專利名稱：用于存儲(chǔ)熱能的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于存儲(chǔ)熱能的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
熱能存儲(chǔ)裝置(或熱存儲(chǔ)器)用于接收熱、冷或熱能并且然后存儲(chǔ)一段時(shí)間其被需要用于有用目的。這種熱存儲(chǔ)裝置允許高或低(包括低溫)溫能量被臨時(shí)存儲(chǔ)以便稍后使用，并且提供存儲(chǔ)熱能，例如，用于稍后轉(zhuǎn)換成電、用于空氣液化過程以減少由該過程消耗的能量或者提供冷卻以進(jìn)行共定位過程(co-located processes)的可能性。已知通過增加或減少物質(zhì)溫度、通過改變物質(zhì)狀態(tài)(即，固體、液體或氣體)或通過這兩者的組合來存儲(chǔ)熱能。熱存儲(chǔ)器通常以三階段熱存儲(chǔ)過程來操作蓄能、存儲(chǔ)和釋能。

圖1示出了一般的熱存儲(chǔ)器的表示。該存儲(chǔ)器包括熱質(zhì)量10、通路20、表面特征30、入口 40和出口 50。在蓄能階段，在下文被稱為HTF的熱傳遞流體(液體或氣體)，通過入口 40，進(jìn)入到通路20中，并且離開出口 50，以加熱或冷卻熱質(zhì)量10。在存儲(chǔ)階段，熱能則被存儲(chǔ)在熱質(zhì)量10中直到被需要。在釋能階段，HTF在熱質(zhì)量10之上通過入口 40，進(jìn)入到通路20中并且離開出口 50，以回收熱能，用于傳遞到另一過程。熱質(zhì)量10包括表面特征30以促進(jìn)熱傳遞。在已知的熱存儲(chǔ)器中，蓄能和釋能階段是對(duì)稱的，即，HTF流率在蓄能和釋能階段期間是相同的。這種熱存儲(chǔ)器所在其中被使用的一種應(yīng)用是在用于發(fā)電的存儲(chǔ)能量的領(lǐng)域。需要大規(guī)模的存儲(chǔ)能量的有效方式來利用發(fā)電能力平衡消費(fèi)者對(duì)電的需求，并且消除例如由可再生能源間歇供應(yīng)的水平。能量需求以小時(shí)、天、周和季節(jié)基礎(chǔ)變化。除使用傳統(tǒng)的化石燃料工廠之外，目前用于平衡供需的替代解決方法被認(rèn)為對(duì)于幫助控制溫室氣體排放是重要的。W02007/096656公開了一種低溫能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，其利用低溫液態(tài)空氣和環(huán)境空氣或廢熱之間的溫度和相差異來在低需求和/或過量生產(chǎn)的時(shí)段存儲(chǔ)能量，從而允許該存儲(chǔ)的能量稍后被釋放以在高需求和/或限制輸出的時(shí)段期間發(fā)電。該系統(tǒng)包括用于在低電需求時(shí)段期間液化空氣的裝置、用于存儲(chǔ)產(chǎn)生的液態(tài)空氣的裝置和用于使液態(tài)空氣膨脹的膨脹渦輪。該膨脹渦輪連接到發(fā)電機(jī)以在需要時(shí)發(fā)電來滿足供需之間的差額。這種低溫能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的效率的主要限制是在從膨脹之后的膨脹渦輪排放的過程空氣中余留的冷能量的量。低溫能量存儲(chǔ)和熱能存儲(chǔ)的組合提供匹配電力供應(yīng)以滿足供需中的變化的裝置。具體地，熱存儲(chǔ)器能夠與低溫能量存儲(chǔ)系統(tǒng)一起使用，以回收并存儲(chǔ)當(dāng)?shù)蜏啬芰看鎯?chǔ)器發(fā)電時(shí)釋放的冷能，并且在對(duì)低溫能量存儲(chǔ)系統(tǒng)再蓄能時(shí)釋放該冷能以降低制造低溫流體的能量成本。圖2示出了包括空氣液化器模塊60、低溫液體存儲(chǔ)器70、低溫能量回收模塊80和熱存儲(chǔ)器90的低溫能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的示例。圖2示出了由于在發(fā)電之間所需的時(shí)間位移而存在熱存儲(chǔ)的需要，以及產(chǎn)生另外的冷凍劑的需要。因此，需要一種有效的冷能熱存儲(chǔ)器，其促進(jìn)從廢氣中回收冷能并且允許冷能作為高級(jí)冷被存儲(chǔ)，以最大化在液化作用階段期間使用的稍后回收的火用效率，從而促進(jìn)更多的冷凍劑的生產(chǎn)，和/或?yàn)楣捕ㄎ贿^程提供冷卻。當(dāng)在低溫能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中使用熱存儲(chǔ)器存儲(chǔ)冷能時(shí)，熱存儲(chǔ)器的釋能階段和蓄能階段可以具有不同的持續(xù)時(shí)間。具體地，釋能階段通常比蓄能階段長(zhǎng)四倍或更多倍。由于高需求和低需求時(shí)段之間的不匹配以及不同的持續(xù)蓄能和釋能階段，需要一種能夠以不同速率進(jìn)行蓄能和釋能的靈活熱存儲(chǔ)系統(tǒng)。對(duì)這種熱存儲(chǔ)系統(tǒng)的需要給出對(duì)熱存儲(chǔ)器的一般需求，其中，能夠針對(duì)“不對(duì)稱”操作域(regime)、即熱存儲(chǔ)器的蓄能和釋能不以相同的HTF流率執(zhí)行的域，來優(yōu)化熱回收、HTF壓力損失和存儲(chǔ)容量。這些需要也適用于熱能作為熱而被存儲(chǔ)的系統(tǒng)。因此，需要一種促進(jìn)以高的火用效率從廢氣回收熱、冷或熱能的有效熱存儲(chǔ)器。填充床熱存儲(chǔ)理論發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，優(yōu)化HTF和熱質(zhì)量之間的接界的設(shè)計(jì)以確保在低壓降下從HTF到熱存儲(chǔ)器的良好熱傳遞是很重要的。通常，希望提供具有大的表面積和打破HTF-固體接界處的熱邊界層的特征的固體熱質(zhì)量，以便促進(jìn)最佳的熱傳遞。然而，這樣的特征增加了固體熱質(zhì)量和HTF之間的摩擦，因此增加了熱存儲(chǔ)器兩端產(chǎn)生的HTF壓力損失。在顆粒填充床的情形中，流體流率和每單位長(zhǎng)度的壓力損失之間的關(guān)系被Ergun描述為
權(quán)利要求
1.一種熱能存儲(chǔ)裝置，包括 第一熱質(zhì)量； 第二熱質(zhì)量；以及 第二熱質(zhì)量； 其中 所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量中的至少兩個(gè)熱質(zhì)量的縱橫比彼此不同；以及 由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)，所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成用于引導(dǎo)熱傳遞流體通過所述熱質(zhì)量中的一個(gè)或多個(gè)熱質(zhì)量的組合， 其中，所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)使得所述熱質(zhì)量能夠彼此隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其中，所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成用于引導(dǎo)所述熱傳遞流體通過如下熱質(zhì)量 i )通過所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量中的所有熱質(zhì)量，或者 ii)通過所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量中的兩個(gè)熱質(zhì)量，或者 iii)通過所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量中的一個(gè)熱質(zhì)量。
3.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的熱能存儲(chǔ)裝置，還包括支撐結(jié)構(gòu)，以支撐所述熱質(zhì)量。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的熱能存儲(chǔ)裝置，還包括隔熱材料，以隔離每個(gè)熱質(zhì)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其中，所述隔熱材料被施用到所述支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，和/或在每個(gè)熱質(zhì)量的基部與所述支撐結(jié)構(gòu)之間設(shè)有熱中斷部。
6.根據(jù)從屬于權(quán)利要求3時(shí)的權(quán)利要求4所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其中，所述隔熱材料包括雙皮層設(shè)計(jì)，在該雙皮層設(shè)計(jì)中，所述支撐結(jié)構(gòu)通過隔離物層以及與每個(gè)熱質(zhì)量接觸的內(nèi)側(cè)薄皮層而與每個(gè)熱質(zhì)量隔離。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其中，所述隔熱材料包括噴涂涂層或封裝的隔離材料，所述噴涂涂層被施用到所述支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，所述封裝的隔離材料被裝配到所述支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其中，在每個(gè)熱質(zhì)量的入口和出口處設(shè)有閥。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其中，所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)使得所述熱傳遞流體能夠被弓I導(dǎo)通過所述熱質(zhì)量中的串聯(lián)的兩個(gè)或更多個(gè)熱質(zhì)量。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其中，所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)使得所述熱傳遞流體能夠被引導(dǎo)通過所述熱質(zhì)量中的并聯(lián)的第一熱質(zhì)量和第二熱質(zhì)量，以及所述熱質(zhì)量中的與所述第一熱質(zhì)量及所述第二熱質(zhì)量串聯(lián)的第三熱質(zhì)量。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其中，所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)使得所述熱傳遞流體能夠被引導(dǎo)通過所述熱質(zhì)量中的并聯(lián)的兩個(gè)或更多個(gè)熱質(zhì)量。
12.—種存儲(chǔ)能量的方法，包括 提供熱能存儲(chǔ)裝置，所述熱能存儲(chǔ)裝置包括 第一熱質(zhì)量， 第二熱質(zhì)量，以及 第二熱質(zhì)量， 其中所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量中的至少兩個(gè)熱質(zhì)量的縱橫比彼此不同；以及 提供由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)，所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)被構(gòu)造成用于引導(dǎo)熱傳遞流體通過所述熱質(zhì)量中的一個(gè)或多個(gè)熱質(zhì)量的組合，其中，所述由導(dǎo)管和閥構(gòu)成的布置結(jié)構(gòu)使得所述熱質(zhì)量能夠彼此隔離； 通過引導(dǎo)所述熱傳遞流體通過所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量來利用熱能對(duì)所述熱能存儲(chǔ)裝置進(jìn)行蓄能；然后 將所述熱能儲(chǔ)存在所述熱能存儲(chǔ)裝置中一段時(shí)間；然后 通過引導(dǎo)熱傳遞流體通過所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量而釋放來自所述熱能存儲(chǔ)裝置的熱能中的至少一部分，其中所述蓄能步驟和/或釋能步驟包括多級(jí)過程。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述釋能步驟包括 通過引導(dǎo)熱傳遞流體通過所述熱質(zhì)量中的一個(gè)或多個(gè)熱質(zhì)量的第一構(gòu)造而釋放來自所述熱能存儲(chǔ)裝置的熱能中的一部分；然后 通過引導(dǎo)熱傳遞流體通過所述熱質(zhì)量中的一個(gè)或多個(gè)熱質(zhì)量的第二構(gòu)造而釋放來自所述熱能存儲(chǔ)裝置的熱能的另一部分，其中，所述第一構(gòu)造不同于所述第二構(gòu)造。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中，所述蓄能步驟包括 通過引導(dǎo)所述熱傳遞流體通過所述熱質(zhì)量中的一個(gè)或多個(gè)熱質(zhì)量的第三構(gòu)造而將所述熱能的一部分蓄存到所述熱能存儲(chǔ)裝置中；然后 通過引導(dǎo)所述熱傳遞流體通過所述熱質(zhì)量中的一個(gè)或多個(gè)熱質(zhì)量的第四構(gòu)造而將所述熱能的另一部分蓄存到所述熱能存儲(chǔ)裝置中，其中，所述第三構(gòu)造不同于所述第四構(gòu)造。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中，所述熱傳遞流體包括氣體或液體。
16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中，所述熱質(zhì)量中的每一個(gè)熱質(zhì)量均包括一個(gè)熱單元或者彼此并聯(lián)布置的多個(gè)熱單元。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置或方法，其中，所述第一熱質(zhì)量比所述第二熱質(zhì)量包括更多個(gè)熱單元，所述第二熱質(zhì)量又比所述第三熱質(zhì)量包括更多個(gè)熱單元。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的裝置或方法，其中，每個(gè)熱單元均包括以下項(xiàng)中的一個(gè)或它們的組合 i)固體顆粒填充床，所述熱傳遞流體能夠直接通過所述固體顆粒填充床，以將熱能運(yùn)載到所述熱能存儲(chǔ)裝置以及從所述熱能存儲(chǔ)裝置運(yùn)載熱能， ii)布置在至少一個(gè)導(dǎo)管周圍的固體顆粒填充床，所述熱傳遞流體能夠通過所述至少一個(gè)導(dǎo)管， iii)包括多個(gè)通路的固體質(zhì)量基質(zhì)，所述熱傳遞流體能夠通過所述多個(gè)通路，或者 iv)一定體積的相變材料。
19.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中，每個(gè)熱單元均包括以下項(xiàng)中的一個(gè)或它們的組合 i)固體顆粒填充床，所述熱傳遞流體能夠直接通過所述固體顆粒填充床，以將熱能運(yùn)載到所述熱能存儲(chǔ)裝置以及從所述熱能存儲(chǔ)裝置運(yùn)載熱能，ii)布置在至少一個(gè)導(dǎo)管周圍的固體顆粒填充床，所述熱傳遞流體能夠通過所述至少一個(gè)導(dǎo)管。
20.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法或裝置，其中，所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量包括固體顆粒，并且，所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量中的至少兩個(gè)熱質(zhì)量中的顆粒直徑彼此不同。
21.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法或裝置，其中，所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量包括固體顆粒，并且，所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量中的至少兩個(gè)熱質(zhì)量中的顆粒直徑彼此相同。
22.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中，每個(gè)熱質(zhì)量均具有大于180s/mm的熱容量/導(dǎo)熱率比值。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置或方法，其中，每個(gè)熱質(zhì)量均具有大于500s/_的熱容量/導(dǎo)熱率比值。
24.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中，每個(gè)熱質(zhì)量均包括巖石。
25.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中，對(duì)所述熱能存儲(chǔ)裝置進(jìn)行蓄能的步驟包括引導(dǎo)所述熱傳遞流體通過所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量，其中，所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量并聯(lián)布置，并且所述第一熱質(zhì)量與所述第二熱質(zhì)量及所述第三熱質(zhì)量串聯(lián)布置。
26.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中，對(duì)所述熱能存儲(chǔ)裝置進(jìn)行蓄能的步驟包括引導(dǎo)所述熱傳遞流體通過串聯(lián)布置的所述第一熱質(zhì)量、所述第二熱質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量。
27.根據(jù)權(quán)利要求13或根據(jù)從屬于權(quán)利要求13的任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述熱質(zhì)量的所述第一構(gòu)造包括串聯(lián)的所述第一質(zhì)量和所述第二熱質(zhì)量。
28.根據(jù)權(quán)利要求13或根據(jù)從屬于權(quán)利要求13的任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述第二構(gòu)造包括串聯(lián)的所述第二質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量。
29.根據(jù)權(quán)利要求13或根據(jù)從屬于權(quán)利要求13的任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述第二構(gòu)造包括串聯(lián)的所述第一熱質(zhì)量、所述第二質(zhì)量和所述第三熱質(zhì)量。
30.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中，所述熱質(zhì)量具有不同的橫截面面積。
31.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中，所述第三熱質(zhì)量的橫截面面積小于所述第二熱質(zhì)量的橫截面面積。
32.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的裝置或方法，其中，所述第二熱質(zhì)量的橫截面面積小于所述第一熱質(zhì)量的橫截面面積。
33.根據(jù)權(quán)利要求13或根據(jù)從屬于權(quán)利要求13的任一權(quán)利要求所述的方法，其中，在這三個(gè)熱質(zhì)量中，所述熱傳遞流體在最終釋能期間所流動(dòng)通過的最后一個(gè)熱質(zhì)量具有最小的橫截面面積。
34.根據(jù)權(quán)利要求12至33中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，蓄能期間的所述熱傳遞流體的速度與釋能期間的所述熱傳遞流體的速度不同。
35.根據(jù)權(quán)利要求12至34中的任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過所述熱質(zhì)量的所述熱傳遞流體的流動(dòng)速率在該循環(huán)的蓄能階段和/或釋能階段期間不同。
36.一種低溫能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括 根據(jù)權(quán)利要求1至11、15至24或30至32中的任一項(xiàng)所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其中，所述裝置被構(gòu)造成用于存儲(chǔ)在功率產(chǎn)生期間釋放的冷的熱能，以及釋放所述冷的熱能以提供冷能來使冷凍劑液化和/或?yàn)楣捕ㄎ贿^程提供冷卻。
37.一種低溫發(fā)電系統(tǒng),包括 根據(jù)權(quán)利要求1至11、15至24或30至32中的任一項(xiàng)所述的熱能存儲(chǔ)裝置，其中，所述裝置被構(gòu)造成用于存儲(chǔ)來自廢熱源的、熱的熱能，并且在發(fā)電期間釋放所述熱的熱能。
全文摘要
公開了用于存儲(chǔ)熱能的方法和設(shè)備。熱能可以是熱的或冷的。該方法和設(shè)備允許熱存儲(chǔ)器在不同的速率下蓄能和釋能。該方法和設(shè)備還允許以多個(gè)階段和/或中斷階段對(duì)熱存儲(chǔ)器蓄能和釋能。
文檔編號(hào)F28D20/00GK103069247SQ201180040018
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月12日
發(fā)明者羅伯特·摩根, 邁克爾·迪爾曼 申請(qǐng)人:高維有限公司