CN103703336A - 用于流体的储存容器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于容纳温度至少在200℃的流体（5）的储存容器（1），所述储存容器具有外壳（4）、内壳（2）和位于外壳和内壳之间的隔热层（3）。本发明的特征在于内壳（2）设计成竖直倒置锥体的形式。本发明还涉及一种利用这样的储存容器（1）用于太阳能热发电厂中能量储存和用于对常规储存容器改造。

Description

用于流体的储存容器

技术领域

本发明涉及一种用于容纳温度至少为200℃的热流体的储存容器，该储存容器具有外壳、内壳和位于外壳和内壳之间的隔热层。本发明进一步涉及在太阳能热发电厂中用于能源储存的储存容器的应用和用于改造常规储存容器的应用。

背景技术

用于容纳热流体（例如液态半导体或液态盐）的常规储存容器通常具有圆柱形容器壁。该容器壁被加温直到它达到储存在储存容器中的热流体的温度。低合金碳素钢在最高400℃温度的条件下可以用于容器壁。然而在更高的温度时，则必须采用奥氏体铬-镍钢。通常，容器壁在外侧上被隔热件包围。在流体超出例如特定的氯化物含量的情况下，由于腐蚀性作用，根据现有技术只能采用昂贵的镍基材料，例如，1.4876、1.4958和1.4959（

合金800H/HT）。在考虑上述材料的情况中，容器壁所需厚度和待储存流体的温度水平对这种储存容器的制造成本具有显著影响。对经济方面仍旧合适的最大储存容量设有限制，这是因为不论储存容器容量的增加还是温度提高都需要更大的容器壁厚度以实现所需强度。超出特定的壁厚，就需要在技术上付出更大的代价来用于实现焊缝退火，从而导致制造成本进一步提高。

带有内部隔热件的圆柱形储存容器的系统也是为人所知的。储存容器在这种情况下设有薄壁内壳，该薄壁内壳由耐热、去负载隔热件机械支撑。在已知方案中，该隔热件设计成使得容器壁温度不超过400℃。因此，在这样的方案中，需要附加外部隔热件。圆柱形内壳的、例如当注入热流体时发生的热膨胀可以由该薄壁内壳的弹性焊缝实现。为了补偿产生的径向和轴向热膨胀，在这种情况下，根据现有技术，在薄壁内壳中加入制造非常复杂的焊缝交叉点。

从已知的圆柱形储存容器的热膨胀角度看，必须对底板向容器壁的过渡区也给予特别关注。为了保证系统限定的运动，通常需要利用大量固定点将内壳连接到外壳上。因为这些要求和给定条件，迄今为止已知的用于热流体储存、例如用于熔盐储存的带有内部隔热件的系统都非常昂贵。

此外，在太阳能热发电厂所属的技术领域中，多种类型的储存容器和储存系统为人所知。例如，为了在低负荷时段储存能量并在高负荷时段将能量再次释放使用两种储存容器，一种用于较热的流体，另一种用于较冷的流体。所有的太阳能热发电厂都具有如下共同的事实：即利用镜结构将太阳能聚焦，并将太阳能引导到吸收该能量的接收装置中，例如介质在所述接收装置内被加热。已证实多种流体适于用作该介质。目前认为尤为适合的是熔盐，换句话说是液态盐。然后该被加热介质注入到例如蒸汽发生器中，并且产生的蒸汽能够在汽轮机中膨胀用于发电。

已知的是对于通过太阳能热发电厂高效发电而言，主要挑战之一在于一天当中电力需求的波动，因为电力需求仅仅部分与白天时段相关。总体来说，三种需求类型之间存在差异：低负荷，即消费者低电力需求；正常负荷，即消费者平均电力需求，还有高负荷或峰值负荷。例如，许多国家中的高负荷时段发生在傍晚和/或在一年当中的可预见的时期、日落后的一段时间。因此为了太阳能热发电厂技术和经济上的成功，重要的是能够储存从太阳当中吸取的能量并能够在稍后的时间段内将该能量再次释放出来。

发明内容

那么根据本发明的目的在于制造出相比现有技术改善的用于热流体的储存容器，尤其还在制造和维护成本方面得到了改善。

既定的目的通过如下方式实现：内壳设计成以顶点竖立的直圆锥（即倒置直圆锥）的形式。在这种情况下，特别有利于可以将内壳做薄，这是因为，由于锥形的特性，由注入的热流体带来的热负荷不会导致给储存容器强度带来损害的显著的径向热膨胀。相反地，研究发现，由于直圆锥的形状，当加热期间作用的膨胀力的合力大体上平行于直圆锥的表面区域延伸。从图形角度看，可以这么说，内壳的热负荷因而平行于锥面或在直圆锥的母线的方向上“向上”膨胀，即圆锥的高度在某种程度上增长，但并非在特定高度的圆锥的直径上增长。相反地，在特定高度的直径上保持恒定，特定高度指的是位于初始高度之下的高度。由于根据本发明的特殊形状，内壳的热膨胀具有大体上形状保持效应。

流体的温度优选为高于200℃，特别优选地在400℃到650℃范围内，尤其是在590℃到610℃范围内，更加优选地在600℃左右。

内壳可以例如具有盐封或耐盐膜片或低合金碳素钢或奥氏体铬-镍钢或镍基材料或其他合适的材料。

内壳优选可浮动地位于隔热层之上，所述隔热层反过来优选设计成为去负荷，优选与以顶点竖立的直圆锥形式类似。在这种情况下，该隔热层具有例如矿物材料，诸如例如硅酸钙砖或泡沫玻璃砖或者这样或类似材料的组合。特别有利的是，隔热层的厚度为使得外壳基本上与储存容器的注入程度无关地具有大致环境温度，但这至少是在注入程度发生较大变化后的至少一段时间之后发生，其中所述外壳的几乎整个表面能够在外侧将热量释放到环境中。因此，外壳尤其有利地由混凝土结构形成。在这种情况下优选使用强化混凝土。

特别优选地，外壳设计为去负荷，优选同样为以顶点竖立的直圆锥形式或优选为负荷吸收多边形，该负荷吸收多边形特别优选地在内侧上设有衬里，所述衬里采用以顶点竖立的直圆锥的形式，作为向内朝向的表面形状。例如，粘土是用于所述衬里的合适材料。进一步地，在本发明的该实施例中，特别有利的是通过支腿或支柱、例如加强混凝土支柱或钢支柱支撑形成外壳的锥体。

利用该特别有利的负荷分布，可以使得浮动内壳非常薄，例如具有仅2mm的厚度，因此，尤其在考虑昂贵材料的情况中，根据本发明的储存容器的效益可以进一步提高。根据本发明的锥形浮动内壳的构思（所述构思对外壳省去了复杂的机械连接）还可以使得外壳自身具有薄的材料厚度，这是因为利用形状保持特性内壳可以设有不妨碍热膨胀的加强件。

进一步地，根据本发明的储存容器有利地配备有顶部，顶部主要具有优选为隔热的吊顶。

有利地，在内壳和隔热层之间设置机械分离层。该机械分离层附加地有助于浮动内壳（还称作浮动壳）的构思。例如，低塑性粘土是用于机械分离层的合适材料。

根据本发明的特定有利实施例，尤其是当流体具有高温时，用于补偿内壳材料热膨胀波动的焊缝仅沿直圆锥的几个母线设置。从而，例如，甚至连由于隔热层的不同处理引起的波动也能够补偿。

形成内壳的直圆锥的顶角特别有利地选为使得储存容器的固定所需注入容积的表面最小化。通过这种构造形成了精确地保持形状的储存容器。该形状有利地最小化储存容器所需材料量并尤其最小化内壳所需材料量，同时使得流经储存容器表面的流体热损失最小化。而且，在该改进中，形状保持得到了优化。例如由流体流入带来的热负荷不会导致内壳变形。

例如，如果直圆锥的表面区域被最小化，则可以实现形状保持特性的优化。在这种情况下，可以理论上达到约70.5°的最优顶角。然而在实际中证明，顶角在65°至75°范围内，优选在68°至72°范围内，并且特别优选为70°特别适用于本发明。

提到的热负荷主要由于待储存流体的流入和排出而出现。原则上，对于较低温度和较高温度水平流体的两种类型的储存之间必须有所区别，这两种类型都可以保持这些温度水平有显著分隔：储存在一个储存容器中作为层存储和储存在两个分开的储存容器中。本发明基本上适用于两种类型的储存。

优选地，内壳设计成适于储存带有更高氯组分的流体。该使用的流体特别优选地为氯组分高于0.1%的液态盐。在这种情况下，可以有利地并经济地使用未经恰当处理其中氯组分的盐。例如，已知的太阳盐（约60%的NaNO3和40%的KNO3）被证明特别适于用作已知的热载体盐。当使用具有更高氯组分的盐时，带有该盐的内壳或至少内壳的接触面有利地具有合适的材料，如，例如属于最初已提及的镍基材料组的材料。由于这种材料昂贵，所以根据本发明的内壳的薄壁形式在这里特别有利。

使用在权利要求1至权利要求7中之一限定的储存容器用于以热流体的形式储存太阳能热发电厂中被转换的太阳能构成了本发明的有利的改进，该热流体优选为热液态盐，所述热液态盐温度在500℃到600℃范围内，优选为570℃到610℃，特别优选为600℃。

本发明的另一项有利的改进为权利要求1至权利要求7中之一限定的储存容器的用途，所述储存容器在设计成圆柱形的常规的储存容器中作为插入件。在这种情况下，在常规储存容器中的全部残余容积被有利地充以隔热材料，如，例如粘土、沙子、羊毛、矿棉或砖。

在本发明的进一步有利的改进中，在内壳内设置盐输送泵以减小无法使用的盐容积。所述盐输送泵优选在内壳内居中地布置，也就是说在圆锥顶点区域中沿直圆锥的中轴线布置。根据进一步有利的改进，该盐输送泵利用集成到锥体顶点中的滑动轴承沿径向被固定。

进一步地，本发明可以如下改进，在锥体顶点区域中设置排流管线，流体中沉积的杂质可以通过该排流管线排出。因此无法使用的容器容积能够有利地保持永久减少。

根据本发明的进一步有利的改进，可以如此减小储存容器的总体高度，圆锥形储存容器顶点沉埋入地面最大达到锥体的特定高度，其中由于顶点具有较小的表面，顶点上仅有较低的热负荷。这适于减小建造开支并适于改善这样的技术设施的外观并因此得到附近居民的赞许。

本发明还具有关于地震安全的改进构造：挡板可以连接到储存容器的内壳的内表面，这些挡板可以在地震发生时减少储存流体的运动。

通常，本发明中描述的这样的储存容器具有实心的混凝土基座。为了提高安全性，例如环形壁可在该基座上放置（该环形壁被已知为第二容纳物），所述环形壁的高度至多占用锥体高度的近似三分之一。前述的用于支撑锥体的混凝土底部在这种情况下能够安装在该壁的内侧或外侧。

根据本发明的替代实施例，外壳设计为钢结构。在该实施例中，隔热层能够例如制造得更薄，这是由于设计成钢结构的外壳相比混凝土结构的外壳被允许以更高的温度作用。例如，由低合金碳素钢制成的钢结构可以暴露于最高400℃的温度，而该钢结构的特性不会以任何方式受到不良影响。在该实施例中，外壳至少部分地由外隔热件包围。这同时适用于外壳本身和支柱（如果存在支柱的情况下，支柱适于将外壳支撑在例如基座上）。钢结构在这种情况下以与前述混凝土结构类似的方式设计成优选为去负荷。

根据本发明的又一替代实施例，外壳既具有混凝土或强化混凝土构件又具有钢构件。

本发明提供一整系列的进一步的优点，仅有其中的一些以实例的方式在下面提及：

由于根据本发明的储存容器的形状和锥体顶点区域的已经提及的较低的热负荷，在常规的用于热流体的储存容器中所必须的对基座的冷却或甚至对基座下地表的冷却可以有利地省略掉。

总体来说，本发明展示了建立这样的储存容器中节约开支的多种可能性，其中部分还附加地以较低的维修费方式反映。因而提出了具有经济性的、高度恰当的解决方案。

附图说明

本发明和本发明进一步的改进将在下面通过附图中阐述的示例性实施例更加详细地解释。

附图1示出了根据本发明的储存容器的剖面图的细节。

附图2示出了替代储存容器的剖面图的细节。

具体实施方式

附图1尤其示出了储存容器1，所述储存容器具有三个壳体2、3、4，所述三个壳体一个位于另一个之中并采用以顶点竖立的直圆锥形式。内壳2被隔热层3包围，所述隔热层继而被外壳4包围。内壳的内部适于容纳热流体5并在竖直方向上被带有悬置隔热件7的顶部6所限。外壳4被支柱8支撑在基座9上，所述基座将储存容器锚固在地面10上。在该实施例中，对本发明特别有利地，内壳2被示为具有近似70°顶角的直圆锥。优选地，在该实施例中，外壳4和支柱8设计成混凝土结构。

附图2示出了具有三个壳体2、3、4的储存容器1，所述三个壳体一个位于另一个之中并采用以顶点竖立的直圆锥形式。内壳2被隔热层3包围，所述隔热层3继而被外壳4包围。外壳4在该实施例中附加地被外部隔热件11包围，该隔热件还部分包围支柱8。对于该实施例而言选择钢结构作为外壳4。该结构允许相比混凝土结构以更高的温度作用。因此在该实施例中，选择的隔热层3能够更薄和/或允许隔热层由具有较差隔热性能的材料组成。因为附加的外部隔热件11的存在，设计成去负荷并且在该实施例中设计成钢结构的外壳4可以在储存容器1内部进一步移动。

相比之下，在属于附图1的示例性实施例1中，外壳4设计成去负荷并设计成混凝土结构，优选通过至少部分使用钢强化混凝土（已知的强化混凝土）形成储存容器1的外限界。

在属于附图2的示例性实施例中，内壳内部同样适于容纳热流体5并在竖直方向上被带有悬置隔热件7的顶部6所限。外壳4被支柱8支撑在基座9上，所述基座将储存容器锚固在地面10中。

Claims (9)

1.一种储存容器（1），所述储存容器用于容纳温度至少在200℃的流体（5），所述储存容器具有外壳（4）、内壳（2）和位于外壳和内壳之间的隔热层（3），其特征在于，内壳（2）设计成以顶点竖立的直圆锥形式。

2.如权利要求1所述的储存容器（1），其特征在于，内壳（2）可浮动地位于隔热层（3）上，所述隔热层继而优选设计成为是去负荷的、优选同样为以顶点竖立的直圆锥形式。

3.如权利要求1或2所述的储存容器（1），其特征在于，外壳（4）设计成为是去负荷的、优选同样为以顶点竖立的直圆锥形式或优选为负荷吸收多边形，所述负荷吸收多边形特别优选地在内侧上设有衬里，所述衬里采用以顶点竖立的直圆锥的形式，作为向内朝向的表面形状。

4.如权利要求1至3之一所述的储存容器（1），其特征在于，机械分离层在内壳（2）和隔热层（3）之间设置。

5.如权利要求1至4之一所述的储存容器（1），其特征在于，尤其是当流体（5）具有高温时，用于补偿内壳（2）的材料热膨胀中波动的焊缝仅沿直圆锥的多个母线设置。

6.如权利要求1至5之一所述的储存容器（1），其特征在于，形成内壳的直圆锥的顶角选择成使得储存容器的固定所需注入容积的表面被最小化。

7.如权利要求1至6之一所述的储存容器（1），其特征在于，内壳（2）设计成适于储存含氯流体（5）、尤其是含氯液态盐（5）。

8.如权利要求1至7之一所述的储存容器（1）的用途，用于以热流体（5）的形式储存太阳能热发电厂中被转换的太阳能，该热流体优选为热液态盐（5），所述热液态盐的温度在500℃到650℃范围内，优选为570℃到600℃，特别优选为590℃。

9.如权利要求1至7之一所述的储存容器（1）的用途，所述储存容器在设计成圆柱形的常规的储存容器中作为插入件。

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