热能储存设备制造技术

本发明专利技术提供了一种热能储存设备(1、61、53)，所述热能储存设备包括填充床(5、65)和导管，所述填充床具有实质上无约束的外部区域(7、67)，所述导管具有位于填充床(5、65)的中央下部区域内的热交换端部区域(13、73)和与热交换端部区域(13、73)相对的流体供给端(11、71)。在储热循环中，所述导管的热交换端部区域(13、73)允许较高温度的传热流体穿过所述导管到达填充床(15、75)，从内部区域向外加热所述填充床。在放热循环中，传热流体从所述填充床(5、65)被引入到所述导管(3、63)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于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。专利
本专利技术涉及热能储存。更特别地，本专利技术涉及热能储存设备，其中能量吸收材料由填充床提供。
技术介绍
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，本专利技术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。本专利技术的目的是至少在一定程度上解决这些问题及其他问题。本专利技术
技术介绍
中的前述讨论，只是旨在便于理解本专利技术。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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的另一些特征是，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。本专利技术的另一些特征是，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。本专利技术的另一个特征是，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。本专利技术的另一些特征是，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。本专利技术的另一些特征是，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(truncatedtriangular)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。本专利技术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(influidcommunicationwith)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。本专利技术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。根据本专利技术的一个方面，所述热源本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热能储存设备(1、61、53)，包括具有实质上无约束的外部区域(7、67)的填充床(5、65)和与所述填充床的内部连通并且具有外部流体供给端(11、71)的导管(3、63)，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(13、73)，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所述填充床被引入所述导管的较高温度的热交换端部区域，使得传热流体在加热的条件下从所述导管的所述流体供给端排出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.16 ZA 2014/035551.一种热能储存设备(1、61、53)，包括具有实质上无约束的外部区域(7、67)的填充床(5、65)和与所述填充床的内部连通并且具有外部流体供给端(11、71)的导管(3、63)，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(13、73)，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所述填充床被引入所述导管的较高温度的热交换端部区域，使得传热流体在加热的条件下从所述导管的所述流体供给端排出。2.如权利要求1所述的热能储存设备，其特征在于，所述流体供给端(11、71)位于或靠近所述填充床(5、65)的顶部区域或位于所述填充床的下面，并且其中在放热循环中，所述传热流体经所述流体供给端从所述导管排出。3.如权利要求1或2所述的热能储存设备，其特征在于，所述填充床的外表面实质上暴露于环境中。4.如权利要求1-3中任一项所述的热能储存设备，还包括一个或多个保护结构(55)，用于保护所述填充床免受风雨影响。5.如权利要求1-4中任一项所述的热能储存设备，其特征在于，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中，所述导管具有分布在所述热交换端部区域的孔(15、75)，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。6.如权利要求5所述的热能储存设备，其特征在于，所述孔被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高度的约20％至约50％的区域范围内。7.如权利要求5所述的热能储存设备，其特征在于，所述管(3、63)由一种或多种高温合金，优选钢铁和/或混凝土制得，或者所述管由填料填充的袋状钢笼构成，所述较高温度在500℃至1500℃的范围内。8.如前述任一项权利要求所述的热能储存设备，其特征在于，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，可以填充填料，使得所述填充床和所述管一起具有截锥状的形状。9.如权利要求1-7中任一项所述的热能储存设备，其特征在于，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圆锥形或角锥形的形状。10.如权利要求1-7中任一项所述的热能储存设备，其特征在于，所述填充床为长形堆，具有至少一个横截面为三角形或平切三角形的上部区域，其中所述导管的所述热交换端部...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·高斯，安德鲁杜兰特·洛，
申请(专利权)人：斯泰伦博斯大学，
类型：发明
国别省市：南非;ZA