CN104797510B - 能量储存器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于储存热能的装置，包括至少两个用于容纳流体的管沟(1a、1b)。管沟(1a、1b)通过至少一个沟道(2)来彼此连接，使得允许在管沟(1a、1b)之间的流体连通。每个管沟(1a、1b)至少部分沿着各自的圆弧延伸。

Description

能量储存器

发明领域

本发明涉及用于储存热能的装置，其包括至少两个用于容纳流体的管沟。

发明背景

存在对在现代能量技术领域内有效储存热能的需求。

例如，热能可以有利地储存在诸如水的流体中，其中流体在大地之上的绝缘贮水池中、在大地中的绝缘槽中或在地下的使用周围的大地作为绝缘的开凿的洞穴里。在很长的时间段中以很大程度保存流体的热能。现今，这些方法被用在世界的不同部分以便满足在不同季节之间储存热能的需求，例如储存暂时过剩的电力，之后在对过剩的电力存在需求时且优选地在其金融值更高时进行使用。主要的能量转换是从夏天的一部分(此时对供暖需求较低)到冬天的一部分(此时对供暖的需求更高)的转换。然而，通过将储存器用于短期变化并总是积极地储存过剩热量也大有获益。这些类型的储存器还可以用于储存将被用于冷却的冷却器的流体，以及用于具有中间的温度的流体，诸如在低温系统中使用的流体。

如上所述，常用的解决方案是将周围的大地用作绝缘，把热能储存在位于洞穴中的流体中。其具有的优点是每单位体积有大的储存容量以及从储存器取出大的输出的可能性。因此，这种类型的储存器适合于短期储存和长期储存两者。然而也存在大量缺点，诸如高的投资成本。

另一个解决方案是使用包括大量垂直延伸且均匀分布的沟道的储存器。热水通过沟道进行循环且大地自己储存热能。其具有的优点是低的投资成本以及其可以用于不同质量的大地的事实。然而，通过大地输送热量的速度低是重大的缺点，因为高的储存量以及取出速度是不可能。因此，这种类型的储存器最适合用于长期储存，即在不同季节之间的储存。在这种情况下，由于相较于封闭的储存体积的相对大的周围区域，到周围大地和大气的热损耗是相当大的。在这种类型的储存器中，安装了用于液体循环的管道和泵装置以便注入或者取回能量。因此，这些操作需要相当大量的额外电能，这显著地降低了储存器的效率。

瑞典专利申请0950576-9公开了一种有效的热能储存器。然而，仍然存在对用于储存地下热能的更改进的装置的需求。

发明内容

根据本发明的一个方面的目的是提供用于储存地下热能的对环境友好的装置，采用该装置可以减小总的热能损耗。另外的目的是提供用于储存热能的改进装置。

根据本发明的第一方面，通过用于储存热能的装置来实现这些目的，该装置包括至少两个用于容纳流体的管沟，其中管沟通过至少一个沟道来彼此连接，使得允许在管沟之间的流体连通，并且其中每个管沟至少部分沿着各自的圆弧延伸。

通过这种装置，我们可以实现能同时在许多不同的区域中进行操作的有效的热储存器。此外，这种类型的组合式储存器将洞穴储存器的优点与沟道储存器的优点相结合，即，将沟道储存器的相对便宜的季节性储存能力与从洞穴储存器取回大的输出和快速取出热量/快速向洞穴储存器提供热量的可能性相结合。此外，使用两个管沟促使覆盖更大体积的大地与储存空间，且其促使使用更大数量的沟道。

管沟可以包括内部管沟和外部管沟，其中将外部管沟布置成围绕管沟。使用外部管沟和内部管沟便于挖掘储存器。

在一个实施例中，每个管沟被配置为螺旋结构，两个管沟形成内部与外部螺旋结构，其中将外部螺旋结构布置成围绕内部螺旋结构。螺旋形状还便于挖掘储存器。

在一个实施例中，装置还包括至少一个竖井。竖井的使用极大地便于提取储存器中的流体或将流体返回到储存器中。

管沟可以通过至少一个通道彼此连接和/或连接到竖井，使得允许在管沟和/或竖井之间的流体连通。另外的优点是使用这些通道使得简化非常大的储存器的构造。

在一个实施例中，管沟通过至少一个沟道而被连接到竖井，使得允许在管沟和竖井之间的流体连通，放大了组合式储存器的优点。

内部螺旋结构和/或外部螺旋结构和/或至少一个竖井的中心轴实质上在垂直方向上延伸。

在一个实施例中，以允许热自然对流的、相对于水平面的角度布置至少一个通道。

在又一个实施例中，以允许热自然对流的、相对于水平面的角度布置沟道。

可以将管沟布置成至少部分位于不同的垂直水平处，进一步促进热自然对流。

在一个实施例中，形成内部螺旋结构的管沟比形成外部螺旋结构的管沟具有更大斜度，使得每个螺旋结构的每圈实质上平行于另一个螺旋结构的每圈延伸但是在不同的垂直水平处。

可以将通道布置成使得其在垂直方向上不直接位于彼此之上，使得有可能钻出从储存器的顶部下到每个单独的通道的沟道，而没有穿透另一个通道。

在一个实施例中，如从装置的中心轴的方向上看，装置的中间部分比装置的至少一个端部部分具有更大的尺寸。当装置的两个端部部分都比中间部分小时，储存器具有实质上球形的形状。使用包括管沟和中间的大地的这种大体球形的形状，减小了储存器的周界区域并因此减小了热量损耗，同时仍然实现了储存器的周界内的尽可能大的体积。如参见装置的中心轴方向上，当只有一个端部部分较小时，则形状实质上对应于锥体或棱锥体。

流体可以选自包括下列项的组：水、水和冷却剂的混合物、任何液体燃料诸如化石来源或生物来源(生物燃料)的碳氢化合物(hydro carbons)、盐溶液、氨水或其它制冷剂。

装置可以包括至少一个流体连通构件，其被布置成从管沟和/或竖井在合适的垂直水平处提取流体的任意一部分，以便允许通过至少一个热交换器来处理流体，其中还将流体连通构件布置成将处理的流体在合适的垂直水平处返回到管沟和/或竖井。

在一个实施例中，装置还包括耦合到热交换器的能源，该热交换器被布置成增加或减小流体的热能。

此外，能源可以是包括下列项的能源组中的任意一个：工业设施或其它废热源、用于加热或用于组合式发电和加热的热电联产站(CHP)、太阳能电池板、热泵、生物燃料锅炉、电加热器或化石燃料锅炉。

附图的简要说明

现在将参考示出本发明的当前优选的实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其它方面。

图1示出了根据本发明的热储存器的顶视图。

图2示出了根据图1的热储存器的实施例的侧视图。

图3示出了根据图1和图2的热储存器的实施例的示意性横截面视图。

图4示出了根据本发明的热储存器的又一个实施例。

详细描述

图1和图2示出了用于储存地下热能的装置的实施例，该装置与洞穴储存器结合以用于将一部分能量储存在诸如水的流体中，以及与沟道储存器结合以用于将一部分能量储存在地下。储存的热量主要来自连接到区域供暖系统的现有生产设施，诸如热电联产站。其它可能的热能生成器为例如太阳能采集器和工业废热。

这种类型的能量储存器可以用于储存例如高达95℃的热流体以及例如低至4℃的冷流体，以及具有中间温度的流体。中间温度表示显著低于可以被储存的最热流体而高于也可以被储存的最冷流体的温度。例如在低温系统中将使用中间温度的流体。具有例如40-70℃的中间温度的流体通常为在与区域供暖系统热交换之后被返回到储存器中的流体。

当将热能储存在地下时，如果储存器空间具有足够大的体积，则由于具有不同温度的流体体积之间的密度差而在储存器中发生分层。流体越热，其在储存器中位于越高。

当对储存器充入热流体时，来自较低流体层的冷流体被循环通过储存器并经过热交换器，冷流体在热交换器处被加热。此后，其被供应到储存器中具有相应的更高温度的流体层。在排出期间该过程被颠倒，即，来自较高层的热流体被循环到热交换器，热流体在热交换器处释放其能量，在此之后，其被返回到具有相应的更低温度的储存器层。

当对储存器充入冷流体时，来自较高流体层的热流体被循环通过储存器并经过热交换器，热流体在热交换器处被冷却。此后，其被供应到储存器中具有相应的更低温度的流体层。在排出期间该过程被颠倒，即，来自较低层的冷流体被循环到热交换器，冷流体在热交换器处吸收能量，在此之后，其被返回到具有相应的更高温度的储存器层。

诸如本发明的组合式储存器的组合式储存器将洞穴储存器的优点与沟道储存器的优点相结合。基本思想是，将沟道储存器的相对便宜的季节性储存能力与从洞穴储存器取回大的输出和快速取出热量/快速向洞穴储存器提供热量的可能性一起使用。由于流体和大地之间的接触面积的增加，储存器的储存能力进一步增强。

如图2中所示，储存器包括用于容纳流体的至少两个管沟1a、1b和一个竖井3，并且储存器的形状实质上是球形的且实质上中心围绕管沟1a、1b和竖井3的中心轴。选择大体球形的形状以使圆周区域最小并且因此使储存器的热量损耗最小，而同时实现储存器内的尽可能大的体积。下文更详细描述了其构造。

竖井3优选被布置在球体的中心处，使得其实质上沿着球体的垂直延伸的中心轴在垂直方向上延伸，并且通过球体的整个垂直高度。然而，也可相对于球体的垂直中心轴稍微位移竖井，且还可相对于垂直方向稍微倾斜。

每个管沟1a、1b环绕竖井3，即至少部分沿着各自的圆弧延伸。如参见垂直于竖井3的中心轴方向的平面，管沟1a、1b实质上为环形的，即具有环的形状。如参见先前所述的平面，管沟1a、1b还可具有更有角度的形状，为实质上椭圆的或多边形的。然而，管沟1a、1b的主要形状仍然是弧形的形状。

管沟1a、1b被布置在彼此之内使得其分别形成至少一个内部管沟1a和至少一个外部管沟1b，且使得其各自具有优选与竖井3的中心轴同轴的中心轴，即，至少一个外部管沟1b围绕至少一个内部管沟1a进行布置且在至少一个内部管沟1a的外部。然而，可以布置管沟1a、1b使得其各自的中心轴不与竖井的中心轴同轴。管沟的中心轴可实质上在垂直方向上延伸或相对于垂直方向稍微倾斜。

管沟1a、1b通过一些通道4彼此连接和/或连接到竖井3，使得允许在管沟1a、1b自身之间及与竖井3之间的流体连通。

因此，整个储存空间由诸如一些单独的储存部分构成，例如竖井、管沟和通道。储存器需要具有一定的体积以便促使对流体进行分层，即垂直温度的层次化，以及促使储存器内的热自然对流。

每个通道4延伸在外部管沟1b与内部管沟1a之间，或者延伸在内部管沟1a与竖井3之间。储存器包括一些通道4，通道4被分布成使得每个管沟具有在外部管沟1b与内部管沟1a之间的至少一个通道4，以及在内部管沟1a与竖井3之间的至少一个通道4。可将通道4布置成使得其在垂直方向上不直接位于彼此之上，即，使得有可能钻出从储存器的顶部下到每个单独的通道4的孔穴，而不必穿透另一个通道。此外，可以以相对于水平面的角度布置通道4，以便允许热自然对流。在一个实施例中，连接到竖井3的通道4完全在水平面上延伸，而将管沟1a、1b彼此连接的通道4被倾斜。从竖井3看时，还可以将通道4布置成使得其朝向储存器的周界径向向外延伸。然而，通道4可被放置成一定角度使得其在所述的拱形管沟的切线方向上延伸或以任意其它合适的角度延伸。

如图3中更清楚地示出的，管沟1a、1b还通过一些沟道2彼此连接和/或连接到竖井3，使得允许在管沟1a、1b自身之间及在管沟1a、1b与竖井3之间的流体连通。可将沟道2布置成钻孔或管道。球体内的大地，即，实质上位于储存器的最外部周界的内部的大地被大量的这种沟道2穿透，即，沟道2以紧密模式布置在管沟1a、1b与竖井3之间。因此，沟道2优选在尺寸上远小于通道4且以比通道4多得多的数量进行布置，因为相较于更少的、更大的通道4，多个更小的沟道2预期形成紧密模式。沟道2被布置成具有一定斜度，即，以相对于水平面的一定角度进行布置，以便允许经由梯度流动的热自然对流。沟道2的斜度在相对于水平面的垂直方向上可例如在在1：10之间或更小，以防止气囊扰乱自然对流。

在一个实施例中，储存器可包括一些内部管沟1a和一些外部管沟1b，每个管沟1a、1b被配置为实质上与另一个管沟1a、1b分离的闭合环。作为形象化的示例，每个管沟具有圆环的形状。在本实施例中，内部管沟1a被布置成彼此在垂直方向上间隔一定距离。优选有多于两个这样的内部管沟1a，且其都具有相同的尺寸，即半径。一些外部管沟1b也被布置成彼此在垂直方向上间隔一定距离。优选具有比内部管沟1a更少的外部管沟1b，并且外部管沟1b都具有相等的半径，该半径大于内部管沟1a的半径。优选地，沿着竖井3的整个垂直高度在竖井3的末端部之间布置内部管沟1a，而外部管沟1b被布置成距离竖井3的末端部一定距离，使得外部管沟1b被限制为仅围绕竖井3的中间部分。如参见垂直于竖井3的中心轴的平面，以这种方式，储存器的中间部分具有比其端部部分更大的尺寸，即更大的半径，使得实现大体球形形状的储存器。然而，如参见上述平面，只要储存器的上部端部部分或下部端部部分中的一个具有比储存器的中间部分小的尺寸，从而使得储存器具有除了球体之外的锥体或棱锥体的形状就足够了。此外，优选地，内部管沟1a和相应的外部管沟1b在垂直方向上相对于彼此稍微偏移，即，布置在不同的垂直水平处。

换句话说，上述实施例包括用于储存热能的装置，该装置包括用于容纳流体的至少一个内部管沟1a和至少一个外部管沟1b。内部管沟1a和外部管沟1b通过至少一个沟道2来彼此连接，使得允许在管沟1a、1b之间的流体连通，并且每个管沟1a、1b实质上是环形的并形成闭合环。此外，外部管沟1b被布置成围绕内部管沟1a。

然而，在优选的实施例中，每个管沟1a、1b被配置为螺旋结构，其围绕竖井3沿着球体的垂直延伸的中心轴延伸。螺旋结构1a、1b被布置在彼此之内使得其分别形成内部螺旋结构1a和外部螺旋结构1b，并且其中的每个具有优选地与竖井3的中心轴同轴的中心轴，即，外部螺旋结构1b围绕内部螺旋结构1a进行布置并且被布置在内部螺旋结构1a的外部。内部螺旋结构1a和外部螺旋结构1b一起形成大体球形形状的外部周界。

在优选实施例中，内部螺旋结构1a沿着竖井3的整个垂直高度在竖井3的末端部之间延伸，而外部螺旋结构1b距离竖井3的末端部一段距离开始和结束，使得外部螺旋结构1b被限制为围绕竖井3的中间部分。如参见垂直于螺旋结构1a、1b的中心轴的平面，以这种方式，储存器的中间部分具有比其端部部分更大的尺寸，即更大的半径，使得实现大体球形形状的储存器。然而，如参见上述平面，只要储存器的上部端部部分或下部端部部分中的一个具有比储存器的中间部分小的尺寸从而使得储存器具有除了球体之外的锥体或棱锥体的形状就足够了。因此，根据需要，螺旋结构1a、1b中的一个或两个可以沿着竖井3的垂直高度延伸到竖井3的一个或两个端部。

此外，螺旋结构1a、1b不需要位于彼此之内，也不需要彼此之间或与竖井3共用中心轴，即，除上述之外的其它实施例是可能的。

如参见垂直于螺旋结构1a、1b的中心轴方向的平面，各自的螺旋结构1a、1b的每圈实质上是环形的。然而，螺旋结构1a、1b也可以具有更有角度的形状，如参见垂直于螺旋结构1a、1b的中心轴方向的平面，螺旋结构的每圈为实质上椭圆的或多边形的。

在该实施例中，将通道4分布成使得每个管沟的圈具有在外部管沟1b与内部管沟1a之间的至少一个通道4，以及在内部管沟1a与竖井3之间的至少一个通道4。

如上所述，管沟1a、1b优选被布置在彼此之内以便形成内部螺旋结构1a和外部螺旋结构1b。在优选地实施例中，每个螺旋结构1a、1b的相应的圈在垂直方向上相对于彼此稍微偏移。换句话说，螺旋结构1a、1b在相同的方向上旋转，相较于外部螺旋结构1b的对应圈，内部螺旋结构1a位于不同的垂直水平处。为实现此，内部螺旋结构1a优选具有大于外部螺旋结构1b的斜度。内部螺旋结构1a的斜度是例如1:8，而外部螺旋结构1b的斜度是例如1:16，即，如果外部螺旋结构1b的半径是内部螺旋结构1a的半径的两倍，则外部螺旋结构1b具有内部螺旋结构1a的一半斜度。

然而，螺旋结构1a、1b也可以具有不同的构造，诸如对应于双螺旋的DNA结构，在相反的方向上旋转。这仍然可以具有与竖井3的中心轴同轴的公共中心轴，虽然不必如此。

储存器中使用的流体优选为水，但是可以是例如水和冷却剂的混合物、任何液体燃料诸如化石来源或生物来源(生物燃料)的碳氢化合物、盐溶液、氨水或其它制冷剂。

连接到储存器的处理部件被布置在处理区中，并且包括热交换器和泵等。

如上所述，储存器的上部中的流体具有比下部中的流体更高的温度。还存在位于中间的过渡区中的具有中间温度的流体层。为了使用储存器的全部潜能，有效地使用不同的、可变的温度是重要的。一个情况是储存器配备有位于不同高度处的入口和出口。因此，存在一些流体连通构件5，例如伸缩管，其从处理区延伸且向下通过竖井3，并且其被布置为在合适的垂直水平处从竖井3提取流体的一部分，以便允许通过至少一个热交换器来处理流体。流体连通构件5还被布置为将处理的流体在适当的垂直水平处返回到竖井3。

储存器还包括耦合到热交换器的能源，该热交换器被布置成根据应用增加或减少流体的热量。储存器可以用于加热与冷却，加热即返回到储存器的流体具有比其被提取时低的温度，冷却即返回到储存器的流体具有比其被提取时高的温度。能源例如是工业设施或其它废热源、用于加热或用于组合式发电和加热的热电联产站(CHP)、太阳能电池板、热泵、生物燃料锅炉、电加热器或化石燃料锅炉。

如参见图4，储存器可以配备有第二竖井6，其位于球形储存器的外部，但实质上平行于第一竖井3延伸。第二竖井6连接到球形储存器的底部，使得可以储存冷流体或从储存器取回冷流体而没有经过储存器的上部，因此成为储存器的一部分，同时避免对储存器的不必要的冷却。此外，竖井6可以包括诸如图3中所示的第二能量储存器，其为用于例如冰、雪、水或岩石能量储存的冷储存器。在本实施例中，如果使用水，则相较于之前所述的实施例，具有不同温度的层的排序将被改变。4℃的最重的水位于储存器的最底部，而具有比水的密度低的密度的冰位于储存器的最顶部，漂浮在水面上。近似为0℃的水位于冰与4℃的水之间。

本领域技术人员认识到，本发明绝不受限于上述的优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内的许多修改和变化是可能的。

Claims (16)

1.一种用于储存热能的装置，包括至少两个用于容纳流体的管沟(1a、1b)，

其中所述管沟(1a、1b)通过多个沟道(2)来彼此连接，使得允许在所述管沟(1a、1b)之间的流体连通，所述多个沟道以紧密模式布置在所述管沟(1a、1b)之间，并且

其中每个管沟(1a、1b)至少部分沿着各自的圆弧延伸，并且

其中所述管沟(1a、1b)包括内部管沟(1a)和外部管沟(1b)，所述外部管沟(1b)被布置成围绕所述内部管沟(1a)，

每个管沟(1a、1b)被配置为螺旋结构，所述内部管沟(1a)形成内部螺旋结构且所述外部管沟(1b)形成外部螺旋结构，其中所述外部螺旋结构被围绕所述内部螺旋结构布置。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括至少一个通道(4)，其中所述管沟(1a、1b)通过所述至少一个通道(4)来彼此连接，使得允许在所述管沟(1a、1b)之间的流体连通。

3.根据权利要求2所述的装置，还包括至少一个竖井(3)，并且其中所述管沟(1a、1b)通过所述多个沟道(2)中的至少一个沟道和/或所述至少一个通道(4)连接到所述至少一个竖井(3)，使得允许在所述管沟(1a、1b)和所述至少一个竖井(3)之间的流体连通。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述内部管沟(1a)和/或所述外部管沟(1b)和/或所述至少一个竖井(3)的至少一个中心轴实质上在垂直方向上延伸。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的装置，其中，所述至少一个通道(4)相对于水平面成一定角度布置，以允许热自然对流。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述多个沟道(2)相对于水平面成一定角度布置，以允许热自然对流。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述管沟(1a、1b)被布置成至少部分位于不同的垂直水平处。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，形成所述内部螺旋结构的所述内部管沟(1a)比形成所述外部螺旋结构的所述外部管沟(1b)具有更大斜度。

9.根据权利要求2-4中任一项所述的装置，其中，所述至少一个通道(4)包括多个通道，所述多个通道被布置成使得其在垂直方向上不是直接位于彼此之上。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，如从所述装置的中心轴的方向上看，所述装置的中间部分比所述装置的至少一个端部部分具有更大的尺寸。

11.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述流体选自包括下列项的组：水、水和冷却剂的混合物、任何液体燃料、盐溶液、氨水。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述液体燃料包括化石来源或生物来源的碳氢化合物。

13.根据权利要求3或4所述的装置，还包括至少一个流体连通构件(5)，该流体连通构件(5)被布置成从所述管沟(1a、1b)和/或所述至少一个竖井(3)在合适的垂直水平处提取所述流体的任意部分，以便允许通过至少一个热交换器来处理所述流体，其中所述流体连通构件(5)还被布置成将经处理的流体在合适的垂直水平处返回到所述管沟(1a、1b)和/或所述至少一个竖井(3)。

14.根据权利要求13所述的装置，还包括耦合到所述热交换器的能源，所述热交换器被布置成增加或减小所述流体的热能。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述能源是包括下列项的能源组中的任意一个：工业设施或其它废热源、用于加热或用于组合式发电和加热的热电联产站(CHP)、太阳能电池板、热泵、生物燃料锅炉、电加热器或化石燃料锅炉。

16.根据权利要求3-4和14-15中任一项所述的装置，其中所述至少一个竖井包括第一竖井，并且其中所述装置还包括连接到所述第一竖井的底部的第二竖井(6)。