CN103261787A - 用于储存及利用太阳热能的具有高能量效率的装置、工厂以及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于储存及释放用于电力生产工厂的热能的装置(1)，该装置(1)适于接收所集中的太阳能辐射，且其是基于模块化的颗粒流化床的使用、与之连结的热交换器以及该储存步骤与该释放步骤的独立启动。流体化气体与该工作流体的热分离、该床区域的选择性流体化、热传递速度的改变、以及燃料气体的额外的热能输入，使得对所产生的热能的调节变得相当有灵活性。该装置主要包括：至少一个流化颗粒床(3、30)，其至少部分地被配置在用于该辐射的接收表面(20)处；用于为该颗粒的流体化而进给流体化气体的机构(14、142、21)；以及热交换组件(4)，其在使用中为操作流体所流经，且被配置在或靠近该流化颗粒床(3、30)，其中，该整体的配置为，在使用中，该颗粒床的部分(3、30)适于由该流体化气体而被选择性地移动，用于在储存步骤中储存接收自太阳能辐射的热能，以及用于在释放步骤中将被储存的热能释放至该热交换组件(4)，且其中，该整体的配置为，使得该热能储存步骤能与该热能释放步骤相独立地启动。

Description

用于储存及利用太阳热能的具有高能量效率的装置、工厂以及方法

技术领域

本发明涉及一种基于太阳能的使用及储存的工业工厂、一种适用于该工厂内用于储存及释放太阳热能的装置、以及一种相关的方法。

背景技术

已知有对经由定日镜、以固定式或通过追踪而被集中的太阳能的使用。亦已知有将未使用之热能储存于具有高热传导性的固体材料(典型地为石墨)中以作随后使用的可能性。对热能的开发通常是使用一种热交换器，该热交换器亦可被埋入该储存材料中，并通过一种能吸收及传送包含于其中的热能的工作流体，该工作流体典型地为水、水蒸汽或其它载体。

由于诸如石墨之类的储存系统能达高温(甚至达2000°C)，因此该技术的限制是由负责热能移除的金属管束的热阻抗所设定的。

此外，由于固体的热惯性及低热扩散值，在该固体中的储存无法跟随由于大气条件及日夜周期变化所需的动力趋向。

基于前述种种，因此，已知系统的困难度涉及由于受限的最高可达温度以及其缺乏跟随因大气条件变化的负载趋向的灵活性所致的低效率。

发明内容

因此，本发明的技术问题在于克服前述有关现有技术的缺点。

上述问题是通过一种依据权利要求1所述装置以及通过一种依据权利要求17所述方法被解决。

本发明的较佳特征为从属权利要求的对象。

本发明的一个重要的优点为，允许有效率地及可靠地产生一种太阳热能之储存装置；将热交换器的热应力减至最小；以及经由能起到所收集的热能的交换系统以及储存系统的双重功能的流化颗粒床的使用，增加对工作流体的热交换的效率。该应用的基础为流化床的热能传递的有利特征，以及由于颗粒相的可移动性所致的有效热能传送。这两个特征皆与能赋予固体颗粒与液体的流变行为相似的流变行为的可能性有关，精确地说是归功于其流体化作用。

连同前述，将接收自所集中的太阳能辐射的热能的储存步骤与释放此热能及所得的势能生产(即通常为传送至该工作流体的热能)的步骤分离，使得该工厂的通用性及整体效率大大地改善。

在一较佳实施例中，通过将流体化气体回路从该工作流体回路分离开，使此种分离变为可能。

在一特佳实施例中，该装置包括两个流化床，其一基本上为负责储存，而第二个则接收来自该第一个流化床的热能，其主要为负责与该工作流体进行交换。同样是依据此实施例，该床的流体化作用是通过使用取自周围的空气作为流体化气体来进行的。

为达成最大的能量回收，出自流化床的热空气被送至空气对空气的交换器，在该交换器处，将其热能释放至取自周围的冷的流体化空气。

在储存步骤期间，该第一床经由接收器接收来自定日镜场的热能，并通过前述的空气对空气交换器中被加热的空气，而被保持在流体化状态。

若需要在无能量产生的步骤保持所储存的热能，该第一储存床系被保持在静止状态。

在能量产生的步骤期间，现已被流体化的储存床会与与之邻接的产生流体的床交换热能，以及有可能由较佳地为金属类型的隔板分隔开。在该产生床内部，埋设有该工作流体所通过的管束。同样，在此情形中，该流体化空气会由该空气对空气交换器来预热。以此方式操作，流体化空气压缩系统以及出自该流化床的空气之过滤系统会在室温下操作，该流化床中可能存在有淘析固体颗粒(elutriate solid particulate)。

由于流化床的高热传系数，受益于在流化产生床中该工作流体的集中热交换，会将该管束的表面以及继而用于制造该管束表面的珍贵材料的使用减到最小。

简单地说，该系统基本上可被分为三大区块，即，用于储存的区块(上述实施例中的第一流化床)、用于朝工作流体交换的区块(上述实施例中的第二流化床)、以及用于热回收的区块(同样是上述较佳实施例中的空气对空气热交换器)，此些区块彼此互相连结，以实现一种可以较大灵活性及效率进行操作的系统。

从以下通过为范例而非限制目的所呈现的一些实施例的详细说明，本发明的使用的其它优点、特征及形式将可显而易见。

附图说明

参考随附的图，其中：

图1显示依据本发明的较佳实施例的工厂配置；

图1a显示图1的工厂的一部分配置的概略的剖视/正视图，其结合有具有空气对空气热交换器的塔结构，以及显示现有分布(cash distribution)的分隔件、流体化气体流入回路及其路径；

图2显示图1a的工厂部分的平面剖视图，显示热交换器的用来接收该工作流体的管配置，以及显示可流体化颗粒的第一床与可流体化颗粒的第二床的分隔件，该第一床作用为储存的机构，该第二床用于与该工作流体做热交换；以及

图3及3a涉及一种可使用于图1的工厂中的释放及储存的装置，并以侧剖视图及平面视图分别显示，该装置使用燃料气体作为辅助能源。

具体实施方式

首先参考图1及1a，依据本发明的较佳实施例的从所集中的太阳能辐射来产生电力的工厂整体以100标注。

该工厂100本身结合有一个或多个装置1，用于储存从所集中的太阳能辐射接收的热能，以及用于将此能量释放给工作流体，该工作流体典型地为水或水蒸汽。

该装置1确实易于储存源自传递/集中于其上的太阳能辐射的热能，例如通过追踪定日镜。

该装置1包括容纳罩壳2，该容纳壳罩较佳地由金属所制成，被绝热以将对周围环境的热能损耗减到最小。

该罩壳2可容纳个或多个接收表面20，太阳能辐射被集中于该接收表面20上。

在该罩壳2之基底有用于流体化气体的进给入口21，其功能将会简短地说明。于该入口21处有用于此流体化气体的分布隔板或分配器，为简化目的，其亦以21标示，该分布隔板适于实现该流体化气体的均匀流入，且同时提供用于下述对一个或多个流化颗粒床3、30的支撑。

该罩壳2中有储存区域，其为一种适用于依据下述之受喜爱的特征的热储存的流化颗粒的第一床30的形式。在目前的实施例中，该储存床30区域就被设置在该接收表面20，靠近该罩壳2的内表面，以便能直接地受集中于该接收表面20上的太阳能辐射的影响。

同样是位在该罩壳2中、以及在该装置1的最中心区域中提供有流化颗粒的第二床3，其可与该储存床30相接连，或是与该储存床30相分离开，且如随后更清楚地说明的，其功用为将被储存于该储存床30中的热能释放给该工作流体。为此，在该颗粒床3中或靠近该处，配置有热交换组件，且特别是配置有在使用时工作流体所流过的热交换器管束4。

在另一较佳实施例中，这两个颗粒床3、30可为选择性地可进行流化的同一个床中的邻接部分。

如所提及的，该装置1的入口21能允许对该罩壳2中的流体化气体的进给，且特别是经由颗粒床3、30之基底，在此较佳结构中，该流体化气体为空气。特别的是，整体的配置是使得被推动通过分布隔板21的气体能将该床3及/或30的颗粒移动，以产生对应的颗粒流动/移动，以适用于介于同一个床30的颗粒之间的、及/或介于床30以及该接收表面20的内表面之间的、或介于该床的彼此相邻部分的颗粒之间的、介于两个床3、30的颗粒之间的、或介于该床3之颗粒以及该管束4之间的互相热交换。

该管束4相对该颗粒床3的位置、更确切地说为相对该颗粒床的管件的暴露表面，是为将热传速率增至最大，该热传速率与热交换系数和受该同一热交换所影响的表面的乘积成比例。

该管束4能完全地或部分地埋入该颗粒床3中或面向该颗粒床3。该选择是依据应用于该装置之处理模式，以及该颗粒床作为该流体化空气速度之函数的最小及最大高度：当该速度增加时，受热交换影响的管束表面增加。为加强该工厂之通用性，事实上提供有改变该流体化空气速度且因而改变其流动的机构。

因此，改变该流体化气体的流过速度、介于该流化床以及可被检测到并修正的该交换表面之间的整体热传系数，由此造成被传送的热功率量的调节灵活性。

因而，在没有流体化或低于该最低流体化速度的气体速度下，能得到对热传递的实质上的减少。

此外，有可能通过改变该床的颗粒注入量来改变该第一储存床30及/或该释放床3的高度，此改变可被操作于被加热时、于操作期间、于使用与各装置1或类似装置的群组相连结的适当的颗粒排出以及负载系统时。作用于皆以存在于该床中的颗粒材料的方式之床30、3的高度，当为固定的、或是通过改变该流体化速度时，其允许更多使装置1的处理以及该系统100为极其有灵活性的作用的操作。

如图1a中所最清楚地说明的，在目前的例子中，该装置1具有或连结有高架塔结构70。在该高架塔结构的中心区域处设置有气体对气体交换器7，在目前的空气对空气类型的例子中，其垂直地延伸于该装置本身的支撑结构中。

该装置1的内部环境与该空气对空气交换器7相连通，这是在处于其中心区域的例子中。特别的是，该装置1的基底与该交换器中热空气自该颗粒床3及/或30的流动中所流出的的区段相流通，同时，空气对空气交换器中被预热的周围空气自其流出的区段7经由歧管或空气室14被连接至位在颗粒床3、30之基底的分布隔板21，该歧管或空气室促成流入该装置1的空气均匀。

以此方式，该交换器7允许以逆流方式、利用自该颗粒床3及/或30流出的流体化热空气来预热流入该分配器21周围的空气，以及随后恢复自该床流出的流体化空气的热含量。

如已说明的，该流体化空气回路需要冷的周围空气，该冷空气被强制循环机构、特别是一个或多个位于该空气对空气交换器7内部的鼓风机/压缩机8所推进，并沿着该路径利用该流体化热空气而被预热，该热空气离开该颗粒床3、30，在该交换器7里面以逆流方式被推进。该被预热的周围空气经由进给歧管回路142而到达该空气室14以及该分布隔板21。在经由该空气对空气热交换器7而被冷却的自该颗粒床流出的空气被进给而经过下流管5、粉尘分离器6、或粉尘排除器，且其随后被排出至外部环境。

较佳地，该粉尘分离器6(典型地为惯性冲击器类型)或具有低压降以及滚摆操作的等效装置被设置在该装置1结构的基底，与该下流管5成一线，并随后用于对任一自该颗粒床3、30而淘析出的流体化空气进行除尘。

如已被提及的，该颗粒床3能与该颗粒床30物理式地分隔开，例如是经由隔板41的方式，然而整体上显现为允许该床区域的选择性地流体化的模块化结构。一般而言，装置1允许颗粒床3及30的一个或多个部分的选择性及/或差异性流体化，及/或该床或其部分的选择性及/或差异性流体化。

在目前的例子中，此选择性流体化经由以下方式实现，即，同时通过隔板141对该空气室14及通过阀143对该进给回路142进行区隔化，允许空气的进给只在床3及/或30中依据储存或水蒸汽/动力所产生的特定需求而选择的部分进行。

因而，有可能将该床的一部分操作为仅在已被流体化时才关闭该热传回路的热切换器。该床的颗粒机构的区域之已被监测到及选择性地流体化，确保相对于下游能量要求的热能获取的连续性以及工厂的灵活性。

此外，在目前的例子中，其也在该床的邻接该接收表面20的区域中提供该空气室14的分隔件。此结构允许在无太阳能辐射时显著地减少被储存在该第一床30中的热经由该同样的接收表面20朝向该外部环境的损耗。此分隔件通过前述的自动阀143被良好操作，该自动阀143由来自与各装置1或与装置群组相连结的辐照传感器(例如一日射计、天空辐射计或相当之设备)的信号所定时及/或操作。

该床的颗粒流体化状态较佳地为沸腾式的，或在任何情况下使该热传系数为最大。

，响应于将床颗粒淘析现象减到最小的需求，对用于储存以及释放床3及30的颗粒材料的选择特别地是依据较不会有磨损以及碎裂之倾向，以便限制该流体化空气中微细颗粒的产生及传送。基于此些考虑，对不易氧化的颗粒材料的床颗粒，使用中所偏好的较佳的构形为具有规则的形状，较佳地为球状的，及/或较佳地具有等级为50至500微米的规格，以及使得该尺寸较佳地为本有的，而非由较小颗粒的聚结所造成的。

在图1的例子中，该工作流体为液态水，在通过该热交换器4期间，水接收从该床3的颗粒传来的热能，以变成过热水蒸汽。处于温度以及压力的预定状态的该水蒸汽随后被应用于与发电机10相联的水蒸汽涡轮机中，产生电力扩展。

如图1中所显示的，该工作流体回路提供有界定于该装置1中的管束40的管道90，且在目前的例子中为提供有前述被连接至发电机的水蒸汽涡轮机10、冷凝器11、具有在涡轮机40中的泄放器的收气器40、供给泵12、抽汲泵120、或与那些刚刚被述及者相当的机构。

所述结构能有将该热能储存的程序与水蒸汽产生的程序分开的卓越优点。

在储存步骤中，太阳能被集中在接收表面20，且经由该储存床30或该储存床30的一部分的流体化，该热能就从该表面20被传送至床30的颗粒。如已说明的，此步骤独立于该产生阶段。在单纯的储存状态中，仅该第一床30被流体化。

在该产生阶段中，第二释放床3亦被启动，以致发生从该储存床30至释放床3的颗粒的热传递，自此至管束4，以及随后至流动于该管束4中的工作流体。

因此，通过该管束4的工作流体自该第二床30接收由该第一床30储存的热能，在该处，热传递通过启动该床3、30而发生，即，通过流化床30及3的该区域中的颗粒。被传送至该工作流体的热能亦可被用于和此处所讨论的例子不同的工业目的。

特别是，在上述说明中，已述及一种有关电力产生工厂的单独架设的装置的应用的示例方式。然而其应了解，该装置可能的应用范围是很大的，且涉及用于如发电厂之类的工业工厂的水蒸汽或热能的产生、脱盐、区域加热等等。

以此种结构，即使欠缺太阳能(例如在晚上)，其仍能确保操作的连续性以及水蒸汽的输送，以及因而确保对自该装置1输出的热能的输送。

特别是，该装置1的尺寸、该颗粒床3、30、该管束4的表面、以及该流体化气体的速度范围可以设置成能在日照时刻确保热能的储存，并于夜晚时刻，经由床3、30的颗粒的流体化，确保将热能释放给该热交换器。

此外，如先前所述及的，使用该流化床的一种模块化结构，以及对该颗粒其本身各区段及流体化速度以及该颗粒床高度的调节，便有可能通过选择使用一个或多个区段来进行热传递或来储存，或经由该区段的选择性及/或差异性的流体化，调整被传送至该管束的热量，确保该工厂的连续操作。

再者，提供种种装置1的工厂的结果是，对各装置调整被传送至该工作流体之热量的能力，必须能保持所产生的水蒸汽的恒定温度及压力，且其有保持恒定的优点，能降低或增加该工作流体的温度，或在相同的温度下，增加工作流体的流量。

该装置1的尺寸以及操作逻辑可被调节，以便在即使欠缺太阳能辐射时，仍可达成给定的能量输出。

亦有可能的是，依据该工厂下游之需求，在24小时内以如下的方式来操作单一的装置，该方式为此些工作的部分仅为用于储存，而部分则为用于产生或改变导致所产生的热能的整体改变的各单元的流体化速度。对给定的所储存热能而言，此允许将其快速地释放至较高的动力，或用于在较低的动力情况下延长的期间。

在不同的实施例(未被显示)中，通过隔绝隔板，其提供该接收表面20的分隔系统(partialisation system)，其为某种遮蔽器。该隔板的启动可为自动化，并追踪太阳轨迹，能使该储存床30对应于表面接收器20的被隐藏区域的部分隔离开，且因而当同一接收表面20并未受到入射辐射的影响时，防止由该床的该部分再向外部辐射。

依据本发明之可结合所有其它上述结构而使用的另一较佳实施例，提供有在该被流体化之床中的气体燃料的使用，以对长时间欠缺太阳照射的补偿，及/或确保依据该生产工厂下游所需求的一定能量水平的实现。

从将该气体式燃料直接地烧入该流化床的可能性得到一重要优点。通常，对熟知的装置而言，此种操作是在和主要的制造工厂分离开的生产单元中被执行的。

此种结构被概略地显示于图3及3a中，其显示一种用于燃料气体15-151的可能回路。该回路为该空气室14的各区段提供入口，燃料气体与该被预热的流体化空气的预混合发生于该空气室14中，或发生于该流体化气体151的该分布回路中。

在存在有可燃烧气体时，该装置1配置有被插设在该装置1的周围环境中的一或多个吹管22，以及一个或多个在该罩壳2上的安全圆盘222，该吹管22用于引发燃烧，以及确保该系统免于该装置内部的任何危险的积聚气体。如同其它可被应用的方法，此些方法的目标皆在防止爆炸的危险。

对气体本身的燃烧而言，其为已知的技术，以下便不再对其作进一步说明。

对此额外结构的使用是由于以下事实而被做得更加方便，该事实在于，管理来自再生能源所产生的能量的法规准许小的数量(通常系小于或相当于该额定动力之15%)可由燃烧燃料化石来产生。

于此点将可较清楚地了解到，本发明具有相当的优点在于：

-该工厂的、特别是该储存以及释放装置的及相对结构的尺寸规模是相当紧凑，其显然地是由该较佳结构得到的，在该结构中，该空气对空气交换器沿该装置本身的支撑结构的高度延伸；

-该压缩机-鼓风机8的尺寸规模及操作，其精制出冷的流体，即环境空气；

-粉尘排出器6的尺寸规模及操作，其如同该鼓风机-压缩机8，对低温(约100°C)下的被排出的流体化空气进行作用；

-该管束4的尺寸规模，其大大缩减工作流体的预热蒸发以及过热的步骤，该工作流体被派用于具有典型系数为300至500W/m2K的床内的热交换。

最后将可了解到本案发明如何地还提供一种如以下申请专利范围中所界定的储存及热交换的方法，该申请专利范围并提出上述相同的有关本发明装置以及工厂的较佳形式以及不同实施例的较佳的特征。

本发明至此已参考较佳的实施例作出说明。可能会有其它参照相同的发明观念的实施例，其会落入随附的权利要求的范畴中。

Claims (23)

1.一种用于储存及释放热能的装置（1），该装置适于接收所集中的太阳能辐射，该装置（1）包括：

至少一个流化颗粒床（3、30），该流化颗粒床至少部分地被配置在用于此辐射的接收表面（20）上；

进给机构（14、142、21），该进给机构用于进给用于该颗粒的流体化的流体化气体；以及

热交换组件（4），在使用中，操作流体流经该热交换组件，且该热交换组件被配置在或靠近该流化颗粒床（3、30），

其中，该整体的配置为，在使用中，该颗粒床（3、30）的一部分适于由该流体化气体选择性地移动，用于在储存步骤中储存接收来自太阳能辐射的热能，以及用于在释放步骤中将所储存的热能释放至该热交换组件（4），

且其中，该整体的配置允许独立地启动该热能储存步骤以及该热能释放步骤。

2.如权利要求1所述的装置（1），其特征在于，该颗粒床本身包括：

第一储存部分（30），该第一储存部分适于储存接收来自所集中的太阳能辐射的热能，且被配置在用于该太阳能辐射的该接收表面（20）处；以及

第二释放部分（3），该第二释放部分被配置成邻接该第一部分（30），且适于将由后者所储存的热能释放至该热交换组件（4），

其中，该第一储存部分（30）以及该第二释放部分（3）适于由各自的流体化作用而分别地实现该储存步骤以及该释放步骤。

3.如前一权利要求所述的装置（1），其特征在于，该颗粒床的该第一（30）以及第二（3）部分被套接在一共同的容纳罩壳（2）中。

4.如前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，该热交换组件（4）被配置成至少该颗粒床（3、30）的部分（3）相接触，以及/或者在使用中，当被该流体化气体所流体化时，由至少由该床（3、30）的部分（3）夹抵着。

5.如前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，该热交换组件为管束（4）。

6.如前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，包括进给机构（15、151）以及用于在该颗粒床（3、30）中或该颗粒床的部分中的可燃烧气体燃烧安全性的机构（22、222）。

7.如前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，该进给机构（14、142、21）包括区隔件（141），该区隔件适于允许通过该流体化气体的该颗粒床（3、30）的一个或多个部分的选择性及/或差异性流体化，及/或该颗粒床的该第一（30）以及第二（3）部分或后者的该部分的选择性及/或差异性流体化。

8.如前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，该储存以及释放步骤的独立启动是通过该操作流体以及该流体化气体的回路的分离来得到的。

9.如前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，包括气体对气体、较佳地为空气对空气的热交换器（7），其中该整体的配置为，在使用中，在该交换器（7）中进给有第一冷气体以及第二热气体，该第一冷气体为被用于该颗粒床（3、30）或该颗粒床的该第一（30）及/或第二（3）部分的流体化的流体化气体，该第二热气体为从该颗粒床（3、30）或来自该颗粒床的该第一（30）及/或第二（3）部分流出的流体化气体。

10.如前一权利要求所述的装置（1），其特征在于，该装置被配置在其中罩覆有该气体对气体交换器（7）的塔结构（70）上。

11.如前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，该装置适于使用空气作为流体化气体。

12.如前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，包括用于该流体化气体的强制循环的机构（8）。

13.如前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，包括适于选择性地改变该流体化气体速度的机构。

14.如前述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，包括用于对该流体化气体进行除尘的机构（6），该机构被配置在该颗粒床（3、30）的流体化区域的下游。

15.一种用于产生工业用水蒸汽或热能的工厂（100），其包括一个或多个如前述权利要求中任一项所述的装置（1）。

16.如前一权利要求所述之工厂（100），其特征在于，所述工厂为电力生产工厂。

17.一种用于自所集中的太阳能辐射产生工业用水蒸汽或热能的方法，其提供对适于储存太阳热能以及通过流体化气体而选择性地可移动的流化颗粒床（3、30）的应用，该方法包括：

通过该颗粒床的第一部分（30）的移动来储存接收自所集中的太阳能辐射的热能的第一步骤；以及

将该第一步骤中被储存的热能释放至操作流体所流经的热交换组件(4)的第二步骤，

其中，该储存以及释放热能的步骤可彼此独立地启动。

18.如前一权利要求所述的方法，其特征在于，该储存以及释放步骤的独立启动通过该操作流体以及该流体化气体的回路的热分离来实现。

19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，提供介于第一冷气体及第二热气体之间的气体对气体、较佳地为空气对空气的热交换的步骤，该第一冷气体为被应用于该颗粒床（3、30）的部分的流体化的流体化气体，该第二热气体为从该颗粒床（3、30）的部分流出的流体化气体。

20.如权利要求17至19中任一项所述的方法，其特征在于，该流体化气体为空气。

21.如权利要求17至20中任一项所述的方法，其特征在于，提供有对该流体化气体的速度的选择性改变。

22.如权利要求17至21中任一项所述的方法，其特征在于，该方法为一种产生电力的方法。

23.如权利要求17至22中任一项所述的方法，其特征在于，提供有在该颗粒床（3、30）或该颗粒床的部分中的气体化石燃料的燃烧。

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