CN107250706B - 热能储存器和热交换器 - Google Patents

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Abstract

热能储存器和热交换器，其特点在于，其包括：多个硬化混凝土热能储存元件；外壳，所述元件已经布置在所述外壳中；在所述元件和所述外壳之间的体积中的活性热传递和储存介质，所述活性热传递和储存介质呈任一以下形式：滞止液体或相变材料、或布置成在所述元件和所述外壳之间的体积中流动的动态流体；用于将热能输送到热能储存器的至少一个装置；用于将热能从热能储存器排出的至少一个装置；和隔热体。

Description

热能储存器和热交换器
发明领域
本发明涉及热能储存器和热交换器(thermal energy storages and heatexchangers)。更具体地，本发明涉及一种可用于在高温下储存和热交换的热能储存器，其适用于有效地将热能转换为电以及用于存储能量的其它类型的应用。
发明背景和现有技术
适于储存来自新能源以及传统能源的能量并在需要时释放能量的具有成本效益的能量储存器，显然是更有效地利用新能源和现有能源的“缺失环节”。
能量的储存允许在产生能量时和在需要使用能量时之间实现更好的匹配；简而言之，这意味着“时间迁移”能量输送的能力。这对于促进可再生能源的更高的普及是尤其重要的。通常，当不刮风时，不输送风能，并且当太阳落山时，没有太阳能可用。除此之外，诸如燃煤设备和核电设备的传统的发电机组以恒定的发电量最有效地运行，而市场需求通常在每日24小时周期内强烈地变化。此外，通过将储存器放置在用电地方的附近，意味着可以更有效地利用主电网并且可以克服传输中的瓶颈的限制。大规模和“电网规模”的能源储存器显然是充分利用可再生能源和其他能源的环保、高效的未来电力系统的关键组成部分。
在专利公开WO2012/169900A1中，描述了一种具有优于现有技术储存器的有益特性的热能储存器(TES)。更具体地，为热储存器提供了一种实用且具有成本效益的方案，该热储存器使用固态材料作为主要储存介质、允许储存高温热形式的能量，这意味着热能处于足够高的温度，以便在蒸汽涡轮发电机组或等同装置中有效地将热转换为电力。
在国际专利申请PCT/NO2013/050120中，描述了热能储存器如何像根据WO2012/169900A1的教导的那些一样是有益的，以便简化并提高各种类型的能源设备(例如聚光太阳能发电设备和核电设备)的效率。
尽管上述技术提供了重大进步，但仍然需要进一步改进。效果/成本比率以及热能储存器关于能源的通用性和灵活性总是需要改进。此外，为输送诸如太阳能和风能的可再生能源提供更好的可靠性显然是另一个目标。本发明的目的是使用新技术满足不断增长的需要和需求。
发明概述
本发明提供一种热能储存器和热交换器，其特点在于，其包括：
多个硬化混凝土热能储存元件；
外壳，所述元件已经布置在所述外壳中；
在所述元件和所述外壳之间的体积中的活性热传递和储存介质(active heattransfer and storage medium)，所述活性热传递和储存介质呈任一以下形式：滞止液体或相变材料、或布置成在所述元件和所述外壳之间的体积中流动的动态流体；
用于将热能输送到热能储存器的至少一个装置；
用于将热能从热能储存器排出的至少一个装置；和
隔热体。
在第一主要实施方案中，本发明的热能储存器和热交换器包括：动态流体，例如热油(thermal oil)、加热的空气、废气、烟道气、燃烧气体、惰性气体、其他气体、熔融盐和熔融金属，该动态流体作为在所述元件和所述外壳之间的体积中的活性热传递和储存介质；用于所述动态流体进入外壳的至少一个入口；和用于所述动态流体离开外壳的至少一个出口。术语动态流体是指所述流体在正常操作中流动，以提高热能的输入或输出速率，以及与在元件和外壳之间的体积中没有活性流体相比，提高热能的储存。所述流动是由于以下一个或更多个特征引起的：压缩机、泵、由源输送的流体中的固有压力、和重力。元件应该被布置成具有足以在元件周围和元件之间流动的距离以促进期望的对流并允许贯穿流通(through circulation)，该贯穿流通与在储存器外壳的外部入口和出口之间的期望流动相关。
在第二主要实施方案中，本发明的热能储存器和热交换器包括：滞止液体，例如热油、熔融盐和熔融金属、或可以均为固体或液体或者是液体或气体的相变材料，该滞止液体作为在所述元件和外壳之间的体积中的活性热传递和/或储存介质；和热交换器，其嵌入在一些或所有的热能储存元件中，作为将热能输入储存器或从储存器输出的装置。术语滞止流体意味着所述流体是静止的、除了在正常操作中可能的自然对流之外没有任何明显的流动，但与在元件和外壳之间的体积中没有活性流体或相变材料相比，提供了增加的热能储存。
在现有技术的储存器中，如在引言中所提及的，隔热体(诸如珍珠岩或空气)布置在储存器的外壳内部的热储存元件之间。所述体积原则上没有热能输入或输出、或热能储存或输送容量的主动功能，在现有技术中只有热能元件具有这样的功能。
本发明的热能储存器和热交换器包括易于使用建筑工地起重机处理的尺寸和重量的热能储存元件，储存器中的元件的数量为2个、5个、10个、40个、100个、200个或500个及以上、或之间的任意整数。因此，根据每个元件的尺寸及其相应的能量存储容量以及整个储存系统的期望的能量储存容量，所述数量可以在从小于10个至成千上万个或更多的范围内。元件作为热储存器中的一组或更多组元件并排竖直地布置，或作为热储存器中的一组或更多组元件堆水平地铺设并堆叠；元件布置在固定物(fixture)或型板中或使用中间镶嵌物来布置以便于堆叠，或者元件布置成紧密地堆叠或堆积。
优选地，对于大多数实施方案，硬化混凝土热能储存元件包括外部金属壳体或编织的纤维壳体，该外部金属壳体或编织的纤维壳体为组合的浇注模、加强件和保护壳体，混凝土被浇注并固化(硬化)至所述外部壳体中。储存器的操作温度不应该超过外部壳体的选定金属、合金或编织纤维材料的最大操作温度，该材料优选地为钢或合金钢。元件的外部壳体具有圆形、六边形、方形(quadratic)、矩形、具有圆角或半圆形短边的矩形、或多边形的横截面，最优选地，元件具有圆形横截面形状，其中外部壳体是波纹状的，具有规则的波纹或具有螺旋管型的补偿表面(bucked surface)，或者外部金属壳体是光滑且均匀的。
优选地，所述外部金属壳体在一个端部是开放的，未硬化的混凝土被倾注并浇注到该开放的端部中，可选地，该开放的端部在浇注之后用金属壳体盖封闭。
优选地，硬化混凝土热能储存元件包括用于热输入和输出的U形的小直径管式热交换器、以及可能的还有用于热输入的电加热器，硬化混凝土热能储存元件嵌入有从所述热能储存元件的一个端部延伸出来的热交换器和电加热器，该热交换器被定尺寸为在正常操作条件下提供湍流流动。
本发明的热能储存器和热交换器优选地包括在外壳的低高度处的开口或出口，该开口或出口作为用于动态活性热传递和储存流体的出口或排放开口，或作为用于排放滞止液体或相变材料的出口。
本发明的热能储存器和热交换器优选地包括在所述储存器的高的高度处的开口或入口，该开口或入口作为用于动态活性热传递和储存流体的入口，所述入口包括可操作地连接以用于使动态流体流动的泵、风扇或压缩机，或者该入口作为填充滞止液体或相变材料的开口。优选地，储存器还包括在储存器的低的高度处的开口，优选地可操作地连接有泵、风扇或压缩机，并且该开口是可互换的入口和出口。
在优选的实施方案中，根据本发明的热能储存器包括呈加热的空气或其他气体、燃烧气体、废气或类似物形式的动态活性热传递和储存流体；用于所述气体的入口和出口；混凝土热能储存元件，其紧密地布置但具有用于在元件周围和元件之间流动的横截面面积，该横截面面积与用于从入口流入储存器外壳和从出口流出储存器外壳的横截面面积至少一样大；在所述元件中的嵌入式热交换器，该嵌入式热交换器具有在管或连接件上的隔热体，管或连接件在所述元件的外部延伸，该实施方案对于高达1000-1500℃的入口气体温度是可操作的。
本发明还提供了根据本发明的热能储存器的用途，用于储存能量和输送热能。
所述用途优选地用于操作温度高达1500℃，具有的元件没有外部金属壳体但可选地具有编织纤维壳体并具有隔热连接器的热储存器，隔热连接器连接到嵌入式热交换器，用于操作温度高达570-700℃，具有的元件具有外部金属壳体的热储存器，优选地，对于电动涡轮发电机或类似物，从储存器输送的热能的输送温度尽可能地高但仍然是可行的，以用于有效地转换为电。
元件中的固态热储存材料优选地为特级混凝土，对于具有外部壳体的实施方案，该特级混凝土优选地被浇注并硬化至外部壳体中，壳体是唯一的加强件并用作浇注模，并用作抵抗长期的热波动影响和在元件和外壳之间的介质的化学影响的元件寿命延长保护件。术语混凝土具有最广泛的含义：骨料和水泥或粘合剂的任何可固化的混合物，包括可固化的耐火混合物。已经烧结的岩土材料也属于这一类。混凝土也可以是纤维加强的。优选地，外部壳体是由通过折叠、焊接或钎焊、或通过其他方法接合的轧制的钢带(band ofsteel)制成的钢壳体，该外部壳体用作环形加强件和浇注模。具有接合端盖和可选的顶盖的“螺旋”式管段是外部钢壳体的优选的实施方案。用于将钢带轧制并接合成螺旋式管段的机器可从商业供应商获得。商业供应商出售用于通风、排放污水或其他用途的可行的管或管段。可替代地，外部壳体可以是完全无缝的或纵向地或螺旋地焊接的薄壁管。
可替代地，为了具有圆形横截面，元件和外部壳体具有六边形横截面形状或其他横截面形状，例如方形或矩形，以允许在外壳内更紧密的堆积和更大的实心/体积比。六边形元件横截面形状更均匀地分布外部流体流动，提供元件之间的均一距离，这在外部介质中提供了更好的热传递，并允许在外壳内更紧密的堆积和更高的实心/体积比，所有的这些对于大多数情况将是有益的。如果壁厚为0.5mm或更大，则对于具有高达约12m的高度和0.5m的直径的元件，具有端盖的钢壳体或管段通常作为浇注模是可行的。其他材料，如合金钢、铝或耐高温合金以及化学稳定的复合材料(例如碳基复合材料)，作为壳体材料是可行的。
在优选的实施方案中，元件的表面是波纹状的或具有翅片；元件并排竖直地紧密布置或水平地铺放。沿着元件的长度，波纹状物在形状上优选地为圆形或螺旋形的。圆形波纹状物描述了围绕元件的圆；螺旋形波纹物描述了围绕并沿着元件的螺旋。可替代地，可以存在纵向翅片，其可以被挤压、焊接或通过其他方式附接到壳体表面。对于一些实施方案，波纹状或翅片状外部元件壳体表面由于增加的表面积而允许更好的热传递。可以通过将波纹状物布置成与相邻元件“不同相(out of phase)”或偏移来实现更紧密的元件堆积。因此，具有不平坦表面的波纹状壳体的元件优选地紧密地并排布置在外壳中。使用适合于此目的的装备来进行缝焊或折叠的弯曲的或轧制的板可以用于生产波纹状或非波纹状的壳体。将圆管段压成六边形形状是有利的生产方法。
储存器的可行的动态操作温度范围几乎没有限制，限制由用于构造的材料和所使用的流体的特性给出。典型的温度范围为50-750℃，更典型地为120-570℃，而界限可能更直接地与所使用的材料的特性相关，例如(对于盐)为250-570℃，或(对于热油)为150-420℃。最高温度是通过在储存元件之间的金属(例如铅或锌)或盐熔体或非常热的气体来实现的。几种盐在温度范围内固化，提供了通常与相变相关的增加的热容量(潜热)，而不会由于体积在固化时收缩引起外壳和元件上的过大的应力。最典型的盐是硝酸盐类，例如硝酸钠、硝酸钾和硝酸钙、以及水合盐。通过从固体相变至液体或从液体相变至气体(反之亦然)来储存潜热的材料通常被称作相变材料(PCM)。热能储存器还可以优选地包括电加热元件，该电加热元件布置在所述元件和外壳之间的介质中，特别地如果所述介质是PCM的话。
用于储存元件内的热交换器的术语小直径管不仅指流动的直径，而且指流动的类型，流动的类型应该是湍流以获得最佳的热传递。例如，小直径管式热交换器具有用于在正常操作条件下提供湍流的流动横截面面积，其Re>4000，更优选地Re>5000，其中Re是雷诺数。由于热交换器中的湍流提升了热交换，所以对于其他横截面形状，在正常操作条件下的Re也应相应地在用于湍流的范围内。
对于较低温度的服务，具有较少的温度诱导的影响，对于管和壳体而言，其他材料以及除了圆形之外的其他形状变得更加可行。如果操作温度、或者更具体地动态温度范围和固态材料允许，这意味着温度诱导的裂化很低或不存在，则热交换器可以是板式交换器。可替代地，元件可以如申请人的WO2012/169900A1中所述的那样。
在本发明的储存器的优选实施方案中，其中热交换器嵌入在热元件中并且相变材料(PCM)布置在热元件之间的体积中，以及储存器的操作方法；当获取储存器的热能时，水循环通过热交换器，使得在水变成蒸汽的同时PCM固化。因此，PCM的固化的热量被用作水的蒸发的热量。
附图
用18个附图来说明本发明，其中：
图1是本发明的储存器的简化俯视横截面，该储存器具有动态热传递流体和带有圆形横截面的元件。
图2是本发明的储存器的简化俯视横截面，该储存器具有动态热传递流体和六边形元件，
图3是本发明的储存器的简化侧视纵截面，该储存器具有在元件的外部上的动态热传递流体。
图4是本发明的储存器的简化俯视横截面，该储存器具有动态热传递流体和在圆柱环形外壳内的圆形元件，
图5和图6示出了在外壳内的不同的元件布置和相对应的元件体积比，
图7以纵向视图和横截面视图示出了具有和不具有集成的热交换器和电加热元件的元件，
图8-14示出了本发明的储存器的一些实施方案，更具体地：
图8以熔融盐或油作为热传递流体(HTF)输入和输出，
图9以气体作为HTF输入和输出，
图10以熔融盐输入并且以超热蒸汽输出，
图11以油输入并且以超热蒸汽输出，
图12以热气体输入并且以水/蒸汽输出，
图13以水/蒸汽输入和输出，或者以油输入和输出，并且优选地在元件之间具有PCM，
图14以电加热输入并且以水/蒸汽输出，
图15示出了外壳的构造细节，
图16示出了外壳壁设计，
图17示出了另一种外壳壁设计，和
图18示出了第三种外壳壁设计。
详述
参考图1，图1是本发明的储存器的简化横截面视图，该储存器具有作为活性热传递和储存介质的动态流体和圆形混凝土热能储存元件。
更具体地，示出了根据本发明的热能储存器和热交换器1，其包括许多热能储存元件2，每个元件具有或不具有外部壳体3(参考图7)和在可选的外部壳体内的混凝土热能储存材料4，外部壳体3是组合的浇注模和加强件。如果没有外部壳体，用于浇注元件的混凝土的浇注模在浇注之后必须被移除。也可能需要在混凝土内制作某些类型的钢加强件。元件布置在外壳5内，诸如热油、熔融盐、热空气、热燃烧气体、废气或烟道气的介质6填充所述元件和所述外壳之间的体积，以提高热能储存和传递速率。布置至少一个用于能量储存器的入口7和至少一个用于热能的出口8，该入口和出口仅以箭头示出，但可以是穿过外壳壁或顶部或类似物的一个或更多个管插口或类似物，分别作为输送热能或将热能从储存器排出的装置。外壳包括隔热体9、“热”室10和“冷”室11，隔热体9在外壳5的壁、底板或顶部的内侧、外侧或之中，如在之后的图15-18中所清楚地示出的，“热”室10和“冷”室11用于促进从热侧至冷侧在元件之间和周围的均匀流动。本发明的典型储存器包括例如并排地布置在外壳中的300个元件，每个元件的直径约0.25m并且长约10m。对于本发明的储存器的其他实施方案，元件的数量可以是数百或数千个，并且元件可以水平地定向但竖直堆叠或堆积。更小或更大的元件也是非常可行的。元件的实际数量将取决于储存器的所需容量，元件将基本上是相同的或类似的。元件可以水平地或竖直地定向。通过将示图顺时针转动90°，图1还示出了具有水平元件的本发明的储存器，元件和储存器以横截面示出，其中储存器处于从动态流体加载热能的操作模式，该动态流体在高的高度处被带入储存器并在低的高度处被带出。为了卸载热能，优选地颠倒流动方向。
为了说明每个实施方案所讨论的问题，附图被简化并且特征不按比例绘制。对于所有附图，类似或相同的特征以相同的标号给出。
图2类似于图1，但是元件具有六边形横截面形状，这允许更紧密的堆积并且元件之间的空间的宽度近似恒定。对于图1，元件可以水平地或竖直地定向。通过将示图顺时针转动90°，图2还示出了具有水平元件的本发明的储存器，元件和储存器以横截面示出，其中储存器处于从动态流体加载热能的操作模式，该动态流体在高的高度处被带入储存器并在低的高度处被带出。
图3是带有动态热传递流体的本发明的储存器的简化侧视纵截面，例如从侧面观察的图1或图2的储存器。在图1-3中，示出了朝向入口的热侧室10和朝向出口的冷侧室11，冷室的流体水位低于热室的水位，这有助于热介质(在该实施方案中例如为热液体)在重力作用下围绕并沿着元件的流动。在图示的情况下，储存器的元件加载热能。在相反的情况下，当从元件卸载热能时，冷室的水位保持高于温室的水位，这提供了反方向的流动。哪一侧是冷的或温的是可互换的。然而，流动可以由以下特征中的一个或更多个来提供：介质源中的固有压力；联接到或集成在入口(和优选地出口)中的泵；联接到或集成在入口(和优选地还有出口)中的压缩机、风扇或泵；以及重力。对于储存器中的水平元件，较温的一侧优选地总是处于较高的高度处，而较冷的一侧优选地处于较低的高度处，优选地通过动态流体向下流动来充载热能，并优选地通过动态流体向上流动来卸放热能，由此动态流动和自然对流并行工作。
图4示出了另外的实施方案，其中环形圆柱外壳具有圆形元件。
图5和图6示出了具有圆形横截面形状的分别在对齐情况下和交错情况下的元件的间隔效果以及具有六边形横截面形状的元件的间隔效果。字母d表示元件之间的一半距离，因此d＝0表示元件紧密地堆积而在其之间没有距离的情况。对于滞止热储存液体或液固相，由于流体的高成本，因此小的d是适当的并且通常是优选的。对于必须能够沿着元件并围绕元件流动的动态热传递流体，d必须足够大以允许期望流速，该期望流速与压力差、流体粘度和表面摩擦有关。如熔融盐和热油的热传递流体的成本通常远高于固态元件的成本，通常高一个数量级。相应地，外壳中的体积比ξ＝体积(实心)/体积(总)一般应该尽可能地高。对于作为热传递流体(或更准确地是指热储存流体)的滞止液体或液固相，由于流体是滞止的，所以堆积可以更加紧密。对于动态活性热传递和储存流体，对于可预测的操作条件，存在优选的体积比ξ。更具体地，如果需要快速响应热能储存或输送，例如当储存器定期地在白天输送能量并在晚上储存能量时，相比较于如果调节循环具有较长的周期或频率，则较多的热传递流体和较低的体积比ξ可能是优选的。通过使元件之间的距离增加而增加流动横截面得到的热传递流体的较大的流动速率将提高对热输入和热输出的响应或速率。
图5-7更详细地示出了元件2。图5还示出了元件的许多可替代的横截面形状中的一些，即方形、矩形和椭圆形。其他形状也是可能的，例如超椭圆形。元件可以具有或不具有热交换器12(用于热输入和热输出的装置)或电加热器13(用于热输入的装置)，根据应用具有所述装置中的一个或两者，以及具有或不具有外部壳体3。热交换器不一定是小直径的管段或弯管、或管套管，对于较低温度的应用，热交换器可以是螺旋管或管回路或盘管、或者具有用于较大表面的热交换的翅片或类似形状的板或管，这是因为可能不需要圆形形状来避免裂纹形成。
元件2可以作为热储存器中的一组或更多组元件并排竖直地布置，或作为热储存器中的一组或更多组元件堆水平地铺设和堆叠。根据现有发电设备或系统中所需的性能和集成以及可用的能源，元件可以布置在固定物或型板中或使用中间元件来布置以便于堆叠，或者元件可以布置成紧密地堆叠或堆积。具有为组合的浇注模和加强件的外部金属壳体的特征有助于可容易运输元件的成本有效的、简单、大量的生产以及更紧密的堆叠或堆积。除了可浇注的灌浆或混凝土中的可能的纤维或特殊骨料、以及嵌入式热交换器或加热器的可能的加强效果之外，该元件优选地不包括所述外部壳体之外的另外的护甲或加强件，这简化了生产并降低了成本。相应地，护甲或加强件由外部金属壳体组成。
对于滞止的活性热传递和储存介质，该介质最优选地为相变材料，可优选地为圆形的、六边形的、矩形的或方形的元件。对于作为活性热传递和储存介质的动态流体而言，元件优选地为六边形、方形或矩形的。
如上所述，图8-14示出了本发明的储存器1的许多实施方案中的一些。
图8示出了用熔融盐作为热传递流体(HTF)输入和输出的储存器，这对于在熔融盐凝固温度以上的温度范围是有用的。在罐中具有固态热储存元件的目的是通过用较便宜的混凝土材料替代熔融盐来降低成本。还需注意的是，该概念是“一罐式”温跃层方案，其中温度从一侧至另一侧变化。为了能够在启动期间在罐中熔化盐并且作为未示出的安全性测量件，电加热设备被布置在元件或熔融盐中或两者中。盐的流速以及因此热传递的速率或响应取决于较冷一侧和较暖一侧的表面高度的差异、温度(粘度)以及元件之间的距离。实际上，该过程可以由填充流体和从罐排出流体的速率控制。对于热量卸放或卸载而言，流动方向和室的水位可以颠倒过来。储存器包括用于流动控制(例如基于水位、压力或流速控制)的装置。为了清楚起见，未示出用于入口的进入室的管路和阀以及用于出口的离开室的管路和阀。此外，如果发现有益的话，元件可以可选地包括热交换器或加热器。在这种情况下，该系统用作热储存器以及用作熔融盐和其他热传递流体之间的热交换器，其他热传递流体可以是热油或甚至是直接蒸汽。所示实施方案可以被容易地集成到使用熔融盐作为热传递流体的基于聚光太阳能发电(CSP)、燃煤发电或核能发电的现有的能源设备中。可替代地，油是输入和输出的HTF，这提供了高于油的“凝固”至低于油的沸腾的操作温度范围。因此，根据油的沸点以及外壳的承压能力，实际温度上限约为400℃。可以通过增加压力来提高沸点，但是由于罐的成本，超过约10巴的压力可能对于较大的储存器而言是不切实际的。实际上，温度下限取决于油的流动，这受到在降低的温度下增加的粘度、室表面高度差以及元件的堆积的影响。所示实施方案可以被容易地集成到使用油作为热传递流体的基于聚光太阳能发电(CSP)的现有的能源设备中。
图9与图8的实施方案具有相似之处，但用气体作为HTF输入和输出，并且气体的流速受压力控制。其可以被容易地集成到产生热气体(例如热空气、废气和烟道气)的工业设备或发电设备中，如用于某些类型的工业设施或用于燃煤或燃油设备以及生物燃料设备，以及使用热气体的核电设备。
图10示出了具有熔融盐输入以及水/超热蒸汽输出的实施方案。操作温度范围从高于熔融盐的凝固温度，并且至少高达用于涡轮机发电的当前最大实际温度，即高达约620℃。如果需要的话，电加热装置(未示出)应该布置在储存器中以用于熔化盐。该实施方案还是可连续操作的盐-蒸汽热交换器，热的吸入(熔融盐输入)和排出(水/蒸汽以及熔融盐输出)之间的比率决定了在任何时间储存或输送多少能量。该储存器可以被集成到使用熔融盐作为热传递和储存介质且使用超热蒸汽用于发电的任何设备中，例如使用熔融盐的CSP和使用熔融盐的核电设备。尽管对于上述两个应用而言物理原理可以相同，但使用的目的可能不同。CSP设备将通常使用储存器用于在间歇期间(云覆盖，在太阳下山后的一段时间)桥接(bridging)热产生，而核设备可使用储存器通过将整个夜晚产生的热量中的一些在白天需要时转换成增加的发电量来获得更好的发电灵活性。
图11是与图10具有相似之处的实施方案，但具有油输入和水/超热蒸汽输出。因此，操作温度范围为从油的过高的粘度至油沸腾，除了温度之外，油的流动还取决于入口室和出口室的高度差、源的压力、连接的泵或没有泵、以及元件的堆积。出于安全性以及实际外壳壁厚度，油压优选地处于或接近大气压力。该实施方案还是可连续操作的油-蒸汽热交换器，热的吸入和排出之间的比率决定了在任何时间储存或输送多少能量。使用的领域是使用油作为热传递流体的CSP设备或使用油作为热传递流体的其他能源设备。
图12示出了具有热气体/烟气输入和水/蒸汽输出的储存器，这对于燃煤或燃油或生物燃料设备、工业废热或使用气体的核设备是有用的。操作温度优选地高于100℃，优选地处于加压水、超热蒸汽或临界的水/蒸汽的温度。
图13示出了具有水/蒸汽(或可替代地为油)输入和输出和在元件之间的滞止熔融盐或相变材料(PCM)的储存器。该操作温度范围没有向下的实际限制也没有向上的实际限制，并且优选地向上远高于盐或PCM的熔化温度且向下低于固化温度。对于布置在元件中的热交换器而言，超热蒸汽或水是可行的。相变材料的使用通过与相变相关的高能含量(焓)增加了储存器的热储存容量。使用的领域为使用加压水或直接蒸汽的CSP、燃煤、燃油或生物燃料设备、工业废热、地热设备或使用水的核设备。
图14示出了具有电加热输入和水/蒸汽输出的实施方案，并且单元(cell)之间的介质是熔融盐或PCM。该储存器包括布置在单元或所述介质或两者中的电加热器。使用的领域为风力发电设备、基于太阳能的光伏设备、在低成本期间作为能源的电网、以及任何其他电力源。由于电加热输入，操作温度范围几乎是没有限制的。向上的实际限制由所连接的蒸汽涡轮机的最大操作温度-压力的组合设定，而不是对储存器中的管式热交换器或混凝土或盐或PCM的限制。对于该储存器，热交换器中在超过270巴的蒸汽压力下至少600℃是可行的。
图15示出了加强大型储存器的外壳的原理，这对于将油和熔融盐作为介质或容纳流体(containment fluid)而言是可行的。张紧的拉杆或板可以允许具有更高的压力而不会过度地增加外壳壁、顶部或底部的厚度的较大的储存器。
图16-18示出了对于本发明的储存器可行的不同的外壳壁的设计。图18示出了用于熔融盐、熔融金属或高温气体的高温壁，其从内到外包括内部金属内衬14、耐火砖层、隔热体9和加强的混凝土壁。图16中的壁设计包括水平加劲件17。
可以使用本领域技术人员的良好的工程实践来构造和构建外壳。可以如国际专利公开WO2006046874中所述的那样来构建内部金属内衬。
以上示出和描述了本发明的储存器的一些优选的实施方案。然而，特征可以以其他方式组合，并且对于具体特征所阐述的优点或限制将大致上对于除了具体列举和讨论的那些实施方案之外的其他实施方案也是有效的。本发明的储存器可以包括以任何操作性组合描述或示出的任何特征，并且每个这样的操作性组合是本发明的实施方案。
例如，本发明的热能储存器和热交换器的优选实施方案包括：
多个硬化混凝土热能储存元件；
外壳，所述元件已经布置在所述外壳中；
用于将热能输送到热能储存器的至少一个装置；
用于将热能从所述热能储存器排出的至少一个装置，
隔热体，和
在所述元件和所述外壳之间的体积中的活性热传递和储存介质，其呈任一以下形式：
滞止液体或相变材料，其中所述储存器包括热交换器，所述热交换器嵌入在一些或所有的所述热能储存元件中，作为将热能输入储存器或从储存器排出的装置，或
动态流体，其布置成在所述元件和所述外壳之间的体积中流动，其中储存器包括用于所述动态流体进入外壳的至少一个入口和用于所述动态流体离开所述外壳的至少一个出口。
相比较于现有技术的储存器，本发明的储存器以较低的成本提供了增加的储存容量和响应(热输入和输出的速率)。此外，本发明的储存器允许增加的动态温度范围和相对于使用领域增加的通用性。

Claims (26)

1.热能储存器，包括：
多个混凝土热能储存元件；
隔热外壳，其中所述隔热外壳包括在所述隔热外壳的内部、外部、壁、底板和顶部中的至少一个中的隔热体；
其中所述多个混凝土热能储存元件布置在所述隔热外壳内；
在所述混凝土热能储存元件和所述隔热外壳之间的体积中的热传递和储存介质，所述热传递和储存介质以滞止介质或动态介质的形式填充所述体积，所述滞止介质保持在所述隔热外壳中，所述动态介质在用于动态介质流动的入口和出口之间流动穿过所述隔热外壳，
其特征在于：
其中所述多个混凝土热能储存元件中的至少一个包括嵌入在该混凝土热能储存元件中的管式热交换器，所述管式热交换器包括从所述热能储存器的所述隔热外壳内的该混凝土热能储存元件的一侧延伸出的入口和出口，所述管式热交换器还包括嵌入在该混凝土热能储存元件的混凝土中的结构，所述结构使流动方向从入口方向反转至与所述入口方向相反的出口方向，其中所述管式热交换器在从所述热能储存器的所述隔热外壳内的该混凝土热能储存元件的一侧延伸出的所述入口和所述出口之间完全嵌入混凝土中，
其中所述管式热交换器具有由Re的范围确定的足够小的管直径以在正常操作条件下提供湍流，Re是雷诺数，
还包括进入所述热能储存器的至少一个入口，所述至少一个入口联接至所述热能储存器的所述隔热外壳内的所述混凝土热能储存元件的入口；和
离开所述热能储存器的至少一个出口，所述至少一个出口联接至所述混凝土热能储存元件的出口。
2.根据权利要求1所述的热能储存器，其中所述热能储存器的所述混凝土热能储存元件具有易于使用建筑工地起重机操纵的尺寸和重量，所述热能储存器中的所述混凝土热能储存元件的数量为2个、5个、10个、40个、100个、200个或500个及以上以及之间的任意整数；所述混凝土热能储存元件作为所述热能储存器中的一组或更多组元件并排竖直地布置，或作为所述热能储存器中的一组或更多组元件堆水平地铺设并堆叠；所述混凝土热能储存元件布置在固定物或型板中或使用中间镶嵌物来布置以便堆叠，或者所述混凝土热能储存元件布置成紧密地堆叠或堆积。
3.根据权利要求1所述的热能储存器，其中所述混凝土热能储存元件包括外部金属壳体，所述外部金属壳体是组合的浇注模、加强件和保护壳体，混凝土已被浇注并硬化至所述外部金属壳体中。
4.根据权利要求2所述的热能储存器，其中所述混凝土热能储存元件包括外部金属壳体，所述外部金属壳体是组合的浇注模、加强件和保护壳体，混凝土已被浇注并硬化至所述外部金属壳体中。
5.根据权利要求3所述的热能储存器，其中所述外部金属壳体在一个端部是开放的，未硬化的混凝土被倾注并浇注到开放的所述端部中。
6.根据权利要求4所述的热能储存器，其中所述外部金属壳体在一个端部是开放的，未硬化的混凝土被倾注并浇注到开放的所述端部中。
7.根据权利要求5所述的热能储存器，其中开放的所述端部在浇注之后用金属壳体盖封闭。
8.根据权利要求6所述的热能储存器，其中开放的所述端部在浇注之后用金属壳体盖封闭。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的热能储存器，其中所述混凝土热能储存元件包括用于热输入和输出的U形的管式热交换器。
10.根据权利要求1-8中的任一项所述的热能储存器，包括在所述隔热外壳的低高度处的开口或出口，在所述低高度处的该开口或出口作为用于动态介质的出口和排放开口，或作为用于排放滞止介质的出口。
11.根据权利要求9所述的热能储存器，包括在所述隔热外壳的低高度处的开口或出口，在所述低高度处的该开口或出口作为用于动态介质的出口和排放开口，或作为用于排放滞止介质的出口。
12.根据权利要求1-8和11中的任一项所述的热能储存器，包括在所述热能储存器的高的高度处的开口或入口，在所述高的高度处的该开口或入口作为用于动态介质的入口，所述用于动态介质的入口包括用于使动态介质流动的泵或压缩机，或者在所述高的高度处的该开口或入口是用于填充滞止介质的开口。
13.根据权利要求9所述的热能储存器，包括在所述热能储存器的高的高度处的开口或入口，在所述高的高度处的该开口或入口作为用于动态介质的入口，所述用于动态介质的入口包括用于使动态介质流动的泵或压缩机，或者在所述高的高度处的该开口或入口是用于填充滞止介质的开口。
14.根据权利要求10所述的热能储存器，包括在所述热能储存器的高的高度处的开口或入口，在所述高的高度处的该开口或入口作为用于动态介质的入口，所述用于动态介质的入口包括用于使动态介质流动的泵或压缩机，或者在所述高的高度处的该开口或入口是用于填充滞止介质的开口。
15.根据权利要求1-8、11和13-14中的任一项所述的热能储存器，
其中所述滞止介质包括热油、熔融盐、熔融金属或相变材料中的一种，且
其中所述动态介质包括热油、废气、空气、烟道气、燃烧气体、惰性气体、熔融盐和熔融金属中的一种，所述动态介质布置成在所述混凝土热能储存元件和所述隔热外壳之间的所述体积中流动。
16.根据权利要求9所述的热能储存器，
其中所述滞止介质包括热油、熔融盐、熔融金属或相变材料中的一种，且
其中所述动态介质包括热油、废气、空气、烟道气、燃烧气体、惰性气体、熔融盐和熔融金属中的一种，所述动态介质布置成在所述混凝土热能储存元件和所述隔热外壳之间的所述体积中流动。
17.根据权利要求10所述的热能储存器，
其中所述滞止介质包括热油、熔融盐、熔融金属或相变材料中的一种，且
其中所述动态介质包括热油、废气、空气、烟道气、燃烧气体、惰性气体、熔融盐和熔融金属中的一种，所述动态介质布置成在所述混凝土热能储存元件和所述隔热外壳之间的所述体积中流动。
18.根据权利要求12所述的热能储存器，
其中所述滞止介质包括热油、熔融盐、熔融金属或相变材料中的一种，且
其中所述动态介质包括热油、废气、空气、烟道气、燃烧气体、惰性气体、熔融盐和熔融金属中的一种，所述动态介质布置成在所述混凝土热能储存元件和所述隔热外壳之间的所述体积中流动。
19.根据权利要求1或2所述的热能储存器，其中所述动态介质呈燃烧气体或废气的形式，所述混凝土热能储存元件布置为具有用于在所述混凝土热能储存元件周围和之间流动的横截面面积，所述横截面面积与从用于将热能输送到所述热能储存器的所述至少一个入口流入所述隔热外壳的横截面面积和从用于将热能从所述热能储存器排出的所述至少一个出口流出所述隔热外壳的横截面面积至少一样大，所述热能储存器还包括在所述混凝土热能储存元件中的嵌入管式热交换器。
20.根据权利要求1-8和11中任一项所述的热能储存器，其中所述管式热交换器嵌入在所述混凝土热能储存元件中并且相变材料布置在所述混凝土热能储存元件之间的体积中；当从所述热能储存器获取热能时，水循环通过所述管式热交换器，使得在水变成蒸汽的同时所述相变材料固化，因此，所述相变材料的固化的热量被用作水的蒸发的热量。
21.根据权利要求9所述的热能储存器，其中所述管式热交换器嵌入在所述混凝土热能储存元件中并且相变材料布置在所述混凝土热能储存元件之间的体积中；当从所述热能储存器获取热能时，水循环通过所述管式热交换器，使得在水变成蒸汽的同时所述相变材料固化，因此，所述相变材料的固化的热量被用作水的蒸发的热量。
22.根据权利要求10所述的热能储存器，其中所述管式热交换器嵌入在所述混凝土热能储存元件中并且相变材料布置在所述混凝土热能储存元件之间的体积中；当从所述热能储存器获取热能时，水循环通过所述管式热交换器，使得在水变成蒸汽的同时所述相变材料固化，因此，所述相变材料的固化的热量被用作水的蒸发的热量。
23.一种操作根据权利要求1-11中的任一项所述的热能储存器的方法，其中所述管式热交换器嵌入在所述混凝土热能储存元件中并且相变材料布置在所述混凝土热能储存元件之间的体积中；当从所述热能储存器获取热能时，水循环通过所述管式热交换器，使得在水变成蒸汽的同时所述相变材料固化，因此，所述相变材料的固化的热量被用作水的蒸发的热量。
24.根据权利要求1-22中的任一项所述的热能储存器的用途，用于储存能量和输送热能。
25.根据权利要求24所述的用途，用于操作温度高达1500℃，具有的元件没有外部金属壳体而具有隔热连接器的热能储存器，所述隔热连接器连接到嵌入式热交换器；且用于操作温度高达570-700℃，具有的元件带有外部金属壳体的热能储存器。
26.根据权利要求25所述的用途，其中，对于电动涡轮发电机，从所述热能储存器输送热能的输送温度是尽可能高的但仍然是可行的，以用于有效地将热能转换为电。
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