發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能量的儲(chǔ)存和輸送。更具體地，本發(fā)明提供了一種優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的熱能儲(chǔ)存器的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器(hightemperaturethermalenergystorage)、一種構(gòu)建所述儲(chǔ)存器的方法和一種操作所述儲(chǔ)存器的方法。

發(fā)明背景和現(xiàn)有技術(shù)

可用于儲(chǔ)存來自新能源和傳統(tǒng)能源的能量并且在需要時(shí)輸送能量的成本效益高的能源儲(chǔ)存器對(duì)于改善新能源和現(xiàn)有能源的利用來說是一個(gè)“缺少的環(huán)節(jié)”。

能量儲(chǔ)存允許在可變能源不能夠輸送的時(shí)候進(jìn)行輸送，提供穩(wěn)定性并允許能源的更大比例部分是可再生的并且對(duì)環(huán)境友好。另外，由于能源和儲(chǔ)存器都可以同時(shí)輸送能量，所以可以增加最大的輸送，并且由于儲(chǔ)存器可以位于發(fā)現(xiàn)需求的位置，用于傳送電能或熱能的網(wǎng)絡(luò)可以更小。

在專利公開wo2012/169900a1中，描述了熱能儲(chǔ)存器(tes)，其具有優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的儲(chǔ)存器的有益特性。更具體地說，實(shí)用且成本效益高的解決方案是提供熱儲(chǔ)存器，其使用固態(tài)材料作為主要儲(chǔ)存介質(zhì)，允許將能量作為高溫?zé)崃績?chǔ)存，這意味著在足夠高的溫度下的熱能以將熱量有效地轉(zhuǎn)換成渦輪發(fā)電機(jī)組或等效裝置中的電功率。

在國際專利申請(qǐng)pct/no2013/050120中，描述了熱能儲(chǔ)存器(如根據(jù)wo2012/169900a1的教導(dǎo)的那些熱能儲(chǔ)存器)如何是有益的，以便簡化和提高各種類型的能量站(例如聚光式太陽能發(fā)電站和核電站)的效率。

德國宇航中心(dlr)已經(jīng)開發(fā)了一些相關(guān)的技術(shù)，例如在專利公開de102009036550a1中所描述的。然而，對(duì)于大規(guī)模儲(chǔ)存而言，構(gòu)建dlr的熱能儲(chǔ)存器是相當(dāng)困難和昂貴的。此外，所述儲(chǔ)存器不容易搬運(yùn)和運(yùn)輸，不是特別適于模塊化地堆疊和模塊化地增大或減小熱儲(chǔ)存器，相對(duì)于所提供的儲(chǔ)存容量具有大的占地面積，由于高的表面與體積的比而具有大的熱損失，不適于容納熱傳遞流體或識(shí)別熱傳遞流體可能的泄漏的確切位置，并且不適于容易地維修或更換或繞過/隔離儲(chǔ)存器的模塊化部件或較小部件。

盡管具有由上述技術(shù)提供的最近的重大進(jìn)展，但仍然需要改進(jìn)。效果/成本比率總是需要改進(jìn)，以及需要改進(jìn)熱能儲(chǔ)存器相對(duì)于能量源的通用性和靈活性。本發(fā)明的目的是使用新技術(shù)滿足不斷增長的需求和需要，提供對(duì)于上述一個(gè)或數(shù)個(gè)問題的改進(jìn)。

發(fā)明概述

本發(fā)明提供一種構(gòu)建高溫?zé)崮軆?chǔ)存器的方法。該方法的獨(dú)特之處在于該方法包括以下步驟：

為所述儲(chǔ)存器構(gòu)建隔熱基座，

構(gòu)建至少一個(gè)自支撐箱(self-supportedcassette)，所述箱是包含一定數(shù)量的混凝土熱能儲(chǔ)存元件的自支撐框架或結(jié)構(gòu)，構(gòu)建該至少一個(gè)自支撐箱是通過構(gòu)建所述框架或結(jié)構(gòu)和一定數(shù)量的各個(gè)混凝土熱能儲(chǔ)存元件以及將所述元件布置在所述框架或結(jié)構(gòu)中，所述元件中的一些或全部包括嵌入式熱交換器，

在所述基座上布置和/或構(gòu)建所述至少一個(gè)箱，

構(gòu)建并可操作地連接管道系統(tǒng)，所述管道系統(tǒng)包括分別用于將熱輸入到所述儲(chǔ)存器和從所述儲(chǔ)存器輸出熱的入口和出口，以及連接到所述熱交換器的連接部，所述連接部用于使流體循環(huán)穿過所述熱交換器，以用于將熱能輸入到所述熱能儲(chǔ)存元件或從所述熱能儲(chǔ)存元件輸出熱能，和

在包含混凝土熱能儲(chǔ)存元件的自支撐箱的周圍和頂上布置隔熱物。

優(yōu)選地，該方法以任何可操作的組合包括以下步驟中的一個(gè)或更多個(gè)：

將一定數(shù)量的箱豎直地堆疊在所述基座上，構(gòu)建一個(gè)或數(shù)個(gè)箱堆疊，所述一個(gè)或數(shù)個(gè)箱堆疊被布置成一個(gè)或數(shù)個(gè)堆疊排；

布置一個(gè)或多個(gè)所述箱堆疊，使得所述混凝土熱能儲(chǔ)存元件水平地定向；

經(jīng)由連接到所述箱中的所述熱交換器的管道使豎直的箱串聯(lián)地連接，

將所述管道系統(tǒng)布置在所述箱或所述箱堆疊的一側(cè)上；

布置所述管道系統(tǒng)，使得數(shù)個(gè)箱堆疊并聯(lián)地聯(lián)接；

將所述管道系統(tǒng)和箱或者箱堆疊布置成塊，使得通過操作所述管道系統(tǒng)的閥，每個(gè)塊能夠與其余的所述儲(chǔ)存器隔離；

堆疊和布置被封裝的箱，使得外部表面積與體積的比最小化，實(shí)現(xiàn)所述儲(chǔ)存器的具有小占地面積的緊密封裝的體積，布置所述箱，使得所述混凝土熱儲(chǔ)存元件水平地定向，并且將所述管道系統(tǒng)布置在所述儲(chǔ)存器的一側(cè)或多個(gè)側(cè)上，

構(gòu)建長形的混凝土熱能儲(chǔ)存元件和長形的箱框架，并且當(dāng)將具有所述元件的所述箱布置在所述儲(chǔ)存器中時(shí)，使所述元件和所述箱水平地定向，

布置用于熱能輸入和輸出的所述管道系統(tǒng)，使得所述儲(chǔ)存器的所述入口和所述出口能夠可逆地改變，并且使得至少一個(gè)入口或出口布置在所述儲(chǔ)存器的較高的高度處，并且至少一個(gè)入口或出口布置在所述儲(chǔ)存器的較低的高度處，并且布置所述熱能元件的所述熱交換器的所述連接部和/或閥，使得流體能夠向上、向下或水平橫向地逐漸或逐步地循環(huán)穿過所述熱交換器；

將所述箱布置成堆疊或具有多個(gè)箱堆疊的塊，使得所述管道系統(tǒng)僅布置在所述元件的所述堆疊或所述塊的一側(cè)上，優(yōu)選地面向所述儲(chǔ)存器的壁，

將具有混凝土熱能儲(chǔ)存元件的箱布置成豎直地站立在所述基座上，這特別適于氣體作為熱傳遞流體的情況，并且優(yōu)選地包括將具有所述元件的所述箱構(gòu)建成豎直地站立在所述基座上的步驟，

為自支撐箱或結(jié)構(gòu)布置用于頂板和/或壁元件的聯(lián)接部件，并且隔熱的頂板和/或壁元件包括與所述箱或結(jié)構(gòu)的聯(lián)接部件配合的聯(lián)接部件，分別將所述元件布置和聯(lián)接為隔熱的頂板和壁，

將所述混凝土熱能儲(chǔ)存元件以堆疊形式布置在包括兩個(gè)相對(duì)的側(cè)壁和底板，但沒有頂板的框架內(nèi)，所述元件放置在下面的依水平定向地被容納在所述側(cè)壁內(nèi)的元件上，從而提供向上開口但能夠容易地堆疊在彼此頂上的箱，

以堆疊形式布置所述元件，并且嵌入物、支撐件、墊片或類似物體在沿著所述元件長度的規(guī)律的或不規(guī)律的位置處位于所述元件之間，提供所述元件之間的距離，所述元件之間的所述嵌入物、支撐件、墊片或類似物體包括聯(lián)接部件，所述聯(lián)接部件提供被堆疊和聯(lián)接的自支撐箱結(jié)構(gòu)，

以堆疊形式布置所述元件，并且支撐系統(tǒng)部件處于所述元件之間，所述支撐系統(tǒng)部件包括聯(lián)接部件并且被布置在沿著所述元件的長度的規(guī)律的或不規(guī)律的位置處，提供所述元件之間的距離，被聯(lián)接起來的所述支撐系統(tǒng)部件提供包括用于元件的開口的自支撐結(jié)構(gòu)，所述開口具有所述元件配合在其中的六邊形形狀、正方形形狀、矩形形狀、圓形形狀、橢圓形形狀、三角形形狀或其它形狀，

以堆疊形式布置所述元件，并且支撐系統(tǒng)層處于所述元件之間，所述支撐系統(tǒng)層包括在沿著所述元件的長度的規(guī)律的或不規(guī)律的位置處的聯(lián)接部件，提供所述元件之間的距離，被聯(lián)接起來的所述支撐系統(tǒng)層提供自身支撐結(jié)構(gòu)，所述自支撐結(jié)構(gòu)包括被裝配或聯(lián)接并且被堆疊的支撐系統(tǒng)層，提供具有用于元件的開口的支撐系統(tǒng)，所述開口具有所述元件配合在其中的六邊形形狀、正方形形狀、矩形形狀、圓形形狀、橢圓形形狀、三角形形狀或其它形狀，

將呈相變材料形式的活性的熱傳遞和儲(chǔ)存介質(zhì)(activeheattransferandstoragemedium)填充在所述元件和儲(chǔ)存器外殼之間的體積中，或

將呈滯止液體(stagnantliquid)形式的活性的熱傳遞和儲(chǔ)存介質(zhì)填充在所述元件和儲(chǔ)存器外殼之間的體積中，或

將呈動(dòng)態(tài)流體形式的活性的熱傳遞和儲(chǔ)存介質(zhì)填充在所述元件和儲(chǔ)存器外殼之間的體積中，使得所述動(dòng)態(tài)流體能夠在所述元件和所述箱之間從所述外殼的入口流動(dòng)到所述外殼的出口。

本發(fā)明的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器可以包括不同設(shè)計(jì)的部件或塊，因此上面所說明的特征的任何組合都是可能的。

更具體地，構(gòu)建至少一個(gè)自支撐箱的步驟優(yōu)選包括以下步驟：

構(gòu)建框架，

將熱能儲(chǔ)存元件的外部金屬殼布置在所述框架中，所述熱能儲(chǔ)存元件的外部金屬殼是組合式的澆鑄模殼、加固結(jié)構(gòu)、和容納用于熱能輸入或輸出的流體的容納結(jié)構(gòu)，如果發(fā)生流體泄漏的話；

將熱交換器和可選的電加熱器布置到所述金屬殼中；

在所述外部金屬殼定位在豎直站立的位置并且具有開口的上端部的情況下，將灰漿或混凝土混合物填充至達(dá)到規(guī)定水平，在所述規(guī)定水平處，所述熱交換器和可選的加熱器的端部或連接部向上延伸超過豎直站立時(shí)的所述元件的頂部，并且可選地在開口端部上方布置金屬殼蓋，所述端部或連接件穿過所述蓋；

使灰漿或混凝土固化，和

搬運(yùn)和運(yùn)輸所述箱，在所述儲(chǔ)存器中將所述箱放置在其預(yù)期位置和定向上，

由此所述框架不僅用作澆鑄和固化所述混凝土熱能儲(chǔ)存元件的固定裝置，以及有利于搬運(yùn)和運(yùn)輸所述元件的結(jié)構(gòu)，而且還用作用于所述儲(chǔ)存器本身和所述儲(chǔ)存器中的所述箱堆疊的自支撐結(jié)構(gòu)。

替代地，通過上述步驟，混凝土熱能元件單獨(dú)地被構(gòu)建并被裝配在箱中，當(dāng)澆鑄時(shí)，使用另一個(gè)框架或固定裝置使元件的外部金屬殼保持豎直。不具有混凝土的箱或箱部件(即裝配起來的或單獨(dú)的框架、外部金屬殼和熱交換器)優(yōu)選地具有合適的尺寸和重量，以適于由正常的建筑工地起重機(jī)搬運(yùn)并在通常的容器中運(yùn)輸。優(yōu)選地，所述箱部件在車間中預(yù)制和測(cè)試。僅在澆鑄步驟期間，具有開口的上端部、具有在內(nèi)部的熱交換器并且優(yōu)選地緊密地布置在所述框架中的外部金屬殼必須布置在豎直位置、接近豎直的或傾斜的位置中以有利于澆鑄。在澆鑄后，優(yōu)選地，箱仍然可以通過建筑工地上或在其它地方的重型起重機(jī)、通過輕型起重機(jī)、通過卡車和通過軌道來運(yùn)輸。

本發(fā)明還提供一種高溫?zé)崮軆?chǔ)存器，其獨(dú)特之處在于，儲(chǔ)存器包括：

隔熱基座，

至少一個(gè)自支撐箱，其布置在所述基座上，所述箱是包含一定數(shù)量的混凝土熱能儲(chǔ)存元件的自支撐框架或結(jié)構(gòu)，所述元件中的一些或全部包括嵌入式熱交換器，

管道系統(tǒng)，所述管道系統(tǒng)包括分別用于將熱輸入至所述儲(chǔ)存器和從所述儲(chǔ)存器輸出熱的入口和出口，以及連接到所述熱交換器的連接部，所述連接部用于使流體循環(huán)穿過所述熱交換器，以用于將熱能輸入到所述熱能儲(chǔ)存元件或從所述熱能儲(chǔ)存元件輸出熱能，和

隔熱物，其在具有所述混凝土熱儲(chǔ)存元件的所述至少一個(gè)自支撐箱的周圍和頂上。

優(yōu)選地，本發(fā)明的儲(chǔ)存器以任何可操作的組合包括以下特征中的一個(gè)或更多個(gè)：

一個(gè)或數(shù)個(gè)豎直的箱堆疊；

箱堆疊被布置成使得所述混凝土熱能儲(chǔ)存元件水平地定向；

管道系統(tǒng)在所述箱或所述箱堆疊的一側(cè)上；

管道系統(tǒng)被布置成使得數(shù)個(gè)箱堆疊并聯(lián)地聯(lián)接；

管道系統(tǒng)和箱或箱堆疊被布置成塊，使得通過操作所述管道系統(tǒng)的閥，每個(gè)塊能夠相對(duì)于其余的所述儲(chǔ)存器一個(gè)接一個(gè)地或逐步地被隔離或繞過，

管道系統(tǒng)被布置成使得通過操作所述管道系統(tǒng)的閥，各個(gè)熱元件和各個(gè)箱能夠相對(duì)于其余的所述儲(chǔ)存器一個(gè)接一個(gè)地或逐步式被隔離或繞過，

一個(gè)或多個(gè)箱堆疊被緊密地堆疊和布置成使得所述儲(chǔ)存器的外表面積與體積的比最小化，實(shí)現(xiàn)所述儲(chǔ)存器的小的占地面積和少的熱量損失，

箱被布置成使得所述混凝土熱能儲(chǔ)存元件水平地定向，并且所述管道系統(tǒng)布置在所述儲(chǔ)存器的一側(cè)或更多側(cè)上，優(yōu)選地僅布置在一側(cè)或兩側(cè)上，

具有混凝土熱儲(chǔ)存元件的箱被布置成豎直地站立在所述基座上，這特別適于氣體作為熱傳遞流體的情況。

優(yōu)選地，儲(chǔ)存器包括熱能儲(chǔ)存元件，熱能儲(chǔ)存元件包括：

外部金屬殼，

嵌入的管式熱交換器，

所述殼內(nèi)的硬化的混凝土或灰漿，其中所述熱交換器的端部或連接部從混凝土延伸出，

其中所述外部殼是組合式的澆鑄模殼、加固結(jié)構(gòu)、和容納用于熱能輸入或輸出的流體的容納結(jié)構(gòu)，在嵌入式熱交換器泄漏的情況下。

優(yōu)選地，外部金屬殼是用于混凝土的唯一加固結(jié)構(gòu)。與不具有外部金屬殼的混凝土儲(chǔ)存元件相比，外部金屬殼還增加了儲(chǔ)存器的最大可接受的溫度和溫度范圍，因?yàn)槟途眯該?jù)此得到改善。

優(yōu)選地，儲(chǔ)存器包括用于熱能輸入和輸出的管道系統(tǒng)，所述管道系統(tǒng)被布置成使得所述儲(chǔ)存器的入口和出口能夠可逆地改變，并且使得至少一個(gè)入口或出口被布置在所述儲(chǔ)存器的高的高度處，并且至少一個(gè)入口或出口被布置在所述儲(chǔ)存器的低的高度處，并且所述熱能元件的單獨(dú)的熱交換器或成組的熱交換器的連接部或閥被布置成使得流體能夠向上或向下逐漸或逐步地循環(huán)穿過所述熱交換器。術(shù)語入口和出口是指具有根據(jù)上下文的預(yù)期功能的管道聯(lián)接器或連接器、或閥、焊接的聯(lián)接器、開口或類似結(jié)構(gòu)。

在優(yōu)選實(shí)施方案中，儲(chǔ)存器包括自支撐箱堆疊，所述箱包括在至少一端部開口的框架，所述框架包含緊密封裝的混凝土熱能儲(chǔ)存元件，所述混凝土熱能儲(chǔ)存元件具有外部金屬殼和嵌入所述混凝土中的熱交換器，所述元件以水平定向布置在豎直箱堆疊中，其中所述框架不僅是用于澆鑄和固化所述元件的固定裝置，以及有利于搬運(yùn)和運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，而且還用作所述儲(chǔ)存器本身和所述儲(chǔ)存器中箱堆疊的結(jié)構(gòu)。

儲(chǔ)存器優(yōu)選地包括具有用于頂板和/或壁元件的聯(lián)接部件的自支撐箱框架或結(jié)構(gòu)，并且隔熱的頂板和/或壁元件包括與所述箱框架或結(jié)構(gòu)的聯(lián)接部件配合的聯(lián)接部件，分別被布置和聯(lián)接為隔熱的頂板和壁。該實(shí)施方案對(duì)于小型和中等尺寸的儲(chǔ)存器是特別可行的。

本發(fā)明還提供一種操作根據(jù)本發(fā)明的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器的方法。該方法的獨(dú)特之處在于該方法包括以下步驟：

通過相應(yīng)地操作管道系統(tǒng)，從所述儲(chǔ)存器中的較高的高度向較低的高度逐步或逐漸地循環(huán)比所述儲(chǔ)存器熱的熱傳遞流體，以用于向所述儲(chǔ)存器輸入熱能，以及

通過相應(yīng)地操作管道系統(tǒng)，從所述儲(chǔ)存器中的較低的高度向較高的高度逐步或逐漸地循環(huán)比所述儲(chǔ)存器冷的熱傳遞流體，以用于從所述儲(chǔ)存器輸出熱能。

在操作所述儲(chǔ)存器的所述方法的優(yōu)選實(shí)施方案中，在所述混凝土熱能儲(chǔ)存元件和所述外殼之間的體積中包含相變材料，并且當(dāng)從所述儲(chǔ)存器提取熱能時(shí)，水循環(huán)穿過嵌入在所述元件中的熱交換器，由此所述儲(chǔ)存器在下述條件下操作，即，使得所述相變材料在水蒸發(fā)時(shí)凝固，由此使所述相變材料的凝固熱量用作使水蒸發(fā)的熱量?？尚械南嘧儾牧鲜强缮藤彽?。

所述操作儲(chǔ)存器的方法的另一優(yōu)選實(shí)施方案是在熱油或其它單相液體作為熱傳遞流體的情況下操作所述儲(chǔ)存器，由此

用于向所述儲(chǔ)存器輸入熱能的循環(huán)是經(jīng)由在所述儲(chǔ)存器的最高高度處的入口進(jìn)行的，將較熱的流體引導(dǎo)到最上部的元件或引導(dǎo)到位于溫度低于所述較熱的流體的高度處的元件；和

用于從所述儲(chǔ)存器輸出熱能的循環(huán)是經(jīng)由在所述儲(chǔ)存器的最低高度處的入口進(jìn)行的，將較冷的流體引導(dǎo)到最下部的元件或引導(dǎo)到位于溫度高于所述較冷的流體的高度處的元件，

由此當(dāng)熱油或其它單相液體是循環(huán)的熱傳遞流體時(shí)，所述循環(huán)是通過利用泵來泵送而進(jìn)行的。

本發(fā)明還提供了一種方法，所述方法在利用水/蒸汽、lpg或其它兩相液體-氣體混合物作為熱傳遞流體的情況下操作高溫?zé)崮軆?chǔ)存器發(fā)明，所述儲(chǔ)存器具有混凝土熱能儲(chǔ)存元件和分離器(separator)，所述混凝土熱能儲(chǔ)存元件水平地定向，并且所述分離器被連接在高的高度處并且在低的高度處與入口管道外的一個(gè)或更多個(gè)管道連接，使得能夠在不使用泵的情況下通過重力自然地循環(huán)，當(dāng)所述儲(chǔ)存器充入熱能時(shí)，所述儲(chǔ)存器用作冷凝器，當(dāng)所述儲(chǔ)存器排放熱能時(shí)，所述儲(chǔ)存器用作鍋爐。該方法的特征在于：

經(jīng)由在所述儲(chǔ)存器的最低高度處的入口添加蒸氣或其它氣體，由此當(dāng)充入熱能時(shí)，所述氣體穿過管道添加到液體中，或者經(jīng)由管內(nèi)的電阻器產(chǎn)生所述氣體，

經(jīng)由在所述儲(chǔ)存器的最高高度處的入口添加水或其它液體，由此將水或其它液體添加到氣體/液體分離器中，如蒸汽桶(steamdrum)中，或者在所述儲(chǔ)存器的最低高度處添加水或其它液體，

由此液體在外管中向下流動(dòng)，并且氣體在所述儲(chǔ)存器中向上流動(dòng)。

使用水/蒸汽作為熱傳遞流體，利用蒸發(fā)和冷凝，使用豎直上升的管子，如根據(jù)上面所暗示的，自然的循環(huán)允許在不使用泵的情況下操作，這是不能從根據(jù)任何現(xiàn)有技術(shù)的熱能儲(chǔ)存器得知的特征。

本發(fā)明的方法和高溫?zé)崮軆?chǔ)存器中的每一個(gè)提高了所儲(chǔ)存或循環(huán)的熱能/成本比，降低了熱能儲(chǔ)存的資本成本，降低了與流體泄漏有關(guān)的健康、火災(zāi)和污染的風(fēng)險(xiǎn)，減少了相對(duì)熱損失，并且以與所儲(chǔ)存的能量相比更低的成本和占地面積，提供了比其它儲(chǔ)存器更合適用于高溫服務(wù)的熱能儲(chǔ)存器。高溫指100-1500℃，更優(yōu)選地100-700℃，更加優(yōu)選地100-570℃或150-570℃或200-570℃。對(duì)于一般操作，但特別是對(duì)于高溫操作，與現(xiàn)有技術(shù)的熱能儲(chǔ)存器相比，本發(fā)明的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器對(duì)于上面提到的所有問題或大多數(shù)問題是有益的。

在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語堆疊表示一個(gè)布置在另一個(gè)頂上并且豎直地對(duì)齊或不對(duì)齊的一定數(shù)量的熱能儲(chǔ)存元件或箱。因此，堆疊向上延伸，并且布置或構(gòu)建堆疊的方法涉及動(dòng)詞詞性的堆疊。優(yōu)選地，箱的混凝土熱元件，以及因此的嵌入式熱交換器，以及箱，是長形的并且當(dāng)布置在堆疊中時(shí)水平地定向。方法的步驟不一定按照獨(dú)立權(quán)利要求中闡述的順序執(zhí)行，只要方法是可操作的，步驟的順序是可互換的并且步驟可以組合。在本發(fā)明的方法和本發(fā)明的儲(chǔ)存器中使用的術(shù)語高溫表示這些方法和儲(chǔ)存器適合于高溫操作，例如上面提到的200-570℃和下面進(jìn)一步描述的，而且還包括在非常大的動(dòng)態(tài)溫度范圍內(nèi)操作以及還在非常低的溫度下操作。

本發(fā)明的儲(chǔ)存器中的箱和混凝土熱能儲(chǔ)存元件的數(shù)量可以顯著地變化，并且一個(gè)獨(dú)特的特征是通過添加或去掉具有可以用起重機(jī)搬運(yùn)的尺寸和重量的箱來如何容易地?cái)U(kuò)大或縮小儲(chǔ)存器。儲(chǔ)存器中的箱的數(shù)量可以是1個(gè)、2個(gè)、5個(gè)、10個(gè)、40個(gè)、100個(gè)、200個(gè)或500個(gè)及更多，并且可以是其間的任何整數(shù)。在本發(fā)明的儲(chǔ)存器中的每個(gè)箱中的混凝土熱能元件的數(shù)量可以是1個(gè)、2個(gè)、5個(gè)、10個(gè)、40個(gè)、100個(gè)、200個(gè)或500個(gè)及以上，并且可以是其間的任何整數(shù)。儲(chǔ)存器中的所有箱優(yōu)選是相同的，但不必一定相同。因此，根據(jù)每個(gè)元件的尺寸、箱中元件的數(shù)量及其各自的儲(chǔ)能容量、箱的總數(shù)以及因此整個(gè)儲(chǔ)存系統(tǒng)的期望能量儲(chǔ)存容量，所述數(shù)量可以從小于10到數(shù)萬或更多。例如，12米長和250mm直徑的元件可以能夠儲(chǔ)存25-50千瓦時(shí)的熱能或更多，并且因此具有50兆瓦時(shí)容量的熱能儲(chǔ)存器(tes)將需要1000-2000個(gè)這樣的元件。同樣地，對(duì)本發(fā)明的儲(chǔ)存器而言，通過用起重機(jī)安裝、取出或設(shè)置元件和/或箱，安裝、維護(hù)、維修和更換是相對(duì)容易的。根據(jù)現(xiàn)有發(fā)電站或系統(tǒng)中所要求的性能和集成度以及可用的能源，元件可以布置在固定裝置或模板中，或者使用用于堆疊的中間元件來布置，或者元件可以緊密堆疊地或封裝地布置。不同的實(shí)施方案具有不同的優(yōu)點(diǎn)。然而，存在兩組主要的實(shí)施方案，即在儲(chǔ)存器內(nèi)、在元件之間并且在外殼內(nèi)的體積內(nèi)有或沒有活性的熱傳遞和儲(chǔ)存流體。所述活性的熱傳遞和儲(chǔ)存流體是滯止或動(dòng)態(tài)的。所述滯止流體是液體，例如熱油、熔融鹽或熔融金屬，或液-固相變材料(pcm)。所述動(dòng)態(tài)流體是氣體或液體。箱和元件的緊密的封裝或接近緊密的封裝可以適于包含滯止的熱傳遞或儲(chǔ)存液體或pcm的本發(fā)明的儲(chǔ)存器。適于箱和/或元件封裝的是，在儲(chǔ)存器外殼內(nèi)的在元件之間的體積中的動(dòng)態(tài)的活性的熱傳遞和儲(chǔ)存流體，允許在元件周圍流動(dòng)。這意味著流體流過熱儲(chǔ)存器，在元件的外部和周圍、但在外殼內(nèi)部流動(dòng)，并且流過箱或者在箱周圍流動(dòng)，儲(chǔ)存器外殼具有用于這種流體的入口和出口。這種活性流體可以是熱氣體，諸如廢氣、燃燒過的氣體、煙道氣或其它熱氣體，溫度高至外部元件殼(如果存在的話)以及嵌入式熱交換器或加熱器可接受的溫度，例如高至約1000℃-1200℃或1500℃。油可以活性地使用，并且熔融的鹽或金屬可以活性地使用。動(dòng)態(tài)活性流體在元件周圍的流動(dòng)以及穿過外殼中的箱或在外殼中的箱周圍的流動(dòng)是通過重力或強(qiáng)制流動(dòng)，或兩者來實(shí)現(xiàn)的。強(qiáng)制流動(dòng)或強(qiáng)制對(duì)流可以通過單獨(dú)的泵送或壓縮或通過從源被傳送時(shí)流體中的固有壓力來實(shí)現(xiàn)。利用在外殼內(nèi)的、在元件和外殼之間的熱傳遞和儲(chǔ)存流體，提供了增加的熱儲(chǔ)存容量和增加的儲(chǔ)存器熱傳遞速率中的一個(gè)或兩者。此外，將一個(gè)或多個(gè)嵌入式熱交換器設(shè)置在一些元件或優(yōu)選所有元件中會(huì)有利于穿過熱交換器的循環(huán)水或其它可行流體的加熱和蒸發(fā)，這對(duì)于將熱交換器直接連接到渦輪機(jī)，例如蒸汽輪機(jī)，是有益的。為了在元件中將例如水蒸發(fā)成蒸汽，當(dāng)從儲(chǔ)存器中提取能量時(shí)，優(yōu)選地，通過將水布置成從元件到元件以及從箱到箱逐漸或逐步地向上流動(dòng)，將穿過熱交換器和儲(chǔ)存器的水的流動(dòng)布置成逐漸或逐步向上。因此，嵌入式熱交換器中的流動(dòng)和由于重力而產(chǎn)生的分離效應(yīng)沿期望的方向向上和朝向出口作用，熱交換器的出口優(yōu)選處于儲(chǔ)存器的高位置處，而熱交換器的入口優(yōu)選處于儲(chǔ)存器的低位置處。

附圖

圖1示出了本發(fā)明的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器；

圖2示出了用于本發(fā)明儲(chǔ)存器的箱；

圖3示出了本發(fā)明的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器，以及

圖4示出了本發(fā)明的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器的細(xì)節(jié)。

詳細(xì)描述

參考圖1，以橫截面圖和端視圖的混合視圖示出了本發(fā)明的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器1，其中移去了端壁。儲(chǔ)存器包括許多容易安裝且可更換的混凝土熱能儲(chǔ)存元件2，這些元件已經(jīng)被布置成一個(gè)元件堆疊。所示的儲(chǔ)存器包含128個(gè)元件，該128個(gè)元件以橫截面圖示出。元件2具有嵌入混凝土中的熱交換器3，從混凝土延伸出或在混凝土外延伸的熱交換器之間的端部和連接部可以被看作是豎直對(duì)齊的一排元件中的上部元件和下部元件中的黑色點(diǎn)3，或被看作是豎直對(duì)齊的元件之間的豎直黑線3、4，豎直黑線分別表示上方和下方的管道連接元件。所述豎直線可選地是用于熱能輸入和輸出的管道系統(tǒng)4的一部分，管道系統(tǒng)4包括分別用于熱輸入到儲(chǔ)存器和從儲(chǔ)存器進(jìn)行熱輸出的入口和出口，并且布置有連接到熱交換器的連接部，連接部用于使流體循環(huán)穿過所述熱交換器，以便進(jìn)行熱能輸入或輸出。儲(chǔ)存器包括外殼5，所述元件已經(jīng)布置在外殼5中，外殼5具有底板6、側(cè)壁7和頂板8，底板6也被稱為基座、基礎(chǔ)或基部。底板包括用于支撐和定位最下排元件的混凝土填充物9或類似物。外殼包括隔熱物10，隔熱物10在所示實(shí)施方案中集成在外殼底板、側(cè)壁和頂板中，并且未具體示出。替代地，隔熱物可以在外殼的壁、底板和頂板的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，作為不同的隔熱層。

所示的儲(chǔ)存器包括支撐系統(tǒng)11，支撐系統(tǒng)11允許大量熱元件2被堆疊，同時(shí)仍允許在高溫下操作。所示的支撐系統(tǒng)11包括蜂窩狀支撐結(jié)構(gòu)12和支撐鋼框架13。蜂窩狀支撐結(jié)構(gòu)由蜂窩狀支撐層14組成，蜂窩狀支撐層14逐層布置，“山谷在山丘上方(valleyoverhill)”。除了優(yōu)選地還被支撐框架朝向側(cè)壁和下方的底板支撐外，蜂窩狀層還提供自支撐結(jié)構(gòu)。如所示，相鄰的元件列是豎直地交錯(cuò)的，允許簡化的管道系統(tǒng)。支撐系統(tǒng)必須被設(shè)定尺寸成在儲(chǔ)存器的操作條件下和儲(chǔ)存器壽命內(nèi)提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，允許元件以足夠大的程度熱膨脹以避免元件的開裂。在此上下文中，包括含有嵌入式熱交換器的混凝土熱能儲(chǔ)存元件的所裝配的支撐系統(tǒng)，更準(zhǔn)確地說，自支撐結(jié)構(gòu)，被稱為箱。在圖1中，示出了在元件和外殼之間的體積中的呈相變材料18形式的活性熱傳遞和儲(chǔ)存介質(zhì)。優(yōu)選地，活性熱傳遞流體及相關(guān)特征和步驟如專利申請(qǐng)第20141540號(hào)和同族專利中所說明的，參考了該專利申請(qǐng)并且該申請(qǐng)的教導(dǎo)據(jù)此通過引用并入。

圖2示出了對(duì)于本發(fā)明的儲(chǔ)存器來說優(yōu)選的箱19。箱包括框架20和9乘6列混凝土熱能儲(chǔ)存元件2?；炷翢崮軆?chǔ)存元件包括外部金屬殼15以及嵌入的管式熱交換器3，外部金屬殼15在一個(gè)端部封閉并且在另一個(gè)端部開口，嵌入的管式熱交換器3的端部4從混凝土中伸出。所述端部可以替代地被認(rèn)為是管道系統(tǒng)4的一部分，并且端部可以包括用于繞過或隔離元件的閥或其它裝置。優(yōu)選地，熱交換器和端部(其在所述元件水平定向的情況下包括高水平高度處和低水平高度處的集管(header)或歧管)被焊接并形成為覆蓋箱中的所有元件的一件。當(dāng)在箱中澆鑄混凝土?xí)r，長形框架20被布置在豎直位置，具有向上開口的長形金屬殼15，并且長形金屬殼15內(nèi)具有熱交換器3，填充混凝土或灰漿直到僅熱交換器的端部4向上延伸超過鋼殼和混凝土。所述混凝土24是所述端部3和所述外部金屬殼15之間的白色區(qū)域。然后通常在數(shù)天內(nèi)，混凝土被固化，如所示，將箱翻轉(zhuǎn)到水平定向，并將其布置在本發(fā)明的儲(chǔ)存器中的預(yù)期位置和定向上。所示的熱交換器包括u形管道或u形管的嵌入部分，嵌入部分幾乎延伸到外部殼的另一端部，該另一端部被封閉。替代地或額外地，熱交換器被構(gòu)建為較大管內(nèi)的一個(gè)小管，該較大的管在比開口內(nèi)管道更遠(yuǎn)地進(jìn)入到混凝土中的嵌入端部被封閉?；炷翢崮軆?chǔ)存元件的典型尺寸是外徑od為200mm至500mm，長度為3000mm至12000mm。最優(yōu)選地，熱交換器是被設(shè)定尺寸成在正常操作條件下提供熱傳遞流體的湍流的u形小直徑管。對(duì)于小直徑管式熱交換器，這意味著re>4000，更優(yōu)選地re>5000，其中re是雷諾數(shù)。為此，與流速相比，管必須具有相對(duì)較小的內(nèi)直徑，因此具有術(shù)語小直徑管。典型的小管外直徑的示例為10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm或多達(dá)60mm、或者其間的任何直徑，例如對(duì)應(yīng)于標(biāo)稱直徑(dn)20的26.7mm。包括熱交換器在內(nèi)的混凝土熱能儲(chǔ)存元件優(yōu)選地根據(jù)專利申請(qǐng)pct/no2014/050250的教導(dǎo)，參考了該專利申請(qǐng)并且該專利申請(qǐng)的教導(dǎo)據(jù)此通過引用并入。所示的框架具有包含6×9個(gè)緊密堆疊的這樣的元件的尺寸。替代地，混凝土熱能儲(chǔ)存元件在直徑上更大或更小，在一個(gè)或數(shù)個(gè)元件的形式上，具有或不具有外部金屬殼體，但是在允許容易地生產(chǎn)、搬運(yùn)和堆疊的框架內(nèi)，不存在過度的開裂或不會(huì)過度限制在不形成過大的裂縫的情況下進(jìn)行操作的最高溫度或可行溫度范圍。具有4×5、5×7、7×9或其它組合的箱是可行的。

在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案中，混凝土熱能儲(chǔ)存元件的外部金屬殼和箱框架被組合成一個(gè)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用作用于澆鑄混凝土的模殼(form)、混凝土的保護(hù)鞘、熱傳遞流體泄漏捕獲器、和本發(fā)明的熱能儲(chǔ)存器中的自支撐式模塊化箱結(jié)構(gòu)。所述組合結(jié)構(gòu)可以與用于一個(gè)箱的單結(jié)構(gòu)熱交換器組合，優(yōu)選地被預(yù)裝配并測(cè)試，例如如圖2中所示，這可以代表具有小尺寸至中等尺寸的箱和/或儲(chǔ)存器的本發(fā)明的熱能儲(chǔ)存器的最優(yōu)選的實(shí)施方案。所述組合的外部殼/框架式箱對(duì)于以下情況是可行的，即，多至約10m²的箱/元件橫截面直徑、和多至約100的嵌入u形管道彎曲部的數(shù)量、和多至約570℃的溫度。小尺寸至中等尺寸的箱在此上下文中表示箱橫截面積多至約10m²。優(yōu)選地，組合的框架/外部金屬殼包括在頂部的指示標(biāo)(guidepost)和在底部的漏斗狀部(funnel)，或使得易于堆疊的類似的結(jié)構(gòu)、用于附接適配的隔熱的模塊化的壁和頂板元件的吊環(huán)(liftingeye)和耦接部件。

然而，具有大直徑或橫截面積的混凝土熱能儲(chǔ)存元件，特別是具有外部金屬殼的混凝土熱能儲(chǔ)存元件(該外部殼與箱框架組合或不組合)，在實(shí)踐中可能具有若干缺點(diǎn)。首先，為了高溫服務(wù)而進(jìn)行的固化和干燥的時(shí)間可能變得過長。其次，開裂及其它質(zhì)量問題的風(fēng)險(xiǎn)增加。第三，外部殼/自支撐框架必須在尺寸增加的情況下極度牢固/堅(jiān)固。第四，并且也許是最重要的，給定嵌入式熱交換器管道的類似配置的情況下，大元件或箱中的溫度分布變得均勻，其中有效能(可用的能量)被減少，這與具有約250mm直徑的圓形元件或類似物的標(biāo)準(zhǔn)混凝土熱能元件設(shè)計(jì)相比實(shí)際上降低了效率。這涉及熱能的裝載/卸載的周期/頻率、熱-冷流體和混凝土之間的溫差，其影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)和特定儲(chǔ)存效率，例如每個(gè)儲(chǔ)存的或循環(huán)的能量單元的成本。

圖3示出了本發(fā)明的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器1的實(shí)施方案。所示的儲(chǔ)存器是大型儲(chǔ)存器，包括許多箱19，這些箱以五個(gè)箱堆成堆疊，被布置成在基座6上的一排堆疊。所示的儲(chǔ)存器包括單獨(dú)的頂板結(jié)構(gòu)8和單獨(dú)的壁結(jié)構(gòu)7，兩個(gè)結(jié)構(gòu)都是隔熱的。對(duì)于面向管道系統(tǒng)和熱交換器端部的壁結(jié)構(gòu)7，管道結(jié)構(gòu)和隔熱物10之間的短間隙和流體屏障允許任何熱傳遞流體泄漏以向下(如果是液體的話)或向上(如果是蒸氣的話)流動(dòng)，而不會(huì)浸泡隔熱物，從而降低了在熱油或其它易燃熱傳遞流體的情況下發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。如所示，每個(gè)箱包括兩個(gè)歧管，在長形框架和其內(nèi)混凝土熱能儲(chǔ)存元件在內(nèi)部水平地定向的狀態(tài)下，一個(gè)岐管位于高位置處，并且一個(gè)岐管位于低位置處。這些堆疊通常并聯(lián)地聯(lián)接并且并排地布置為塊狀堆疊(blocksstacks)，具有已裝配的一組堆疊的每個(gè)塊包括在高的高度處的主歧管21和在低高度處的主歧管22。每個(gè)塊可以與其它塊或其它組的塊隔熱，使得能夠隔離各個(gè)塊、冷卻、排放熱傳遞流體、檢查和維護(hù)，而不影響儲(chǔ)存器的其余塊。所述功能顯著增加了儲(chǔ)存系統(tǒng)的可用性。

圖4示出了圖3所示的本發(fā)明的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器的一些細(xì)節(jié)，更具體地說，示出了如何布置箱19和管道系統(tǒng)。每個(gè)箱包括兩個(gè)歧管4，一個(gè)在高的高度處并且一個(gè)在低高度處。歧管在每個(gè)堆疊中通過u形彎曲部23串聯(lián)地聯(lián)接。

為了清楚起見，在附圖中僅相同或相似特征中的一些設(shè)有參考編號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)的儲(chǔ)存器相比，本發(fā)明的儲(chǔ)存器中的自支撐結(jié)構(gòu)有利于構(gòu)建并降低成本，無論自支撐結(jié)構(gòu)是包括在構(gòu)建它時(shí)裝配的蜂窩狀支撐結(jié)構(gòu)或類似結(jié)構(gòu)，例如如圖1中所示，還是包括包含數(shù)個(gè)箱的模塊化結(jié)構(gòu)，例如如圖3中所示。優(yōu)選地，箱及其部件被預(yù)制并測(cè)試，然后容易地運(yùn)輸和安裝，因?yàn)閮?yōu)選地它們未被制作得太大和太重。優(yōu)選地，箱框架提供本質(zhì)上且如所堆疊的桁架式結(jié)構(gòu)。箱框架提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以便堆疊，并且提供堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，以便搬運(yùn)和運(yùn)輸，無論混凝土熱能儲(chǔ)存元件是否包括外部金屬殼體或類似物。然而，優(yōu)選地，混凝土熱能儲(chǔ)存元件包括外部金屬殼或殼體，因?yàn)檫@有利于所討論的生產(chǎn)、搬運(yùn)、安全性和效率。此外，外部金屬殼或殼體也提高耐久性，增加最大操作溫度和操作溫度范圍，特別是如果外部金屬殼或殼體在橫截面形狀上是圓形的話。此外，使嵌入式熱交換器僅在混凝土熱能儲(chǔ)存元件中在箱、堆疊、箱排或箱塊的一側(cè)上具有入口和出口的布置不僅具有實(shí)際的優(yōu)點(diǎn)，而且還提供更好的應(yīng)力/應(yīng)變分布，因?yàn)橹挥袕较驊?yīng)力/應(yīng)變梯度是顯著的，這相比其它設(shè)計(jì)，如dlr提供的設(shè)計(jì)，提高了效率、響應(yīng)和耐久性。

附圖僅示出了本發(fā)明的儲(chǔ)存器、儲(chǔ)存器中的特征以及方法的許多實(shí)施方案中的一些實(shí)施方案。對(duì)于小型儲(chǔ)存器，或具有小的元件堆疊的儲(chǔ)存器，元件可以是自支撐的，特別是如果它們包括作為組合的澆鑄模殼和加固結(jié)構(gòu)的外部金屬殼的話。為了堆疊自支撐式箱和組合的元件，具有六邊形、方形或矩形截面形狀的元件是最可行的，方形元件可圍繞縱向軸線旋轉(zhuǎn)45°，以提供向上的位置調(diào)整楔形形狀，有利于構(gòu)建儲(chǔ)存器。對(duì)于更大的儲(chǔ)存器和更高的操作溫度，需要更全面和牢固的支持系統(tǒng)。

優(yōu)選地，待聯(lián)接的部件包括聯(lián)接部件，例如導(dǎo)引柱/錐和導(dǎo)引銷/柱，或類似的陰陽聯(lián)接部件。

在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語“高溫”并不意味著儲(chǔ)存器必須用于高溫，而是優(yōu)選地用于高溫操作，此上下文中，對(duì)于具有暴露的元件鋼殼和管道系統(tǒng)的儲(chǔ)存器而言，高溫操作是從100℃到570℃，對(duì)于具有不含有鋼殼或暴露的鋼管道系統(tǒng)部件的元件的儲(chǔ)存器而言，高溫操作多至1000-1200℃或甚至1500℃，其它暴露的金屬部件優(yōu)選地是隔熱的或由耐高溫的合金或材料制成。與現(xiàn)有技術(shù)的儲(chǔ)存器相比，本發(fā)明的儲(chǔ)存器可以在非常高的動(dòng)態(tài)溫度范圍內(nèi)操作，包括流體和元件之間的大的溫度差。

本發(fā)明的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器可以包括在任何可操作組合中的在此描述或示出的任何特征，每個(gè)這樣的可操作組合均是本發(fā)明的實(shí)施方案。構(gòu)建本發(fā)明的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器的方法可以包括在任何可操作組合中的在此描述或示出的任何特征或步驟，每個(gè)這樣的可操作組合均是本發(fā)明的實(shí)施方案。操作本發(fā)明的高溫?zé)崮軆?chǔ)存器的方法可以包括任何可操作組合中的在此描述或示出的任何特征或步驟，每個(gè)這樣的可操作組合均是本發(fā)明的實(shí)施方案。