CN103557601A - 高效的存储和输送装置与系统 - Google Patents

Abstract

一种存储和输送用于能量生产系统的热能的装置（1），所述装置（1）适合于接收太阳辐射，并且基于对模块化可流化粒状床以及与其关联的热交换器的使用。模块化流化允许选择性地存储热或者将热传递至交换器。在该使用的基础上，存在经流化床的热交换以及随着粒相的机动性发生的有效热对流输送的有利特征。这些特征都关联于赋予粒状固体流变性能的可能性，由于其流化，该粒状固体可与流体相比。该装置主要包括：容纳外壳（2），其设置有一个或多个接收所述太阳辐射（20）的腔体；可流化粒状颗粒床（3），其布置在所述容纳外壳（2）内部，适合用于热能存储和输送；一个进料口，其用于通过适当的分配器（21）经所述颗粒床（3）进给流化气体；热交换器（4），其没于所述可流化粒状床中，并且被工作流体穿过；以及进给进口，其用于燃料气体（401）作为附加的热输入口，以提高系统的管理灵活性。

Description

高效的存储和输送装置与系统

本发明专利申请是国际申请号为PCT/IB2011/051769，国际申请日为2011年4月22日，进入中国国家阶段的申请号为201180021307.4，名称为“高效的存储和输送装置与系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种存储和输送热能、尤其是源自太阳的热能的装置，较佳地用于后继或同时使用该热能来生产电能的装置。

背景技术

已知在由具有高导热性的材料（通常为石墨）块组成的接收器中存储通过日光反射装置会聚、固定或跟踪的太阳能，用于后续使用。该材料块一般承载有适当定向的腔体，日光反射装置指向该腔体。此外，接收器材料块通常关联于热交换器，该热交换器具有没于在同一材料块中、并且被工作流体或载体流体所穿过的管束，该载体流体通常为水，在高温下为液态或气态。为了生产用于工业设施的蒸汽或热，将存储在接收器材料块中的热传递给该工作流体。

在用于将太阳能存储于上述类型的石墨块中的系统中，所涉及的温度范围可能从400℃至2000℃。温度上限由热交换器的热阻限定，并且尤其是其金属管束的热阻所限定。具体地，与入流流体和交换器管之间的温度差异相关联地，流体的热动力学条件可能变化地如此快，以致产生强大的管道金属应力（热和机械冲击），以致使热交换器经受极端物理条件，产生过大内部张力并继而破损的风险。

此外，所述系统的难点在于确保通过蓄能器所移除的热量的连续性，这是因为存储步骤关联于大气条件和日/夜循环。因此，已知系统在适应下游能量需求的容量方面基本无通用性。

此外，总的来说，已知系统在使用效率和入流电能的转化方面不是最优化。发明内容

因此，基于本发明的技术问题是克服涉及现有技术的上述缺点。

上述问题通过根据权利要求1所述的装置、通过一种设施、以及通过根据权利要求25所述的方法解决，该设施较佳地是用于能量生产的设施，并包括所述装置。

本发明的较佳特征包含在附加权利要求中。

本发明的重要优点在于，其允许以有效和可靠方式获得对源自太阳的热能的存储，使交换器的热应力最小化，并且提高了载体流体的热交换效率，这都是由于使用了可流化颗粒床，该可流化颗粒床执行热存储和热载体的双重功能。基于该用途，存在可流化床的热交换的有利特征，以及颗粒相灵活性后的有效热对流输送。这些特征都与给予可与流体相比的颗粒固体流变性能的可能性相关，这实际上都是由于其可流化。

此外，由于颗粒存储设备的受控和选择性流化的可能性，确保了更好的热提取连续性和适合下游能量需求的优化容量。

此外，如下文对较佳实施例的详细说明所述，通过在流化床内部燃烧气体燃料，可能有更大的能量生产灵活性。

通过下文作为非限制性例子例证的本发明的一些实施例的详细说明，将清晰明白本发明进一步的优点、特征和使用方法。

附图说明

应参考附图，其中：

图1示出包含有根据本发明的一种用于存储和输送热能的装置的较佳实施例的系统的示图；该系统具有单个接收腔体；

图1a示出图1的装置的平面图，其示出该装置的可流化颗粒床的模块；

图2示出与图1的装置的第一实施例样式相关联的系统的示图，其具有多个接收腔体；

图3示出与图1的装置的第二实施例样式相关联的系统的示图，其中可流化颗粒床直接暴露于接收腔体，并且提供布置在所述可流化床的外围的附加的块状存储设备；

图4示出与图1的装置的第三实施例样式相关联的系统的示图，其中可流化颗粒床直接暴露于多个接收腔体，并且提供附加的流化床，用于将热传递至热交换器的管子；

图5示出与图1的装置的第四实施例样式相关联的系统的示图，其具有如图4所示的双可流化床，但是仅具有单个中心接收腔体；以及

图6示出上述附图中所示类型的装置，其插入不设有燃料气体燃烧以及具有可流化气体闭合回路的系统中。

具体实施方式

首先参考图1和1a，作为示例，示出根据本发明较佳实施例的一种用于存储和传递热能的装置，其被插入总的用附图标记100来表示的用于生产电能的设施中。

系统100包括一个或多个用于存储和传递热能的装置，其中之一总的用附图标记1来表示（为了简明，图1仅示出一个装置）。

装置1适合存储热能，该热能来源于例如通过固定或跟踪日光反射装置而输送/会聚到其上的太阳辐射。

装置1包括较佳地为金属并且其中为热绝缘的容纳外壳2，以便使向外部环境的散热最小化。

外壳2承载腔体20，太阳能会聚于该承载腔体内。

在外壳2上获得用于流化气体的进料口21，下文将阐明其功能。

在外壳2的顶部，装置1设有用于流化设备的流出管5，下文将阐明其在该情况下的功能。

在当前例子中，并且如图1a中更好地示出的，装置1具有整体圆柱形的几何形状，腔体20布置在中心并且具有垂直走向的展开形式。

存储设备30布置在外壳2中，较佳地形状为单一的石墨块或者包括有石墨，并且例如通过压紧颗粒材料获得。在本实施例中，存储设备30正好布置在腔体20中，以便限定其外围壁体，并且因此受在该腔体20中会聚的太阳辐射的直接照射。

在腔体20的进口，可布置有板件13，该板件为基本上透明的材料，较佳地为石英。较佳地，适当处理板件13，以便能使进入腔体的太阳辐射透过，并且使从腔体离开的红外辐射不能透过。因此，板件13具有这样的功能，其使接收腔体20与外部环境绝缘，使得来自装置1内的辐射损失最小化。

腔体20的壁体还可具有在图1中以纯示意性方式示出的金属涂层31或等效涂层，该涂层保持存储设备30不受氧化，并且可选地挡住来自该存储设备的可能的精细颗粒散布，例如如果使用经过粉化的石墨的话。

变体实施例可为上述存储块30提供不同材料，只要其具有高导热性和如下的能力，即允许在该存储块中快速传热并且使存储的热量最大化。

在外壳2中且限于该单一存储块30，根据本发明，提供有一种总体以附图标记3表示的可流化颗粒床。颗粒床3也适合存储热能，并且由适合存储热的材料制成，并且其根据下文所述的较佳特征。

在使用中工作流体所通过的热交换器的管束4布置在颗粒床3中，或者与其邻近。

如上所述，装置1的进口21适合允许通常是空气的流化气体进入外壳2，并且尤其是通过颗粒床3进入外壳。具体地，整体布置是这样的，即气体能够移动颗粒床3的颗粒，以便产生适合在颗粒和管束4之间进行热交换的相应颗粒的流动/运动。

在进口21，提供有流化气体分配隔壁，其适合允许该气体进入，同时确保对颗粒床3的颗粒的支撑。

在具有出流管5的管线中布置有除尘器6，该除尘器通常具有包括低负荷损失和旋风操作的惯性撞击器或等效装置，并且对出口气体除尘（de-pulverize），使来自出口气体的颗粒回到外壳2内。

管束4相对于颗粒床的位置、或者更确切地说是相对于颗粒床的管子的暴露表面使得所交换的热量最大化，该热量与热交换系数及该热交换中所涉及的表面的乘积成比例。

管束4可没于或部分地没于颗粒床3（如图1中的例子所示）中，或面对该颗粒床3。该选择取决于对装置使用的管理模式，并且取决于基于流化气体速度变化的颗粒床最小和最大高度。具体地，随着速度提高，热交换中所涉及的管束的表面积增大。

如图1a中所示，较佳地，可选地通过隔板330将颗粒床3分为多个部段，隔板330具有模块结构，其允许在其中通过以下方式选择性流化，即划分流化区域，并且仅在可根据特定运行需要而选择的流化床部分进给气体。

将流化气体至装置1进口21的进给是通过设施100的进给设备发生，该进给设备包括被连接至强制循环设备8的进给管210，该强制循环设备8通常为一个或更多风扇。具体地，进给设备限定收集气体的回路，该气体较佳地为来自环境的空气，其进入装置1的进口21，并且进入其下游，经管5至除尘设备6并且到达用于预热工作流体的热交换器7。为流化气体的进口进一步提供歧管14或空气罩。

可选择性地控制进给设备，用于改变流化气体速度，并因而改变颗粒床3和管束4之间的整体热交换系数。

实际上，通过改变气体的横向分速度，有可能控制并修改流化床朝着存储块和工作流体的整体热交换系数，结果是对所转移的热功率量的调整的灵活性。由于取决于所需负荷的太阳辐射条件，对于调节通过颗粒床从存储设备传递至工作流体的热量，该效应尤其有用。

较佳地，颗粒床的流化条件为沸腾，或者是在如下的任何情况下，其使热交换系数最大化，并且使流化气体中的微粒输送最小化。为了该目的，床体颗粒材料的选择基于高导热性和组成该颗粒的材料的扩散能力的热学特征，并且尤其是基于低磨损性，以满足使存储块及颗粒床的颗粒侵蚀现象最小化的需要，以便限制微粒的产生以及限制将微粒输送到流化气体中。基于这些论述，较佳的构造特许将对氧化有惰性的颗粒材料用于颗粒床3，该颗粒材料呈规则形状，较佳地为球状体和/或较佳地尺寸在50-200微米范围内；并且所述尺寸较佳地为固有的，其不是由较小尺寸颗粒的聚集所产生。

需要时，有可能提供高导热材料32的表面，以保护颗粒材料床的反应中所涉及的存储块部分。

关于工作流体，在本例子以及在较佳构造中，是水通过管束4，并且通过流化床中的热交换效应而蒸发。

工作流体回路设有管道90，其形成装置1内的管束4，并且在图1中给出的例子中，它们提供蒸汽轮机10，该蒸汽轮机连接至发电机、冷凝器11、进给泵12和起预加热器作用的热交换器7。

整个装置1热绝缘，并且如果组成存储块30和/或颗粒床3的材料不对空气呈惰性（也就是说，能够经受氧化现象），就必需将空气从装置1的内部环境排出，和/或通过惰性气体获得略微过压内部环境。在该情况下，颗粒床的流化气体必须有惰性，并且如图6中所示，所述气体的进给回路闭合。

装置1设有一种用于封闭热绝缘的接收腔体的系统（附图中未示出该系统），其防止热量从该腔体扩散到外部环境。可选地为自动的该封闭系统通宵开动。

在变体实施例中，存储装置1与图中未示出的次级反射体/集中器相关联，其位于腔体20的进口，并且因而绕允许日光反射装置所会聚的辐射进入的外壳2进口。

由于例如以抛物线或双曲线外形适当成形的内部镜面，所以该次级反射体允许恢复本来将不能到达腔体20的一部分反射辐射。实际上，由于表面不完美和/或表面对准的原因，一部分由日光反射装置反射的辐射不进入腔体进口，因此将会损失。

可能的替换方式将在于获得更宽的腔体进口；然而，该解决方案将相当大地提高该腔体向外部环境的辐射，结果是损失相当一部分功率。使用次级集中器还允许释放关于日光反射装置弯曲度的设计限制，这导致反射在接收器上的光束尺寸的变化。此外，使用所述次级集中器允许使用扁平日光反射装置，其面积不超过进口表面。该方面极大地影响总技术成本：扁平镜非常廉价，而日光反射装置的成本通常占超过一半的系统总成本。

以上所述的局部集中器的方向按照面对日光反射装置区域的腔体的定向和位置。

对上述石英板13或其他透明材料以及布置在接收腔体进口的次级集中器的组合使用是特别有利的，因为它们都有助于提高可用太阳能的吸收率。

基于参照图2中的另一变体实施例，在此以附图标记102表示并且插入设施101内的本发明的装置可设置有多个接收腔体，在附图中对于所述例子示出为两个腔体201和202。存在多个接收腔体允许减轻影响单个腔体的内部壁体的热流并且降低工作温度、提高用作腔体涂层的材料的竞争性和性能。在该情况下，以上参考图1和1a的关于单腔体20的实施例所述的特征与每个腔体201和202相同。

与参考图1所述的存储装置不同，装置102设置有中心布置的颗粒床3，并且设置有横向于颗粒床布置的以附图标记301表示的单一或粒状存储块。

沿设施101的工作流体管线布置有脱气装置40，其接入蒸汽轮机10，并且在其上游具有抽气泵120或等效设备。

对于其他部分，装置102和系统101类似于已参考图1所述的那些部分。

参考图3，以附图标记104指示并且插入系统103中的本发明装置的进一步变体实施例提供有粒状材料组成的可流化床3，以接收直接来自接收腔体20的表面的太阳热能，并且因此除了起到热载体的作用，还起到存储设备的作用。可在可流化床的外围定位以附图标记300表示的任何可能的附加存储材料。在该构造中，颗粒床在被流化时从接收腔体的侧壁提取热能，并且将热能传递给的热交换器的管束和存储设备300的表面（如果设置）。如上所述，通过流化空气速度调节热传递速度，也就是热交换系数。

当存在太阳辐射时，将太阳能会聚到腔体20，并且通过颗粒床的流化，将热能部分传递至热交换器4的管子，并且部分传递至存储装置300。热交换的方向是从腔体20至颗粒床3，并且因此至交换器4以及至存储设备300，其温度比粒状材料3低，并且直接接触腔体20。

在缺乏太阳能的情况下，例如夜间，通过使颗粒床3流化，热通道这样发生，即从存储装置300至颗粒床3并由此至热交换器的管子4，这确保了装置操作和蒸汽分配以及来自装置热功率的连续性。因而，在缺乏会聚至接收腔体20的太阳能的情况下，热传递方向反向，从存储装置朝着颗粒床的颗粒进行，也就是朝着热交换器管进行，其中存储装置已在绝缘时间中存储有通过颗粒床的流化而传递的热能。

对于其他部分，图3的装置104和系统103类似于已参考图1和图2所述的那些部分。

参考图4，以附图标记106表示并且插入设施105中的本发明装置的进一步变体实施例设置有分别以附图标记304和305表示的第一和第二可流化床，这两个可流化床是第一个与第二个同心布置，并且分别具有存储装置和热载体的功能。

始终参考图4，组成第一可流化床304的粒状材料直接从接收腔体的表面接收太阳热能，本文中以附图标记203和204来表示该接收腔体，并且其起到存储设备的作用。另一方面，由布置在第一可流化床304内的第二可流化床305执行热传递，并且热交换器的管子4位于该第二可流化床305中。由于独立作用于反应以及独立作用于两个粒状材料床和/或该床的部段的流化气体的速度的可能性，该构造允许在存储步骤中以及在向载体流体释放热中的更大系统灵活性。

类似构造是图5中所示的样式，其中，与图4的情况相比，两个床、即存储和载体床的位置倒置，这是因为在图5中，在中心位置设置有单个接收腔体205。

如上所述，经流化床也可不通过物理隔板330分开，而是由通过划分流化气体的单独致动模块化区域分开。

对于任何所述构造，尤其是粒状床尺寸的装置尺寸、流化气体速度范围、任选地关联经流化床的存储设备（固体或粒状）数量以及热交换器的表面都为确保日照期间的热量存储并在夜间将该热量通过流化床颗粒传输给热交换器。

此外，如上所述，对于使用流化床的模块化结构以及调整每个部段的颗粒流化速度的所述任何结构，都有可能调节传递至管子的热能的量，通过其选择性和/或差异化的流化，来选择使用热能存储或传递的一个或更多部段，由此确保本发明的装置连续运行。

此外，对于到目前为止所说明的本发明的具有多个装置的设施，调整传递至每个装置的热交换器以及保持连续生产蒸汽的温度和压力所需的热量的可能性允许保持、降低或提高能量生产的优点。

在基于多个装置的系统的情况下，调整多个装置的尺寸和运行逻辑，从而即使在缺乏太阳辐射时也能获得预定的能量生产。

在上述说明中，已以示例的方式参考将装置在生产电能的单机系统中的引用。然而，应理解，本装置的可能的应用场合是广泛的，并且涉及用于工业系统的蒸汽或热能的生产，比如用于热电设施、除盐系统、远程加热（tele-heating）等等。

调整从可再生能源生产来能量的法律规定允许通过燃烧化石燃料所生产的该能量的份额最小。通常，在现有技术装置中，在独立于主生产系统的生产单元中执行该操作。

相反，基于本发明的装置的能量生产设施的重要优点在于在流化床内部燃烧气态化石燃料的可能性。

由于该原因，对于本文中参考图1-3各个图所述的每一个实施例，这些图都示出位于起到热载体的作用的可流化床并直接处于流化气体进给通道的燃烧气体401进口。对于图4和5的变体，如图所述，可对可流化床中的一个或者对它们两者都提供该燃烧气体进给。

关于说明的所有附图都示出构造的示意图，这样，它们可能未示出诸如阀门或传感器等的组件，而这些组件对于流体回路的常规调节来说是必须提供的。

在这点上，应更好地理解的是，除了粒状床的高热“扩散能力”以外，流化床系统还具有这样的双重优点，即，在床-存储设备或床-床界面以及在没于粒状床中的管表面处的高热交换率，以及关于在短时间操作步骤中对热蓄能器进行快速加载/卸载的可能性的本质特性。

因此，本发明允许在颗粒床内存储热能，以及通过调整颗粒的流化速度改变从系统输出的热功率。

同样地，使用尺寸适当并朝向镜区域定向的多个腔体允许降低入射热流，并且减轻将影响单个腔体的最高温度，使得对用于该腔体的壁的涂层技术和材料的选择更加具有竞争性。

然后，流化床的模块化结构允许以可观的管理富余度来致动一个或多个部段，并且使系统可用性较少地取决于大气条件以及发电机的可用性。

此外，装置的流化床内的燃料气体的同时燃烧允许即使在低绝缘性期间也能保持系统能量生产恒定。

最后，应理解，本发明也提供一种存储和热交换方法，其由下文权利要求限定，并且其具有上述关于本发明的装置和设施的各种实施例和各种样式所述的相同较佳特征。

到目前为止，已参考较佳实施例描述了本发明。应理解，可能存在由下文权利要求的保护范围限定的相同发明范围的其他实施例。

Claims (32)

1.一种存储和传递热能的装置（1），所述装置适合于接收太阳辐射，所述装置（1）包括：

容纳外壳（2）；

颗粒床（3），所述颗粒床适合于存储热能，被容纳在所述容纳外壳（2）的内部；以及

至少一个进料进口，所述进料进口用于经所述颗粒床（3）来进给流化气体，

整体布置是这样的，即，在使用中，该流化气体移动所述颗粒床（3）的颗粒，引起或促进颗粒和管束（4）之间的热交换，工作流体在所述管束（4）中流动。

2.根据权利要求1所述的装置（1），其特征在于，所述颗粒床（3）的颗粒由基本上规则形状、较佳地为球形形状的粒状材料构成。

3.根据上述权利要求任一项所述的装置（1），其特征在于，所述颗粒床（3）的颗粒具有约50-200微米级的尺寸。

4.根据上述权利要求任一项所述的装置（1），其特征在于，包括所述流化区域的隔间，其适合于允许通过流化气体对所述颗粒床的一个或多个部分的选择性和/或差异性的流化。

5.根据上述权利要求任一项所述的装置（1），其特征在于，还包括形式为单一块体（30）的另一存储设备。

6.根据上述权利要求所述的装置（1），其特征在于，所述存储块（30）为石墨或者包含石墨。

7.根据权利要求5或6所述的装置（1），其特征在于，通过压紧粒状形式的材料来获得所述存储块（30）。

8.根据上述权利要求任一项所述的装置（106），其特征在于，还包括容纳在所述容纳外壳（2）内部的另一可流化颗粒床（304）形式的另一存储设备，所述颗粒床（305、304）较佳地彼此同心布置。

9.根据上述权利要求任一项所述的装置（1），其特征在于，具有一个或多个接收腔体（20），在所述一个接收腔体内部或者在每个所述腔体（20）的内部都会聚太阳辐射。

10.根据上述权利要求所述的装置（1），其特征在于，包括基本为透明材料、较佳地为石英的板件（13），该板件对应于所述一个腔体或每个腔体（20）的口部布置。

11.根据上述权利要求所述的装置（1），其特征在于，所述一个板件或每个板件（13）都能使进入各个腔体（20）的太阳辐射透过，并且使从所述腔体（20）发出的红外辐射不可透过。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的装置（1），其特征在于，包括位于所述一个接收腔体或至少一个接收腔体（20）的进口的次级太阳辐射集中器。

13.根据引用权利要求5时的权利要求9-12中任一项所述的装置（102），其特征在于，所述另一存储设备（30）直接对应于所述一个腔体或至少一个所述腔体（20）布置。

14.根据引用权利要求5时的权利要求9-12中任一项所述的装置（104），其中所述颗粒床（3）直接相应于所述一个腔体或至少一个所述腔体（20）布置。

15.根据上述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，具有用于所述流化气体的出流管（5）。

16.根据上述权利要求中任一项所述的装置（1），其特征在于，包括一个或多个热交换元件（4），该热交换元件（4）接收或适合接收工作流体，并且布置成与所述颗粒床（3）接触和/或在使用中、当所述颗粒床（3）被所述流化气体流化时由所述颗粒床（3）接触。

17.一种生产用于工业用途的蒸汽或热的设施（100），包括根据上述权利要求任一项所述的一个或多个装置（1）。

18.根据上述权利要求所述的设施（100），其特征在于，包括用于经由所述装置（1）的至少一个进口（21）来进给所述流化气体的设备（210、8）。

19.根据上述权利要求所述的设施（100），其特征在于，所述进给设备包括用于所述流化气体的强制循环的设备（8）。

20.根据权利要求18或19所述的设施（100），其特征在于，所述进给设备选择性地可控，以改变所述流化气体的速度。

21.根据权利要求17-20任一项所述的设施（100），其特征在于，包括用于对所述流化气体除尘的设备（6）。

22.根据权利要求17-21任一项所述的设施（100），其特征在于，包括用于向所述颗粒床（3）被选择的部分选择性进给流化气体的设备。

23.根据权利要求17-22任一项所述的设施（100），其特征在于，包括用于向所述装置（1）的所述外壳（2）内部进给燃烧气体的设备（401）。

24.根据权利要求17-23任一项所述的设施（100），其特征在于，所述设施为发电设施。

25.一种存储以及继而交换源自太阳的热量的方法，该方法提供对适合于接收和存储源自太阳的热能的颗粒床（3）的使用，以及对所述颗粒床（3）的流化，以引起或者促进所述颗粒床（3）和热交换器的管束（4）之间的热交换。

26.根据上述权利要求的方法，其特征在于，通过受控地进给流化气体、较佳地为空气，以执行所述流化。

27.根据权利要求25或26所述的方法，其特征在于，提供对所述颗粒床（3）的被选择部分的差异性流化。

28.根据权利要求25-27任一项所述的方法，其特征在于，作为水和/或蒸汽的工作流体在所述管束（4）内流动。

29.根据权利要求25-28任一项所述的方法，其特征在于，提供下述步骤：在日照期间在存储设备（30、3）中存储热能的步骤，以及在缺乏太阳辐射时通过流化所述颗粒床（3）以将来自所述设备（30）的热传递给所述管束（4）的步骤。

30.根据权利要求25-29任一项所述的方法，其特征在于，提供对根据权利要求1-24任一项所述的一个或多个装置（1）或所述的设施（100）的使用。

31.根据权利要求25-30任一项所述的方法，其特征在于，提供在所述装置（1）的所述颗粒床（3）内部对气态化石燃料的燃烧。

32.根据权利要求25-31任一项所述的方法，其特征在于，为了获得恒定的能量生产，提供存储热能以及伴随地或延期地将所述热传递至热交换器的步骤。

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