热能储存设备的制作方法

本申请要求于2014年5月16日提交的申请号为2014/03555的南非临时专利申请的优先权，在此将其以引用的方式并入本文。

发明领域

本发明涉及热能储存。更特别地，本发明涉及热能储存设备，其中能量吸收材料由填充床提供。

背景技术：

使用传统化石燃料进行发电越来越多地被使用一种或其他种类型的可再生能源进行发电所取代。就本专利申请而言，本发明尤其适用于聚光太阳能发电厂或联合循环发电厂，虽然它不限于这些应用。

使用太阳能与需要储存所收集的能量以供稍后使用相关联，从而能量能在夜晚或当阳光被遮挡时(特别地，被云彩遮挡时)可使用。一种实用的储存能量的方法是以热量(热能)的形式，随后，所述热量(热能)可以通过蒸汽产生循环过程以及相关的涡轮和发电机被用于发电。

有人已经提出了不同的热能储存设备，至少在某种程度上，目前已经在使用这些热能储存设备。这些设备包括将热能储存在熔融盐或者可替换地，在相转变材料的情况下主要作为潜热储存。虽然这些设备或多或少是成功的，但存在相当大的改进空间，尤其在降低成本方面。

岩石填充床也用于高温下的热能储存。通常，一堆岩石被容纳在大体上密封的壳体中，被用于从传热流体吸收热能，以便在稍后的阶段释放热能。在一个储热循环中，通常，传热流体通过合适的入口进入密封壳体，从岩石的外侧加热壳体中的岩石。在一个放热循环中，岩石床的冷却使得传热流体穿过岩石床，并经岩石床的外侧排出，然后穿过壳体到壳体的出口。

当岩石床位于容器中时，将会发生被称为“棘轮效应”的问题。形成岩石床的岩石中的颗粒温度增高引起膨胀，如果填充床的热膨胀系数高于容器的热膨胀系数，则可能导致一些岩石抵压住其他岩石或者容器壁。在放热时，温度降低，颗粒和容器收缩。然而，如果容器的热膨胀系数高于颗粒的热膨胀系数，在储热过程中，颗粒将下沉，在放热时，容器将会比颗粒收缩得更多。这样，颗粒被容器限制并受压，从而所述颗粒被减小为较小岩石片。这样会使容器壁破损，和/或导致岩石床的顶部区域逐渐下降到令人不满意的程度。

另一个问题是密封壳体的成本可能很高，特别是对于大型储能设备。

本发明的目的是至少在一定程度上解决这些问题及其他问题。

本发明背景技术中的前述讨论，只是旨在便于理解本发明。应当理解，所述讨论并非确认或承认，任何所提及的材料为本申请的优先权日时的本领域公知常识的一部分。

在以下的说明书中，术语“填充床”不仅包括由天然岩石制得的填料(element)，还包括由陶瓷材料、混凝土、采矿或工业副产品制得的填料以及其他任何具有合适的热容和其他热力学性能的填料。

技术实现要素：

本发明提供了一种热能储存设备，包括具有实质上无约束的外部区域的填充床，以及与所述填充床的内部连通并且具有外部流体供给端的导管，所述热能储存设备的特征在于，所述导管具有位于所述填充床的中央下部区域内的热交换端部区域，从而在储热循环中，允许较高温度的传热流体经所述流体供给端进入所述导管，穿过所述导管到达所述填充床的内部，从所述填充床的内部区域向外加热所述填充床，并且，在放热循环中，允许传热流体从储热的填充床被引入所述导管的较高温度的所述热交换端部区域，使得传热流体在加热状态下从所述导管的所述流体供给端排出。

本发明的另一些特征是，所述流体供给端位于或靠近所述填充床的顶部区域，或者可替换地，位于所述填充床的下面；所述填充床的外表面实质上暴露于环境中；或者可替换地，所述设备设置有一个或多个诸如顶板的保护结构，用于保护所述填充床免受风雨影响。

本发明的另一些特征是，所述导管是由实质刚性材料制得的管，所述导管具有热交换端部区域和与所述热交换端部区域相对的流体供给端；所述导管至少部分延伸，大致上竖直地穿过所述填充床的中央区域延伸，所述热交换端部区域位于所述填充床的下部区域内；所述导管的热交换端部区域具有孔，在储热循环中，所述孔允许经所述流体供给端进入所述导管的较高温度的传热流体穿过所述导管到达所述填充床，加热所述填充床，并且在放热循环中，所述孔允许较高温度的传热流体从所述填充床被引入所述导管，从而所述传热流体能够从所述导管排出。

本发明的另一个特征是，所述孔设置在所述导管的热交换区域，所述孔实质上分布在所述填充床自底部或自近底部的高度的约20％-约50％的区域范围。

本发明的另一些特征是，所述导管是中空的细长轴；所述管由一种或多种高温合金制得；所述管实质上由钢铁和/或混凝土制得，或所述管由填料填充的袋状钢笼制成；所述较高温度是500℃以上，甚至可能是1000℃以上。

本发明的另一些特征是，所述填充床是填充在至少所述管的热交换端周围的填料堆；所述管的所述流体供给端位于或靠近所述填充床的顶部区域，在此情况下，填充所述填料，使得所述填充床和所述管一起具有截锥状的形状；或者可替换地，所述管的所述流体供给端位于所述填充床的下面，在此情况下，所述填充床可以被填充，使得所述填充床和所述管一起具有大致为圆锥形或角锥形的形状，并且所述管的所述流体供给端位于所述填充床的下面；或者作为另一种替代方式，所述填充床为长形堆，至少具有一个横截面为三角形或平切三角形(truncated triangular)的上部区域，其中所述导管的热交换端部区域位于所述填充床的内部下部区域内；所述填料被填充为通常无扰动的堆体；所述填料堆以其自然静止倾角向下倾斜；所述静止倾角的范围是25°和65°之间，优选为34°和42°之间；所述填料是天然岩石，选自花岗岩、片麻岩或辉绿岩。

所述设备的尺寸取决于所需的热能储存容量。所述填充床的高度可以是在1m和60m之间，所述导管的直径可以是在0.2m和15m之间。所述填充床的体积约1m³至约300000m³。

本发明延及一种热能储存系统，所述热能储存系统包括热源、与所述热源流体连通(in fluid communication with)的热能负载和热能储存设备，所述热能储存设备用于储存由所述热源产生的热能，从而当热源的输出可能下降时，给所述热能负载供能，所述热能储存设备包括具有实质上无约束的外部区域的填充床和与所述热源和所述热能负载流体连通的导管，所述导管具有热交换端部区域和与所述热交换端部区域相对的流体供给端，其特征在于，所述热交换端部区域位于所述填充床的中央下部区域内，在储热循环中，所述热交换端部区域允许来自所述热源经所述流体供给端进入所述导管的较高温度的传热流体，穿过所述导管到达所述填充床，加热所述填充床，并且在放热循环中，所述热交换端部区域允许较高温度的传热流体从所述填充床被引入所述导管，从而所述传热流体能够从所述导管排出，以将热能供给所述热能负载。

本发明的该方面的另一些特征是，所述导管是由实质刚性材料制得的管，所述导管具有热交换端部区域和与所述热交换端部区域相对的流体供给端；所述导管至少部分延伸，大致竖直穿过所述填充床的中央区域延伸，所述热交换端部区域位于所述填充床的下部区域，所述导管具有至少位于或靠近所述热交换端部区域的孔，在储热循环中，所述孔允许从所述热源经所述流体供给端进入所述导管的较高温度的传热流体，穿过所述导管到达所述填充床，加热所述填充床，并且在放热循环中，所述孔允许较高温度的传热流体从所述填充床被引入所述导管，从而所述传热流体能够从所述导管排出，以将热能供给所述热能负载。

根据本发明的一个方面，所述热源是聚光太阳能发电厂，所述热能负载是汽轮机，所述传热流体是气体。

所述系统可以包括鼓风机或风扇，用于在储热循环中，将传热流体驱向所述导管，和/或在放热循环中，将传热流体驱向所述热能负载。

本发明延及一种构建热能储存设备的方法，包括以下步骤：架设导管，所述导管具有热交换端部区域和与所述热交换端部区域相对的流体供给端，以实质上无约束的方式填充所述填充床，所述填充床以其自然静止倾角向下倾斜，其特征在于，所述填充床至少在所述导管的热交换端部区域的周围填充。

本发明的该方面的另一些特征是，包括在大致竖直的方向上架设导管的步骤，所述导管由实质刚性材料制得，具有沿热交换端部区域设置的孔；并且包括至少在所述管的所述热交换端部区域的周围填充填充床的步骤，从而所述填充床和所述管一起形成所需形状，其中所述导管的所述热交换端部区域位于所述填充床的内部下部区域。

所述方法可以包括架设一个或多个保护结构的步骤，所述保护结构用于保护所述填充床免受风雨影响，优选为顶板。

为了更充分地理解本发明，将参考附图，对本发明的实施例进行描述。

附图说明

将参考附图仅以示例的方式对本发明进行描述。

图1是根据本发明的热能储存设备的一个实施例的截面示意图；

图2是根据本发明的热能储存设备的另一个实施例的截面示意图；

图3是根据本发明的热能储存系统的一个实施例的示意图；

图4A示出根据本发明的热能储存设备在储热循环中的温度的模拟输出；

图4B示出图4A中的热能储存设备在放热循环将要结束时的温度的模拟输出；

图5示出根据本发明的热能储存设备随时间推移的放热温度的模拟输出；

图6示出根据本发明的热能储存设备的不同区域的压降的模拟输出；

图7是根据本发明的热能储存设备的一个实施例的截面示意图，其中所述设备包括顶板。

图8是根据本发明的热能储存设备的可替代实施例的示意性剖视图；和

图9是图8所示的实施例的沿IX-IX线的横截面图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的热能储存设备的一个实施例1。该热能储存设备1包括导管，所述导管是刚性管3，所述导管大致竖直地穿过填充床5的中央区域延伸。填充床5被填充在管3的周围，从而所述填充床的外部区域7基本不被约束。管3具有位于填充床5的下部区域的热交换端9和位于填充床5的顶部且与热交换端9相对的流体供给端11。

流体供给端11被设置为用作较高温度的传热流体在储热循环中进入管3的入口，以及较高温度的传热流体在放热循环中从管3排出的出口。

管3具有紧邻热交换端9的热交换端部区域13，沿所述热交换端部区域设置有多个孔15。在本发明的该实施例中，热交换端部区域13是穿孔区，其中这些孔设置在管中，分布在管3的下部约四分之一，也即分布在填充床5的高度的约25％的区域范围内。如图1所示，管3的壁的其余部分实质上是连续的或是实体。

在储热循环中，传热流体穿过这些孔，热量从传热流体被传递到填充床5，从而将热量储存在填充床5中。在放热循环中，该过程是相反的，热量从填充床5被传递到传热流体，然后传热流体流经这些孔，通过将热量吸收进传热流体，从而回收储存在填充床5中的热量。

填充床5的外表面可以暴露于环境中，基本不受阻碍，使得填充床5被加热或冷却时，能膨胀或收缩。所述填充床5由填充在管3周围的一堆填料组成，从而填充床5和管3一起形成锥形，如图1所示。

通过在大致竖直的方向上设置管3或其他导管，并且以实质上无约束的方式在所述管的周围填充填充床5，可以构建得到设备1。填充床5可以被填充为通常无扰动的堆体，换句话说，可以让所述填料堆以其自然静止倾角向下倾斜。填料的自然静止倾角可以根据所用填料的类型和尺寸改变，例如，在25°和65°之间，优选34°和42°之间。在该实施例中，所用的岩石的类型是天然岩石，即辉绿岩，其自然静止倾角是38°，填充床5和管3的高度约50m，所述管的直径约10m。

热能储存设备1能够储存热源产生的热能，从而在所述热源的输出可能下降或无输出时，将热能供给热能负载。

图2示出根据本发明的热能储存设备的另一个实施例61。热能储存设备61包括刚性管63，所述刚性管的一部分从填充床65的底部77延伸进入所述填充床的中央区域。填充床65被填充在管63的热交换端69的周围，从而外部区域67实质上无约束，并且所述填充床和所述管一起具有大致圆锥形或角锥形的形状。热交换端69和包括多个孔75的热交换端部区域73位于填充床65的底部区域内，与热交换端69相对的流体供给端71位于填充床65的下面。在该实施例中，位于所述填充床的下面的管63的流体供给端71，延伸穿过支撑填充床65的底部支架或地面，伸入填充床65的中央下部区域。热交换端部区域73是穿孔区，其中这些孔位于管中，分布在填充床5的高度的约25％的区域范围内。在所述支架或地面下面延伸的管63的壁的其余部分实质上是连续的。

图3描述了热能储存系统的一个实施例17，其中，如图1所示的热能储存设备1与热源19和热能负载21流体连通。在该实施例中，热源19是聚光太阳能发电厂，热能负载21是汽轮机。

系统17还包括鼓风机23或风扇、第一储热循环阀门25、第二储热循环阀门27、第一放热循环阀门29和第二放热循环阀门31。鼓风机23与热源19、热能负载21和热能储存设备1流体连通，所述鼓风机被设置为，在储热循环中，驱使传热流体进入热能储存设备1的管3；在放热循环中，将传热流体驱向热能负载21。在该实施例中，所述传热流体是空气，所述空气被加热到500℃至650℃。

在本发明的其它实施例中，所述传热流体可以被加热到500℃以上，甚至可能1000℃以上。

如图8和图9所示，本发明保护范围内可能有多种不同结构；如图9所示，填充床81可以是长形堆，其横截面通常为三角形或平切三角形。而且，在这种情况下，进口管82可以位于表面83上面，或在表面83的上方，表面83支撑所述填充床，此时，入口区域84可以是隔热的，从而将热量保存在传热流体内，所述传热流体在储热循环中流入所述填充床的内部区域，在放热循环中从所述填充床的内部区域流出。如在上面例子中所述，所述填充床可以被包围在防风雨保护罩86中，所述防风雨保护罩具有出口/入口87，用于传热流体在储热循环中流出所述保护罩，在放热循环中流进所述保护罩。

使用时，在储热循环中，第一储热循环阀门25和第二储热循环阀门27打开，允许较高温度的传热流体经流体供给端11进入管3。第一放热循环阀门29必须关闭，从而与热能负载21无流体连通，第二放热阀门31可以根据热能负载21的需要或其他原因打开或关闭。管3中的孔15允许管3中的传热流体穿过管3到达填充床5，加热填充床5。以这种方式，来自热源19的热能被填充床5的内部区域吸收。

应当理解，特别地，第二放热循环阀门31可以在储热循环中处于打开状态，以允许一部分较高温度的传热流体绕过热能储存设备1，直接流向热能负载31。

在放热循环中，第一放热循环阀门29和第二放热循环阀门31都打开。较高温度的传热流体从填充床5经孔15被引入管3，打开的阀门29、31允许传热流体经流体供给端11从管3排出，将热能供给热能负载21。在放热循环中，第一储热循环阀门25和第二储热循环阀门27关闭，从而热源19和所述填充床之间无流体连通。

建立本发明的热能储存设备的一个数值模型，并使用市售的计算流体动力学(CFD)软件产品ANSYS FLUENT进行模拟。

在该模型中，选择来自燃气轮机发电循环的废气作为用于加热所述填充床的热源。对一个储热循环和一个放热循环进行模拟。所述储热循环的时长设为8小时，所述放热循环的时长设为30小时。模拟中所用的参数见下表1。

表1数值模型参数

*蒸汽循环的最终电力输出功率

在储热循环和放热循环结束时，采取沿所述热能储存设备的单个平面上的等温线，对其进行分析，模拟结果分别示于图4A和图4B中。

如图4A所示，高温区41位于所述岩石床的内部区域，而低温区43位于所述岩石床的外部区域。根据模拟结果，高温区41的温度为约560℃，而外部区域43的温度为约25℃。温度跃层区45存在于高温区域41和外部区域43之间，其是所述岩石床的热区和冷区的过渡区。

图4B示出在放热循环快结束时的等温线。在30小时的放热循环快结束时，大部分热能从所述岩石床排出。模拟结果表明，在所述岩石床和所述管之间发生热交换的区域中，存在相对较小的温度约为560℃的高温区47，而管49的大部分区域为低温区。所述岩石床的大部分区域处于约25℃的低温区51。

可以设想，在实际运行中，当出口温度低于一定的温度，所述设备可以停止放热或可以将流速降低以保存可用能量。可能需要数个储热循环和放热循环，所述设备才能达到稳定状态并且能够提供30小时的满负载储量。

图5的模拟输出结果示出了在上述的数值模型中，所述传热流体随时间推移的放热温度。在放热约19小时时，从所述管排出的流体的温度下降到800K(约530℃)以下。

图6示出了在储热循环中，所述热能储存设备模型的压降的示意图。示出了沿所述填充床的中央区域的单个平面上的压降。由于设置有管内的孔，热交换区域附近的区域的压力梯度较大，并且当流体流向所述填充床的外部区域时，压力梯度显著下降。

当流体从所述填充床的中央区域流向所述填充床的外部区域时，流过所述填充床的流体的面积增加，导致流速减慢。由此得到了较低的压降。据设想，所述热交换区域的长度和所述管的半径等参数可以调整，以得到所需压降。例如，所述热交换区域的长度和所述管的半径可以同时增加，从而降低压降。所述填充床内的填料的颗粒尺寸也可以改变，以获得所需压降。

当导管的热交换端部区域位于填充床的中央下部区域内时，导管可以具有任何合适的形状和结构。导管可以竖直穿过填充床的中央区域延伸，或可以从支撑填充床的支架下方进入所述填充床。可替代地，为避免或最小化热量转移到所述填充床的外部区域，如果所述导管的进入部分被适当地隔热，所述导管也可以被设置为从所述填充床的一侧进入所述填充床，并从该侧向所述填充床的中央区域延伸。

所述导管可以是管，所述管可以是任何适合的由实质刚性材料制得的中空细长的轴，以便能够承受传热流体和填充床的热量以及所述填充床向其施加的力。所述管可以是例如由钢铁等高温合金和/或混凝土制得。可替代地，所述管可以由填充的袋状钢笼(优选填料填充的袋状不锈钢笼)构成，所述袋状钢笼被堆叠以形成导管或供传热流体流经的通路。

在所述管的热交换区域中的孔可以分布在所述管的任何合适的部分和/或所述填充床的任何合适的高度的区域范围内。所述热交换区域例如可以分布在所述填充床整体高度的约20％至约50％的区域范围内。

所述传热流体可以是气体或液体。所述气体可以是空气、二氧化碳或其他不可燃气体。所述液体可以是熔融盐、热油或其他传热流体。可以使用任何合适的岩石，例如但不限于花岗岩、片麻岩或辉绿岩。

可以设想，本发明的热能储存设备或热能储存系统可以包括一个或多个保护结构，用于保护所述填充床免受风雨或其他因素影响。优选地，所述保护结构在防止雨到达填充床的同时，不会将所述填充床与环境实质隔离，从而空气能够从所述填充床逸出。

图7示出了根据本发明的热能储存设备的一个实施例53。图7所示的实施例与图1所示的实施例相似，相同的标号表示相同的组件。在该实施例中，设备53进一步包括顶板55形式的保护结构。顶板55从顶点区域57向下倾斜到檐部59。

顶板55是不透水的，从而防止所述填充床5暴露于雨。向下的斜坡使水沿顶板55向下流动，从檐部59下落。这样，防止雨到达所述填充床5。顶板55是可透气的，允许空气从所述填充床5逸出。

顶板55例如可以包括通风口60，所述通风口被设置为，不允许雨或水向内流动但允许空气流经。可替代地，可以使用防水和透气膜，尤其在较小结构中。可以使用Gore-Tex^TM等聚四氟乙烯(PTFE)基材料，以确保所述保护结构是防水的，同时允许空气通过。

还可以预见，可以设置支撑结构，用于支撑所述填充床的下部外部区域。例如，所述支撑结构可以是围绕所述填充床的下部外部边缘的壁。对支撑所述填充床的支架或地面可以进行地基处理，以确保所述填充床的中央下部区域能承受较高温度。类似地，也可以进行水分收集监测。

所述设备的尺寸取决于所需的热能储存容量。所述填充床的高度例如可以为1m和60m之间，所述管的直径例如可以为0.2m和15m之间。所述填充床的体积例如可以是约1m³至约300000m³。优选地，所述填充床的尺寸足够大，使得所述填料实质上是自隔离的，从而至少在一定程度上，保护所述填充床的内部区域免受环境因素(例如风雨)影响。也可以使用较小的填充床，例如，体积为1.0m³的填充床。

上述尺寸是示例性的，应当理解，当需要更大的热能储存容量时，所述设备可以大很多。

因此，本发明提供了一种热能储存设备和系统，以及构建这种设备的方法。特别地，所披露的设备可以用于聚光太阳能发电厂或联合循环发电厂，尽管所述设备并不限于这些应用。

热能被储存在填充床的中央下部区域，从而大大减少了对填充床的周围做进一步隔离的需要，例如，密闭的容器。这个特征可能意味着所述热能储存设备的结构和维修的成本大幅度下降。

所述填充床的倾斜的、实质上不受阻碍的侧面可以克服当填充床被置于容器中时出现的棘轮效应的问题，其中颗粒在加热和冷却时膨胀和收缩，堆叠更为紧密，向容器施加力。所述设备的设计还可以保证所述填充床的大部分区域上相对较低的压降。

可以用相对简单的方式构建所述热能储存设备，例如，通过简单的架设如本文的所述的管，并将一堆填料以其自然静止倾角填充在所述管的周围。这可以减少所需部件，降低结构和/或操作成本，从而使所述热能储存系统是经济可行的。例如，如果所述填充床没有被容纳，则当所述填充床寿命尽时，更容易替换。

在整个说明书和权利要求中，除非文中另有要求，词语“包括(comprise)”或变型，例如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”应理解为包括所述整数个或指定整数个组，但不排除任何其他整数个或整数个组。