效率使用热泵，因为已知供汲取能量的热量来源可能不是始终处于最佳操作温度。此外，气候条件和季节也在某种程度上影响热泵的效率。

因此，本发明的目的是提供一种实现能量的较有效使用的系统。

发明内容

根据本发明第一方面，提供一种系统，所述系统包括：

能量提取构件，所述能量提取构件适于从来源提取能量；

能量存储构件，所述能量存储构件适于以可回收方式存储所提取的能量；

能量输出构件，所述能量输出构件适于以可控制方式从系统中释放能量；

能量转移构件，所述能量转移构件适于在能量提取构件、能量存储构件与能量输出构件之间转移能量；以及

能量转移控制构件，所述能量转移控制构件适于控制能量提取构件、能量存储构件与能量输出构件之间能量的转移。

优选地，所述能量转移控制构件操作以便优化进入输出构件的能量流。

优选地，所述能量存储系统进一步包括热泵，所述热泵位于能量存储构件与能量输出构件之间。

优选地，所述能量转移构件包括连接系统组件中的两者或两者以上的至少一个管道。

优选地，所述管道是中空的且含有流体，所述流体适于存储热能并适于通过在管道中流动来转移热能。

可选地，所述流体是乙二醇。

或者，所述流体是水。

优选地，所述能量提取构件包括太阳能加热面板，所述太阳能加热面板适于接收来自太阳的能量并将热能传递给太阳能加热面板中的流体。

优选地，所述能量提取构件进一步包括温度传感器。

或者，所述能量提取构件包括一个或一个以上用流体填充的软管，所述软管适于从环境中捕集热能。

或者，所述能量提取构件包括位于含有大量流体的储槽内的软管，所述软管适于从所述大量流体中提取热能。

优选地，所述能量提取构件进一步包括一个或一个以上加热元件，其位于储槽上或储槽中并适于将热能提供给流体。

优选地，所述能量提取构件包括风力涡轮机，其适于将电能提供给所述一个或一个以上加热元件。

优选地，所述能量存储构件包括一个或一个以上地面回路。

优选地，所述一个或一个以上地面回路插入在各自钻孔中。

或者，所述能量存储构件包括含有大量流体的储槽。

优选地，所述能量转移控制构件包括至少一个阀，所述至少一个阀位于系统内以便控制流体在系统内的流动。

优选地，所述能量转移控制构件进一步包括控制器构件，所述控制器构件适于响应于从温度传感器接收的温度信号来控制所述至少一个阀。

优选地，所述能量输出构件包括缸，所述缸适于接收并保持一定量的流体。

优选地，所述缸包括输出构件，所述输出构件适于选择性地使流体流进所述系统中或流进外部系统中。

可选地，所述外部系统包括热水系统。

或者，所述外部系统包括加热系统。

根据本发明第二方面，提供一种适用于第一方面的系统中的缸，所述缸包括第一贮存器和第二贮存器，其中所述缸进一步包括使来自能量提取构件和能量存储构件的至少一者的流体转向任一贮存器的构件。

优选地，所述缸有排放口。

或者，所述缸没有排放口。

优选地，所述第一贮存器和所述第二贮存器适于保持不同量的流体。

优选地，所述第一贮存器和所述第二贮存器适于保持不同温度的流体。

优选地，所述第一贮存器和所述第二贮存器适于接收不同的流动速率的流体。

根据本发明第三方面，提供一种使用第一方面的系统来存储和分配能量的方法，所述方法包括以下步骤：

测量能量提取构件中的温度；以及

依据能量提取构件中的所述温度，选择性地将能量从能量提取构件移动到能量存储构件或能量输出构件，或者将能量保持在能量提取构件中。

优选地，在系统内以热能形式移动能量。

优选地，将热能存储于在连接系统组件的管道中流动的流体中。

优选地，系统中流体运动的变化取决于能量提取构件中流体的温度达到阈值。

或者，系统中流体运动的变化取决于能量提取构件的温度达到阈值。

优选地，流体流动的变化进一步取决于流体或能量提取构件的温度超过阈值持续预定时间段。

优选地，响应于能量提取构件中的温度超过第一阈值温度值来选择所述将能量从能量提取构件移动到能量存储构件的步骤。

优选地，响应于能量提取构件中的温度超过第二阈值温度值来选择所述将能量从能量提取构件移动到能量输出构件的步骤，所述第二阈值温度值高于所述第一阈值温度值。

优选地，响应于能量提取构件中的温度超过第二阈值温度值来选择所述将能量从能量提取构件移动到能量输出构件的步骤，所述第二阈值温度值低于所述第一阈值温度值。

优选地，响应于太阳能加热面板中的温度不超过第一阈值温度值来选择所述将能量保持在能量提取构件中的步骤。

优选地，所述将能量保持在能量提取构件中的步骤包括额外步骤：使能量从能量存储构件流动到热泵。

根据本发明第四方面，提供至少一种包括程序指令的计算机程序，所述程序指令当加载到至少一个计算机中时构成所述能量转移控制构件。

根据本发明第五方面，提供至少一种包括程序指令的计算机程序，所述程序指令当加载到至少一个计算机中时促使所述至少一个计算机执行根据第三方面的方法。

优选地，所述计算机程序实施在记录媒体或只读存储器上，存储在至少一个计算机存储器中，或承载于电载波信号上。

附图说明

阅读以下具体实施方式并参看以下附图后将了解本发明的各方面和优点，附图中：

图1呈现根据本发明一方面的能量存储系统的示意图；

图2呈现指示根据本发明一方面的能量存储系统的操作模式的框图；以及

图3呈现根据本发明一方面的替代能量存储系统的示意图。

具体实施方式

首先参看图1，呈现能量存储系统1的示意图，以说明本发明的一实施例。

系统1包括控制模块2，其管理系统1的构成组件之间热能的存储和转移。

提供太阳能水加热面板3，其包括含有待加热的水的导管4。导管4以蜿蜒方式设置在面板3内以增加导管4的长度和表面面积，且因此增加待加热的水的量。太阳能照射在面板3上，所述面板3出于示范性目的进一步包括与导管4热接触的黑化板5。板5在照射的太阳能下变热，且所述热量又转移到导管4内的水中。

当以此方式部署时，通过从日光中收集的热能实现太阳能水加热面板3中水的加热。日光使面板3变热，且因此，热能从板5转移到水中。可将经加热的水抽出，且所述热能将由从太阳接收的持续热能取代，所述持续热能将对面板3进行再加热。由于水可循环，所以热能可从太阳能面板带走到系统1的其它部分。

提供地面回路6，其呈钻孔7的形式，所述钻孔7具有适当长度的插入式软管封装8。软管封装8延伸到钻孔7的底部，在此处其绕回以延伸回到表面。设想如果有必要，可通过采用盘绕式蜿蜒或螺旋状软管将较大长度的软管容纳在缩短的钻孔中。钻孔7通常将延伸到60与100m之间的深度。其充当热能存储装置，因为如上所述经加热的水可抽取到地面回路6，在此处水可驻留于地下。地面回路6类似地包括形成在软管封装8的任一端的地面回路输入口9和地面回路输出口10。

还提供热泵11，所述热泵11包括热泵输入口12和热泵输出口13。热泵输入口12和输出口13接收从太阳能面板3或从钻孔7排出的经加热的水，并借助输入软管15和输出软管16而连接到其两者之间的软管系统14。软管系统14将太阳能面板3和地面回路6接合在钻孔7中，热泵11的输入软管15和输出软管16连接到钻孔7。因此，存储热能的水可在系统1的组件之间循环。

热泵11用于提供热交换机构，借助所述热交换机构，部署有系统1的房屋可从系统1中的水所收集的热能中受益。系统1内的水已由太阳能面板3中的太阳热能加温，或由转移到钻孔7中的液体或由所述液体保持的热能加温。

所述热交换机构是众所周知的。温暖的液体用于使热泵11内的致冷剂变热，所述致冷剂进而蒸发。热泵11接着压缩致冷剂，这导致致冷剂温度升高。此温度升高用于使水变热，所述水接着转移到缸17或转移回到钻孔7中。在加热水的过程中，致冷剂冷凝并被抽回以由传入的水再次加热，因此完成循环。仅举例来说，热泵11可对于为热泵供电的每单个单位的电力而产生三个单位的热量。

使用第一电磁阀18和第二电磁阀19来控制系统1内水的流动，例如控制水是流进钻孔7中还是流进缸17中。提供“太阳能控制器”20，其响应于由温度传感器21测量到的太阳能水加热面板3的温度来控制阀18、19的操作。设定若干预定条件(即，阈值温度值)，“太阳能控制器”20依据所述预定条件来确定水的最佳流动以优化能量效率。

缸17与常规家庭环境内的热水储槽相似，其中水被加热并接着存储在缸17中，准备使用。缸17适于依据阀18、19的位置而接收来自热泵11的热水以及来自太阳能水加热面板3的热水，并将各热水分别存储在第一和第二贮存器中。

根据安全规章制度，还并入了若干安全特征(未图示)。提供通常经设计以缓解超过1.5巴的压力的压力安全阀以防止过量压力在软管系统中累积。此外，提供通常经设计以缓解超过100℃的温度的温度安全阀以防止系统过热，并且还防止通过(例如)房屋的室内管道系统供应温度过高的水。

现将关于图2中说明的框图并进一步参看图1描述示范性操作模式。

以下对操作的描述中的值仅用于指示和相关目的，且不希望具有限制性。

通过温度传感器持续监视22太阳能水加热面板的温度。可依据太阳能水加热面板的温度来直接确定内部水的温度。

当太阳能水加热面板的温度在16℃以下23时，太阳能水加热面板产生8℃以下的水，这通常将不会升高存储在地面回路中的水的温度，且因此系统不进行任何操作24。

当温度超过16℃23但低于比如48℃的第二阈值25时，太阳能水加热面板产生高达30℃的温度的热水26。此水被直接抽取到地面回路中27。

值得注意的是，在因此执行任何动作之前通常温度将必须保持在任何阈值以上持续比如30秒。

如果温度超过48℃25，产生42℃和42℃以上的温度的热水28。此水被直接抽取到缸29。

同时，家庭对水缸的需求可能需要提供30超过由太阳能水加热面板当前直接产生的热水的热水，在此情况下，将来自地面回路的水抽取到热泵31。热泵产生更热的水，只要需求持续，就接着将所述更热的水抽取到缸32。

可使用优选地依赖于可再生来源的任何手段从环境中提取能量。此外，可使用任何手段来存储能量。

图3说明本发明的另一实施例，其使用旋转涡轮34作为上文关于图1论述的太阳能加热面板的替代物。旋转涡轮34用于借助三个1kW浸没式加热元件37、38、39对储槽36内的流体35进行加热。通过恒温器40测量储槽内的流体35的温度。

储槽36的尺寸理想地将与加热元件的所需输出匹配。设想储槽的尺寸将设计为对于加热元件37、38、39的每千瓦输出是约2000升。

储槽36内的流体35在分段过程中被加热。举例来说，当旋转涡轮34由微风驱动时，仅为第一加热元件37提供动力。随着风速增大，根据旋转涡轮34所提供的电能驱动其余的加热元件38，接着驱动加热元件39。消层泵(de-stratification pump)41附接到储槽36以便重新分配流体35中的热能并防止温度的分层。这使储槽36中的能量使用率最大化。

储槽软管42以蜿蜒方式设置在储槽36内，并用于从储槽36提取热能。储槽软管42内的流体(例如，乙二醇)通过循环泵43循环并因此将(借助流体35而产生和存储的)来自储槽36的热能移动到系统33的其它部分。

在此实例中选择乙二醇是因为，其具有低冰点(防止在冬季结冰)和高沸点(意味着其可在高温下工作)，具有有利的导热性(可与其环境进行热量转移)和良好的比热容(可存储热能)。然而，可使用具有类似有利特性的任何适宜的流体。

提供两个地面回路44、45，其由钻孔46、47组成，每一钻孔插入有各自的适当长度的软管封装48、49。如上所述，地面回路44、45充当热能存储装置，且将(继续上文的实例)用乙二醇填充。还提供热泵50，其接收来自储槽软管42或来自钻孔46、47的经加热的乙二醇。如上文所述，以此方式提供到热泵的热能允许热泵为例如地板下的加热装置的外部系统(未图示)产生经加热的水。

软管设置接合热泵50、钻孔46、47和储槽以便视需要促进系统各部分之间热能的移动(借助内部的乙二醇)。三个机动阀51、52、53(和旁通阀54)确定热能的流动，并由控制模块55控制。控制模块55还经由恒温器40接收温度信息以便确定系统中的热能应如何行进。

在特定实例中，控制模块55监视储槽36内的流体35的温度以确定使用可用的热能向外部系统产生经加热的水的最有效的方式。

当储槽36中的流体35的温度在比如10℃以下时，热泵50将正常操作，并根据上文描述的热交换机构从地面回路44、45中的流体中取得热能以便产生热水。

当储槽36中的流体35的温度处于比如10℃与20℃之间的温度时，热泵50将经由在储槽软管42中循环的乙二醇而使用来自储槽36中的流体35的热能以产生热水。在20℃以上时，来自储槽的热能将被转移到地面回路44、45。

还设想系统33可适于在不需要地面回路44、45的情况下操作。实际上，可能在没有这些地面回路44、45的情况下，改为使用储槽36内的流体35作为存储热能(以及产生所述能量)的构件，来操作系统33。以此方式，热泵50可只连接到储槽软管42，且仍然为外部系统产生热水。

钻孔中的地面回路的替代物包括内埋式软管，例如内埋于将部署能量存储系统的房屋的花园中的软管。此软管通常内埋约1m的深度。软管具有两个末端，其充当输入端口和输出端口。水存储在软管内，水可循环。也可使用存储于地面的太阳能对水进行加热，在此情况下，这种类型的地面回路实际上可作为替代物而取代太阳能面板。

已展示本发明提供一种实现能量(明确地说，用作可再生能源的热能)的较有效使用的系统和一种相关方法。在示范性实施例中，所述系统将对太阳能水加热板中的水进行加热以转移到热水缸，但在阈值温度以下时，经加热的水将被抽取到地面回路中。需要时，来自地面回路的水可被抽取到热泵以产生热，所述热被转移到热水缸。

已出于说明和描述的目的提供了对本发明的以上描述，且不希望其为详尽的或将本发明限于所揭示的精确形式。选择并描述所述实施例是为了最佳地阐释本发明的原理及其实践应用，藉此使所属领域的其他技术人员能够在各种实施例中最佳地利用本发明，并作出适于所预期的特定用途的各种修改。因此，在不偏离由所附权利要求书界定的本发明的范围的情况下可包含另外的修改或改进。

Claims (42)

1.一种系统，其包括：

能量提取构件，所述能量提取构件适于从来源提取能量；

能量存储构件，所述能量存储构件适于以可回收方式存储所述提取的能量；

能量输出构件，所述能量输出构件适于以可控制方式从所述系统中释放能量；

能量转移构件，所述能量转移构件适于在所述能量提取构件、所述能量存储构件与所述能量输出构件之间转移能量；以及

能量转移控制构件，所述能量转移控制构件适于控制所述能量提取构件、所述能量存储构件与所述能量输出构件之间能量的转移。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量转移控制构件操作以便优化进入所述输出构件的能量流。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述能量存储系统进一步包括热泵，所述热泵位于所述能量存储构件与所述能量输出构件之间。

4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的系统，其中所述能量转移构件包括连接所述系统的组件中的两者或两者以上的至少一个管道。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述管道是中空的且含有流体，所述流体适于存储热能并适于通过在所述管道中流动来转移热能。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述流体是乙二醇。

7.根据权利要求5所述的系统，其中所述流体是水。

8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的系统，其中所述能量提取构件包括太阳能加热面板，所述太阳能加热面板适于接收来自太阳的能量并将热能传递给所述太阳能加热面板中的流体。

9.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的系统，其中所述能量提取构件包括一个或一个以上填充有流体的软管，所述软管适于从环境中捕集热能。

10.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的系统，其中所述能量提取构件包括位于含有大量流体的储槽内的软管，所述软管适于从所述大量流体中提取热能。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述能量提取构件进一步包括一个或一个以上加热元件，所述加热元件位于所述储槽上或所述储槽中并适于将热能提供给所述流体。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述能量提取构件包括风力涡轮机，所述风力涡轮机适于将电能提供给所述一个或一个以上加热元件。

13.根据权利要求1到12中任一权利要求所述的系统，其中所述能量提取构件进一步包括温度传感器。

14.根据权利要求1到13中任一权利要求所述的系统，其中所述能量存储构件包括一个或一个以上地面回路。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述一个或一个以上地面回路插入在各自钻孔中。

16.根据权利要求1到13中任一权利要求所述的系统，其中所述能量存储构件包括含有大量流体的储槽。

17.根据权利要求1到16中任一权利要求所述的系统，其中所述能量转移控制构件包括至少一个阀，所述至少一个阀位于所述系统内以便控制所述流体在所述系统内的流动。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述能量转移控制构件进一步包括控制器构件，所述控制器构件适于响应于从所述温度传感器接收的温度信号来控制所述至少一个阀。

19.根据权利要求1到18中任一权利要求所述的系统，其中所述能量输出构件包括缸，所述缸适于接收并保持一定量的流体。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述缸包括输出构件，所述输出构件适于选择性地使流体流进所述系统中或流进外部系统中。

21.根据权利要求1到20中任一权利要求所述的系统，其中所述外部系统包括热水系统。

22.根据权利要求1到20中任一权利要求所述的系统，其中所述外部系统包括加热系统。

23.一种缸，其适于在根据权利要求1到22中任一权利要求所述的系统中用作所述能量输出构件，所述缸包括第一贮存器和第二贮存器，其中所述缸进一步包括使来自所述能量提取构件和所述能量存储构件中的至少一者的流体转向任一贮存器的构件。

24.根据权利要求23所述的缸，其中所述缸有排放口。

25.根据权利要求23所述的缸，其中所述缸没有排放口。

26.根据权利要求23到25中任一权利要求所述的缸，其中所述第一贮存器和所述第二贮存器适于保持不同量的流体。

27.根据权利要求23到26中任一权利要求所述的缸，其中所述第一贮存器和所述第二贮存器适于保持不同温度的流体。

28.根据权利要求23到27中任一权利要求所述的缸，其中所述第一贮存器和所述第二贮存器适于接收不同的流动速率的流体。

29.一种使用根据权利要求1到22中任一权利要求所述的系统来存储和分配能量的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)测量所述能量提取构件中的温度；以及

(b)依据所述能量提取构件中的所述温度，选择性地将能量从所述能量提取构件移动到所述能量存储构件或所述能量输出构件，或者将所述能量保持在所述能量提取构件中。

30.根据权利要求29所述的方法，其中在所述系统内以热能形式移动所述能量。

31.根据权利要求29或权利要求30所述的方法，其中将所述热能存储于在连接所述系统的组件的管道中流动的流体中。

32.根据权利要求29到31中任一权利要求所述的方法，其包括以下步骤：依据所述能量提取构件中的所述流体的温度达到阈值来实现所述系统中的流体运动的变化。

33.根据权利要求29到31中任一权利要求所述的方法，其包括以下步骤：依据所述能量提取构件的温度达到阈值来实现所述系统中流体运动的变化。

34.根据权利要求32或权利要求33所述的方法，其中所述实现流体流动的变化的步骤取决于所述流体或所述能量提取构件的温度超过阈值持续预定时间段。

35.根据权利要求29到34中任一权利要求所述的方法，其包括以下步骤：响应于所述能量提取构件中的温度超过第一阈值温度值而将能量从所述能量提取构件移动到所述能量存储构件。

36.根据权利要求29到35中任一权利要求所述的方法，其包括以下步骤：响应于所述能量提取构件中的温度超过第二阈值温度值而将能量从所述能量提取构件移动到所述能量输出构件，所述第二阈值温度值高于所述第一阈值温度值。

37.根据权利要求29到35中任一权利要求所述的方法，其包括以下步骤：响应于所述能量提取构件中的温度超过第二阈值温度值而将能量从所述能量提取构件移动到所述能量输出构件，所述第二阈值温度值低于所述第一阈值温度值。

38.根据权利要求29到37中任一权利要求所述的方法，其包括以下步骤：响应于太阳能加热面板中的温度不超过所述第一阈值温度值而将所述能量保持在所述能量提取构件中。

39.根据权利要求29到38中任一权利要求所述的方法，其中将所述能量保持在所述能量提取构件中包括以下额外步骤：使能量从所述能量存储构件流动到热泵。

40.至少一种包括程序指令的计算机程序，所述程序指令当加载到至少一个计算机中时构成根据权利要求1到22中任一权利要求所述的能量转移控制构件。

41.至少一种包括程序指令的计算机程序，所述程序指令当加载到至少一个计算机中时致使所述至少一个计算机执行根据权利要求29到39中任一权利要求所述的方法。

42.根据权利要求41所述的至少一种计算机程序，所述计算机程序实施在记录媒体或只读存储器上，存储在至少一个计算机存储器中，或承载于电载波信号上。

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