TW202100240A - 用於基於流體化床累積能量之工廠與方法 - Google Patents

Abstract

一種用於累積及轉移熱能之工廠，該工廠包含至少一累積裝置（1），該種類之累積裝置具有一可流體化固體粒子床（3），對於每一累積裝置（1），該工廠進一步包含： - 電阻器構件（7），其配置於該殼體（2）內且與該粒子床（3）熱連接，該等電阻器（7）經組態以用於將藉由焦耳效應產生之熱能傳輸至該等粒子，且該等電阻器由來自風源或光伏打源之超出電能供給；及 - 熱交換構件（8；5），其亦與該粒子床熱連接且可選擇性地經致動以自該粒子床接收熱能， 整體組態使得該熱能自所述電阻器構件（7）轉移至該床（3）之該等可流體化固體粒子且自該等可流體化固體粒子轉移至所述熱交換構件（8；5）。

Description

用於基於流體化床累積能量之工廠與方法

本發明主要係關於一種用於以熱形式累積能量之工廠與方法。特定言之，本發明使用用於累積裝置熱能之裝置，該等裝置使用可流體化固體粒子床。

用於自可再生源（特定言之，光伏打及風類型之源）產生電能之低成本工廠已為吾人所知。

在過去十年中，意大利及全世界對光伏打工廠之使用已顯著增加，且對風力組件之使用亦是如此，即使且尤其考慮到脫碳（使用無CO₂ 大氣排放之能源）。由於可再生源（實際上，如風及太陽）之非連續性質，隨著自可再生源產生之組分增加，愈來愈頻繁判定之情形為在一些時間段期間，未利用之能量可用性過度，從而損害生產之整體利用。

此外，為了補償在其他時間段內來自可再生源之降低的能量可用性，需要來自化石燃料或核燃料或來自大型水電廠之能量供應。

此外，電能之成本經受與能源市場趨勢有關之相當大的變化，且當最大值與最小值之間存在相當大的差異時，有機會以最小成本購買電能、累積電能且接著在後續時間以較高值輸送電能。

為了解決上文所提及之缺點，有時會依賴於電化學電池，然而，電化學電池並不允許儲存重要能階。此外，一些所使用之電化學累積系統為整個生產系統中之最關鍵要素，此尤其歸因於該等系統之短可用年限、相對於效能之高投資成本、效能與環境溫度之相依性、火災風險、對調節工廠之需求（以保持所希望之溫度）、污染金屬之使用、有限可用性、對在操作結束時棄置之需求，及在任何情況下，上文所提及之在每一環境條件下保證連續供應所需的能量累積之有限能力。

本發明提出及解決之技術問題則藉由以下操作來克服上文參考已知技術領域所提及之缺點：使工廠可用於以具有特定有效性之熱形式累積能量，尤其可用於在向最終使用者供應電或熱能時保證操作連續性。

上文所提及之技術問題由如技術方案1之工廠及如技術方案21之方法解決。

本發明之較佳特徵闡述於所附申請專利範圍中。

本發明係基於一種裝置，其允許在可流體化固體粒子床中以熱形式累積能量且同時或隨後轉移及/或轉換所累積能量，以便允許基於最終使用者之需要對引出能量進行可規劃且靈活的使用。有利地，所累積能量可再轉化成電能或直接以熱形式使用，例如用於區域加熱或淡化工廠，或甚至經受民用或工業應用此兩種形式之組合使用。

在粒子床中累積之熱能由插入於同一床中或熱連接至該床之組件產生，該等組件利用柵格中可用性過度的電能，此過度歸因於例如由一或多個光伏打、風力系統或與不同能源相關聯之系統供應的生產過度，或歸因於使用者之負載減少。一般而言，所提出之裝置以熱形式累積來自其他源之電能，例如相對於使用者要求而言可用性過度的電能，特別是由風或光伏打工廠產生之能量。

替代地，或結合剛剛所說明之內容，為了累積熱能，可利用熱殘餘能量，例如來自若干源之廢熱，該等源例如鋼廠、水泥廠、熱電廠或其他工業製程。在此情況下，可藉由加熱粒子床之流體化氣體或藉由將專用熱交換器插入至此類粒子床中來利用功率熱能。

床之加熱組件之該等電或熱功率系統可插入至收納粒子床之同一工廠中，或該等系統可相對於該粒子床處於單獨及/或遠端位置。

此外，可在加熱流體化床之不同階段中，亦即針對不同溫度範圍，使用若干電源。

加熱粒子床之組件可浸沒至床自身中，且包括例如電阻器、熱泵元件或其他。

浸沒至粒子床中之此等組件或加熱元件可提供利用耐高溫材料之合適層或屏蔽（screen）（例如，陶瓷或耐火構件）獲得的保護。

在使用電阻器之情況下，眾所周知的是，電阻器藉由焦耳效應產生熱能。在使用熱泵之情況下，同樣眾所周知的是，熱泵為能夠藉由使用電能將熱能自具有較低溫度之源轉移至具有較高溫度之源的熱機器。具有較低溫度之源可例如由外部環境或由工業製程之熱殘餘物（廢熱）表示。

有利地，加熱組件，特別是電阻器及/或熱泵之冷凝器，可連接至裝置之殼體之基座或側壁。

粒子床可包括沙或具有高比熱之其他合適材料，或由沙或具有高比熱之其他合適材料組成。在較佳組態中，床之粒子達到＞約600℃之累積溫度，且更佳地包含於約700℃至1000℃之範圍內。

如上文所提及，床較佳地藉助於用於供應及分佈流體化氣體（典型地為空氣）之系統而流體化。

流體化可涉及床之特定操作區，例如與電阻、與熱泵之冷凝器或與其他加熱組件或整個粒子床直接接觸之區段。有利地，流體化系統可提供可彼此獨立地啟動之若干流體化單元，及/或提供床之所選部分之獨立流體化的可能性，亦即，流體化之「分隔（compartmentation）」。

在另一較佳具體實例中，加熱組件（例如，上文所提及之電阻器）可經配置以加熱粒子床之流體化氣體，接著經由該流體化氣體將熱能供應至此床。此外，加熱組件可加熱待在裝置之其他點（例如，在粒子床之自由表面之區域或自由空域（freeboard）中）中供應的氣體。

在具體實例變體中，加熱元件亦可或僅例如利用浸沒至粒子床中之管束加熱跨越熱交換器流動之操作流體或載體，例如空氣或水。

在此等變體中，可應用加熱元件以加熱該操作流體或氣體，特定言之，至多超過800℃至900℃。

累積工廠經組態以如上所述以推遲方式將熱能轉移至另一組件及/或工廠以用於產生及供應電能及/或熱能。為此目的，累積裝置可包括以下熱交換組件中之一或多者，或與以下熱交換組件中之一或多者相關聯： - 屬於熱電、熱離子及/或熱光伏打類型之元件，或另外不同類型之元件，其能夠將所累積熱能轉換成電能； - 熱交換器，其容納於累積裝置內且由粒子床插入或輕輕沖刷（lap），其中操作流體流動，特別是用於供給用於產生電能之熱力學循環； - 熱交換器，其屬於熱泵，該熱泵減去去往粒子床之熱能以將該熱能讓與根據需要使用該熱能之其他環境； - 熱交換器，其通常用以加熱流體，典型地為蒸汽，以將熱能直接且高效地用於民用、農業或工業用途。

較佳地，此類熱交換組件（若浸沒於粒子床中或由此粒子床輕輕沖刷）甚至受到耐高溫材料之合適層或屏蔽（例如陶瓷或耐火構件）保護。

較佳地，該等熱交換組件可例如藉助於電開關及/或閥彼此獨立地選擇性啟動，以便根據下游使用者對電能及/或熱能之實際請求進行干預或去啟動。

替代地或結合所描述模式，亦可藉由直接使用自粒子床引出之熱流體化氣體而自累積裝置轉移熱能。完全或部分使用之此類氣體較佳地藉助於耐高溫之旋風器或陶瓷過濾器除塵，隨後將其遞送至下游使用者。

基於較佳具體實例，提供累積裝置之兩個組態，如下文中所說明。

第一具體實例係基於將被稱作「閉合」之組態，其中粒子床容納於不具有朝向外部環境之開口的殼體內。因此，在此組態中，由粒子床累積之熱能排他地由上文所提及之加熱組件產生。

在第二具體實例中，提供將被稱作「開放」之組態，其中裝置具有具備朝向外部環境之開口的殼體。經由此開口，與由合適光學系統集中之太陽輻射相關聯的熱能可轉移至粒子床。開口可允許在無屏蔽之情況下在外部環境與內部環境之間直接連接，或具備對太陽輻射透明之面板或窗。

可能藉由定日鏡集中之太陽能熱位用於產生電能的此類用途在所屬技術領域中係已知的。特定言之，用於基於直接或間接地曝露於太陽輻射之可流體化固體粒子床累積及轉移該熱能之裝置例如在WO2013/150347A1及WO2017/021832A1中為吾人所知。

在此第二具體實例中，接著，在流體化床中累積之熱能可來自兩個貢獻：初級能量之貢獻，該初級能量諸如由光學系統集中且由流體化床吸收之太陽輻射；及次級能量之貢獻，該次級能量諸如藉助於與同一可流體化床相關聯之加熱組件轉換成熱能的電能。當需要保證熱能在任何天氣條件下持續地可用於供給需要連續性之工業製程（諸如熱淡化）時，此最後一個具體實例為特別有利的。

如上所述，所提出之累積系統累積較佳地來自可再生源之熱能，以靈活地產生電能及/或熱能。該累積系統可使用複數個累積裝置，該複數個累積裝置中之每一者實施可根據需要倍增以在24小時/365天向群體及工廠提供服務時產生電能及熱能的模組，且除了耐久及經濟外，該累積系統表示當前電化學累積系統以及用於產生化石燃料能量之系統的可持續替代方案。

目前所描述之系統可累積可量測量達數十GWh之熱能，接著適合於向具有高效率層級之大型渦輪機提供服務。

此外，相對於已知技術領域，該系統能夠為電力柵格之穩定性提供重要服務，如上所述，電力柵格歸因於非連續可再生能量連續增加而愈來愈岌岌可危，且因此，該系統允許放棄基於化石或核源之傳統源。

所提出之系統之另一優點為與緯度無關，此係由於其可藉由提供低成本基本服務且對環境及人類健康無環境影響而在任何氣候條件下安裝於世界上任何國家。

本發明之額外優點、特徵及使用模式將自本發明之一些具體實例之以下詳細描述顯而易見，該詳細描述係藉助於實例而非出於限制性目的展示。

將在下文中描述本發明之具體實例及變體，且此描述係藉由參考上文所提及之諸圖來進行。

使用相同參考數字在若干圖中指定類似組件。

在以下詳細描述中，相對於已在相同描述中所處理之具體實例及變體的額外具體實例及變體將被說明為限於相對於已說明之內容的差異。

此外，有可能組合地使用下文中所描述之若干具體實例及變體以及相對組件、構件及元件。

參看圖1，根據本發明之第一較佳具體實例之用於累積及轉移熱能之裝置整體上以1指定。

該裝置意欲用於具備累積及轉移熱能之功能的工廠中，特別是用於電能及/或熱能生產工廠中。

裝置1首先包含圍阻殼體2，該圍阻殼體界定內部隔室20，該內部隔室經組態以容納可流體化粒子床3。

殼體2可具有多邊形（例如立方體或平行六面體）幾何形狀。在本實施例中，殼體2具有上壁21、側裙部23及下壁或基座24。

關於裝置1之幾何形狀，吾人可界定縱向方向L，其在本實施例中為垂直方向；及橫向方向T，其正交於縱向方向L且在此實施例中則為水平方向。

裝置1在此以閉合形式組態，亦即，其不具有朝向外部環境之開口，且較佳地，其相對於外部環境隔熱。

可流體化粒子床3屬於由固體粒子形成之顆粒類型。裝置1之粒子床之較佳顆粒材料類型具有高性能、導電性及熱擴散率之特徵。

床3佔據內部隔室20以便甚至在使用中在其自身自由表面35上方保留自由空間22或自由空域。特定言之，空間22在下側受自由表面35限制，在上側受殼體2之壁21限制且橫向地受殼體自身之裙部23限制。

粒子床3較佳地由流體化構件調動，該等流體化構件整體上以4指定，且經組態以經由同一粒子床3供應及分佈流體化氣體，特別是空氣。在本具體實例中，構件4包含用於供應或引入流體化空氣之複數個元件，亦即粒子床3，該複數個元件配置於殼體2之下部基座24處。

粒子床3內之流體化空氣路徑則為由下至上，特別是豎直或實質上豎直。更一般而言，流體化氣體之引入係根據縱向方向L進行。

來自粒子床3之流體化氣體收集於自由區域或自由空域22內，且該流體化氣體由置放於上壁21上之合適（未說明）抽油煙機捕獲。

有利地，可提供用於選擇性地改變流體化氣體之速度及/或流動速率的構件。以相同方式，可提供粒子床之部分之選擇性及/或差異流體化（differentiated fluidization）。

一或多個電阻器或電阻7定位於粒子床3內部，且較佳地完全浸沒於該粒子床中。在本具體實例中，該一或多個電阻器係藉助於實例自粒子床之基座引入，且該一或多個電阻器在縱向方向L上延伸。

該等電阻器7由用於產生電能之構件供給，該等構件例如光伏打及/或風類型之構件，且較佳地，該等電阻器受耐高溫之（未說明）屏蔽保護，該等屏蔽例如陶瓷材料層。

一或多個熱交換組件8容納於自由區域或自由空域22中，該一或多個熱交換組件可連接至殼體2之壁21或安裝於殼體2之壁21上。熱交換組件8熱連接至粒子床3且可由諸如（未說明）電開關之系統啟動。在本實施例中，有利地，組件8屬於熱電、熱離子、熱光伏打類型或其組合。組件8經組態以用於將熱能直接轉化成電能，且接著，該等組件實際上將粒子床3之熱能轉換成可供任何類型之使用者使用的電能。

組件8可甚至容納於流體化粒子床3內部，且接著，該等組件浸沒至流體化粒子中或由流體化粒子輕輕沖刷。

組件8甚至較佳地受耐高溫或耐磨蝕之（未說明）屏蔽保護，該等屏蔽例如陶瓷材料層。

圖1之二、圖1之三及圖1之四各自展示圖1之裝置之各別具體實例變體，其中電阻器7由粒子床之不同加熱構件或組件替換，該等加熱構件或組件實際上經組態以將進入能量（特定言之，電能）轉換成粒子床3之加熱熱能。

在圖1之二中，熱交換器70定位於粒子床3內部，該等熱交換器屬於熱泵71之迴路，該熱泵包含與低溫源接觸之第二交換器72、壓縮機73及疊層閥（lamination valve）74。在圖1之四之變體中，浸沒至粒子床中、以70'指定之交換器基於操作流體之使用而為熱交換迴路71'之部分。

在圖1之三中，空氣加熱器700插入於用於供應流體化氣體之迴路內部，該等空氣加熱器藉由允許增加其所含有之熱能而使進入粒子床3之氣體之溫度升高。

圖2係關於根據本發明之裝置之第二具體實例，該裝置在本文中以1'指定。裝置1'不同於如上文所描述之第一具體實例及相關變體之裝置，此係歸因於具有容納於床3內之其他熱交換元件，特別是管束5。此類管束5可被操作流體（例如，處於液體及/或蒸汽狀態之水）穿過，且自床3之粒子接收熱。

特定言之，在圖2之組態中，在設計溫度及壓力之條件下，可使自裝置1'經由管束5引出之操作流體在耦接至產生器之渦輪機510中膨脹，該產生器用於產生電能或可用於其他工業目的，例如，用於在調節系統或淡化工廠中產生熱水。換言之，管束5連接至工廠之插入有裝置1'的其他組件，例如，一或多個渦輪機510、冷凝器521、調溫器530、中間熱交換器511、泵520等等，其中之每一者本身係已知的。

具體實例變體可以單一組件或與粒子床3相關聯之熱交換元件形式提供管束5。

類似於圖1之二至圖1之四，圖2之二、圖2之三及圖2之四各自展示圖2之裝置之各別具體實例變體，其中電阻器7由粒子床之不同加熱構件或組件替換，該等加熱構件或組件實際上經組態以將進入能量（特別是電能）轉換成粒子床3之加熱熱能。

在圖2之二中，熱交換器70定位於粒子床3內部，該等熱交換器屬於熱泵71之迴路，該熱泵包含與低溫源接觸之第二交換器72、壓縮機73及疊層閥74。在圖2之四之變體中，浸沒至粒子床中、以70'指定之交換器基於操作流體之使用而為熱交換迴路71'之部分。

在圖2之三中，空氣加熱器700插入於用於供應流體化氣體之迴路內部，該等空氣加熱器藉由允許增加由該等空氣加熱器供應之熱能而使進入粒子床3之氣體之溫度升高。

圖3係關於本發明之裝置之第三較佳具體實例，該裝置在本文中以100指定。相對於參考第一具體實例及相對的上文所說明變體描述之裝置，裝置100在殼體2之上壁21處具有照射開口10。與裝置100相關聯之（未說明）光學系統集中入射太陽輻射，從而實際上進入此類開口10且在隔室20內。以此方式，床3之粒子吸收太陽能起源之初級熱能。

在本實例中，開口10展示為配置於殼體2之上壁21處，且較佳地相對於該上壁縱向地居中。具體實例變體可提供其不同定位。以相同方式，在操作條件下，開口10可朝向外部完全開放，而不遮蔽或覆蓋構件，或該開口可具有對入射太陽輻射透明之保護窗。

本文中所考慮之組態允許累積來自電阻器7之電源供應器或其他已提及組件以及來自經由照射開口10集中之太陽輻射的熱能。

圖3亦展示裝置100之經塑形限制結構80或誘因（invitation），該限制結構配置於照射開口10之口部處。限制結構80可完全或主要出現在裝置100外部，亦即，其可或不可在空的空間22內部分地突出。

限制結構80具有貫通開口，亦即，其具有管狀結構，以便藉助於照射開口10保持殼體2之內部與外部之間的直接連通。

在具體實例變體中，限制結構80界定幫助自由空域22避免或減少空氣及/或粒子朝向外部洩漏之無風腔室。

在本具體實例變體中，限制結構80具有楔形，特別是圓錐形形狀，其中區段朝向殼體2之內部減小。限制結構之此區段允許不干擾由專用光學系統集中之太陽輻射之方向。

此外，在本具體實例變體中，裝置100包含配置於限制結構80處或屬於照射開口10之輔助裝置9。輔助裝置9由熱電及/或熱離子及/或熱光電面板構成，且其經組態以便直接曝露於入射太陽輻射以用於產生電能。替代地，裝置9由熱交換器構成，該熱交換器適於藉助於太陽輻射之自身載體流體直接吸收太陽輻射之熱。

類似於針對其他具體實例所說明之內容，圖3之二、圖3之三及圖3之四各自展示圖3之裝置之各別具體實例變體，其中電阻器7由粒子床之若干加熱構件或組件替換，該等加熱構件或組件實際上經組態以將進入能量（特別是電能）轉換成粒子床3之加熱熱能。

在圖3之二中，熱交換器70定位於粒子床3內部，該等熱交換器屬於熱泵71之迴路，該熱泵包含與低溫源接觸之第二交換器72、壓縮機73及疊層閥74。在圖3之四之變體中，浸沒至粒子床中、以70'指定之交換器基於操作流體之使用而為熱交換迴路71'之部分。

在圖3之三中，空氣加熱器700插入於用於供應流體化氣體之迴路內部，該等空氣加熱器藉由允許增加其所含有之熱能而使進入粒子床3之氣體之溫度升高。

參看圖4，此示意性地說明本發明之裝置之第四具體實例，該裝置在本文中以100'指定。類似於圖2之組態，裝置100'不同於參看圖3所描述之裝置，此係歸因於具有容納於床3內之其他熱交換元件，特別是管束5。該等管束及與其相關聯之其他工廠組件之組態與上文已實際上參看圖2描述之組態相同。

輔助裝置9可獨立於浸沒至粒子床中之熱交換元件5，或該輔助裝置可連接至該粒子床。

圖4之二、圖4之三及圖4之四各自展示圖4之裝置之各別具體實例變體，其中電阻器7由粒子床之若干加熱構件或組件替換，該等加熱構件或組件實際上經組態以將進入能量（特別是電能）轉換成粒子床3之加熱熱能。

在圖4之二中，熱交換器70定位於粒子床3內部，該等熱交換器屬於熱泵71之迴路，該熱泵包含與低溫源接觸之第二交換器72、壓縮機73及疊層閥74。在圖4之四之變體中，浸沒至粒子床中、以70'指定之交換器基於操作流體之使用而為熱交換迴路71'之部分。

在圖4之三中，空氣加熱器700插入於用於供應流體化氣體之迴路內部，該等空氣加熱器藉由允許增加其所含有之熱能而使進入粒子床3之氣體之溫度升高。

在如剛剛參看圖3-3之四及4-4之四所描述的「開放」組態中，累積及轉移裝置可提供熱離子及/或熱電及/或熱光伏打類型之組件，該等組件配置於殼體2外部，例如圍繞屬於參看圖1及圖2所提及之相同類型之組件8之照射開口10，且經組態以用於供給電阻7或上文參考若干具體實例變體介紹之其他熱交換組件。

本發明裝置之可能的額外（未說明）組態（呈「閉合」及「開放」形式兩者）規定：替代地或結合所描述模式，藉由直接使用自粒子床引出之熱流體化氣體而自累積裝置轉移熱能。完全或部分使用之此類氣體較佳地藉由耐高溫之旋風器或陶瓷過濾器除塵，隨後將其遞送至下游使用者。

如上文所提及，目前所描述之裝置中之每一者可插入於經組態以用於以熱形式累積能量之工廠中。下文描述一些可能的額外工廠組態。

圖5展示根據本發明之一較佳具體實例之工廠的方塊圖，該工廠整體上以200指定。工廠200包含根據上文所提及之具體實例及具體實例變體中之任一者的複數個裝置，該複數個裝置各自實施各別累積模組。在所表示實施例中，例示n個裝置，其分別以210'、210''、210 ⁿ 指定。較佳地，上文所提及之裝置屬於不具有照射開口之類型，且接著根據圖1-1之四或圖2-2之四的具體實例變體實施。在所提出之組態中，其限制條件為由上文所提及之模組累積的熱能用於蒸汽生產。

工廠200由可再生源400供給以利用其超出的電能，在圖中，該等可再生源以風源及光伏打源例示。在本文中考慮之具體實例中，工廠插入於現有熱電工廠內部或其併有現有熱電工廠，特別是包含化石燃料鍋爐300及屬於產生系統（generation system）或功率區塊（power block）202之渦輪機。

根據來自柵格之需求，工廠200藉助於合適熱交換器或包括於每一模組中之熱交換元件實現熱能釋放，以用於產生待遞送至在此情況下已經預先存在於工廠中之產生系統或功率區塊202之蒸汽，以用於產生電能。

工廠200係藉助於控制系統或單元201而管理，該控制系統或單元尤其控制進入累積模組210'至210 ⁿ 、功率區塊202之能量流及至柵格（「柵格（grid）」）500之能量供應。

在本文中例示之組態中，取決於在產生群組202附近可用於工廠之區域，累積模組之數目可用以藉由消除或減少化石燃料之消耗及環境中之CO₂ 之對應排放而產生已存在之鍋爐300之相同熱功率或僅其一部分。

所安裝模組之數目可最初受限且隨後增加以達到鍋爐300之相同熱功率產生。

圖6展示圖5之組態之變體的方塊圖，其中在產生群組202中插入執行蒸汽再過熱之渦輪機230。

在圖6中所例示之工廠變體之循環中，提供蒸汽再加熱（「再加熱（reheating）」），從而允許提高生產有效性。此類再加熱係藉助於以211'至211 ⁿ 指定之額外累積模組執行，該等模組亦屬於已參考上文所說明裝置描述之類型。

模塊化裝置之集合接著較佳地劃分成兩個區段，其中此兩個區段之模組藉由轉換來自可再生源400之電能來累積熱能。自模組210'至210 ⁿ 之第一區段引出的所產生蒸汽引入於渦輪機230中，且在第一膨脹步驟之後返回模組211'至211 ⁿ 之其他區段以用於蒸汽再加熱，接著再次在渦輪機230中引入該蒸汽再加熱。

然而，在所表示組態中，提供具有固體燃料之鍋爐300，該鍋爐經由兩個專用管線或區段301及302整合蒸汽過熱。

圖7展示根據本發明之另一較佳具體實例變體之能量累積工廠的方塊圖。關於已關於圖5所描述之內容，在本文中所考慮之工廠中，累積模組210'至210ⁿ 完全代替化石燃料鍋爐。

圖8展示圖7之方案之變體，其中所產生之能量係用於熱使用者205。關於前述組態，本文中所考慮之工廠藉由轉換來自可再生源之電能而累積熱能，且取決於所連接之熱使用者之需求而轉移熱能。

圖9展示根據本發明之較佳具體實例之累積工廠佈局（lay-out）的示意性圖示，該佈局包含50個模組，該等模組各自係基於根據上文所提及之具體實例及具體實例變體中之任一者的各別累積裝置。模組藉由轉換來自可再生源之電能而累積熱能，且在請求後藉助於專用產生群組產生電能。

模塊化系統（如例示模塊化系統）能夠藉由歸因於其高功率密度佔據小空間而達到任何所需能量累積層級，例如，5公頃-100個熱模組-3000 MWh，藉由饋入有效性為40%之渦輪機，該能量累積層級等於1200電MWh，其能夠供給有1,000,000居住者之城市。

在所有上文所描述之較佳組態中，每一累積模組具備用於回火所產生蒸汽以將流體溫度調適成所連接使用者之操作參數的系統。

此外，如已說明，每一工廠組態提供控制系統，該控制系統管理用於累積單一模組中之熱能及（若需要）按原樣或以電能形式釋放熱能的步驟。

在此上下文中，額外共產生組態對於電能及熱能之組合生產係可能的。

如上文所說明，累積大量熱能之可能性甚至允許使用現有化石燃料發電廠，而非新的經適當設計及建構之渦輪機/產生器群組。後一可能性可為現如今藉由化石燃料所產生之電能至由可再生源產生之電力實現的轉型經濟帶來相當大的經濟及環境優勢。

本發明進一步提供一種用於基於上文已關於本發明之工廠所描述之功能性而累積及轉移熱能之方法。

目前已參考本發明之較佳具體實例描述本發明之主題。應意謂可存在屬於相同發明核心之其他具體實例，所有具體實例屬於下文所報告之申請專利範圍之保護範圍。

無

將參考附圖之圖式，其中： - [圖1]係關於根據本發明之工廠之用於累積及轉移熱能之裝置的第一較佳具體實例，藉由展示該裝置在縱向截面中之示意性圖示，該裝置在閉合組態中包含插入於可流體化粒子床中之電阻器且具備熱離子、熱電及/或熱光伏打組件以用於將熱能直接轉化成電能； - [圖1之二]係關於圖1之裝置之第一具體實例變體，其中使用熱泵來代替電阻器； - [圖1之三]係關於圖1之裝置之第二具體實例變體，其中使用與用於供應流體化氣體之迴路相關聯的加熱器來代替電阻器； - [圖1之四]係關於圖1之四之裝置之具體實例變體，其提供用以加熱在插入至粒子床中之合適熱交換器中流動之操作流體（例如，空氣或水）的加熱器； - [圖2]係關於根據本發明之工廠之用於累積及轉移熱能之裝置的第二較佳具體實例，其中藉由展示該裝置在縱向截面中之示意性圖示，已將插入至粒子床中之熱交換器添加至圖1之組態； - [圖2之二]係關於圖1之二之裝置之較佳具體實例變體，其中藉由展示該裝置在縱向截面中之示意性圖示，已添加插入至粒子床中之熱交換器； - [圖2之三]係關於圖1之三之裝置之較佳具體實例變體，其中藉由展示該裝置在縱向截面中之示意性圖示，已添加插入至粒子床中之熱交換器； - [圖2之四]係關於圖1之四之裝置之較佳具體實例變體，其中藉由展示該裝置在縱向截面中之示意性圖示，已添加插入至粒子床中之熱交換器； - [圖3]係關於根據本發明之工廠之用於累積及轉移熱能之裝置的第三較佳具體實例，藉由展示該裝置在縱向截面中之示意性圖示，該裝置在開放組態中使用電阻器且具備熱離子、熱電及/或熱光伏打組件以用於將熱能直接轉化成電能； - [圖3之二]係關於圖2之二之相同具體實例變體，藉由展示其在縱向截面中之示意性圖示，該相同具體實例變體處於開放類型之替代組態中； - [圖3之三]係關於圖2之三之相同具體實例變體，藉由展示其在縱向截面中之示意性圖示，該相同具體實例變體處於開放類型之替代組態中； - [圖3之四]係關於圖2之四之相同具體實例變體，藉由展示其在縱向截面中之示意性圖示，該相同具體實例變體處於開放類型之替代組態中； - [圖4]係關於根據本發明之工廠之用於累積及轉移熱能之裝置的第四較佳具體實例，其中在圖3之組態中，藉由展示該裝置在縱向截面中之示意性圖示，已添加插入至粒子床中之熱交換器； - [圖4之二]係關於圖1之二之相同具體實例變體，藉由展示其在縱向截面中之示意性圖示，該相同具體實例變體處於開放類型之替代組態中； - [圖4之三]係關於圖1之三之相同具體實例變體，藉由展示其在縱向截面中之示意性圖示，該相同具體實例變體處於開放類型之替代組態中； - [圖4之四]係關於圖1之四之相同具體實例變體，藉由展示其在縱向截面中之示意性圖示，該相同具體實例變體處於開放類型之替代組態中； - [圖5]展示根據本發明之較佳具體實例之能量累積工廠的方塊圖，該能量累積工廠包含根據上文所提及之具體實例及具體實例變體中之任一者的累積裝置，該等累積裝置各自實施各別累積模組，該工廠由可再生源供給且插入於現有熱電發電廠內部； - [圖6]展示圖5之組態之變體的方塊圖，其中插入執行蒸汽再過熱之渦輪機； - [圖7]展示根據本發明之另一較佳具體實例之能量累積工廠的方塊圖，該工廠產生電能且包含根據上文所提及之具體實例及具體實例變體中之任一者的累積裝置，該等累積裝置各自實施各別累積模組，該工廠由可再生源供給且其中該等裝置代替傳統鍋爐； - [圖8]展示根據本發明之額外較佳具體實例之能量累積工廠的方塊圖，該工廠產生熱能且包含根據上文所提及之具體實例及具體實例變體中之任一者的累積裝置，該等累積裝置各自實施各別累積模組，該工廠由可再生源供給；且 - [圖9]展示根據本發明之較佳具體實例之累積工廠佈局的示意性圖示，該佈局包含50個模組，該等模組各自係基於根據上文所提及之具體實例及具體實例變體中之任一者的各別累積裝置。 上文所提及之諸圖中所展示的大小應意謂僅僅例示且其未必按比例表示。

Claims (26)

1. 一種用於以熱形式累積能量之工廠， 其包含至少一個累積裝置（1），該累積裝置（1）具有： 一圍阻殼體（2）； 一可流體化固體粒子床（3），其收納於該殼體（2）內； 加熱構件（7；70；70'；700），其與該粒子床（3）熱連接，所述加熱構件經組態以將熱能傳輸至該等粒子；及 熱交換構件（8；5），其亦熱連接至該粒子床（3）且選擇性地經啟動以自該粒子床接收熱能， 整體組態使得該熱能自所述加熱構件（7；70；70'；700）轉移至該床（3）之該等可流體化固體粒子，且以同時或延遲之方式自該等可流體化固體粒子轉移至所述熱交換構件（8；5）， 其中該工廠經組態以藉助於例如來自一可再生源之電能，特別是風能或光伏打能，或藉助於熱能，例如來自工業製程之熱廢料而供給所述加熱構件。
2. 如請求項1之工廠，其中所述加熱構件配置於該殼體（2）內且與該床（3）之該等粒子接觸。
3. 如請求項1或2之工廠，其中所述加熱構件包含配置於該殼體（2）內且與該粒子床（3）熱連接之電阻器構件（7），所述電阻器構件（7）經組態以藉由焦耳效應產生熱能且將該熱能傳輸至該床（3）之該等粒子。
4. 如請求項3之工廠，其中所述電阻器構件（7）經配置以至少部分地浸沒於該粒子床（3）中或經配置以便由該粒子床輕輕沖刷。
5. 如請求項3或4之工廠，其中所述電阻器構件（7）包含在實質上正交於該粒子床（3）之一自由表面（35）之方向上縱向延伸的一或多個矩形元件。
6. 如請求項1至5中任一項之工廠，其中所述加熱構件（7；70；70'）及/或所述熱交換構件（8；5）具有耐高溫材料之層或屏蔽，例如陶瓷或耐火構件。
7. 如請求項1之工廠，其中所述加熱構件（700）配置於該殼體（2）外部。
8. 如請求項7之工廠，其中所述加熱構件（700）熱連接至該床（3）之該等粒子之一流體化氣體之一迴路（4）且經組態以在所述加熱構件進入該殼體（2）之前加熱該氣體。
9. 如請求項1至8中任一項之工廠，其中所述加熱構件包含熱交換器（70；70'），該等熱交換器在使用中被一操作流體，特別是呈液體及/或蒸汽形式之水穿過。
10. 如請求項1至9中任一項之工廠，其中所述加熱構件（70）為一熱泵裝置（71）之一迴路之部分。
11. 如請求項1至10中任一項之工廠，其中所述熱交換構件包含以下組件中之一或多者：熱電元件（8）；熱離子元件（8）；熱光伏打元件（8）；管束（5），其經組態以在使用中被一操作流體穿過。
12. 如請求項1至11中任一項之工廠，其中該殼體（2）具有一照射開口（10），該照射開口經組態以允許一入射太陽輻射進入，使得該粒子床（3）接收來自該入射太陽輻射之熱能。
13. 如請求項12之工廠，其中該照射開口（10）使該殼體（2）之一內部隔室（20）與外部環境直接連通，該照射開口在使用中無閉合或遮蔽構件。
14. 如請求項12或13之工廠，其中該照射開口（10）配置於該殼體（2）之一上壁（21）處，使得該可流體化固體粒子床（3）或其一部分在使用中直接曝露於該入射太陽輻射。
15. 如請求項1至11中任一項之工廠，其中該殼體（2）相對於外部閉合，較佳地相對於外部隔熱。
16. 如請求項1至15中任一項之工廠，其包含經組態以用於將一流體化氣體，較佳地為空氣，引入至該可流體化固體粒子床（3）中的流體化構件（4）。
17. 如請求項16之工廠，其包含用於選擇性地改變該流體化氣體之速度及/或流動速率的構件。
18. 如請求項16或17之工廠，其中所述流體化構件經組態以用於該粒子床之所選部分之一獨立流體化。
19. 如請求項1至18中任一項之工廠，其包含用於產生電能（202）之構件，所述構件配置於該累積裝置下方，特定言之包括與該熱交換構件流體連通之一渦輪機。
20. 如請求項1至19中任一項之工廠，其包含複數個累積裝置（1；1'；100；100'），該複數個累積裝置經配置成以熱方式與穿過每一累積裝置之所述熱交換構件的一操作流體串聯或並聯。
21. 一種用於以熱形式累積能量之方法，該方法提供： 藉由經配置成與一可流體化固體粒子床（3）熱連接之加熱構件（7；70；70'；700）產生熱能之一步驟，所述加熱構件藉助於例如來自一可再生源之電能，特別是風能或光伏打能，或藉助於熱能，例如來自其他工業工廠之熱廢料而供給； 累積該可流體化固體粒子床（3）中之熱能之一步驟； 將所累積熱能轉移至熱交換構件（8；5）以用於將該等可流體化固體粒子之該熱能轉化成電能及/或用於將該熱能轉移至外部的一後續步驟。
22. 如請求項21之方法，其包含該床（3）之該等可流體化固體粒子之一流體化步驟，該床係在選定操作條件下經啟動。
23. 如請求項22之方法，其提供對一流體化氣體之速度及/或流動速率的一選擇性調整。
24. 如請求項21至23中任一項之方法，其提供該粒子床之所選部分之一獨立流體化。
25. 如請求項21至24中任一項之方法，其提供來自自該粒子床排除之一熱流體化氣體之熱能的一轉移。
26. 如請求項21至25中任一項之方法，其使用一如請求項1至20中任一項之工廠。

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