CN102713457A - 热能存储的设备 - Google Patents

Abstract

一种能够存储大量热量的热能存储设备使用多个能量存储的区域，这些区域实质上具有每个区域同样的热能存储容量。流体进入每个区域中的流动被分别且独立地控制的，由此产生了能够对热能供给和/或需求中的快速改变进行响应的一种模块化的系统。

Description

热能存储的设备

相关申请的交叉引用 

本申请要求于2009年5月18日提交的美国临时申请号61/179,189的权益。 

技术领域

本发明总体上涉及热能的吸收与释放。更具体地说，本发明与大量可以被能量消耗装置(如，一种太阳能发电站)所使用的热量的吸收与释放有关。 

发明内容

可以使用本发明的多个实施方案来在一个第一持续的时间段上吸收大量热量并且然后在一个第二持续的时间段上释放该热量以便补偿在该热量是可获得时与该热量被需要时这些时间之间的差异。对于在热量的可获得性和/或需求中的明显波动，对热能存储的设备进行快速且有效地调节的能力是可能会影响到要求热量回收的任何过程的一个技术问题。 

在一个实施方案中，本发明是一种热能存储的设备，这种热能存储的设备包括在多个能量存储的区域中平均分配的热存储介质。每个区域被连接到一个流体分配系统上。一种流体通过这些区域以及这个分配系统来循环。还包括了对流体通过每个区域的流动分别且独立地进行控制的装置。 

另一个实施方案还涉及从流体中提取热能的一种方法。该方法可以包括以下步骤。提供一种热能存储的设备，这种热能存储的设备包括在多个能量存储的区域中平均地分配的热存储介质，该多个能量存储的区域包括一个第一区域和一个第二区域。每个区域被连接到一个流体分配系统上。一种流体通过这些区域以及这个分配系统来循环。在此包括了用于对流体通过每个区域的流动分别且独立地进行控制的装置。接下来，使得流体在一个第一方向上流过这个第一区域并且防止流体流过这个第二区域。在这个第一区域中的介质从流体吸收热能。 

附图说明

图1是被连接到一个热能来源上以及一个热能消耗装置上的一个热能存储的 设备的一个第一实施方案的示意图； 

图2是在充能/放能循环的充能阶段过程中的一个热能存储的设备的示意图； 

图3是在充能/放能循环的放能阶段过程中的一个热能存储的设备的示意图； 

图4是作为热能存储介质来起作用的填料元件的一个实施方案的透视图；并且 

图5是一个方法流程图。 

具体实施方式

如在此使用的，术语“热量”和“热能”是可以可替换地使用的。 

需要提取、存储以及随后释放大量热量对于许多工业过程是一种共同的要求。已经在众多的专利中以及参照太阳能发电站的其他文献中以及许多结合了放热反作用的化学过程中披露了用来吸收与释放热量的技术。这些传授内容中的一些针对用来将热量从一种第一流体传递到一种第二流体的介质。其他的传授内容针对产生热量的过程或者在热量已经被存储之后对其进行使用以及然后进行释放的过程。本发明是针对在功能上被置于产生热能的过程与利用该热能的过程之间的热能存储的设备。 

在工业应用中所使用的常规的热能存储的设备的一个实施方案是一种实质上填充有固体材料(如，石砾或陶瓷热传递介质)的大型储箱。一种热流体(如，一种热的排气或热油)通过这种介质并且热量被这种介质吸收。取决于应用，这种储箱可以是一个在直径上测量为几米的大型容器并且该容器的高度与直径的比值至少为1∶3。这种容器的尺寸是由运行该过程所需要的热存储容量来确定的，典型的是按照千焦耳(kilojoules)测量的。这个容器的热容量是由介质的这些单独片的热容量以及安置在这个容器中的介质的数量来直接影响的。当有待吸收的热量供给在时间上是高度可预测的并且是相当恒定时，则使用一个单个的容器是适合的。然而，当热量被供给的速率和/或热量被供给的总量明显改变时，出于以下原因使用一个大型储箱作为储热器则可能是有问题的。首先，如果在介质上流动的流体的量或者流体的温度过低，则大体积的热量吸收介质的热效率可能是不可接受地低的。这个问题(这个问题是大型热存储器的特性)是不能通过仅简单地改变加热的流体流入和流出该热存储器的速率而容易地得到解决的。类似地，同样的问题是不能通过仅仅改变流入该热存储器中的加热的流体的温度来得到解决的。流体的量和流体的温度都必须是足够高的以便能够发生热学上高效的热交换。因此，如果流入该存储器中的流体的量或温度明显地改变，则大型存储器可 能就不能高效地吸收与释放热量。其次，大型储热器中的压力降可能对运行一种热存储器(这种热存储器会经历流体流入这个存储器的速率的明显波动)的费用产生消极地影响。 

与使用一个大型热能存储器对来自一个高度地可变的热源的热量进行存储和释放相关联的这些问题，通过使用由这些发明人构想的并在以下予以说明的该热能存储的设备，而实质上已经解决。本发明的一种设备提供了一种模块化设计，这种模块化设计可以被容易地调节以便适应流体在该存储器中的流速及温度的改变。现在参见附图并且更具体地参见图1，在此示出了本发明的一种热能存储的设备10的示意图，这个热能存储的设备通过使用多个能量存储的区域22、24、26、28、30和32而与一个大型热能存储器不同。每个区域包含了热存储介质。在这个设备中热存储介质的总数量被平均地分配在该多个区域中。每个区域被连接到流体分配系统上。一种流体(未示出)通过这些区域以及这个分配系统来循环。几个流量控制阀(如，阀22a、24a、26a、28a、30a、32a、42和46)被包括在对流体通过每个区域的流动分别且独立地进行控制的装置中。 

如以上说明的，在该热存储设备中热存储介质的总数量在这些能量存储的区域中被平均地分配。对每个区域中的热存储介质的数量进行标准化的原因是用来产生多个能量存储的区域，这些区域实质上具有相同的热存储容量以及热性能特性。除了在每个区域中具有相同数量的热存储介质外，每个区域的内部容积也应该是相同的。一种具有多个热存储的区域(在每个区域中具有相同的热存储容量)的热存储设备是一种模块化的系统，该模块化的系统可以容易地被控制以便对于到该存储设备的热能供给以及对该存储设备的热能需求的快速且不可预测的改变做出响应。对于热能来源是固有可变的并且可以在一个短的时间段内迅速改变的某些过程来说，快速接受或供给热能的能力是特别重要的。 

为了产生实质上具有相同的热存储容量的多个能量存储的区域，可以对每个区域中的热存储介质的数量以及这些区域的容积和形状进行标准化以便使得每个区域是其他区域的一种实际上的复制。如果一个热能存储的设备中的这些区域是多个填充有热存储介质的管，那么这些管的直径和长度对于所有这些区域应该是相同的。如在此使用的，如果每个区域的热存储容量是在这些区域的平均热存储容量的百分之五之内，则将多个能量存储的区域视为具有相同的热存储容量。类似的，如果每个区域的内部容积是在这些区域的平均内部容积的百分之五之内，则将多个能量存储的区域的内部容积视为具有相同的内部容积。 

除了将这些区域的热容量和内部容积进行标准化之外，还可以对流入和流出 这些能量存储的区域的速率进行控制以便确保液体通过每个区域的最大流速实质上是相同的。流体流入一个区域中的速率可以通过位于一个能量存储的区域的一端的一个或多个流量控制阀来予以控制。如果流体流入每个区域中的最大速率是在这些区域的平均最大流速的百分之五之内，则将流体流入多个区域中的最大速率视为是相等的。 

就热存储介质而言，一个单个区域内的介质可以是同质的或者在一个单个的区域内(所有这些热能存储区域具有相同的多个子区域)可能存在多个子区域。例如，如果第一能量存储的区域22包括：一个第一子区域，该第一子区域占据该第一区域内部容积的50％并且填充有一种第一介质；以及一个第二子区域，该第二子区域占据了该第一区域内部容积的剩余的50％并且填充有不同于该第一介质的一种第二介质，然后第二能量存储的区域24也应该包括填充有同样的第一介质的一个第一子区域以及填充有同样的第二介质的一个第二子区域。这个第二区域的这些子区域中的每一个也应该占据该第二区域内部容积的50％。 

本发明的一种热能存储的设备通过从对流体进行加热的一种装置接收加热的流体，然后吸收并保留热能，并且然后将这种热能释放给利用该热能的一种装置来起作用。如在此使用的，对流体进行加热的装置可以选自下组，其构成为太阳能热收集器、冷却塔以及放热过程。如在此使用的，利用热能的装置可以选自下组，其构成为太阳能热水器以及蒸汽驱动的涡轮机。参照图1，这个流体分配系统包括一个第一流体箱头36、一个第二流体箱头38以及多个流量控制阀42和46。这个第一流体箱头在此可以称为一个第一流体运送构件。这个第二流体箱头在此可以称为一个第二流体运送构件。在操作中，当阀42是打开的而阀46是关闭的时，来自热能来源的热流体就必须通过这些能量存储的区域(在这些能量存储的区域处热量被提取)中的一个或多个来运送并且然后流体返回到热能来源。相比之下，如果阀42是关闭的而阀46是打开的，那么流体可以从这些能量存储的区域流动到使用这种热能的过程并且然后返回至这些能量存储的区域用于重新加热。以下将提供的是可以如何对包括该热能存储的设备的系统进行操作的多个更具体的实例。 

参照图2，现在将提供的是可以如何对具有包括本发明的一种热能存储的设备的一个系统进行操作以便将热能存储在这个热存储设备中的一个具体实例。这个顺序在此还可以称为充热阶段。这个系统最初是通过将阀42和22a打开来配置的。该系统中的所有其他阀是关闭的。如由箭头52、54、56以及58所指示的，热流体从一个集中的太阳能收集器(由装置48表示)通过一个流体运送构件流到第一 能量存储的区域22并且然后通过一个第二流体运送构件流到这个太阳能收集器。在这个实施方案中，这个第一能量存储的区域可以是一个具有恒定内径的金属管。在来自这个太阳能收集器的加热的流体流动的过程中热能被这个管中的陶瓷热交换介质吸收。在该介质已经吸收了等于该第一区域热容量10％的热量之后，阀24a被打开由此允许流体流过第二能量存储的区域24。来自这个太阳能收集器的流体的一个第一部分流过第一区域22而来自这个太阳能收集器的流体的一个第二部分同时流过第二区域24同时没有流体流过剩余的区域26、28、30或32。在该第一区域已经吸收了等于第一区域热容量90％的热能之后，阀22a被关闭由此迫使所有流体流过该第二区域。当该第二区域已经吸收了等于第二区域热容量10％的热能时，阀26a被打开以便使流体同时流过该第二区域和该第三区域。在该第二区域吸收了等于第二区域热容量90％的热能之后，阀24a被关闭由此迫使所有流体流过第三区域26。可以重复这个过程直到所有这些区域都已经吸收了它们热容量的至少90％。交替地，可以重复这个过程直到该热能存储的设备被要求(例如)对一个蒸汽驱动的涡轮机(由利用热能的装置50来表示)供热。 

在充能循环的另一个实施方案中，这个系统是通过将阀22a、24a、26a、28a、30a、32a和42打开来配置的。该系统中的所有其他阀是关闭的。这种配置允许加热的流体同时地流过这些区域中的每一个由此同时对所有这些区域进行充能。 

图3表示了当以下三个条件存在时，一种结合了本发明热能存储的设备的系统的操作。这个顺序在此还可以称为放热阶段。第一，区域22、24和26已经各自吸收了它们热容量的至少90％。第二，区域28、30和32还未吸收任何热能。第三，这些能量存储的区域需要对涡轮机供热。来自这些能量存储的区域的热能可以通过将阀42关闭并且将阀22a和46打开来提供给涡轮机。如通过箭头53、55、57和59所指示的，然后使流体从该涡轮机通过第二流体运送构件38、第一能量存储的区域22、然后第一流体运送构件36来循环并且返回到该涡轮机。直到保留在第一区域中的热能的量接近第一区域热容量的10％，这个过程完成，此时阀24a被打开以便使得流体同时流过第一区域22和第二区域24。当保留在第一区域中的热能的量下降低于第一区域热容量的百分之十时，则阀22a被关闭。如果必要的话，该过程以相类似的方式继续以便顺序地将热能从区域26传输到一个涡轮机(由使用热能的装置50表示)。如果这个涡轮机不需要来自热能存储的设备的热量，那么阀46被关闭，阀42以及所选的区域流量控制阀被打开由此允许来自太阳能收集器的热流体再次对这些热能存储区域中的一个或多个提供热能。如果希望的话，阀42和46可以被打开并且流量控制阀22a至32a可以被关闭以便 使得热流体单独地在用于加热流体的装置与利用这种热能的装置之间进行传输。 

现在参见图4，在此示出了在本发明的热能存储的设备中有用的一种陶瓷介质(在此还被称为热传输介质)的第一实施方案60的一个透视图。这个具体的实施方案包括周围壁62、第一端面64以及第二端面66。这种填料元件可以是如在US6,699,562中描述而制造的，它总体上披露了使用任何合适的陶瓷材料，例如天然或合成粘土类、沸石类、堇青石、氧化铝、氧化锆、硅石或这些的混合物。该配制品可以与粘合剂类、挤出助剂类、成孔物类、润滑剂类以及类似物进行混合。 

图5披露了一个方法流程图。步骤70表示提供一种热能存储的设备，该设备包括在多个能量存储的区域中被平均地分配的热存储介质，这些能量存储的区域包括一个第一区域和一个第二区域。每个区域被连接到一个流体分配系统上。一种流体通过这些区域以及这个分配系统来循环。在此提供了对流体通过每个区域的流动分别且独立地进行控制的装置。步骤72表示使得流体在第一方向上流过该第一区域同时防止流体流过该第二区域。 

以上说明仅被视为具体实施方案中的说明。本领域的普通技术人员以及制造或使用本发明的人员将会想到对本发明的变更。因此，应该理解附图中示出的以及以上说明的这些实施方案仅仅是出于解说性目的，而不是旨在限制本发明的范围，本发明的范围是由根据包括等效物原则在内的专利法原则进行解释的以下权利要求来限定的。 

Claims (18)

1.一种热能存储的设备，包括：热存储介质，该热存储介质被平均分配在多个能量存储的区域中，每个区域被连接到一个流体的分配系统上；一种流体，该流体通过所述多个区域和所述分配系统进行循环；以及对流体通过每个区域的流动分别且独立地进行控制的装置。

2.如权利要求1所述的设备，其中每个区域具有一个热存储容量并且每个区域的该热存储容量是在这些区域的平均热存储容量的百分之五之内。

3.如权利要求1所述的设备，其中每个区域的内部容积是在这些区域的平均内部容积的百分之五之内。

4.如权利要求1所述的设备，其中每个区域的内部容积沿该区域的长度具有一个恒定的直径并且每个区域的该直径是在该区域的平均直径的百分之五之内。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述流体的分配系统包括每个区域的一个流量控制阀，这个流量控制阀调节流体进入所述区域中的流动，并且进入每个区域中的最大流速在进入所有这些区域中的最大平均流速的百分之五之内。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述流体分配系统包括一个第一流体运送构件以及一个第二流体运送构件，每个区域被连接到这两个流体运送构件上。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述多个区域被并联地连接在这些流体运送构件之间。

8.如权利要求1所述的设备，其中每个热存储的区域包括至少两个子区域。

9.如权利要求8所述的设备，其中每个热存储的区域包括相同数量的子区域。

10.如权利要求1所述的设备，进一步包括一种用于加热所述流体的装置，用于加热所述流体的所述装置被连接到所述热能存储的设备上。

11.如权利要求10所述的设备，其中所述用于加热的装置是选自下组，其构成为一个太阳能收集器、一个冷却塔以及一种放热过程。

12.如权利要求1所述的设备，进一步包括一种用于利用热能、被连接到所述热能存储的设备上的装置。

13.如权利要求12所述的设备，其中所述利用热能的装置是选自下组，其构成为一个蒸汽驱动的涡轮机以及一个太阳能热水器。

14.一种用于从流体提取热能的方法，该方法包括以下步骤：

(a)提供一种热能存储的设备，该设备包括：热存储介质，该热存储介质被平均地分配在多个能量存储的区域中，这些能量存储的区域包括一个第一区域和一个第二区域，每个区域被连接到一个流体分配系统上；一种流体，该流体通过所述多个区域以及所述分配系统进行循环；以及对流体通过每个区域的流动分别且独立地进行控制的装置；以及

(b)使得该流体在一个第一方向上流过该第一区域并且防止流体流过该第二区域，所述介质在所述第一区域中从该流体吸收热能。

15.如权利要求14所述的方法，其中在该第一区域中的介质已经吸收了该介质热容量的至少百分之十之后，该方法进一步包括使得该流体流过该第二区域的步骤。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述流体同时流过所述第一区域和所述第二区域。

17.如权利要求16所述的方法，其中在该第一区域中的介质已经吸收了该第一区域热容量的至少90％之后，通过所述第一区域的流体的流动被终止而通过所述第二区域的流体的流动继续。

18.如权利要求14所述的方法，进一步包括以下步骤：使得该流体在一个与该第一方向相反的第二方向上至少流过该第一区域，所述流体从该第一区域中的所述介质吸收热能；并且然后将该流体引导到利用该热能的一个装置上。

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