CN114051577A - 热能储存装置 - Google Patents

Abstract

描述一种热能储存装置，其包括：具有流体入口（12）和流体出口（18）的壳体（10）；以及布置在所述壳体（10）内、在所述流体入口（12）与所述流体出口（18）之间的热能储存结构（20），所述热能储存结构（20）包括热能储存元件和柔性分离器元件（22），所述柔性分离器元件（22）被布置成使得所述热能储存元件被分成若干层（24），每一层（24）在所述流体入口（12）与所述流体出口（18）之间形成通道。此外，描述一种制造热能储存装置的方法以及一种用于产生电能的发电站。

Description

热能储存装置

技术领域

本发明涉及热能储存装置的领域，特别是涉及具有减少的内部自然对流和柔性通道结构的热能储存装置。此外，本发明涉及一种制造这样的热储存装置的方法，并且涉及一种用于产生电能的发电站。

背景技术

热能储存装置在提高供电网络的稳定性和增加能量效率方面发挥重要作用。根据储存能量的方式（使用材料的热容，或使用相变焓，或者甚至使用化学反应焓），存在不同类型的热能储存装置。通常，这些热储存装置是填充有热储存元件的设施，所述热储存元件具有被加热并保持一定温度的能力。所述热储存元件通过工作流体（气体、液体或其混合物）的流动被加热（充能），所述工作流体具有比所述热储存元件更高的温度。所储存的能量可以通过流体（具有相同或不同组成）的流动回收，所述流体具有比所述热储存元件更低的温度。

当经充能的热能储存装置处于停滞周期（即，没有工作流体的充能或放能流被馈送到所述储存装置的周期）时，由于自然对流现象（温度梯度），在所述储存装置内仍可以形成流体的流。这些流可以对材料施加应力（机械应力）并且可以在所述储存装置中形成不均匀的温度分布。出于这些原因，应该避免由自然对流引起的此类内部流的形成。

解决此问题的已知尝试涉及在热能储存装置内使用水平或竖直板来限制在停滞期间热储存元件的结构内的对流。

在竖直板（即，垂直于流动方向的板）的情况下，所述板可以交替放置在所述储存装置的上部和下部部分中。此模式减少储存装置中的对流，但是同时增加储存装置的充能和放能期间的压力损失。此外，此模式无法在停滞周期期间在热能储存装置中提供均匀的温度分布。在一段时间之后，热流体将被收集在所述结构的上部部分中，而较冷流体将存在于所述结构的下部部分中。这种温度梯度可能对热储存元件造成应力和潜在损坏。

在水平板（即，平行于流动方向的板）的情况下，多个板安装在主储存装置中、在热储存元件的层之间，以便限制流体可以在其内移动的自由体积。从而，自然对流被限制在热储存元件的结构内，因为板通常防止流体的竖直流动。然而，由于热储存元件可以随时间的推移而改变形状和大小，因此搁置在每一板上的热储存元件的层可以压实，使得在热储存元件上方并且在下一个水平板正下方形成对应的空的空间或净空。在此情况下，热量可以通过分隔板在所述层之间交换。结果是，同样在此情况下，在一段停滞时间之后，热流体将被收集在热储存元件的上部层中，而较冷流体将被收集在热储存元件的下部层中。

因此，可能需要一种并不经受已知储存装置的上述缺点的经改进的热能储存装置。

发明内容

此需求可以由根据独立权利要求的主题满足。从属权利要求描述本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供一种热能储存装置。所描述的热能储存装置包括：（a）具有流体入口和流体出口的壳体；以及（b）布置在所述壳体内、在所述流体入口与所述流体出口之间的热能储存结构，所述热能储存结构包括热能储存元件和柔性分离器元件，所述柔性分离器元件被布置成使得所述热能储存元件被分成若干层，每一层在所述流体入口与所述流体出口之间形成通道。

本发明的此方面基于如下构思：热能储存元件被柔性分离器元件（即，能够将其形式改变到如下程度的分离器元件：由于热储存元件的压实而在层内不形成净空）分成若干层。换句话说，所述柔性分离器元件允许每一层的厚度或高度以整个结构紧密保持在一起的方式动态改变。因此，当热能储存结构内的热储存元件层的一个或多个部分压实时，上方层的对应部分将向下移动并合上间隙，使得在所述层内不形成净空（或形成非常少的净空）。类似改变将发生在更上方的其它层中。

“净空（headroom）”应理解为根据本发明避免的空的空间或孔隙或空隙。净空限定两个结构之间的空间。在不同于本发明的配置中，可以在热能储存元件与分离器元件之间形成净空。由于分离器元件的柔性，可以避免这种不需要的孔隙区域，因为柔性分离器元件可以遵循下方热能储存元件的形式。

所述壳体可以由耐热材料（诸如钢或陶瓷）制成，并且可以具有带有矩形、方形、圆形、椭圆形或多边形形状的圆柱形形状。根据应用，所述壳体可以具有25 m²或以上的横截面面积。

热能储存元件优选地具有大的热储存容量并且按由柔性分离器元件分隔的层布置以形成热能储存结构。热储存元件被确定尺寸并且彼此间隔开，使得每一层允许工作流体特别是沿平行于所述层的方向流动。分离器元件基本上防止工作流体从一个层流动到另一层，从而防止所述层之间的热对流、特别是在没有工作流体流被供应到热能储存装置的停滞期间。

流体入口和流体出口可以由与壳体相同的材料制成，并且可以具有与壳体类似或不同的横截面大小和形状。流体入口可以连接到工作流体的外部源，诸如蒸汽发电站的蒸发器。在使用中，流体入口适于朝向壳体引导所接收的工作流体的流，使得所述工作流体流过热能储存结构并且将热能储存在其中（充能）或者从其接收热能（放能）。

为了对热能储存装置进行充能，所述工作流体可以例如包括水（特别是热蒸汽）、空气、氮气或氩气。为了对热能储存装置进行放能，所述工作流体可以例如包括水、蒸汽、空气、氮气或氩气。

在本上下文中，短语“流体入口与流体出口之间的通道”指示通道的一端更靠近于流体入口，而通道的另一端更靠近于流体出口。换句话说，通道可以从流体入口一直延伸到流体出口，其可以使一端与流体入口或流体出口直接接触，或者其可以仅占据流体入口与流体出口之间的空间的一部分（而不与流体入口和流体出口直接接触）。

根据本发明的实施例，每一通道具有预先确定的形状。

换句话说，可以使用柔性分离器元件的柔性来形成具有单独形状的通道。例如，一些通道可以形成为沿着从流体入口朝向流体出口的路径改变主方向，或者其可以具有倾斜和/或渐缩区段。

根据本发明的另一个实施例，流体入口包括适于选择性地朝向所述通道中的一个或多个引导工作流体的入口流体分配结构。

换句话说，所述入口流体分配结构能够将工作流体供应到热储存结构内的选定通道。从而，热能可以例如被选择性地供应到具有比其它通道更低的温度的通道，以便减小所述结构内的温度差。

根据本发明的另一个实施例，所述入口流体分配结构包括多个流体入口导管。

每一导管优选地指向单个通道或一组通道。

根据本发明的另一个实施例，（所述多个流体入口导管中的）至少一个流体入口导管包括阀。

通过操作所述阀，选定的流体入口导管可以被完全和/或部分地打开，而其余流体入口导管关闭。

根据本发明的另一个实施例，流体出口包括适于选择性地从所述通道中的一个或多个接收工作流体的出口流体分配结构。

因此，所述出口流体分配结构能够从所述热储存结构内的选定通道接收工作流体。从而，热能可以例如被选择性地从具有比其它通道更高的温度的通道收回，以便减小所述结构内的温度差。

根据本发明的另一个实施例，所述出口流体分配结构包括多个流体出口导管。

每一导管优选地指向单个通道或一组通道。

根据本发明的另一个实施例，（所述多个流体出口导管中的）至少一个流体出口导管包括阀。

通过操作所述阀，选定的流体出口导管可以被完全和/或部分地打开，而其余流体入口导管关闭。

根据本发明的另一个实施例，柔性分离器元件包括材料片或箔，通过其阻挡或减少工作流体流。

换句话说，所述柔性片或箔对于工作流体来说基本上是不可渗透的。

根据本发明的另一个实施例，柔性分离器元件包括致密织物片、特别是矿物织物片或金属箔。

在本上下文中，术语“织物片”意指包括矿物棉以及其它矿物和陶瓷纤维材料。

根据本发明的另一个实施例，所述热储存元件包括选自由以下组成的群组的材料：石头、火山石、砖、花岗岩、玄武岩、陶瓷和矿渣。

根据本发明的另一个实施例，所述热能储存装置使用空气作为工作流体。

根据本发明的第二方面，提供一种用于产生电能的发电站，诸如蒸汽发电站、有机朗肯循环（ORC）发电站或超临界二氧化碳循环（sCCh）发电站。所描述的发电站包括根据第一方面或上述实施例中的任一者的热能储存装置。

通过使用所述热能储存装置，所述发电站能够在生产超过需求的情况下储存能量，并且然后在需求超过生产时随后使用能量。

所述发电站可以是风力发电站的一部分或结合其操作，由于风速和风向的变化，其通常具有变化很大的产量。

根据本发明的第三方面，提供一种制造热能储存装置的方法。所描述的方法包括：（a）提供具有流体入口和流体出口的壳体，以及（b）将热能储存结构布置在壳体内、在流体入口与流体出口之间，所述热能储存结构包括热能储存元件和柔性分离器元件，所述柔性分离器元件被布置成使得所述热能储存元件被分成若干层，每一层在流体入口与流体出口之间形成通道。

本发明的此方面基本上基于与上述第一方面相同的构思，即，柔性分离器元件以形成单独层的方式布置在壳体中的热能储存结构内，如果热储存元件随时间的推移而压实，则所述柔性分离器元件能够改变其形状。此外，分离器元件在形状方面的灵活性使得可以以多种方式单独地形成通道。

应注意，已经参考不同主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考方法类型的权利要求描述了一些实施例，而已经参考装置类型的权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述得知，除非另有说明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合以外，与不同主题有关的特征的任何组合（特别是方法类型的权利要求的特征和装置类型的权利要求的特征的组合）也是此文件的公开内容的一部分。

本发明的上文限定的方面和其它方面从待在下文中描述的实施例的示例显而易见并参考实施例的示例加以解释。将在下文中参考实施例的示例更详细地描述本发明。然而，明确指出，本发明并不限于所描述的示例性实施例。

附图说明

图1示出已知热能储存装置的侧视图。

图2示出根据本发明的实施例的热能储存装置的侧视图。

图3示出根据本发明的另一个实施例的热能储存装置的侧视图。

图4示出根据本发明的另一个实施例的热能储存装置的侧视图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应注意，在不同的图中，类似或相同的元件设置有相同的附图标记或者设置有仅第一位数字不同的附图标记。

图1示出布置在壳体10中的已知热能储存装置的侧视图。热能储存装置壳体10包括如由箭头11所指示的用于接收工作流体（诸如水、热或冷的蒸汽、空气、氮气或氩气）的流体入口12。热能储存装置壳体10进一步包括用于均匀地分配工作流体并且用于降低工作流体的流速的扩散器区段14。所述热能储存装置进一步包括热储存元件（诸如砖、石头、火山石、花岗岩、玄武岩或陶瓷），其作为松散材料设置在壳体10内以形成热能储存结构20。热能储存装置壳体10进一步包括喷嘴区段16，所述喷嘴区段16用于增加离开壳体10中的热能储存结构20的工作流体的流速和压力并且如由箭头17所指示将其传送到流体出口18以使其从所述热能储存装置喷射出来。

可以通过向流体入口12馈送热工作流体（诸如热蒸汽）来以热能对所述热能储存装置充能。工作流体将流过热能储存结构20中的热能储存装置并且从而加热热储存元件。冷却的工作流体经由流体出口18离开所述储存装置。在充能完成之后，所述储存装置可以停留数小时或者甚至数天的停滞周期，直到需要所储存的热能并且通过向流体入口12馈送冷工作流体（诸如水）来进行放能。在流过壳体10内的热能储存结构20之后，经加热的工作流体通过流体出口18从所述热能储存装置喷射出来。

图1还示出指示在充能之后热能储存结构20内的温度分布的曲线。理想曲线示出热能储存结构20内的恒定高温段30，并且朝向结构20的冷端处的较低温度34以陡降段32结束。然而，实际上，所述曲线将具有连接高温段30与低温段34的倾斜段36。这是由于如在引言中所论述的结构20内的自然对流。随着时间的推移，倾斜段36将越来越长，即，高温段将越来越短。可以通过如下文中所述的根据本发明的实施例的热能储存装置来避免此问题和其它问题。

图2示出根据本发明的实施例的热能储存装置的侧视图。根据此实施例的热能储存装置大致类似于图1中示出并且上文中论述的热能储存装置。因此，此处将不再重复对共同特征的详细描述。然而，根据此实施例的热能储存装置不同于图1中示出的热能储存装置之处在于，其包括布置在热能储存结构内的柔性分离器元件22，使得热能储存元件被分成若干层24。每一层24在流体入口与流体出口之间形成单独通道。所述柔性分离器元件优选地由矿物织物片或类似致密织物形成，并且从而提供两个重要效果。首先，通过分成若干层24，显著降低储存结构20内的自然对流。此外，分离元件22的柔性确保即使一些热能储存元件移动、破裂或塌缩，结构20也可以保持压实。换句话说，通道24能够随着时间的推移改变其形状，使得能够避免通道24内的热储存元件上方的空的空间或净空。这种空的空间将在层24内、并且继而在整个结构20内引起对流。因此，与刚性分离器板（诸如钢板）相比，柔性分离元件22在储存结构20内提供显著更好的自然对流的降低。

图3中示出柔性分离器元件22的另一个优点，图3示出根据本发明的另一个实施例的热能储存装置的侧视图。此处，分离器元件22以稍微弯折或弯曲方式（或香蕉状形状）布置，以提供从流体入口11向下延伸并且然后向上朝向流体出口18的通道24。从而，也如图3中所示，可以将流体入口12和流体出口18定位在结构20的竖直中部上方，当所述结构布置在地平面下方时，这可能例如是有益的。

图4示出根据本发明的另一个实施例的热能储存装置的侧视图。在此实施例中，流体入口12包括由多个流体入口导管13a、13b形成的入口流体分配结构。类似地，流体出口18包括由多个流体出口导管19a、19b形成的出口流体分配结构。虽然图4示出两个流体入口导管13a、13b和两个流体出口导管19a、19b，但是要强调的是，可以使用任何数目个流体入口导管和流体出口导管，例如三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个或更多个。每一导管13a、13b、19a、19b可以包括用于选择性地打开和关闭对应导管的阀（未示出）。从而，可以选择性地对通道24中的一个或多个进行充能/放能。

通常，根据本发明的热能储存装置能够储存热能达长停滞周期，同时在所述结构内维持均匀温度分布。从而，实现热能储存元件20的延长的寿命，并且可以提供来自所述储存装置的输出流体的恒定温度。此外，本发明的热能储存装置提供高度灵活性，因为通道可以以多种方式成形，例如以适应由所述储存装置的选定位置设置的约束。

在生产暂时超过需求时，热能储存装置可以有利地用于在发电站处暂时储存多余能量，例如结合易受变化的风速和风向影响的风力发电站。

应注意，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，并且冠词“一（a）”或“一（an）”的使用并不排除多个。而且，可以组合与不同实施例相关联描述的元件。应进一步注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (14)

1. 一种热能储存装置，其包括

具有流体入口（12）和流体出口（18）的壳体（10），以及

布置在所述壳体（10）内、在所述流体入口（12）与所述流体出口（18）之间的热能储存结构（20），所述热能储存结构（20）包括热能储存元件和柔性分离器元件（22），所述柔性分离器元件（22）被布置成使得所述热能储存元件被分成若干层（24），每一层（24）在所述流体入口（12）与所述流体出口（18）之间形成通道，

其中，所述柔性分离器元件（22）能够将其形式改变到如下的程度：由于所述热储存元件的压实而在所述层（24）内不形成净空。

2.根据前一权利要求所述的热能储存装置，其中，每一通道具有预先确定的形状。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的热能储存装置，其中，所述流体入口（12）包括适于选择性地朝向所述通道中的一个或多个引导工作流体的入口流体分配结构。

4.根据前一权利要求所述的热能储存装置，其中，所述入口流体分配结构包括多个流体入口导管（13a、13b）。

5.根据前一权利要求所述的热能储存装置，其中，至少一个流体入口导管（13a、13b）包括阀。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的热能储存装置，其中，所述流体出口（18）包括适于选择性地从所述通道中的一个或多个接收工作流体的出口流体分配结构。

7.根据前一权利要求所述的热能储存装置，其中，所述出口流体分配结构包括多个流体出口导管（19a、19b）。

8.根据前一权利要求所述的热能储存装置，其中，至少一个流体出口导管（19a、19b）包括阀。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的热能储存装置，其中，所述柔性分离器元件（22）包括材料片或箔，通过其阻挡或减少工作流体流。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的热能储存装置，其中，所述柔性分离器元件（22）包括致密织物片、特别是矿物织物片或金属箔。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的热能储存装置，其中，所述热储存元件包括选自由以下组成的群组的材料：石头、火山石、砖、花岗岩、玄武岩、陶瓷和矿渣。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的热能储存装置，使用空气作为工作流体。

13. 一种用于产生电能的发电站，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的热能储存装置。

14. 一种制造热能储存装置的方法，所述方法包括

提供具有流体入口（12）和流体出口（18）的壳体（10），以及

将热能储存结构（20）布置在所述壳体（10）内、在所述流体入口（12）与所述流体出口（18）之间，所述热能储存结构（20）包括热能储存元件和柔性分离器元件（22），所述柔性分离器（22）元件被布置成使得所述热能储存元件被分成若干层（24），每一层在所述流体入口（12）与所述流体出口（18）之间形成通道，

其中，所述柔性分离器元件（22）能够将其形式改变到如下的程度：由于所述热储存元件的压实而在所述层（24）内不形成净空。

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