CN104603570B - 用于能量生产的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于能源生产的装置，包括可操作地布置在装置输入侧的任何类型的热源或能源，包括但不限于太阳能电源、核反应堆、化石燃料发电厂、风力发电厂、潮力发电厂、废热发电厂和地热源；和可操作地布置在装置输出侧的热传递设备和能量生产装置比如涡轮‑发动机组。装置的特征在于其还包括具有集成的热交换器的热能储存器，包括固态蓄热材料、传热流体和用于能量输入和输出的设备，其中：储存器包括至少一个传热容器，固态蓄热材料布置在传热容器周围，传热容器容纳传热流体及用于能量输入和输出的设备，使得在相应传热容器内发生经由传热流体的所有传热对流和热传导，热能储存器布置在热绝缘材料内，并且固态热能储存器已布置在装置的输入侧和输出侧之间以蓄热及热交换，储存器直接与热源联接或通过另外的热交换器与热源联接，且储存器直接与装置输出侧联接或通过另外的热交换器与装置输出侧联接。

Description

用于能量生产的装置

技术领域

本发明涉及用于从资源生产能量的装置，如从太阳能，特别是集中式太阳能(CSP)装置，但是也可以从其他热能源，包括但不限于核反应堆、化石燃料工厂及深处地热源。更具体地，本发明涉及对现有装置设计或用于建造更简单和更有效的新装置的改型。

发明背景和现有技术

在国际规模上正做出大量的研究和开发的努力以提高能量生产系统的效率和环保性能。现今做出的近半数努力是在可再生能源领域而非传统的化石燃料或核燃料类型的火电生产领域做出的。显然，蓄能将会成为进一步发展的关键技术，并且在发展这种能力方面，特别是通过利用充电式电池、抽水蓄能装置、压缩空气、飞轮、氢气转换和热储存器(包括具有材料相变的热储存器)进行蓄能，目前已进行大量投资。

通常认为，总体上蓄能可促进能源传输到消费者和市场的时间依存适应性，并且当主电力生产不足或失败时，通过桥接送电，蓄能可以提供传输安全性。

对于某些类型的可再生能源生产，具有储存器是绝对必要的。一种这样的领域是集中式太阳能(CSP)，其中热储存器用于补偿产热不足或失败，例如在白天当运量出现及在夜间没有太阳时。在使用抛物面槽式聚热器的CSP的情况下，通过反射和聚集对管道系统中的油进行加热的太阳光线产生热量；该油随后与储存在大型隔热的储存槽内的熔盐进行热交换。该油是一种合适的矿物的、有机的或合成的传热油，例如Therminol(一种传热油)。当需要将储存的热量用于补充或扩大能源生产时，由熔盐和油之间的反向热交换来提取热量。此后，油再一次被热交换至水蒸汽，其反过来又经涡轮和发电机用于能源生产。该技术存在诸多严重的缺点，因为其涉及使用非常昂贵的储存流体，例如熔盐，它需要多个油/盐热交换器，需要至少两个大的熔盐储存槽，需要熔盐泵和相应的泵浦能将熔盐移到储存槽或从储存槽移出，并且存在该盐在管道或其它结构内凝固的风险，即便在非常高的温度下都可能发生。

CSP的另一种变型是，其中大的反射镜(定日镜)将太阳光线反射到高塔，其中充满高温工作流体，例如熔盐，的接收器用于光-热转换的。在使用熔盐作为工作流体的情况下，该流体可直接与水蒸汽进行热交换以通过使用涡轮和发电机进行发电。可选地，熔盐可储存在大槽中以如上所述说明的随后用于发电。

最近的研究工作还考虑使用蒸汽作为用于CSP塔技术的工作流体；这样可避免使用将熔盐变为蒸汽的热交换器。直接蒸汽技术的问题在于能够储存供延迟使用的热量，特别是与能源生产的有效结合。本发明提供了一种针对该问题的可能的解决方案。

存在多种传统技术，其中主要的能源是热量和压力；如化石燃料(煤、油、气)工厂和核电站。尽管这些设备可以不依靠为能源生产的周期性缺乏做好的储备，对于这些设备，热储存器可以是很大的优势并且在经济上是有利的。例如，在24小时一天的周期内，热储存器可便于充分或更好地利用产热能力，因为在夜间产生的热量可以完全或部分地储存并根据市场需求在白天能提供更强劲地能源生产。此外，储存器对于提供能源供应的连续性和安全性或应对电网系统中暂时的瓶颈具有很大的价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于能量生产的装置，该装置对于之前提到的技术问题是有益的。此外，该装置的储存器应优选：

·与现有系统相比能够简化储热、输热和蓄热的整个过程

·能在最适于将热量汇集并传输到储存器的温度和压力下进行操作

·能适应被视作最适于上述提到的操作的不同类型的工作流体

·通过具有适于热提取过程的温度和压力的流体能有效地将热量输出

·能适应最适合从储存器进行传热的各类工作流体

·能在主要的热交换器模式下运行，其中在主要的热量输入管路中的工作流体的热量直接进行热交换，并同时与热提取管道系统内的另一种类型的热交换器内的工作流体存在于储存式热交换器内

·适合与已经市售的部件如泵、阀门、管道、传感器和控制系统一起实施

·提供优于现有系统的成本和效率优势

·环境安全

·易于在现有设备内集成并能将现有设施改型以及在新设施的设计和操作中使用。

本发明提供一种用于能量生产的装置，包括可操作地布置在装置输入侧的任何类型的热源或能源，包括但不限于太阳能电源、核反应堆、化石燃料发电厂、风力发电厂、潮力发电厂、废热发电厂和地热源，和可操作地布置在装置输出侧(delivery side)的热传递设备和能量生产设备，例如涡轮-电动发电机组。该装置的特色在于其还包括具有集成的热交换器的热能储存器，热能储存器包括固态蓄热材料、传热流体和用于能量输入和输出的设备，其中：

储存器包括至少一个传热容器，

固态蓄热材料布置在传热容器周围，

传热容器容纳传热流体及用于能量输入和输出的装置，从而在相应传热容器内发生经由传热流体的所有传热对流和热传导，

具有热交换器的热能储存器布置在热绝缘材料内，并且

具有热交换器的固态热能储存器已经布置在装置的输入侧和输出侧之间以用于储存及热交换，该储存器直接与热源联接或通过另外的热交换器与热源联接，该储存器直接与装置输出侧联接或通过另外的热交换器与装置输出侧联接。

术语直接联接在本文中的意思是在热源中或输出侧的工作流体与在储存器中的工作流体是相同的，并且这些系统在没有另外的热交换器或储存器的情况下仅通过管道、阀门、泵或压缩机联接。

从属权利要求中定义了该装置的优选实施方案，参考了该从属权利要求。

热能储存器和热交换器被称为具有热交换器的NEST热能储存器。

最优选地，NEST热能储存器和热交换器包括一个或多个在外容器或管段内并排直立布置的传热容器，该一个或多个传热容器和外容器或管段间的空间已填充有混凝土或其它固态材料。将不需要传统铠装棒(armouring bars)或铠装结构，从而简化了装置的热储存器的生产。通过布置多个并排直立的每一个都填充有混凝土的圆柱形外容器或管段及一个或多个如上描述的传热容器，并且将用于热输入和输出的传热容器装置一起联接到下面所描述和示出的热源及输出侧，可出奇容易地提供大型装置。如上所述的在传热容器与外管或外容器之间填充了混凝土的管套管(pipe in pipe)或容器套容器的方案为本发明的装置的热储存器提供了有效的基本单元或热单元。在底部连接成对的传热容器从而使工作流体能从一处流向另一处，在传热容器与外管或外容器之间具有混凝土，为本发明的装置的热储存器提供了另一种有效的基本单元或热单元。在另一个优选实施方案中，热储存器热单元的固态材料包括水泥浆和混凝土，水泥浆布置在混凝土与传热容器之间。包括许多基本单元格或单元的储存器包括在储存器周围的隔热材料，防止与地面或空气的热交换和防止到地面或空气中的热损耗。

请参考通过引用并入本文的专利NO332707或专利申请PCT/NO2012/050088，以得到NEST固态热能储存器本身以及特别是其优选的实施方案的详细描述，在本发明的装置中使用了其中的一些实施方案。

本发明对于所有上述提到的问题是有益的，根据下文的进一步的描述和附图，这将是清楚的。

主热量输入系统在大多数典型实例中是充满工作流体的管道的闭环，其中冷凉的流体通过其被一些能源加热的产热系统被泵送，并且随后被输送到在其中热量被传递的储存器，因此流体的温度和压力将降低。在集中式太阳能(CSP)的实例中，加热来自在充满有循环工作流体的接收器上反射的太阳光(光子辐射)。太阳能接收器的主要类型是抛物线型槽，其中抛物面反射器(镜)将太阳光线反射到焦点内的管道接收器上，工作流体在管道接收器内流动并被加热。另一种类型是定日镜场反射器(镜)，其将太阳光线反射到顶部具有接收器场的塔上，工作流体通过该塔循环并被加热。其它的类型是抛物面系统，其中太阳光线被反射并聚焦到附接至可移动的镜的本地接收器上，且在接收器内，工作流体被加热。正在开发的另一种类型的CSP系统基于菲涅尔集热器。对于一些太阳能加热系统，在进入的工作流体的低温下运行可能会是有利的，从而实现更好的能量吸收和总效率。在当前的CSP系统中，主系统中的工作流体通常是热油，该油在作为熔盐储存到大槽之前与熔盐在独立的热交换器内进行热交换。可选地，如在CSP塔技术中，主工作流体可以是能直接进入用于热储存器的槽中的熔盐。

当前的熔盐储存系统的缺点是：热传输系统中离开热交换器的工作流体的温度必须安全地高于熔盐的凝固温度，对于现今使用的称为太阳盐的二元硝酸盐混合物，通常超过260℃。这严重地制约了在低温或中等温度水平下将熔盐作为热储存器的应用。其它的盐混合物可提供比太阳盐更低的温度限制。如果工作流体是油，大体说来，该流体中的最大温度和最小温度将必须介于400℃(油沸腾)和300℃(熔盐凝固)之间的范围内。这种系统的动态温度范围只能在大约100℃左右的事实大大降低了其效率。根据本发明，热储存器主要是固体类型，并且热交换在集成在储存器自身内部的热交换器中发生。这意味着除了工作流体自身能接受的，在储存器内将不会有温度下限。这不仅意味着由于较高的动态储存温度能更好地利用储存器本身的潜力，而且还意味着可以提高太阳能吸收系统的效率。

一些简单类型的太阳能加热系统仅用于加热水而不能用于发电。然而，当前正在研发的CSP系统能产生可直接用于运转涡轮的高压蒸汽。特别是，目标是一种开发产生超临界流体的系统，其中水与蒸汽之间没有明显差异。例如，通过在超临界压力下范围550℃至600℃或更高的温度下运行，相比在亚临界压力下运行的蒸气涡轮，可实现较大提高的涡轮效率。对于CSP，储存器的使用是用于补偿可变的太阳能流注(solar energy influx)并且也用于补偿效率的关键技术，该流注取决于时间和变化的云量及在夜间无加热的情况。同样在该装置中，本发明提供了一种良好而有效的解决该储存问题的方案。在应当储存热量时，加压蒸汽全部或部分地转移到储存器，该储存器通过其热交换器，将热量传输到固体储存材料。当涡轮需要加压蒸汽时，通过使用同一个热交换器，仅将热量用蒸汽从储存器提取并导入涡轮回路。

还有许多其他类型的可以以类似方式进行处理的热源。一个这样的环境是来自地热储集层或活动地热层或上升地幔区的加压蒸汽。通常，地热装置在白天和黑夜以相同的速率产生热量。通过在夜间储存热量及在白天从储存器导出该热量，在高峰时间期内将能够增加发电量，该发电量远远超过来自地热储集层的恒定蒸汽流量。为本发明的实施方案的典型特征的该构思的实施当然需要额外的涡轮容量以增加发电量。化石燃料发电厂、核电厂和废热发电厂是将热能输送到本发明装置的其他可能的来源。工业废热的使用是另一个实例。风力发电厂、潮汐发电厂、以及基于太阳能发电厂的硅晶片是将电力传输到本发明装置的来源的实例。输送电力的来源或者需要外部加热元件，该外部加热元件使用电流在工作流体进入储存器前对工作流体进行加热，或者需要集成在热交换器中的加热元件，该加热元件作为本发明的热储存器的热输入装置，用于将电流转化为热量。

前面提到的固体储存器发明还描述了通过直接插入到热交换器容器的焦耳类电热元件如何可以将电流用作热源。请参照专利申请PCT/NO2012/050088，以获得固态热储存器本身的详细描述。

本发明的主要特点是关于其适应不同类型的工作流体或传热流体的灵活性。例如，储存加热回路可基于热油且涡轮回路的热提取可基于水蒸汽。另一种可选方案是，储存加热回路是基于水变成蒸汽(water to steam)，并且来自储存器的热提取回路也是基于水变成蒸汽。稍后将更详细地说明这些构思。要注意的是，由于蒸汽进入能够承受这种条件的适当地加工成适当尺寸的管道，并且这种扩大的管道不会出现为本发明装置一部分的固体储存器的任何问题，本发明可以与在非常高的压力下的蒸汽，例如超临界蒸汽一起工作。

本发明还可以和不同于油和水蒸汽的工作流体一起使用。其它的流体包括，但不限于，不完全饱和或饱和水、熔盐、合成熔盐、液体金属及合金、各种类型的复合流体、悬浮在流体、气体中的颗粒等。

本发明也可具有许多其它形式和用途。例如，可实施本发明以使用储盐器补充或替换已经现有的CSP装置中的储盐器。在这种实例中，用于热储存器的工作流体以及用于从储存器进行热提取的工作流体将通常是油。如接下来将要示出的，本发明也可以很好地处理这种情况。

本发明用途的一种特殊形式是，当本发明起从一种类型的工作流体到另一种类型的工作流体的热交换器作用时，而不是在蓄热模式或热提取模式中使用。最典型的情况可以是，当来自主加热回路的热油在储存器的热交换器内使用水变成蒸汽直接进行热交换。当在白天使用时，对于CSP装置，本应用可以具有价值。该构思的目的是可以完全避免从被加热的油出发到蒸汽的单独的热交换器(蒸发器)，并且因此实现相当大的成本节约。确切地说，当主要在热交换器模式下操作热储存器时，一些热量会泄漏进入固态储存器；然而，这种热量没有损失，而是当在热提取模式下操作储存器时，这种热量对随后的利用将是相当有用的。

附图

本发明由10个附图进行说明，其中：

图1示出了流程图，其说明了现有技术中具有储盐器或类似物的典型的CSP装置，并示出了该装置的能由本发明替换和改进的部分。

图2示出了用于本发明装置的流程图，其中在CSP装置或其类似物的蓄热模式下，其中已使用本发明的固态储存器替换熔盐储存器，并且其中热储存器中使用的相同的工作流体用于热提取。

图3示出了用于本发明的CSP装置或其类似物的热提取模式的流程图，其中已经使用固态储存器替换熔盐储存器，并且将热储存器使用的的相同的工作流体用于随后供能源利用的热提取。

图4示出了用于固态储存器的热交换器，其中用于热储存器的相同的工作流体用于从储存器进行热提取。该变型还具有将在详细描述中发现的可选的和更简单的设计。

图5示出了用于固态储存器的热交换器，其中用于热储存器的相同的工作流体用于从储存器进行热提取，且其中蓄热交换器内的热交换流体也是相同的类型。

图6示出了本发明的CSP装置或其类似物的蓄热模式以及热提取模式的流程图，其中用于热储存器的一种类型的工作流体进入固态储存器并且另一种类型的工作流体，例如水蒸汽用于热提取以及随后的能源利用。

图7示出了用于固态储存器的热交换器，其中一种类型的工作流体用于热储存器并且另一种类型的工作流体用于从储存器进行热提取。

图8示出了用于固态储存器的热交换器，其中一种类型的工作流体用于热储存器以及用于固态储存器内的热交换器流体并且另一种类型的工作流体用于从储存器进行热提取。

图9示出了本发明的CSP装置或其类似物的蓄热模式的流程图，其中产热单元产生直接用于将热量运送到固态储存器的蒸汽。

图10示出了本发明的CSP装置或其类似物的热提取模式的流程图，其中产热单元产生直接用于将热量运送到固态储存器的蒸汽，并且其中水蒸汽还用于热提取和随后的能源利用。

图11-14示出了之前提到的管套管方案的实施方案，该至少一个传热容器是内管且在传热容器(有时称为热管)的容积内已填充有混凝土。

详细说明

图1示出了本发明的一种类型的目标应用；该图示出了一种现有技术的抛物线的槽型的、不是根据本发明的集中式太阳能装置的示意性流程图。该图的目的是示出这种常规的CSP装置的复杂性，并示出可以如何大大简化该系统以及能够被本发明代替的该系统的主要部分。在蓄热模式下，槽型抛物面反射镜1加热接收器2中的油，通过该接收器将油泵入管道11，进入阀门51，并且从此处进入管道12，此后，油进入热交换器41以传递热，此后，通过泵71将冷却的油经由管道13和管道14泵回到用于重新加热的槽状热吸收器2。该管道回路代表主加热回路；这种回路中的工作流体通常是可经受高温的热油，然而也可以考虑其它的工作流体。主回路提供的热与经管道16、热交换器41和管道15由泵73从“冷”储存槽4送到“热”熔盐槽3的熔盐进行热交换。

随后，在热提取模式下，热熔盐经管道15、热交换器41和管道16由泵72从槽3送回到冷储存槽4。在该热传递过程中，油通过热交换器41内的熔盐被循环和加热并经管道12、阀门51和管道17送入另一个热交换器42。在将热量传递到热交换器42后，经管道18、阀门52和管道13由泵74将油泵回热交换器41中以重新加热该管道回路中的热油。

水在高压下被加热并在热交换器(蒸发器)42中转化为蒸汽并经管道19进入用于电力生产的涡轮-发电机系统81，并进一步穿过管道20进入使用冷却塔82或其它冷却系统的冷却交换器系统(冷凝器)43，此后再将回收的涡轮循环水(给水)由泵75经管道21泵送至高压，返回到热交换器42中以完成循环。

看上去很明显，图1中描述的系统是相当复杂的，并且还很昂贵。熔盐具有非常优良的储存能力，但适用于这种应用的熔盐也非常昂贵。还存在一个严重的缺点，由于熔盐会凝固，其不能在低温系统中使用。

系统图1还示出了由虚线90和虚线91界定的区域。本发明原则上可以代替虚线90内除泵74以外的所有部件，并且通常代替在虚线91内的所有部件；在两种情况下实现了更简单的和更具有成本效率的装置或系统。

图2示出了本发明装置的一种类型的实施的系统流程图，与图1中的框91相比，具有简单化。该图中所示出的表示了图1中所示出的改型，不同之处在于用与本发明有关的类型的固态储存器代替储盐槽和油/盐热交换器。为阐明问题，图2表示了仅用于蓄热操作中主回路的油流。在太阳能加热器2中对油加热并通过管道22和阀门53将该油送入具有热交换器101的固态储存器100，该油在该固态储存器中进行热传递并冷却。然后经管道24、阀门54、管道25和泵76，该油被送回太阳能加热系统。

图3示出了与图2相同的当其在热提取模式下运行的系统。冷却的油经固态热储存器和热交换器101运送，并进一步经管道23、阀门53和管道26进入其在此冷却的热交换器(蒸发器)42，并经管道27、泵77，阀门54和管道24送回储存器以用于重新加热。在蒸发器和涡轮回路19、81、20、43、21和75中所发生的原则上与已经示出的结合图1的储盐技术是完全相同的。

通过比较图2和图3中的系统与储盐器的基础方案，可以发现，不再需要油和盐之间的热交换器，并且已经使用一个固态储存器替换用于熔盐的两个大槽。同样重要的是，与熔盐凝固风险相关的较低的储存操作温度不再适用。这意味着油工作流体以及固态储存器能够在相当高的动态温度范围和/或更低的温度下运行，只因为由熔盐所施加的低温限制不再存在。这对于太阳能的效率赶上系统1和2也会具有积极意义。

事实是，用作将热量传送到固态储存器的相同类型的工作流体用于从其进行热提取。在这种情况下，现有类型的热交换器类型可以相当简单。图4示出了根据专利PCT/NO2012/050088中的一个实施方案的储存元件组(storage stack)内的管道回路。为了更详细描述固态热储存器本身，请参照所述专利申请。工作流体111进入填充有传热流体112的直立的热交换器容器120内的回路中的管道101。紧挨热交换容器120以及与容器完全接触的是为清楚起见未按比例示出的固态蓄热材料121，固态蓄热材料121可以由具有不同材质属性的区域构成。在蓄热模式下，热交换工作流体比热交换或传热流体112热，其反过来又比固态蓄热材料121热。在热提取模式下，温度情况则相反。要注意的是，工作流体111可具有高气压，而容器20中的热交换流体112可具有低气压或接近大气压力的气压，并且因此不会将任何压力施加到固态材料。在图2和3所示结构的典型实例中，主回路中使用的工作流体以及热交换器中的传热流体都将是热油；然而，也可以考虑其它类型的工作流体。当工作流体111与热交换器流体112相同时可以使用的图4的更简单的可选方案使用固态蓄热材料121来代替传热流体112。之前的热交换容器120现在是圆柱形、或任何其它合适的几何形状，例如超椭圆形、长方形等，铸造的外形还用作外部的加强外壳。该可选方案可以具有一对或多对在底部连接的直立的传热容器101，工作流体/传热流体111在其中流动。在这种结构中，主要通过对流将热量传入固态储存介质并从固态储存介质将热量传出。图13和图14示出了图4的这种变型，其用于具有两对直立的热交换器的特殊情况。图5示出了另一种简单的设计。当工作流体111与热交换器流体112相同时，可以使用热交换器的此种变型。从图中可以看出，将工作流体经由管道引入热交换容器并在以低温被压出之前主要通过对流传递热量。在热提取模式下，冷凉的工作流体被压入在此吸收热量的容器，并且以较高的温度流出。

图4和图5示出了可以使用的类型的热交换器的基本原理。在实际尺寸的储存器内，可以存在通过管道和阀门联接的大量的热交换器。经过这些热交换器的流体可以是串行联接也可以是并行联接的方式。

图6示出了本发明的另一种类型的实施装置的系统流程图。在该实例中，在主加热回路中使用一种类型的工作流体，而在热传递回路中使用另一种流体。例如，热源可以加热一种类型的流体，该流体经由管道21泵入用于热传递至储存器100的热交换器管道102，并通过泵65返回到热源进行再加热。热油可以是此处典型类型的工作流体。该同一附图还示出了不同类型的工作流体用于从储存器输出热量的热提取模式。要注意的是，热提取操作使用与用于热储存器的相同的热交换器。

图6进一步示出了本发明的可选的应用，其中用于热提取的工作流体在输出侧是水蒸汽。水蒸汽的优点是所传输的热量可直接用于运行蒸气涡轮和发电机。水蒸汽在储存器的热交换器内的管道113内被加热，并通过管道23进入涡轮81，在此之后，其经管道18进入冷却系统43，再经过管道24和泵62回到储存器以用于再加热。该图将冷却塔82表示为冷却系统，然而也可以使用其它的冷却方式。可还具有图中未示出的其它管道、阀门和泵。

图7大体上示出了可在储存器内使用的一种类型的热交换器，该热交换器与图6中所示的应用连接。主加热回路的工作流体113穿过管道103，管道103浸没在热交换器容器120内的传热流体112中。该容器直接与包括不同材料的一个或几个区域的固态蓄热材料121接触。热提取使用通常是水蒸汽的流体114经由管道102进入热利用回路。

图8示出了在储存器中使用的热交换器的略微不同和简化了的变型。在该实例中，通过管道104供给的加热回路113中的工作流体与热交换器容器中的传热流体相同。

应该清楚的是，如图6所示的储存器不仅用作热储存器，也用作两种不同类型的工作流体间的热交换器，其中在热提取过程中使用的工作流体直接用于运转发电蒸汽涡轮。

考虑到图6中所示的具有两种不同类型的工作流体的动力装置，还应理解，在热吸收器2中使用的加热流体与涡轮内使用的蒸汽之间总是需要热交换器。如果储存器完全被绕开而没有将热传递到储存器，这种热交换器与蒸发器系统必须作为储存器外部的单独的储存单元(图6中未示出)提供。然而，由于该装置包括在其内部具有热交换器的热储存器，本发明提供了一种可选方案，其在两种流体之间具有外部的独立的热交换器。实际上可以通过同时运行图6中所示的两个回路实现将在主回路中产生的热量直接传输到涡轮的目标。图7和图8中所示的热交换器的设计即是当这两种流体113和114同时循环时，大部分传热直接在两种流体之间进行而不是经容器120进入储存材料121。在定向的热交换操作期间，一些热量必然会从传热流体泄漏到储存器；然而，这种热量泄漏不造成任何实际能量损失。实际上，至储存器的传热可设计为用于整体操作的“部分储存模式”。该流体流动的实际和相对速度决定了直接传输多少热量及有储存多少热量。

图9和图10示出了本发明的另一种应用。在该实例中，热源的工作流体直接是水蒸汽。该图示意了CSP装置，其中在非常高的温度和压力下，水在太阳能接收器内被加热成蒸汽并且被压入太阳能接收器。热源还可以是替代该塔或除该塔之外的其它类型，例如化石燃料、核能或地热发电厂。在图9中所示的蓄热模式下，通过管道25、阀门43和管道26从源2将蒸汽带入储存器的管路101。此后，通过泵66、管道27、阀门44和管道28将该流体泵送回用于再加热的源2。

使用水蒸汽作为唯一的能量传输介质的现有技术的装置，不能以切实可行的方式储存高温热量，这是由于过多数量的厚壁蒸汽压力槽和相关的高昂成本使储存器变得不切实际。如果蒸汽冷凝，会损失蒸汽。使用本发明方案，结合来自储存器及源的传输，很容易实现无实际尺寸限制、较大的动态差别温度范围、较高的最大温度和较低的最小温度，异相源传输(out of phase with source delivery)以及提高的最高产量水平的储存器。

图10示出了热提取操作的情况。蒸汽在储存器内的热交换器里的管道101内被加热，并经管道26、阀门43和管道29进入发电涡轮81。此后，流体经管道18进入冷却系统43并经泵62、管道19、阀门44和管道28泵送回储存器。

应该注意的是，储存器内的管道布置可以以不同方式进行布置以为多个储存元件服务；流体流动可以以串行布置也可以以并行布置进行规划。整个管道系统可适于从热源2直接运行涡轮，同时导出来自储存器100的热量。尽管这种并行操作模式在图9和10中未示出，但是可以理解的是，来自管道25的流体流动可与来自管道26的流体流动合并以向涡轮提供足够的流体和热量，从而增大最高产量。要注意的是，储存器可有通过其中传送流体的多种方式。

重要的考虑因素可以是如果工作流体或热交换流体的温度降到熔点以下，该工作流体或热交换流体将凝固。这种情况特别适用于适合在非常高的温度下操作的传热流体。处理这种情况的一种方式是以这样的方式来操作该系统，即流体112中的温度永远不下降到低于该热交换器流体的凝固温度。另一种方式是允许从液体到固体的转化发生。只要在凝固期间不发生过度热膨胀，这种转化不一定意味着对系统的损坏。与水不同，大多数流体在凝固过程中收缩。事实上，相变可表示增强的蓄热能力，因为在加热阶段从固体转化为液体需要额外的(储存的)热量，该热量将在热提取模式下返还工作流体。

在储存器内的热交换器中把具有比较高的熔点的熔盐或其它流体用作工作流体或传热流体的情况下，可用另一种方式处理与管道的可能的凝固和堵塞相关的问题。如上述提到的专利申请所描述的，可容易地将电热元件内置于热交换器。在必要时可用电使这些加热元件发挥作用。

还参见图11-14，其示出了前面描述的管套管方案的实施方案，对于该方案该至少一个传热容器是内管，并且在有时称为热管的传热容器之间的体积已充满混凝土。图11和图12分别以纵截面和横截面示出了基本单元或基本热单元。可以清楚地看到内管和外管，在所述管道之间的容积内已经布置混凝土。内管是传热容器。可以以多种方式布置传热容器内的用于热输入和输出的设备，该设备也用于如上所述描述以及为其它实施方案所示出的所谓的管套管方案。在一些优选的实施方案中，传热流体和用于热输入和输出的设备采用相同的流体。图13和14分别以纵截面和横截面示出了管套管方案的一种双U(double U)实施方案。为清楚起见，在所述附图中未示出传热容器的内部部件。

超出这里所已经描述的储存器的应用也将是可行的；描述所有可能的情况是不可能的。然而，这些应用将通常是这里所已经描述的变型，还可包括对本发明的添加。并且，可由用于能源生产的任何类型的热力发动机例如布雷顿循环、有机朗肯循环，卡利娜循环、斯特林发动机或其它可用的机器代替涡轮。使用纯热量需求，例如用于各种工业过程的工业用热，或两者的组合，也可以替代涡轮。

本发明也可适用于混合发电装置或在混合发电装置中使用。这方面的例子是将CSP与天然气、煤和生物质能组合。其它组合也是可能的。混合动力装置的实例必须考虑所已经描述的变型。因此，本发明的装置可以包括此处所描述或示出的以任何可操作的组合的任何特征或步骤，每个这样的组合都是本发明的一个实施方案。

Claims (6)

1.一种用于从能量源生产能量的装置，所述装置包括：

热能储存器，其包括集成的热交换器；

传热流体；

包括能量输入和输出的热交换器；

其中所述热能储存器包括至少一个传热容器；

其中混凝土固态蓄热材料布置在所述至少一个传热容器周围；

其中所述至少一个传热容器容纳所述传热流体及所述热交换器，其中在所述至少一个传热容器内经由所述传热流体的对流和传导发生传热，

其中具有所述热交换器的所述热能储存器布置在热绝缘材料内，并且

其中具有所述热交换器的所述热能储存器已被布置在所述装置的输入侧和输出侧之间以用于热能的储存及热交换；并且

其中所述热能储存器直接联接到所述能量源或通过另外的热交换器联接到所述能量源，并且所述热能储存器直接联接到所述装置的所述输出侧或通过另外的热交换器联接到所述装置的所述输出侧。

2.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述装置是在所述输入侧上具有熔盐或油的集中式太阳能(CSP)装置；并且

所述热能储存器通过填充有蒸汽或水或超临界水的管路直接联接到所述输出侧或经所述热交换器和所述熔盐或油间接联接到所述输出侧，从而消除了熔盐储存系统。

3.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述装置是在所述输入侧上具有蒸汽或超临界水的集中式太阳能(CSP)装置；并且

所述热能储存器通过填充有蒸汽或水或超临界水的管路直接连接到所述输出侧，并布置了用于连接所述装置的所述输入侧和所述输出侧的管接头，从而通过在高动态范围及高温下操作用于传递热能的所述储存器，在少热量或无热量来自所述装置的所述输入侧的周期内，提供随时间经过的稳定生产及较大动态温度范围的较高效率。

4.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述装置是在所述输入侧上具有熔盐、熔融金属和二氧化碳中的至少一种的核电站；并且

所述热能储存器通过填充有蒸汽或水或超临界水的管路直接联接到所述输出侧或通过所述热交换器以及所述熔盐、熔融金属和二氧化碳中的至少一种间接联接到所述输出侧，从而通过使用非挥发性固态热能储存器而消除了较低效的可选择的储存器并允许所述装置内更高的动态温度范围和改进的安全性。

5.根据权利要求1-4中任何一项所述的装置，其中，所述装置的输入侧流体温度介于约100-1000℃的范围内，所述装置的输出侧流体温度介于约100-1000℃的范围内。

6.根据权利要求1-4中任何一项所述的装置，其中，所述能量源包括太阳能源、核反应堆、化石燃料发电厂、风力发电厂、潮力发电厂、废热发电厂和地热源中的至少一种。