CN116209732A - 热能储存和取回系统 - Google Patents
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Abstract
本发明在一些方面提供了一种储热系统，其包括的一条或多条流体输送通路，所述一条或多条通路具有传热流体并且被设置成与成型石墨(例如膨胀石墨)热耦合，所述成型石墨进而设置成与粘结的骨料材料热耦合。
Description
技术领域
本发明涉及热能储存。它适用于热泵和其它依赖热能储存的系统。
背景技术
能量储存是调节能量供应的关键能力。例如，利用可再生能源的热泵必须适应经常的间歇性供应，以及相对于需求提供过少或过多的能量。平衡能源供应需要一种储存和取回能源的机制。例如，在工业、商业和住宅热泵中，在过量热能或电能可用时(如在白天)需要能量储存，而在需要能量用于加热时(如在晚上)需要能量取回。
砂子已被提议作为热能储存的介质。例如，参见Schlipf等人在Energy Procedia的第69卷第1029-1038页(2015年)发表的“在填充床高温能量储存系统(High TemperatureThermal Energy Storage System，HTTESS)中使用砂子和其它小颗粒材料作为储热介质”。砂子等具有优异的比热容，并且如该文章作者所讨论的，可以廉价获得。然而，砂子不具有良好的导热性，从而导致热量储存和取回效率低下。
发明内容
本发明的目的是提供用于热能储存的改进的系统和方法。
一个相关的目的是提供此类改进的系统和方法，其可用于热泵和其它热能系统的储热器。
本发明的另一目的是提供此类经济有效的改进系统和方法。
前述是本发明实现的目的之一，在一些方面，本发明提供了一种储热系统，其包括一条或多条流体输送通路，所述一条或多条通路含有传热流体并被设置成与成型石墨(例如膨胀石墨)热耦合。所述成型石墨又被设置成与粘结的骨料材料热耦合。
本发明的相关方面提供了一种储热系统，例如如上所述，其中所述一条或多条通路被设置成与膨胀石墨的层或所述成型石墨相邻并热耦合。
本发明的另一相关方面提供了一种储热系统，例如如上所述，其中膨胀石墨或其它成型石墨的层被设置成与粘结的骨料材料的层相邻并热耦合。
本发明的又一相关方面提供了一种储热系统，例如如上所述，其中成型石墨和/或粘结的骨料材料的层被压实。
本发明的再一相关方面提供了一种储热系统，例如如上所述，其中所述通路包括不锈钢和/或所述传热流体包括二氧化碳、低共熔混合物、传热油、全氟聚醚(PFPE)、碳氢化合物和制冷剂气体中的任何一种。
本发明的其它相关方面提供了一种储热系统，例如如上所述，其中所述粘结的骨料包括混凝土和/或砂子和硅酸钠的复合物。在进一步的相关方面中，粘结的骨料层包括倾斜延伸通过相应层的穿孔。
在其它方面，本发明提供了操作和/或制造储热器的方法，例如如上所述的储热系统的类型。一种此类方法包括将一条或多条流体输送通路放置成与成型石墨热接触，并且又将所述成型石墨放置成与粘结的骨料热接触，诸如，例如混凝土或砂子和硅酸钠的复合物。
本发明的相关方面提供了一种方法，例如如上所述，其中所述成型石墨和所述骨料包括层以及根据本发明的相关方面的被压实的层。
本发明的又一方面提供了一种方法，例如如上所述，其中该方法包括使加热的二氧化碳通过所述一条或多条通路。
本发明的这些和其它方面在下文和附图中是显而易见的。
附图说明
参考附图可以更全面地理解本发明，其中：
图1描绘了根据本发明的一个实施方案的热能储存系统；
图2描绘了图1的系统的储热温度曲线；
图3描绘了根据本发明的使用图1的热能储热器的系统；
图4示出了图1的系统，其在骨料介质和传热层之间具有穿孔砂层。
具体实施方式
根据本发明的能量储存系统消耗来自传热流体的热量，并使用诸如膨胀石墨层的“吸热器”使该热量遍布结合的诸如砂子的骨料材料的块状介质。该系统可以有利地利用(i)粘结的骨料比单独的骨料具有改进的导热性，而不存在骨料的热质量损失，以及(ii)石墨均热器比粘结的骨料具有更优的导热性。关于后者，一些实施例利用了由石墨组成的均热器的更进一步改进的传导性，该石墨已垂直于导热平面膨胀和压缩。
根据本发明的系统能快速地储存和取回热能。
附加优点包括即使当热源和储存系统之间存在小温差时，它们也吸收大量的热量。此外，在接近蓄能温度的情况下，可以长时间地从系统中提取热量。作为非限制性示例，这些特征对于热机的能量生产是期望的，这可以在温度较高时产生更多电力。
作为非限制性示例，根据本发明的系统可应用于工业、商业和住宅热泵以及其它装置，这些装置在可获得过量热能或电能时(如在白天或非高峰时期)有益于能量储存，而在需要能量用于加热或发电时(如在晚上或高峰时期)有益于能量取回。
下文描述并在附图中示出的是本发明的实施例，其具有传热流体通路、均热器层和粘结的骨料层。应当理解，这是作为示例，并且其它实施例可以利用不同的粘结的骨料材料、不同的传热流体和通路、不同的均热器材料和/或通路、吸热器和/或骨料的不同几何布置(无论是分层布置还是其它布置)，所有这些都符合本发明教导的精神。此外，本文所示和所述类型的多个系统(或这些系统的变型)可以串联或并联组合或其任意组合，以从共同的热能源或多个不同的此类来源提取和储存热量，和/或将所储存的热量释放至共同的热能目标或多个不同的此类目标。
图1是根据本发明的储热器的剖视图，该储热器包括壳体100，如图所示，在该壳体内设有粘结的骨料介质140，并且延伸穿过该介质140的流体输送通路120和(多个)均热器130。(多个)均热器130与通路120和粘结的骨料介质140热接触，以便在它们之间传递热量。
流经通路120的传热流体流由总管110和150实现。尽管在附图中仅示出了一对总管110、150-即出于实现传热流体流入(总管110)和流出(总管150)的目的而与壳体100的底层的通路120流体联接-但是应当理解，这些总管110、150可以实现传热流体与所示通路120中其它通路的流动，和/或可以为此目的提供附加的总管。
在此示出为正方形或其它矩形横截面的壳体100可以是圆形或无论是否规则的其它横截面。壳体可以由金属、塑料、陶瓷或本领域已知的其它合适材料制成，并且可以包括、包围或包封根据储热器使用环境(如地上或地下、可运输或以其它方式)而选择的绝缘或其它材料，所有这些都在本领域技术人员根据其教导的知识范围内。
所示实施例的传热流体121是二氧化碳，因为它无毒、不可燃并且适合于高温传热和作为热机中的工作流体。然而，本领域的技术人员应当理解，可以代替二氧化碳或在二氧化碳之外使用其它物质，诸如联苯和二苯醚的低共熔混合物、导热油、全氟聚醚(PFPE)、烃、制冷剂气体或本领域已知类型的其它传热流体，鉴于本发明关于实施方案的温度、压力和其它操作条件的教导，这些物质的选择在本领域的技术人员的知识范围内。
通路120和总管110、150包括本领域已知类型的管道、总管、分流管、管路、管线或其它结构(统称为“管”)，根据本发明的教导，这些结构适于携载液态和/或气态和/或超临界态的传热流体121通过储热系统及其各个部件，如附图所示和本文所述。在图示实施例中，管由不锈钢制成，但是其它实施例可以使用其它金属、陶瓷、塑料或其复合材料，所有这些都在本领域技术人员根据其教导的知识范围内。通路120完全位于壳体100内，或者例如，在图1以及进一步图3中的底层的通路120的情况下，通路120可以如图所示从壳体100伸出。
除了携载传热流体121并与其热耦合之外，通路120还与设在壳体内的(多个)均热器130热耦合，例如如图1所示。在所示实施例中，那些(多个)均热器130包括一层或多层膨胀石墨粉末，但是，替代实施例可以使用其它石墨构造和/或其它化合物来代替石墨或作为石墨的补充来使用。在所示实施例中，此类热耦合通过将通路设至石墨层130和/或石墨层130之间并向通路120和/或石墨层130施力以确保可靠接触来获得。替代地或附加地，多层石墨层130可以在其上或其间放置通路之前和/或之后被压实，所有这些都在本领域技术人员根据本发明的教导的知识范围内。
如上所述，替代实施例可以使用除了层状石墨粉末之外配置的(多个)均热器130。例如，在一些此类替代实施例中，天线形或其它树枝状石墨结构可以用作(多个)均热器130。这些结构可以是小颗粒尺寸或更大尺寸(如从雪花尺寸或更大)。此外，该结构可以与下文讨论的介质140的层平行地分层，或者可以从通路120倾斜地延伸到那些介质140层中，所有这些都在本领域技术人员根据本发明的教导的知识范围内。
例如如图1所示，除了与(多个)均热器130热接触之外，通路120可以与同样设在壳体100内的粘结的骨料介质140热接触。如上所述，这可以通过将通路120设在介质140的层上或层之间并如上所述施力或压实来实现，以实现在通路120和(多个)均热器130之间的热耦合。
在所示实施例中，通路120和介质140之间的热传递优选经由(多个)均热器130获得，而不是通过通路和该介质之间的直接接触来实现。为此，所示实施例的(多个)均热器130与介质140热耦合。在(多个)均热器130包括石墨层的实施例中，此类热耦合通过将每层石墨设在介质140上并与其接触来实现，介质140本身可以被压缩并设于壳体100中的层，如图所示。
利用这种布置，当传热流体121在图1的储热器操作的“蓄能”阶段期间流经每个通路120时，它通过通路的壁将热量传递至通路设置在其上/之间的一个或多个石墨均热器层130，并且又传递至那些均热器层130设置在其上的粘结的骨料介质140。相反，在释能期间，来自粘结的骨料介质140的热量通过石墨均热器层130通过其通路120的壁传递至包含在通路120中的传热流体。实际上，一个阶段是蓄能阶段还是释能阶段取决于通路120中的传热流体与石墨均热器层130和与其相邻的粘结的骨料介质140之间的局部温差。
如上所述，均热器石墨层130将通路120中的传热流体121热耦合至粘结的骨料(或“块状”)介质140。在所示实施例中，石墨层130由已经加工成其“膨胀”形式或称为“膨胀石墨”(密实度非常低的材料)的石墨形成。在图1所示系统的制造期间，膨胀石墨130被压缩至粘结的骨料介质140，以形成具有更高密实度的均热器层。此外，压缩使石墨的多个平面对齐成使得它们垂直于压缩方向。当以这种方式对齐时，垂直于压缩方向的平面中的热导率比块状石墨中的热导率高得多，并且可以超过金属材料的热导率。正是这种特性使得通路120能够通过石墨均热器层130与块状介质140热耦合。
所示实施例的块状介质140是粘结的骨料材料，特别是粘结的砂子。这可以是混凝土(即砂子和水泥的混合物)或由用硅酸钠粘结的砂子形成的复合材料。实际上，此类复合材料是通过将硅酸钠液体与砂子混合并在壳体100内形成与石墨均热器层130接触的层而形成的。经过一段时间后，砂子/硅酸盐混合物会硬化。通过将混合物暴露在二氧化碳气体中，硬化可以加速到仅仅几秒钟。与大多数结合剂不同，硅酸钠是一种能够承受超过600华氏度的温度的耐火材料。无论是在混凝土中还是在硅酸钠复合材料中，粘结的骨料都比砂子本身具有更好的导热性，并且它提供了必要的刚性以能够与石墨层130一起压缩。本发明的其它实施例可以利用块状介质层140，该块状介质层140利用具有相当热容量的其它骨料材料(如石头)代替砂子，和/或利用其它化合物代替水泥或硅酸钠来结合砂子或其它骨料材料，所有这些都在本领域技术人员根据本发明的教导的知识范围内。
在一些实施例中，一个或多个块状介质层140被穿孔，如图4的物品400所示。此类穿孔层400可以如上所述制造，尽管具有倾斜于(或者更具体地，例如法向于)相应层400的平面(该平面在这里由x-y轴表示)延伸的多个(大)孔410，或者换句话说，延伸自穿孔层400与其物理接触的层130并在多个层130之间延伸的孔。
尽管层140中热传递的主要机制是传导，但是穿孔砂层400中热传递的主要机制是对流。对流传热能够在保持良好传热性能的同时形成更厚的堆积层。板材厚度的极限由瑞利数(Rayleighnumber)决定。竖直空腔的瑞利数的临界值在本领域中是已知的，例如，如Comptes Rendus Mécanique，Elsevier Masson，2007，335(9-10)、第638-654页、Platten等人的“具有和不具有索瑞效应的极端受限几何形状中的瑞利-贝纳德问题”所述。
10.1016/j.crme.2007.08.011.hal-01946148。
图2示出了在蓄能和释能期间在图1的热量储存系统(或“储热器”)中看到的典型热梯度。图中的x轴对应于管从总管110到通路120再到总管150的行程。
在蓄能周期开始时，温度曲线如曲线160所示。入口附近的温度很高，但低于传热流体121的温度。这使得热量能够从传热流体流入石墨均热器层130，然后流到粘结的骨料140。当流体穿过通路120时，其温度降低，因为它具有有限的比热。如曲线160所示，储热器的粘结的骨料140和均热器层130中的相应温度也下降。这使得流体121能够继续将热量存储到储热器中，直到传热流体温度达到曲线的最小值。此时，流体121以该最低温度流向出口。
随着时间的推移，储热器中的介质140的温度将增加并且类似于曲线170。在这种情况下，传热流体121在进入储热器140时最初不会传递过多热量。在储热器中的温度下降到足以开始传热的水平之前，它必须经过一段纵向距离。然后，如前所述，热量将从流体流向其周围，并且流体121将最终接近曲线170的最低温度。它将在该温度下离开储热器。
在优选实施例中，图1的储热器将被蓄能，直到曲线接近图2的曲线180。在这一点上，来自流体121的热传递将大致发生在储热器的后半部分。超过这一点继续蓄能是可能的，并且不会对储热器造成特别的损害，但是出于构建用于电能的高效来回的储存和取回系统的目的，增加的热负荷将导致效率低下。当低温流体在释能期间被重新注入系统时，通过熵的产生，低效是显而易见的。通过在曲线180处停止，释能期间的流体121以相对于储热器相对较小的温差进入。流体121在穿过曲线180(现在从右到左)时提取热量，直到它在曲线180的最高温度附近饱和。
释能非常类似于蓄能，只是曲线现在从180到170再到160。对于大部分释能循环，传热流体能够以与在蓄能阶段进入储存系统的流体几乎相同的温度离开。这使得图1的储存系统能够以相对有限的熵产生来取回储存的热能，因此效率高。应当注意，随着长时间范围的推移，曲线180将最终达到平衡，其中温度梯度消失。通过设计具有足够长的长度的储热器，可以使这种平衡的影响足够小，以使在几天或几周的时间范围内不会对储热性能产生实质性影响。在期望更长期储热的情况下，储热单元的网络可以与相关的阀一起部署，以建立图2所示的曲线的离散版本，从而防止热平衡超出每个离散的储热系统。
图3是使用图1的热能储热器的根据本发明的系统的示例。在附图中，储热器由它的壳体100、总管110、150和通路120表示。图3的系统的储热器和其它部件通过管路、管道、管线和其它本领域已知的结构(在此再次统称为“管”)联接，该结构适于限定流体路径(或回路)并沿着附图所示和下文所述的路径运送传热流体。按照惯例，路径和那些结构在图3中由实线和方向箭头描绘为管。
首先，考虑给储热器蓄能的过程。泵200使传热流体通过管道移向集热器210。流体在集热器210中获得热量并提升温度，集热器210是根据本发明的教导所采用的本领域已知的常规类型。
集热器210连接至阀220，阀220在蓄能状态下是打开的。阀220连接至阀280，阀280在蓄能循环期间保持关闭。传热流体流经管路230并连接至储热器的总管110。如上所述，当流体流经管120到达总管150时，热量从传热流体传递至储热器的块状介质内。前述阀220、280以及图3所示和本文讨论的其它阀是根据本发明的教导所采用的本领域已知的常规类型。
总管150连接至外管240，外管240可以布置在管路网络中或者以本领域技术人员根据本发明的教导的知识范围内的其它方式布置。这些管将传热流体传送至阀270和250。在蓄能循环期间，阀270保持关闭并且阀250打开。阀250将传热流体传送至泵200，从而完成循环。
在释能期间，阀250和220关闭，而阀270和280打开。图中所示的流体路径示出了用于将储存的热能转换成电能的兰金循环。从泵260开始，流体流经270到达管路网络240并流入储热器。如上所述，当传热流体穿过储热器时，其温度将会升高，直到其温度几乎与用于使储热器蓄能的流体的温度相同。然后，流体将从储热器流经总管110和管230(其也可以布置在管路网络中或以其它方式布置)到达阀280。该阀将流体传送至涡轮机290，涡轮机290是根据本发明的教导所采用的本领域已知的常规类型。涡轮机从高温流体提取机械能并使其温度降低。机械能可以直接用于或者驱动根据本发明的教导所采用的本领域已知的常规类型的发电机(未示出)。在其可用能量转移后，低温流体离开涡轮机290并进入冷凝器300，例如根据本发明的教导所采用的本领域已知类型的冷凝器。
冷凝器300经由例如根据本发明的教导所采用的本领域已知类型的冷却塔将热量从流体(诸如空气)传递至外部均热器。在这个过程期间，流体凝结成液态。液态流体也从冷凝器进入泵260并完成循环，该泵是根据本发明的教导所采用的本领域已知的常规类型。
如上文和本文其它地方所述，在蓄能和释能循环或其它过程中，图3的系统的泵、阀和其它主动部件的操作可以由操作者(未示出)“手动”实现，由机器(例如由数字数据处理器、可编程逻辑控制器(PLC)或其它控制装置或其组合(未示出))实现，或者由人和机器的组合实现，所有这些都符合根据本文的教导所采用的本领域的常规手段。
图1所示的本发明的上述实施例提供了一种系统，该系统非常适合于使储热器快速蓄能和释能。蓄能速率可以通过砂层厚度、石墨厚度和管的密度来调节。然而，在固定温差下增加蓄能速率会增加系统的成本。类似地，降低蓄能速率将降低系统的成本。作为示例，考虑砂层。使厚度加倍将使系统能够存储两倍的热能，但蓄能速率将下降两倍。图4所示的几何形状提供了一种在砂层厚度增加时保持蓄能速率的方法。
上文描述并在附图中示出的是满足前述目的的热能储热器和操作方法，以及结合这些储热器并使用这些方法的系统。应当理解，所示实施例仅仅是本发明的示例，并且不同于本文所示和所述的实施例的其它实施例也涵盖在本发明中。因此，例如，虽然前面的示例描述了根据本发明的系统的一些选定部件，但是本领域技术人员应当理解，代替附图中所示和上文讨论的部件或者除了附图中所示和上文讨论的部件之外，这些系统的流体路径中可以包括其它部件，包括例如压力和温度传感器、安全阀、管路和配件、过滤器、油分离装置和支持系统中部件的特定选择的操作所需的其它器械。
Claims (18)
1.一种储热系统，其包括：
A.其中带有传热流体的一条或多条流体输送通路，
B.所述一条或多条通路被设置成与成型石墨热耦合，
C.该成型石墨设置成与粘结的骨料材料热耦合。
2.根据权利要求1所述的储热系统，其中该成型石墨包括膨胀石墨。
3.根据权利要求1所述的储热系统，其中所述一条或多条通路设置成与该成型石墨的层邻接且是热耦合的。
4.根据权利要求1所述的储热系统，其中所述成型石墨设置成与骨料材料的层邻接并且是热耦合的。
5.根据权利要求1所述的储热系统，其中
所述一条或多条通路设置成与该成型石墨的层邻接并且是热耦合的，并且
所述成型石墨设置成与骨料材料的层邻接并且是热耦合的。
6.根据权利要求5所述的储热系统，其中所述骨料材料的层包括相对于所述骨料材料的层的平面倾斜延伸的穿孔。
7.根据权利要求5所述的储热系统，其中这些层中的至少一层是压实的。
8.根据权利要求1所述的储热系统，其中所述通路包括不锈钢。
9.根据权利要求8所述的储热系统，其中所述通路包括不锈钢管。
10.根据权利要求1所述的储热系统，其中所述传热流体包括二氧化碳、低共熔混合物、传热油、全氟聚醚(PFPE)、碳氢化合物和制冷剂气体中的任一种。
11.根据权利要求1所述的储热系统，其中所述粘结的骨料材料包括(i)混凝土和(ii)砂子和硅酸钠的混合物中的任一种。
12.一种制造储热器的方法，其包括：
A.将一条或多条流体输送通路放置成与成型石墨热接触，以及
B.将该成型石墨放置成与粘结的骨料材料热接触。
13.根据权利要求12所述的方法，其中
步骤(A)包括将所述一条或多条流体输送通路放置成与该成型石墨的层热接触，并且
步骤(B)包括将所述成型石墨的层放置成与所述骨料材料的层热接触。
14.根据权利要求13所述的方法，其中
步骤(A)包括在将所述成型石墨的层放置成与所述一条或多条流体输送通路热接触后压实成型石墨的层，
步骤(B)包括在将所述骨料材料的层放置成与所述成型石墨的层热接触后压实骨料材料的层。
15.根据权利要求12所述的方法，其中成型石墨包括膨胀石墨。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述通路包括不锈钢。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述通路包括不锈钢管。
18.一种储热的方法，其包括：
A.将一条或多条流体输送通路放置成与膨胀石墨的层热接触，其中这些通路中的至少一条包括不锈钢管，
B.将所述膨胀石墨的层放置成与包含以下任一者的层热接触：(i)砂子和硅酸钠的混合物和(ii)混凝土，
C.使加热的二氧化碳流经所述一条或多条通路。
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