专利名称：用于存储热能的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于存储热能的方法和设备。
背景技术：
热能存储装置(或热存储器)用于接收热、冷或热能并且然后存储一段时间其被需要用于有用目的。这种热存储装置允许高或低(包括低温)温能量被临时存储以便稍后使用，并且提供存储热能，例如，用于稍后转换成电、用于空气液化过程以减少由该过程消耗的能量或者提供冷却以进行共定位过程(co-located processes)的可能性。已知通过增加或减少物质温度、通过改变物质状态(即，固体、液体或气体)或通过这两者的组合来存储热能。热存储器通常以三阶段热存储过程来操作蓄能、存储和释能。
图1示出了一般的热存储器的表示。该存储器包括热质量10、通路20、表面特征30、入口 40和出口 50。在蓄能阶段，在下文被称为HTF的热传递流体(液体或气体)，通过入口 40，进入到通路20中，并且离开出口 50，以加热或冷却热质量10。在存储阶段，热能则被存储在热质量10中直到被需要。在释能阶段，HTF在热质量10之上通过入口 40，进入到通路20中并且离开出口 50，以回收热能，用于传递到另一过程。热质量10包括表面特征30以促进热传递。在已知的热存储器中，蓄能和释能阶段是对称的，即，HTF流率在蓄能和释能阶段期间是相同的。这种热存储器所在其中被使用的一种应用是在用于发电的存储能量的领域。需要大规模的存储能量的有效方式来利用发电能力平衡消费者对电的需求，并且消除例如由可再生能源间歇供应的水平。能量需求以小时、天、周和季节基础变化。除使用传统的化石燃料工厂之外，目前用于平衡供需的替代解决方法被认为对于帮助控制温室气体排放是重要的。W02007/096656公开了一种低温能量存储系统，其利用低温液态空气和环境空气或废热之间的温度和相差异来在低需求和/或过量生产的时段存储能量，从而允许该存储的能量稍后被释放以在高需求和/或限制输出的时段期间发电。该系统包括用于在低电需求时段期间液化空气的装置、用于存储产生的液态空气的装置和用于使液态空气膨胀的膨胀涡轮。该膨胀涡轮连接到发电机以在需要时发电来满足供需之间的差额。这种低温能量存储系统的效率的主要限制是在从膨胀之后的膨胀涡轮排放的过程空气中余留的冷能量的量。低温能量存储和热能存储的组合提供匹配电力供应以满足供需中的变化的装置。具体地，热存储器能够与低温能量存储系统一起使用，以回收并存储当低温能量存储器发电时释放的冷能，并且在对低温能量存储系统再蓄能时释放该冷能以降低制造低温流体的能量成本。图2示出了包括空气液化器模块60、低温液体存储器70、低温能量回收模块80和热存储器90的低温能量存储系统的示例。图2示出了由于在发电之间所需的时间位移而存在热存储的需要，以及产生另外的冷冻剂的需要。因此，需要一种有效的冷能热存储器，其促进从废气中回收冷能并且允许冷能作为高级冷被存储，以最大化在液化作用阶段期间使用的稍后回收的火用效率，从而促进更多的冷冻剂的生产，和/或为共定位过程提供冷却。当在低温能量存储系统中使用热存储器存储冷能时，热存储器的释能阶段和蓄能阶段可以具有不同的持续时间。具体地，释能阶段通常比蓄能阶段长四倍或更多倍。由于高需求和低需求时段之间的不匹配以及不同的持续蓄能和释能阶段，需要一种能够以不同速率进行蓄能和释能的灵活热存储系统。对这种热存储系统的需要给出对热存储器的一般需求，其中，能够针对“不对称”操作域(regime)、即热存储器的蓄能和释能不以相同的HTF流率执行的域，来优化热回收、HTF压力损失和存储容量。这些需要也适用于热能作为热而被存储的系统。因此，需要一种促进以高的火用效率从废气回收热、冷或热能的有效热存储器。填充床热存储理论发明人已经认识到，优化HTF和热质量之间的接界的设计以确保在低压降下从HTF到热存储器的良好热传递是很重要的。通常，希望提供具有大的表面积和打破HTF-固体接界处的热边界层的特征的固体热质量，以便促进最佳的热传递。然而，这样的特征增加了固体热质量和HTF之间的摩擦，因此增加了热存储器两端产生的HTF压力损失。在颗粒填充床的情形中，流体流率和每单位长度的压力损失之间的关系被Ergun描述为
权利要求
1.一种热能存储装置，包括 第一热质量； 第二热质量；以及 第二热质量； 其中 所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的至少两个热质量的纵横比彼此不同；以及 由导管和阀构成的布置结构，所述由导管和阀构成的布置结构被构造成用于引导热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的组合， 其中，所述由导管和阀构成的布置结构使得所述热质量能够彼此隔离。
2.根据权利要求1所述的热能存储装置，其中，所述由导管和阀构成的布置结构被构造成用于引导所述热传递流体通过如下热质量 i )通过所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的所有热质量，或者 ii)通过所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的两个热质量，或者 iii)通过所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的一个热质量。
3.根据任一前述权利要求所述的热能存储装置，还包括支撑结构，以支撑所述热质量。
4.根据任一前述权利要求所述的热能存储装置，还包括隔热材料，以隔离每个热质量。
5.根据权利要求4所述的热能存储装置，其中，所述隔热材料被施用到所述支撑结构的内侧，和/或在每个热质量的基部与所述支撑结构之间设有热中断部。
6.根据从属于权利要求3时的权利要求4所述的热能存储装置，其中，所述隔热材料包括双皮层设计，在该双皮层设计中，所述支撑结构通过隔离物层以及与每个热质量接触的内侧薄皮层而与每个热质量隔离。
7.根据权利要求4所述的热能存储装置，其中，所述隔热材料包括喷涂涂层或封装的隔离材料，所述喷涂涂层被施用到所述支撑结构的内侧，所述封装的隔离材料被装配到所述支撑结构的内侧。
8.根据权利要求1所述的热能存储装置，其中，在每个热质量的入口和出口处设有阀。
9.根据任一前述权利要求所述的热能存储装置，其中，所述由导管和阀构成的布置结构使得所述热传递流体能够被弓I导通过所述热质量中的串联的两个或更多个热质量。
10.根据任一前述权利要求所述的热能存储装置，其中，所述由导管和阀构成的布置结构使得所述热传递流体能够被引导通过所述热质量中的并联的第一热质量和第二热质量，以及所述热质量中的与所述第一热质量及所述第二热质量串联的第三热质量。
11.根据任一前述权利要求所述的热能存储装置，其中，所述由导管和阀构成的布置结构使得所述热传递流体能够被引导通过所述热质量中的并联的两个或更多个热质量。
12.—种存储能量的方法，包括 提供热能存储装置，所述热能存储装置包括 第一热质量， 第二热质量，以及 第二热质量， 其中所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的至少两个热质量的纵横比彼此不同；以及 提供由导管和阀构成的布置结构，所述由导管和阀构成的布置结构被构造成用于引导热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的组合，其中，所述由导管和阀构成的布置结构使得所述热质量能够彼此隔离； 通过引导所述热传递流体通过所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量来利用热能对所述热能存储装置进行蓄能；然后 将所述热能储存在所述热能存储装置中一段时间；然后 通过引导热传递流体通过所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量而释放来自所述热能存储装置的热能中的至少一部分，其中所述蓄能步骤和/或释能步骤包括多级过程。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述释能步骤包括 通过引导热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的第一构造而释放来自所述热能存储装置的热能中的一部分；然后 通过引导热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的第二构造而释放来自所述热能存储装置的热能的另一部分，其中，所述第一构造不同于所述第二构造。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述蓄能步骤包括 通过引导所述热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的第三构造而将所述热能的一部分蓄存到所述热能存储装置中；然后 通过引导所述热传递流体通过所述热质量中的一个或多个热质量的第四构造而将所述热能的另一部分蓄存到所述热能存储装置中，其中，所述第三构造不同于所述第四构造。
15.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，所述热传递流体包括气体或液体。
16.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，所述热质量中的每一个热质量均包括一个热单元或者彼此并联布置的多个热单元。
17.根据权利要求16所述的装置或方法，其中，所述第一热质量比所述第二热质量包括更多个热单元，所述第二热质量又比所述第三热质量包括更多个热单元。
18.根据权利要求16或17所述的装置或方法，其中，每个热单元均包括以下项中的一个或它们的组合 i)固体颗粒填充床，所述热传递流体能够直接通过所述固体颗粒填充床，以将热能运载到所述热能存储装置以及从所述热能存储装置运载热能， ii)布置在至少一个导管周围的固体颗粒填充床，所述热传递流体能够通过所述至少一个导管， iii)包括多个通路的固体质量基质，所述热传递流体能够通过所述多个通路，或者 iv)一定体积的相变材料。
19.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，每个热单元均包括以下项中的一个或它们的组合 i)固体颗粒填充床，所述热传递流体能够直接通过所述固体颗粒填充床，以将热能运载到所述热能存储装置以及从所述热能存储装置运载热能，ii)布置在至少一个导管周围的固体颗粒填充床，所述热传递流体能够通过所述至少一个导管。
20.根据任一前述权利要求所述的方法或装置，其中，所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量包括固体颗粒，并且，所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的至少两个热质量中的颗粒直径彼此不同。
21.根据任一前述权利要求所述的方法或装置，其中，所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量包括固体颗粒，并且，所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量中的至少两个热质量中的颗粒直径彼此相同。
22.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，每个热质量均具有大于180s/mm的热容量/导热率比值。
23.根据权利要求22所述的装置或方法，其中，每个热质量均具有大于500s/_的热容量/导热率比值。
24.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，每个热质量均包括岩石。
25.根据权利要求12或13所述的方法，其中，对所述热能存储装置进行蓄能的步骤包括引导所述热传递流体通过所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量，其中，所述第二热质量和所述第三热质量并联布置，并且所述第一热质量与所述第二热质量及所述第三热质量串联布置。
26.根据权利要求12或13所述的方法，其中，对所述热能存储装置进行蓄能的步骤包括引导所述热传递流体通过串联布置的所述第一热质量、所述第二热质量和所述第三热质量。
27.根据权利要求13或根据从属于权利要求13的任一权利要求所述的方法，其中，所述热质量的所述第一构造包括串联的所述第一质量和所述第二热质量。
28.根据权利要求13或根据从属于权利要求13的任一权利要求所述的方法，其中，所述第二构造包括串联的所述第二质量和所述第三热质量。
29.根据权利要求13或根据从属于权利要求13的任一权利要求所述的方法，其中，所述第二构造包括串联的所述第一热质量、所述第二质量和所述第三热质量。
30.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，所述热质量具有不同的横截面面积。
31.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，所述第三热质量的横截面面积小于所述第二热质量的横截面面积。
32.根据任一前述权利要求所述的装置或方法，其中，所述第二热质量的横截面面积小于所述第一热质量的横截面面积。
33.根据权利要求13或根据从属于权利要求13的任一权利要求所述的方法，其中，在这三个热质量中，所述热传递流体在最终释能期间所流动通过的最后一个热质量具有最小的横截面面积。
34.根据权利要求12至33中的任一项所述的方法，其中，蓄能期间的所述热传递流体的速度与释能期间的所述热传递流体的速度不同。
35.根据权利要求12至34中的任一项所述的方法，其中，通过所述热质量的所述热传递流体的流动速率在该循环的蓄能阶段和/或释能阶段期间不同。
36.一种低温能量存储系统，包括 根据权利要求1至11、15至24或30至32中的任一项所述的热能存储装置，其中，所述装置被构造成用于存储在功率产生期间释放的冷的热能，以及释放所述冷的热能以提供冷能来使冷冻剂液化和/或为共定位过程提供冷却。
37.一种低温发电系统,包括 根据权利要求1至11、15至24或30至32中的任一项所述的热能存储装置，其中，所述装置被构造成用于存储来自废热源的、热的热能，并且在发电期间释放所述热的热能。
全文摘要
公开了用于存储热能的方法和设备。热能可以是热的或冷的。该方法和设备允许热存储器在不同的速率下蓄能和释能。该方法和设备还允许以多个阶段和/或中断阶段对热存储器蓄能和释能。
文档编号F28D20/00GK103069247SQ201180040018
公开日2013年4月24日 申请日期2011年8月12日 优先权日2010年8月12日
发明者罗伯特·摩根, 迈克尔·迪尔曼 申请人:高维有限公司