CN116529551A

CN116529551A - 导电耐火砖系统

Info

Publication number: CN116529551A
Application number: CN202180072425.1A
Authority: CN
Inventors: C·福斯贝里; D·C·斯塔克
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2023-08-01
Also published as: JP2023549474A; KR20230078794A; CA3194701A1; US20240163981A1; IL301680A; CL2023001115A1; US11877376B2; AU2021364476A1; US20220132633A1; WO2022086630A1; EP4233102A1; MX2023004577A

Abstract

热能存储系统包括耐火砖格子结构和电极。耐火砖格子结构包括一个或多个导电耐火砖层，每个导电耐火砖层包括具有一个或多个气流通风口的多个导电掺杂金属氧化物耐火砖。电极包括一个或多个电极耐火砖层，每一层包括多个电极耐火砖。耐火砖格子结构由于向电极施加电功率而被加热。然后可以加热流过耐火砖格子结构的空气，以用于与热量相关的应用(例如，工业应用、商业应用、住宅应用、运输应用等)，其中一些应用可能与电力生产相关，或者用于与可能与电力生产无关的需要热量的其他目的相关的其他应用。

Description

导电耐火砖系统

技术领域

本文描述的一个或多个实施例涉及管理能量存储。

背景技术

现代能量生成和分配网络(“电网”)包括许多不同的发电源。虽然一些发电机可以以相对连续的输出来操作(例如，诸如煤、油、天然气、核等的传统发电厂)，但是诸如太阳能或风能的其他电源的发电能力可能例如基于环境因素而变化。随着越来越多的太阳能发电机和风力发电机被联机以减少温室气体排放，电网的电力存储能力的扩展可以考虑输出功率的可变性。然而，目前的电池技术已被证明是不令人满意的，并且实施起来非常昂贵。已经尝试使用其他类型的能量存储系统，例如抽水蓄能。然而，这些其他系统是受站点限制的，并且不容易获得或部署。

发明内容

本文描述的一个或多个实施例提供了一种改进的能量存储系统和方法，其可以用于各种应用，尤其是包括在电网中存储电力。

这些和/或其他实施例提供了一种能量存储系统和方法，其控制电力的存储以便抵消电网的一个或多个电源的输出的可变性，包括但不限于太阳能发电机、风力发电机、以及由于环境和/或其他因素而遭受不一致性能的其他电源的输出功率的可变性。

这些和/或其他实施例提供了一种改进的能量存储系统和方法，其可容易地部署在各种环境中。

这些和/或其他实施例提供了一种实施起来经济的改进的能量存储系统和方法。

根据一个或多个实施例，一种热能存储系统包括耐火砖格子结构(checkerwork)，所述耐火砖格子结构包括一个或多个导电耐火砖层，每个导电耐火砖层包括多个导电掺杂金属氧化物耐火砖，所述导电掺杂金属氧化物耐火砖具有一个或多个通风口以允许气流通过所述耐火砖格子结构；以及第一电极，所述第一电极包括一个或多个电极耐火砖层，每个电极耐火砖层包括多个电极耐火砖，所述第一电极被配置为从源接收电功率；其中，所述耐火砖格子结构由于所接收的电功率的施加而被加热。利用这种布置，流过耐火砖格子结构的空气可以被耐火砖格子结构加热，以提供用于各种用途的热量，包括但不限于住宅热量用途、工业热量用途、商业热量用途、运输用途和/或电力生产(其可以在住宅、工业、商业和运输环境中的任何一种或全部中发生)。本文描述的构思可以在高温热市场以及电力市场中使用。因此，在阅读本文提供的描述之后，本领域普通技术人员将理解，本文描述的热量存储系统和其他实施例可以向所有类型的热量用户和热量相关应用(例如，工业应用、商业应用、住宅应用、运输应用等)提供热量。还应当理解，这些应用中的一些可能涉及电力生产，但是其他应用可能涉及与热量生产无关的需要热量的其他目的。因此，虽然一个或多个实施例在一些情况下可以用作电池的有效替代品，但是其他实施例可以在各种其他环境中使用，例如用于为几乎任何目的提供热量。

根据一个或多个实施例，一种装置包括：第一电极；第二电极；以及导电耐火砖，其中，所述导电耐火砖以预定图案设置在所述第一电极与所述第二电极之间，所述导电耐火砖中的每一个包括掺杂金属氧化物材料，所述掺杂金属氧化物材料被配置为基于施加在所述第一电极与所述第二电极之间的电势产生热量。

附图说明

通过以下对实施例的更具体的描述，前述和其他目的、特征和优点将变得显而易见，如附图中所示，其中相同的附图标记在全部不同视图中指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明实施例的原理上。

图1是根据所描述的实施例的采用导电耐火砖系统的说明性工业系统的框图；

图2A是根据所描述的实施例的各种材料的耐火砖的材料电导率随温度变化的曲线图；

图2B是根据所描述的实施例的掺杂半导体耐火砖的电子浓度随温度变化的曲线图；

图2C是根据所描述的实施例的掺杂半导体耐火砖的电子浓度和电阻率随温度变化的一系列曲线图；

图2D是根据所描述的实施例的采用导电耐火砖的说明性电加热热能存储(E-TES)系统的框图；

图3是根据所描述的实施例的用于容纳E-TES系统的说明性容器系统的视图；

图4是根据所描述的实施例的采用导电耐火砖的说明性E-TES系统的视图；

图5是根据所描述的实施例的E-TES系统的电极的说明性Y形(wye)配置电连接的示意图；

图6是根据所描述的实施例的E-TES系统的电极的说明性Y形配置电连接的示意图；

图7A是根据所描述的实施例的说明性耐火砖系统的图像；

图7B是根据所描述的实施例的说明性耐火砖系统的图像；

图8A是根据所描述的实施例的三角形(delta)配置的E-TES系统的说明性电极和导电耐火砖布局的透视图；

图8B是根据所描述的实施例的Y形配置的E-TES系统的说明性电极和导电耐火砖布局的透视图；

图8C是根据所描述的实施例的Y形配置的E-TES系统的另一说明性电极和导电耐火砖布局的透视图；

图9是根据所描述的实施例的采用E-TES系统的说明性能量分配和存储网格的框图；

图10是根据所描述的实施例的采用E-TES系统的说明性混凝土窑系统的框图；

图11是根据所描述的实施例的采用E-TES系统的说明性天然气电力系统的框图；

图12是根据所描述的实施例的采用E-TES系统的说明性核电系统的框图；以及

图13是根据所描述的实施例的采用掺杂氧化铬的耐火砖的电阻率随温度变化的一对曲线图。

具体实施方式

本文描述的一个或多个实施例提供了用于执行电加热热能存储(E-TES)的系统和方法。此类系统和方法可用于各种应用的脱碳，包括但不限于与电网或工业系统相关的那些应用。随着越来越多的可再生能源发电机被部署到电网中，期望丰富且能够负担的能量存储技术来覆盖发电(例如，太阳能或风能发电)中的循环。本文描述的E-TES实施例可以满足这些目标。此外，这些和/或其他实施例可以用于产生和/或消耗热量的各种工业过程，例如炉、窑、精炼厂、核电厂等。如本文所述，E-TES的一些实施例可以采用电加热耐火砖来存储热能以用作热量或转换成电力。

图1示出了在电网或工业系统中采用加热的耐火砖的E-TES系统的说明性部署的实施例。如图1所示，加热的耐火砖E-TES系统108可以接收电力输入104以加热耐火砖，并且还可以接收空气输入102。例如，空气输入102可以是“冷”空气、环境温度空气、来自工业过程的排气等。输入空气由加热的耐火砖108加热，并且可以作为热空气110输出。在一些实施例中，输出热空气110的温度可以通过温度调节114来调节，该温度调节114可以包括由空气旁路106从输入空气102提供的空气。例如，如果加热的耐火砖108的温度大于提供给输出用户112的输出热空气110所期望的温度，则可以通过提供较冷的空气(例如，经由旁路106)来调节输出空气的温度，输出用户112可以是例如窑或炉。可替换地，如果加热的耐火砖108的温度小于输出空气110的期望温度，则可以经由温度调节114提供额外的燃料(例如天然气)以增加输出热空气110的温度。

在一些实施例中，输出用户112可以是天然气电力循环厂。根据一个或多个实施例，可以实现预定效率，例如，55-60％的往返电效率。在其他实施例中，输出用户112可以是核电厂(例如，IV代核反应堆)，并且E-TES系统可以实现例如65-70％的往返电效率。在一个实施例中，E-TES系统(例如，耐火砖108)可以与用户112邻近地并置。

然而，现有系统不能实现足够高的温度范围和/或由于需要高温而经受显著缩短的寿命。例如，现有的加热器提供有限的温度范围(例如，加热器的T峰值<耐火砖的T峰值)、有限的充电速率(例如，由于加热器的表面瓦数负载和/或耐火砖的温度梯度和热应力而导致的将热量从加热器传递到耐火砖的有限能力)、以及由于高温而显著缩短的加热器寿命，这可能导致高更换成本。

因此，一个或多个实施例提供耐火砖108的直接电阻加热。例如，一个或多个实施例可以将耐火砖的绝缘块电加热到非常高的温度(例如，～1000℃至～2000℃，尽管更高的温度范围是可能的)。存储在耐火砖108中的热量可以通过将空气吹过热耐火砖中的通道而作为输出空气110来输送，以输送所存储的热量用于工业热应用(例如，窑、炉、精炼厂)或发电应用(例如，发电厂)。

耐火砖108的直接电阻加热(DRH)消除了可用加热器的缺点，并且温度仅受耐火砖的性质的限制，从而能够实现更高温度的应用、增加的能量密度和更高的充电速率。此外，耐火砖系统消除了现有加热器的瓦数负载限制，并且将耐火砖设计成在整个耐火砖系统中提供接近均匀的热量产生减少了系统上的应力，这又降低了维修成本并提供了更可靠的操作。因此，根据一个或多个实施例，提供了导电砖，其可以被批量生产以形成用于焦耳加热的稳定的可堆叠电路，其可以长时间地(例如多年)在预定范围(例如，大约1000℃至大约1800℃，或另一范围)中每天循环。

所描述的实施例提供了由具有电导率的合适材料制成的耐火砖，以提供所期望的加热特性。由载流子迁移率主导的渐变的电阻率-温度趋势可以是耐火砖的性质。

图2A示出了提供不同材料的电导率随温度变化的示例的曲线图。材料的电导率可以例如通过等式(1)来确定：

σ＝q*μ_c(T)N_c(T) (1)

其中，T是温度，q是载流子电荷，μ_c是载流子迁移率，并且N_c是载流子数量密度。

可以基于等式(2)来估计载流子迁移率μ_c：

μ_c(T)∝T^-3/2或其中，E_h是自由电荷“跳跃”能量，并且k是玻尔兹曼常数。跳跃能量涉及自由电荷在一些晶格中移动的额外能量，并且E_h取决于材料的类型(金属为零)。T^-3/2项表示由于更大的载流子与晶格振动的相互作用而导致的减慢的迁移率。在一些情况下，“跳跃”项可能占主导地位并在相对较低的温度下产生迁移率的急剧增加。在大多数相关温度(例如，在预定范围内的温度)，“跳跃”项趋于平稳，并且收缩T^-3/2项成为主导行为。迁移率μ_c(T)可以具有随温度逐渐减小或增加的趋势，并且可以是大多数加热设备中的标准。此处，载流子密度N_c(T)的指数和温度依赖性基于材料而变化，并且晶格振动通常可以随着温度而增加，这降低了载流子迁移率。

如图2A所示，在金属中，电子具有连续的可允许能量(例如，N_c≈常数)，使得加热通常是稳定的，并且通过降低较热区域中的电导率来校正任何不均匀的加热，并且较冷的区域比较暖的区域具有更高的电流。因此，电导率可以估计为σ∝T^-3/2。

在半导体耐火砖中，半导体本征电导率在导带和价带之间具有带隙，使得电子被局域化并且在没有热激活的情况下不能跃迁能级。因此，本征电导率可以被估计为其中Eg是半导体带隙能量。

在半导体非本征电导率的情况下，当半导体掺杂有价电子比被替换的元素多一个或少一个的元素时，可以形成电子施主或受主位点。与“给予”或“接受”电子相关联的活化能Ea可小于半导体带隙能Eg。因此，本征电导率可以估计为半导体的指数电导率趋势导致热位置接收甚至更多的电流，这可能导致耐火砖堆叠体的其余部分中的短路状况。

因此，根据一个或多个实施例，可以在高度氧化环境中在高温陶瓷中实现“金属”行为。掺杂半导体材料以在指数趋势接管之前实现“耗尽”时段允许形成三个不同的电导率区域：本征、非本征(或“耗尽”)和电离(或“冻结”)，诸如图2B中的曲线图所示。如图2B所示，在非本征区域中，Nc(T)是恒定的，因此表现出类似金属的性能。如图2C所示，在不稳定区域中，非本征载流子被激活其中，载流子激活随着所有载流子被激活而趋于平稳，导致迁移率降低和越来越类似金属的行为，其中电导率随温度恒定(例如，σ∝T^-3/2)。随着温度继续升高，本征载流子被激活，最终超过非本征载流子，并且进入不稳定区域

图2B和图2C示出了可以通过修改材料和掺杂剂水平来选择温度上限TU和温度下限TL，从而设定耐火砖材料的电导率大致恒定的期望的操作温度范围(例如，耗尽区域)的示例。温度TU和TL取决于半导体带隙能量Eg(其是耐火砖块体材料固有的带隙能量(eV))、Ea(其是通过掺杂剂材料和块体材料之间的相互作用的掺杂剂位点的活化能(eV))、以及Na(其是所添加的掺杂剂材料的密度(每cm³))。通常，当掺杂增加时，耗尽区域转移到更高的温度。

图2C示出了掺杂的SiC陶瓷加热器，也是常见的耐火砖材料，其TL约为800℃，并且TU约为1600℃。掺杂的SiC通常由于氧化而不适用于E-TES，氧化阻止了耐火砖之间的电流流动，并最终破坏了材料的块体性质。

因此，根据一个或多个实施例，可以以给定的半导体带隙能量Eg选择基于金属氧化物(例如氧化铬(Cr₂O₃))的耐火砖块体材料。可以使用具有相对低Ea的掺杂剂材料来掺杂Na以实现期望的温度范围TL至TU。选择的目标是实现低TL(～700℃或更低)、高TU(～1800℃或更高)、大温度范围(例如，～1000℃或更高的耗尽范围)和高Na(例如，重掺杂)，使得可以忽略杂质(～1020/cm³或更高)。

图2D示出了可以根据一个或多个实施例提供稳定的、可堆叠的半导体耐火砖的示例，该耐火砖可以实现用于电加热热能存储(E-TES)系统的金属电导率行为。如图2D所示，E-TES系统200可以包括“顶部”电极202和“底部”电极204。在电极202和204之间是耐火砖层，示出为耐火砖层206。耐火砖层206包括多个可堆叠的耐火砖208，多个可堆叠的耐火砖208例如可以以彼此重叠的关系位于不同的水平面上。在另一个实施例中，耐火砖208可以全部位于同一水平面上。多个可堆叠的耐火砖208可以在相邻对的各耐火砖之间形成空气通道210，因为耐火砖208是自由堆叠的(这也允许耐火砖的热膨胀)。通常，气流可以在至少一个预定方向上。方向的示例由虚线212指示。

图3示出了可以用于容纳诸如图2D所示的耐火砖E-TES系统的说明性再生器容器的视图。如图3所示，容器系统300可以包括空气入口310、下部气室308、主体312、上部气室304和热空气出口302。共同地，气室304和308以及主体312可以形成容器314。通常，容器314可以是并置在工业设施或发电厂处的绝缘钢制容器。在具有较高空气压力的一些实施例中，容器314可以是预应力混凝土。如图所示，容器314可以容纳预定图案(例如，格子结构)的耐火砖，通常被示出为耐火砖306，并且其可以诸如关于图2D所描述的那样来实现。

如图所示，下部气室308是进入容器314的气流的半球形入口，并且上部气室304是通过容器314的气流的半球形出口。气流从入口310提供并流过耐火砖306，如虚线箭头316所指示，然后通过热空气出口302离开。在一些实施例中，下部气室308包括用于容器314的支撑结构(例如，耐腐蚀钢、陶瓷拱门、或圆顶结构等)，以支撑容器314作为站立结构。另外，在一些实施例中，通过在下部气室308和耐火砖格子结构306之间采用绝缘层，和/或通过采用被动冷却和主动冷却中的一种或两种，下部气室308可以保持在比容器314的其余部分低的温度。尽管在图3中示出为大致圆柱形，但是容器314具有基于其使用和应用而变化的特定尺寸和形状。

如将要描述的，容器314可以具有大的电力输入(例如，作为三相AC电力或作为DC电力)，并且在一个实施例中，耐火砖格子结构306可以被实现为具有预定配置的三个隔离的导电耐火砖部分。示例包括三角形配置、Y形配置、或另一配置。在一个实施例中，可以通过到经受住高温氧化环境的耐火砖格子结构和/或导电电极的电穿透部来提供三相电力。

图4示出了可以包括在图3的再生器容器中的耐火砖格子结构306的实施例。如图4所示，耐火砖格子结构306可以包括具有不同电导率和/或功能的多个层或部分的烟囱式格子(checker)耐火砖。

如图4所示，说明性实施例可以采用三种一般类型的耐火砖：绝缘耐火砖402、410、412和414、电极耐火砖404和408、以及导电耐火砖406。绝缘耐火砖是电绝缘的，并且可以使用预定的材料组合来实现。示例组合是矾土(alumina)/镁氧(magnesia)/硅石(silica)。电极耐火砖是高度掺杂(～10²¹/cm³)的金属氧化物耐火砖，其是高导电性并提供低热量产生(例如，电极耐火砖不需要小的电阻-温度系数)。导电耐火砖是仔细混合和掺杂(～10²⁰/cm³)的金属氧化物耐火砖，其电阻比电极耐火砖高约10倍并且具有小的电阻-温度系数。

如图4所示，绝缘耐火砖的示出为顶部绝缘层402的顶层使顶部电极404与容器314的结构电绝缘，并且为顶部电极404和导电耐火砖格子结构406之间的良好电接触提供热质量和重量。在一些实施例中，顶部电极404可以由多个电极耐火砖部分制成，示出为电极部分404a-n。在一些实施例中，可以存在顶部电极404的三个电极部分，例如用于隔离三相电力输入的各个相。电极部分404a-n中的每一个可以由一个或多个绝缘耐火砖部分(示出为绝缘部分414)分隔开。在另一个实施例中可以包括不同数量的部分。

导电耐火砖格子结构406也可以包括多个导电耐火砖部分，被示出为导电部分406a-n，在一些实施例中，导电部分406a-n通常可以对准并对应于用于三相电力的电极部分404a-n。导电耐火砖格子结构406是E-TES系统中的热量产生和存储的位点。底部电极408也由电极耐火砖制成。在采用Y形配置三相电力的实施例中，底部电极408是单个部分，形成用于三相Y形配置的中性点接触，如图4所示。在采用三角形配置三相电力的实施例中，底部电极408可以被分成多个导电部分，以通过格子结构406传送电力，从而提供相之间的阻抗负载。底部绝缘层410由绝缘耐火砖制成，并且使底部电极408与容器314电绝缘和热绝缘。在另一个实施例中可以包括不同数量的导电部分。

图5示出采用Y形配置三相电力的E-TES系统500的实施例例如通过仅在顶部电极404处引入电力来允许电极的容器穿透部位于容器314的顶部。如图所示，线源502产生三相电力，并且单相被提供给顶部电极部分404a-c中的对应一个。如图5所示，每个电极部分404a-c可以具有容器314的一个或多个电穿透部，示出为电连接504。图5中所示的说明性实施例可以包括仅在容器314的顶部处的电连接504。例如，仅在容器314的顶部、在顶部电极404处具有电力连接的实施例中，通过仅移除顶部绝缘层402可以更容易地维护或更换部件。其他实施例可以另外或替代地在容器314的底部处采用连接，这可能更难以接近以进行维护，但是可以受益于由于通过E-TES系统的空气流动而导致的较冷温度。在一些实施例中，电穿透部504可以例如通过环形容器套筒而是温度和/或压力受控的，以在电穿透部504和电极耐火砖部分406之间保持可靠的陶瓷/金属界面。

图6示出了E-TES系统500的Y形配置的实施例的说明性电气示意图。在该实施例中，顶部电极404的每个部分对应于从电力发电机502提供的给定相，并且底部电极408可以用于提供中性点，可选地具有中性连接602。

如本文所述，实施例提供了由掺杂的金属氧化物制成的导电耐火砖。掺杂的金属氧化物耐火砖提供高温操作范围(～1800℃)，是导电的，是电稳定的(在400℃以上表现出接近恒定的电阻率)，在许多循环上是可热循环的，是可物理堆叠并具有低接触电阻(在5PSI下约0.1Ω-cm²)，并且是便宜的。

图7A示出了耐火砖格子结构700的说明性实施例。格子结构700可以包括彼此上下堆叠的多层(或层级)耐火砖702，示出为层710a-n。如图所示，每个耐火砖702可以被实施为烟囱式砖，其具有沿着耐火砖的轴线(例如，从底部到顶部垂直地)穿过耐火砖的一个或多个烟囱通风口708。例如，如图所示，每个耐火砖702包括七个烟囱通风口708，每个烟囱通风口708的截面形状大致为六边形。每个耐火砖702的整体形状被选择为大致对称的，以允许容易地堆叠和布置在包括多个耐火砖的格子结构内，并且还允许容易地制造。例如，如图7所示，耐火砖702也可以是大致六边形的，并且可以包括围绕耐火砖的外边缘或周边的一个或多个脊706和/或齿704。外部的脊和齿可以便于将多个耐火砖布置成格子结构并且便于耐火砖之间的互锁。此外，耐火砖702以及脊706和齿704的形状可以便于在不同形状的容器(例如，图3的容器314)中部署耐火砖702而不改变耐火砖。类似地，每个耐火砖702的一侧(例如，顶部)可以包括凹陷712，并且另一侧(例如，底部)可以具有对应的突起(未示出)以配合在凹陷内，从而进一步便于堆叠和互锁耐火砖。

图7B示出了耐火砖格子结构的另一个说明性实施例，示出为耐火砖格子结构720。如图所示，每个耐火砖722可以包括一个或多个烟囱通风口728。如图所示，每个烟囱通风口的截面可以是大致正方形的，并且每个烟囱通风口沿着耐火砖的轴线(例如，从底部到顶部垂直地)穿过耐火砖。每个耐火砖722的边缘可以是倾斜的或圆形的，以便于布置在格子结构内和/或部署在不同形状的容器内，如边缘724和726所示。一些实施例可以包括一个或多个侧凹口730，以便于耐火砖之间的互锁。

图7A和图7B中所示的耐火砖实施例可以允许砖随着温度变化而膨胀和收缩，在耐火砖之间不需要可能被膨胀与收缩和/或极端温度损坏的任何材料，并且可变形性允许导电耐火砖在材料随着温度变化而变形时保持良好的电连接。

因此，所述的耐火砖通过将粉末形式的块体材料(例如氧化铬)与所需量的掺杂剂材料(例如氧化镍)混合来制备。在一些实施例中，掺杂剂材料可以在混合物的大约2％和5％之间。然后将混合物机械压制成具有所需尺寸、形状和形状因子并且包括一个或多个烟囱通风口的砖，以允许气流通过耐火砖。然后将耐火砖在温度/压力下烧结成砖。

在所描述的实施例中，耐火砖可以是掺杂有镍的氧化铬、掺杂有镁的氧化铬、掺杂有锂的氧化镍、掺杂有铜的氧化镍、掺杂有铝的氧化锌、掺杂有铈的稳定氧化锆、掺杂有铌的氧化钛、或掺杂有不同价态的金属的其他高温金属氧化物，其也可以与电惰性氧化物(诸如矾土、镁氧或硅石)混合。例如，在一些实施例中，一些矾土(例如，氧化铝)可以与掺杂有镍的氧化铬(例如，铬氧化物)混合，这可以使耐火砖更便宜和/或更坚固，而不会显著改变耐火砖的电性质。

图8A示出了耐火砖系统800的说明性实施例，其可以是图4中所示的系统的实施方式。如图所示，顶部电极802可以包括一个或多个绝缘部分822，使得绝缘部分822将顶部电极802分成多个导电部分820。类似地，耐火砖格子结构部分804也可以包括一个或多个绝缘部分818，使得绝缘部分818将耐火砖格子结构804分成多个导电部分816。底部电极806也可以包括一个或多个绝缘部分812，使得绝缘部分812将底部电极806分成多个导电部分810。如本文所述，顶部电极802、底部电极806和耐火砖格子结构804中的每一个可以包括多层耐火砖，其中每层的绝缘部分和导电部分重叠并且大致彼此对准，使得多个层形成多层整体。因此，顶部电极802、底部电极806和耐火砖格子结构804中的每一个可以具有多个多耐火砖层电隔离部分。

在一些实施例中，导电部分820、816和810的几何形状可以布置成使得各个导电部分彼此重叠，从而形成电连接并形成用于通过耐火砖系统800传导电力的路径。例如，如图8A所示，线808指示系统800的基于导电部分820、816和810的布置重叠的说明性电路径。

因此，一个或多个实施例提供了可以形成空气稳定且可堆叠的导电介质的导电耐火砖，并且堆叠耐火砖的方式可以形成通过整个系统800的期望的电流路径。如本文所述，耐火砖格子结构804是热量产生的位点。通常，耐火砖格子结构804和顶部电极802可以被分成多个(例如，三个)电隔离的相部分，以接收三相电力的每一相。此外，可以进一步划分每个相部分以形成“蛇形”电路径808，以实现期望的系统电阻和充电行为并确保系统800的被动充电稳定性。为方便起见，线808指示用于系统800的单个电相的电路径，并且用于其他相的电路径可以具有类似的配置。

如图所示，导电耐火砖被绝缘耐火砖分隔开，以形成由线808指示的通过顶部电极802、耐火砖格子结构804和底部电极806的蛇形电路径。顶部电极802和底部电极806由绝缘耐火砖以与耐火砖格子结构804不同的图案划分，但是图案可以彼此重叠以连接垂直电路径，如线808所示。

在一些实施例中，电路径808的“开始”和“结束”都在顶部电极802处，从而避免必须在容器的底部处提供任何电穿透部，例如如关于图5所描述的。然而，如本文所述，其他实施例可以替代地或另外地在容器的底部采用电穿透部。例如，如果期望使电力连接位于容器的底部而不是顶部，则可以反转本文描述的说明性实施例的格子结构图案(例如，如图8A、图8B和图8C所示)。

如图8A所示，电气系统以三角形配置操作。系统中期望的蛇形路径的数量(使得电穿透部在系统的顶部上)将确定操作配置。当蛇形路径的数量是偶数时，系统具有三角形配置，并且当蛇形路径的数量是奇数时，系统具有Y形配置。图8A示出了说明性的“六通道三角形配置”系统。此外，尽管本文通常描述为采用三相AC电力，但是例如当由诸如太阳能电池板阵列或整流器的DC电源供电时，一些实施例可以采用DC电力。如上所述，电路径808是用于三相系统的单相的蛇形电路径，并因此三相系统将采用三个单独的电路径。在DC系统中，可以使用在三角形配置中使用的相同蛇形配置的电路径808，但是三相系统的三个电路径替代地串联连接在DC电源的两个节点之间。

根据一个或多个实施例，绝缘部分822、818和812的宽度是最小两个耐火砖，以便以交错图案保持隔离，但是其他实施例可以包括更宽的绝缘部分。如图8A所示，耐火砖格子结构804的导电区域816的尺寸被设计成足够小(在一些实施例中，截面在0.25m至1.5m的范围内)，使得足够快地传导电和热以避免失控状况，并且这导致整个耐火砖格子结构804的温度的一致性。在一些实施例中，各种导电区域816的尺寸大致相似，使得区域之间的电流对称，从而导致整个耐火砖格子结构804的温度分布更一致。在一些实施例中，耐火砖格子结构804(例如，导电区域816和绝缘部分818)的高度在数十米的范围内(例如，通常为20-40m)。

图8B和图8C示出了Y形配置的E-TES系统的电极和导电耐火砖布局的说明性实施例。例如，图8B示出了采用“三通道”Y形配置的电路径808的说明性耐火砖系统801。与图8A类似，电路径808表示三相系统中的电路径之一。如本文所述，在一些实施例中，给定的电路径808对应于三相系统的相支路中的一个，并且可以在顶部电极802的导电区域820中的给定一个导电区域中开始。每个电路径808可以在Y形节点821处结束，并且通过用于三相系统的支路中的一个支路的路径808的电流通过用于三相系统的其他支路的电路径向上回流。

尽管图8B将每个蛇形路径808示出为具有相同(或基本相似)的形状，但这不是系统所要求的。在一个或多个实施例中，可以采用具有相同(或基本相似)流动面积的电路径808，以避免可能发生过热的电流瓶颈。如图8A和图8B所示，耐火砖系统的每层802、804和806可以具有预定的几何形状(例如，可以是大致六边形的)，例如，以便于装配在具有大致圆形截面形状的容器内，尽管其他形状和配置也是可能的。

图8C示出了采用具有基本上正方形或矩形截面形状的层802、804和806的说明性耐火砖系统803，其可以有利地用于相同截面形状的容器中。如图8C所示，电路径808呈“三通道”Y形配置。与图8A类似，电路径808表示三相系统中的电路径之一。如本文所述，在一些实施例中，给定的电路径808对应于三相系统的相支路中的一个，并且可以在顶部电极802的导电区域820中的给定一个导电区域中开始。每个电路径808可以在Y形节点821处结束，并且通过用于三相系统的支路中的一个支路的路径808的电流通过用于三相系统的其他支路的电路径向上回流。尽管在图8C中示出为每个蛇形路径808具有相同(或基本相似)的形状，但这不是系统所要求的。优选地，所描述的实施例将采用具有相同(或基本上相似)表面积(不一定是形状)的电路径808，使得电流在每个路径中基本上相同，从而避免可能发生过热的较高电阻的电流瓶颈。

因此，根据一个或多个实施例描述的E-TES耐火砖系统可以实现不同尺寸、形状和温度(直到一定限度，例如，～2000℃或空气中的另一限度)的加热系统。耐火砖系统在形状和尺寸方面可以具有模块化设计，并因此可以适用于各种炉或容器形状和尺寸。此外，如本文所述的耐火砖系统可以与标准控制系统兼容，同时实现比其他系统可以实现的温度更热的温度，同时在比其他解决方案更长的加热器寿命上以高稳定性操作。

图9示出了示例配电网900内的E-TES耐火砖系统912的说明性实施例。如图9所示，E-TES系统912可以与现有的发电和存储技术(例如，电力发电机902、热发电机904、合成燃料系统906、电力循环系统908和传统的电存储系统910)结合使用，以将多余的电力存储为热量，并将所存储的能量作为电力提供给电力消耗者914，或者作为热量提供给热量消耗者916。

图10示出了例如在一个或多个水泥窑中采用的如本文所述的E-TES耐火砖系统的实施例。如图所示，E-TES系统可以从水泥厂的篦式冷却器(grate cooler)接收较冷空气，然后将电加热的空气供应到旋转窑和/或预煅烧炉(precalciner)中的一个或两个。这可能导致水泥厂的碳排放显著减少，并且还可能导致大量的能量成本节省(可再生能源剩余)。减少燃烧气体的使用可导致水泥更容易煅烧。最后，估计E-TES系统对于水泥厂是非常成本有效的，估计约为水泥厂总成本的5％。

图11示出了可以用于在耦接到发电厂时充当电池的E-TES系统的实施例，该发电厂例如可以是天然气发电厂，被示出为发电厂1100。如图所示，可以从压缩机1104向E-TES系统1106提供空气。E-TES系统1106被电加热以向涡轮机1108提供热空气，该热空气又被提供给热回收蒸汽发电机1110和烟囱1112。涡轮机向压缩机1104和发电机1102提供动力。在一个实施例中，可以注入天然气以将热量增加到甚至更高的水平。该系统可以实现预定的效率，例如，55-65％的往返能量效率或不同的效率范围。

图12示出了可以与空气循环系统一起使用的E-TES系统的实施例，例如，在核电站或太阳能发电厂中。如图所示，发电厂系统1200可以包括E-TES系统1206，E-TES系统1206从一个或多个盐-空气加热器1204接收冷空气，并向涡轮机1202提供加热的空气，涡轮机1202又可以驱动发电机1208和/或热回收蒸汽发电机1212。可以将零碳燃料添加到E-TES系统1206的输出中，以在输入到涡轮机之前将温度升高或以其他方式调节到期望的范围。在一个示例实施方式中，该E-TES系统可以实现65-70％或更大的往返电效率，但是可以获得不同水平的效率。

图13示出了第一曲线图1300，其示出了掺杂的氧化铬耐火砖的电阻随温度变化的示例。曲线图1302示出了由正方形1304指示的曲线图1300的区域的放大视图。如图所示，掺杂的氧化铬耐火砖实现非常低的电阻率(<0.5Ω-cm)，其在900℃和1500℃之间几乎是线性的。

因此，根据一个或多个实施例，提供了E-TES系统，其可用于在中至高温下操作的工业和/或联合循环工厂应用。这些可以是例如使用中温热(例如，<500℃)的那些，例如蒸汽系统、化工厂、造纸厂等，并且还可以是可用于高温热应用(例如，～800-2000℃)的那些，例如钢、铝、水泥、玻璃和其他高温工业过程。

在阅读本文提供的描述之后，因此应当理解，本文描述的热量存储系统和其他实施例可以向所有类型的热量用户和热量相关应用(例如，工业应用、商业应用、住宅应用、运输应用等)提供热量。这些应用中的一些可能涉及电力生产，但是其他应用可能涉及与热量生产无关的需要热量的其他目的。因此，虽然一个或多个实施例在一些情况下可以用作电池的有效替代品，但是其他实施例可以在各种其他环境中使用，例如用于为几乎任何目的提供热量。

如本文所使用的，术语“金属氧化物”通常是指含有金属或准金属阳离子和氧化物阴离子的任何聚合物、分子或固体。这些包括但不限于过渡金属氧化物、稀土金属氧化物、碱金属氧化物和碱土金属氧化物。结构包括但不限于二元一氧化物MO、二氧化物MO₂、倍半氧化物M₂O₃、赤铜矿氧化物M₂O、以及多金属氧化物，包括但不限于尖晶石结构MN₂O₄和钙钛矿MNO₃，其中M和N是不同的金属物质。

本文中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性可以包括在所要求保护的主题的至少一个实施例中。在说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”不一定都指代相同的实施例，也不一定是与其他实施例相互排斥的单独的或替代的实施例。这同样适用于术语“实施方式”。

就说明书和权利要求书中使用方向术语(例如，上、下、顶部、底部、平行、垂直等)而言，这些术语仅旨在帮助描述各种实施例，并不旨在以任何方式限制权利要求。这些术语不要求精确(例如，精确垂直或精确平行等)，而是旨在适用正常公差和范围。类似地，除非另有明确说明，否则每个数值和范围应被解释为近似的，如同在该值或范围的值之前的词语“约”、“基本上”或“近似”一样。

同样出于本说明书的目的，术语“耦接(couple)”、“耦接(coupling)”、“被耦接(coupled)”、“连接(connect)”、“连接(connecting)”或“被连接(connected)”是指能量在两个或更多个元件之间传递的任何方式。

应当理解，本文阐述的说明性方法的步骤不一定需要以所描述的顺序执行。同样地，在这些方法中可以包括附加步骤，并且在与各种实施例一致的方法中，可以省略或组合某些步骤。

将进一步理解，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员可以对为了解释所描述的实施例的性质而已经描述和示出的部件的细节、材料和布置进行各种改变。

Claims

1.一种热能存储系统，包括：

耐火砖格子结构，所述耐火砖格子结构包括一个或多个导电耐火砖层，每个导电耐火砖层包括多个导电掺杂金属氧化物耐火砖，所述导电掺杂金属氧化物耐火砖具有一个或多个通风口以允许气流通过所述耐火砖格子结构；以及

第一电极，所述第一电极包括一个或多个电极耐火砖层，每个电极耐火砖层包括多个电极耐火砖，所述第一电极被配置为从源接收电功率；

其中，所述耐火砖格子结构由于所接收的电功率的施加而被加热，并且其中，流过所述耐火砖格子结构的空气被所述耐火砖格子结构加热。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

第二电极，所述第二电极包括一个或多个电极耐火砖层，每个电极耐火砖层包括多个电极耐火砖；

其中，所述耐火砖格子结构包括多个电隔离格子结构部分，并且所述第一电极包括多个电隔离电极部分；并且

其中，所述第二电极被配置为电耦接所述耐火砖格子结构的所述电隔离格子结构部分中的两个或更多个，以形成通过所述耐火砖格子结构的电传输路径。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多个电隔离电极部分中的每一个被配置为从所述源接收隔离的电相。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二电极被配置为提供作为三相电力提供的电功率的中性点，并且其中，所述热能存储系统以Y形配置操作。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括一个或多个绝缘层，所述绝缘层包括一个或多个绝缘耐火砖层，每个绝缘耐火砖层包括多个不导电耐火砖，所述不导电耐火砖具有用于允许气流通过所述耐火砖的一个或多个通风口。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导电掺杂金属氧化物耐火砖包括以下中的一种：掺杂有镍的氧化铬、掺杂有镁的氧化铬、掺杂有锂的氧化镍、掺杂有铜的氧化镍、掺杂有铝的氧化锌、掺杂有铈的稳定氧化锆、以及掺杂有铌的氧化钛。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述导电掺杂金属氧化物耐火砖的掺杂浓度约为10²⁰/cm³。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电极耐火砖包括以下中的一种：掺杂有镍的氧化铬、掺杂有镁的氧化铬、掺杂有锂的氧化镍、掺杂有铜的氧化镍、掺杂有铝的氧化锌、掺杂有铈的稳定氧化锆、或掺杂有铌的氧化钛。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述电极耐火砖以约10²¹/cm³的浓度高度掺杂，以具有高导电性并提供低热量产生。

10.根据权利要求5所述的系统，其中，所述非导电耐火砖包括矾土、镁氧或硅石中的一种或多种。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述耐火砖格子结构被加热到1000℃与2000℃之间的温度。

12.根据权利要求2所述的系统，其中：

所述第二电极包括多个电隔离第二电极部分，并且

所述多个电隔离格子结构部分、所述多个电隔离电极部分和所述多个电隔离第二电极部分被配置为提供通过每个电隔离格子结构部分的电路径。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，每个电路径的蛇形部分的数量是偶数，以用于所述热能存储系统以三相三角形配置操作，并且其中，每个电路径的蛇形部分的数量是奇数，以用于所述热能存储系统以三相Y形配置操作。

14.根据权利要求8所述的系统，其中，掺杂剂混合物为约2％至5％。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导电掺杂金属氧化物耐火砖包括掺杂有不同价态的金属的高温金属氧化物。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述导电掺杂金属氧化物耐火砖还包括电惰性氧化物。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述电惰性氧化物包括矾土、镁氧或硅石中的一种。

18.一种装置，包括：

第一电极；

第二电极；以及

导电耐火砖，

其中，所述导电耐火砖以预定图案设置在所述第一电极与所述第二电极之间，所述导电耐火砖中的每一个包括掺杂金属氧化物材料，所述掺杂金属氧化物材料被配置为基于施加在所述第一电极与所述第二电极之间的电势产生热量。

19.根据权利要求18所述的装置，其中：

所述预定图案包括所述导电耐火砖的多个重叠层，并且

所述导电耐火砖被间隔开以形成空气流动通道。

20.根据权利要求18所述的装置，其中，所述导电耐火砖中的每一个包括掺杂剂浓度，所述掺杂剂浓度对应于基于在所述第一电极与所述第二电极之间施加的所述电势而产生的所述热量的温度。