包括温度梯度控制的混凝土和热管热交换和能量储存(TXES)制造技术

一种热俘获、储存和交换布置包括至少一个热交换和储存(TXES)阵列，其中每个TXES阵列包括一个或多个TXES元件，其接收热源流体和工作流体的流体流，TXES元件提供热源流体和TXES元件之间的热能传递。歧管系统向TXES元件的输入提供工作流体，并且从TXES元件的输出接收工作流体。使用可与TXES阵列一起操作的至少一个热发动机从TXES阵列提取热量并且将热量转换为机械能，其中热发动机选择性地连接至TXES阵列的歧管系统，以使工作流体通过TXES元件，使得在工作流体和TXES元件之间发生热能传递。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括温度梯度控制的混凝土和热管热交换和能量储存(TXES)版权声明本专利文献的公开内容的一部分可以包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何专利文献或专利公开的传真复制，如专利商标局专利文件或记录中所出现的一样，但以其它方式无论如何都保留所有的版权。以下通知应当适用于本文件：Copyright2015BrightEnergySystems，Inc.相关申请的交叉引用本申请是于2014年10月21日提交的美国临时专利申请序列号62/066,773以及于2015年9月18日提交的美国临时专利申请序列号62/220,796的非临时申请并且要求它们的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术介绍

本文中的示例性说明性技术涉及用于通常使用相变兰金循环发动机管理热发动机的系统、软件和方法，更具体地，涉及热俘获、储存和利用的管理。如本文中所讨论的，术语兰金循环是指一宽泛循环族，其中，工作流体以液体状态加压，或许是加压至超临界压力或亚临界压力和/或可能使用诸如卡利纳循环中的那些之类的流体混合物的循环系列加压。相关技术俘获和再利用废热的系统已经在本领域中广泛描述。通常，这些系统涉及一系列工程权衡，以通过优化从热源到兰金氏发动机的热传递来优化效率，该兰金氏发动机将所传递的热能转化为机械能。典型地，这些权衡集中于热交换器效率和工作流体特点。热交换器效率是热交换器材料和热交换器的设计的函数，而工作流体被优化以将流体的热俘获和释放特点与系统的工作温度相匹配。成本有效的能量储存非常重要。电化学能源储存具有优势，但往往具有成本、安全性和使用期的担忧。泵诸如泵送水力和压缩空气能量储存之类的机械能量系统现今提供绝大多数大型电力储存能力，并且证明其长期可靠性和可接受的性能。适当有效且成本有效的压缩流体系统需要有效地储存能量成本，并且具有在两个方向上有效的热力学过程：充电方向和放电方向。这个尝试的常见方法针对过程的状态与每个方向上的过程的每个步骤非常相似；也就是说，过程中每个点的压力和温度在充电过程和放电过程之间非常相似。压缩流体机械能储存系统有两大类：(1)作为泵送热能储存(PTES)系统的一部分的热泵和(2)压缩流体能量储存(CFES)系统，其中，压缩空气能量储存(CAES)系统是该领域的广泛探索的子集。这里的区别在于，流体可能不是空气，并且它可能不总是气体，它可能是超临界流体，并且可能存在其中流体处于液相或液相和气相的组合的过程的部分。PTES系统通常将能量储存在一些质量之间的热能差。充电包括：增加具有温度(或更严格的焓)差异的质量的数量或增加固定质量[相对于环境]的焓或两者中的一些，并且放电正在取得该势能并且将其转化为机械功和/或电功。在机械储能系统中尝试使用除空气之外的流体的典型挑战在于，通常需要储存通常非常庞大的低压流体，从而导致成本和现场包装的挑战。还有，如果流体是化学品，如制冷剂，则必须考虑材料的成本，以及系统泄漏的风险和成本。本文中的技术应用于废热的俘获和管理领域中以及管理和优化由该热量驱动的热发动机。
技术实现思路
按照本专利技术的一个方面，一种热俘获、储存和交换布置包括至少一个热交换和储存(TXES)阵列，该至少一个TXES阵列中的每个TXES阵列包括一个或多个TXES元件，每个TXES元件被配置成接收热源流体和工作流体中的每个从其中穿过的流体流，其中一个或多个TXES元件中的每个TXES元件提供热源流体和TXES元件之间的热能传递；以及歧管系统，其经由管道连接至一个或多个TXES元件，以便将工作流体提供给一个或多个TXES元件的输入并且从一个或多个TXES元件的输出接收工作流体；以及至少一个热发动机，其可与至少一个TXES阵列一起操作，以从至少一个TXES阵列提取热量并且将热量转换成机械能，至少一个热发动机中的每个热发动机选择性地连接至相应TXES阵列的歧管系统以使工作流体通过相应TXES阵列的一个或多个TXES元件，使得在工作流体和一个或多个相应TXES元件之间发生热能传递。按照本专利技术的另一方面，一种热俘获、储存和交换布置包括至少一个模块化热交换和储存(TXES)阵列，该至少一个模块化TXES阵列中的每个模块化TXES阵列包括一个或多个TXES元件，其各自包括基质材料衬底；一个或多个烟道管或通路，其形成在或位于基质材料衬底中以提供加热后的源流体通过TXES元件的流动，从热源提供该加热后的源流体；以及一个或多个工作流体管，其位于所述基质材料衬底中，与一个或多个烟道管或通路分开以提供工作流体通过TXES元件的流动；一个或多个热发动机，其可与至少一个TXES阵列一起操作，以从至少一个TXES阵列提取热量并且将热量转换为机械能，一个或多个热发动机将工作流体提供给至少一个模块化TXES阵列；以及阀门系统，其位于将热源连接至至少一个模块化TXES阵列并且将一个或多个热发动机连接至至少一个模块化TXES阵列的管道和导管中，阀门系统选择性地控制加热后的源流体向至少一个模块化TXES阵列及其一个或多个TXES元件的流动，并且选择性地控制工作流体向至少一个模块化TXES阵列及其一个或多个TXES元件的流动。按照本专利技术的又一方面，一种组装热俘获、储存和交换布置的方法，该方法包括：提供至少一个具有热储存和热量交换能力的模块化热交换和储存(TXES)阵列，其中，提供至少一个模块化TXES阵列中的每个模块化TXES阵列包括：提供期望数目的模块化TXES元件；布置所需数目的模块化TXES元件以形成模块化TXES阵列；并且经由管道将所需数目的模块化TXES元件耦合至歧管系统，以提供在歧管系统和模块化TXES元件之间的工作流体传递；将至少一个模块化TXES阵列流体耦合至热源以从其接收加热后的源流体，其中来自加热后的源流体的热能储存在至少一个模块化TXES阵列的一个或多个模块化TXES元件中；提供至少一个可与至少一个TXES阵列一起操作的热发动机，以经由工作流体从至少一个TXES阵列提取热量并且将热量转换为机械能；并且将至少一个热发动机中的每个热发动机流体连接至相应的模块化TXES阵列的歧管系统，以使工作流体通过其一个或多个模块化TXES元件，使得在工作流体和一个或多个相应的TXES元件之间发生热能传递。附图说明从出于说明的目的而选择的并且在附图中示出的本专利技术及其实施例的详细描述中，本专利技术的特征将最好地被理解。图1图示了在现有废热排放布置中使用TXES。图2图示了本专利技术的示例性系统。图3图示了系统所利用的基于计算机的过程控制器的部件。图4图示了热交换和能量储存(TXES)元件阵列内的示例性工作流体回路。图5a、图5b和图5c图示了具有多个嵌入式烟道管和过程流体管的TXES元件的各种配置。图6图示了具有浇铸烟道通道的示例扇形TXES元件。图7图示了扇形TXES元件的布置。图8、图9、图10和图11图示了TXES元件内的不同的螺旋形工作流体管布置。图12包括其各种状态下的TXES元件的示例加热曲线。具体实施方式概述本专利技术的系统和操作方法提供一种可配置的热俘获、储存和交换系统，其可以在多种操作条件下以高性能水平的操作。该系统称为TXES，热交换和能量储存系统。与传统的热交换和储存系统不同，所描述的系统可以使用多种热源、工作流体和压力方案有效和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热俘获、储存和交换布置，包括：至少一个热交换和储存(TXES)阵列，所述至少一个TXES阵列中的每个TXES阵列包括：一个或多个TXES元件，每个TXES元件被配置成接收热源流体和工作流体中的每个从其中通过的流体流，其中，所述一个或多个TXES元件中的每个TXES元件提供所述热源流体和所述TXES元件之间的热能传递；以及歧管系统，其经由管道连接至所述一个或多个TXES元件，以便向所述一个或多个TXES元件的输入提供所述工作流体并且从所述一个或多个TXES元件的输出接收所述工作流体；以及至少一个热发动机，其与所述至少一个TXES阵列能够一起操作以从所述至少一个TXES阵列提取热量并且将热量转换成机械能，所述至少一个热发动机中的每个热发动机选择性地连接至相应TXES阵列的歧管系统以使所述工作流体通过相应TXES阵列的一个或多个TXES元件，使得在所述工作流体和一个或多个相应的TXES元件之间发生热能传递。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.21 US 62/066,773;2015.09.18 US 62/220,7961.一种热俘获、储存和交换布置，包括：至少一个热交换和储存(TXES)阵列，所述至少一个TXES阵列中的每个TXES阵列包括：一个或多个TXES元件，每个TXES元件被配置成接收热源流体和工作流体中的每个从其中通过的流体流，其中，所述一个或多个TXES元件中的每个TXES元件提供所述热源流体和所述TXES元件之间的热能传递；以及歧管系统，其经由管道连接至所述一个或多个TXES元件，以便向所述一个或多个TXES元件的输入提供所述工作流体并且从所述一个或多个TXES元件的输出接收所述工作流体；以及至少一个热发动机，其与所述至少一个TXES阵列能够一起操作以从所述至少一个TXES阵列提取热量并且将热量转换成机械能，所述至少一个热发动机中的每个热发动机选择性地连接至相应TXES阵列的歧管系统以使所述工作流体通过相应TXES阵列的一个或多个TXES元件，使得在所述工作流体和一个或多个相应的TXES元件之间发生热能传递。2.根据权利要求1所述的布置，还包括过程控制器，所述过程控制器被配置成：选择性地控制所述热源流体向所述至少一个TXES阵列中的每个TEXS阵列和向每个相应TXES阵列的一个或多个TXES元件的流动；以及选择性地控制每个相应热发动机的工作流体向所述至少一个TXES阵列中的每个TEXS阵列和每个相应TXES阵列的一个或多个TXES元件的流动。3.根据权利要求2所述的布置，其中，所述至少一个TXES阵列中的每个TEXS阵列还包括阀门系统，所述阀门系统包括在连接所述歧管系统和所述一个或多个TXES元件的管道中，以控制所述工作流体通过所述TXES阵列的一个或多个TXES元件的质量流动，其中所述过程控制器被配置成控制所述阀门系统的操作，以选择性地控制所述工作流体通过所述TXES阵列的一个或多个TXES元件的质量流动。4.根据权利要求1所述的布置，其中，所述一个或多个TXES元件中的每个TEXS元件包括：基质材料衬底；一个或多个烟道管或通路，其形成在或位于所述基质材料衬底中并且被配置成在其中容纳加热后的源流体；以及一个或多个工作流体管，其位于所述基质材料衬底中，与所述一个或多个烟道管或通路分开，所述一个或多个工作流体管被配置成从热发动机接收工作流体；其中，在所述加热后的源流体和所述工作流体之间经由所述基质材料衬底发生热能传递。5.根据权利要求4所述的布置，其中，所述基质材料衬底包括水泥粘合剂和骨料的混合物以及粘合剂和相变材料的混合物中的一种。6.根据权利要求5所述的布置，其中，所述工作流体管中的一个或多个工作流体管包括设置在基质材料中的螺旋形管。7.根据权利要求4所述的布置，其中，所述一个或多个工作流体管包括至少第一螺旋形工作流体管和第二螺旋形工作流体管，其中所述第一螺旋形工作流体管和所述第二螺旋形工作流体管以相互缠绕布置、嵌套布置、共线和非同轴布置、或共线和非重叠布置中的一个进行布置。8.根据权利要求4所述的布置，其中，所述基质材料衬底形成为块状元件，其中在所述块状元件的每个角部处形成扇形；以及其中，相应TXES阵列中的多个相邻TXES元件的块状元件的扇形共同形成通路，以在其中接收所述加热后的源流体。9.根据权利要求1所述的布置，其中，所述至少一个TXES阵列包括多个TXES阵列，并且所述至少一个热发动机包括多个热发动机，所述多个热发动机包括第一热发动机和第二热发动机。10.根据权利要求9所述的布置，其中，所述第一热发动机具有与所述第二热发动机不同的特点，所述不同特点包括发动机过程、最大压力操作极限和可用流量中的至少一个。11.根据权利要求9所述的布置，其中，所述第一热发动机的工作流体与所述第二热发动机的工作流体不同。12.根据权利要求1所述的布置，其中，所述至少一个热发动机能够进一步可操作为热泵，以经由所述工作流体向所述至少一个TXES阵列提供热能。13.一种热俘获、储存和交换布置，包括：至少一个模块化热交换和储存(TXES)阵列，所述至少一个模块化TXES阵列中的每个模块化TXES阵列包括一个或多个TXES元件，每个TXES元件包括：基质材料衬底；一个或多个烟道管或通路，其形成在或位于所述基质材料衬底中以提供加热后的源流体通过所述TXES元件的流动，从热源提供所述加热后的源流体；以及一个或多个工作流体管，其位于所述基质材料衬底中，与所述一个或多个烟道管或通路分开，以提供工作流体通过所述TXES元件的流动；一个或多个热发动机，其能够与至少一个TXES阵列一起操作，以从至少一个TXES阵列提取热量并且将热量转换为机械能，所述一个或多个热发动机向所述至少一个模块化TXES阵列提供工作流体；以及阀门系统，其位于管道和导管中，所述管道和导管将所述热源连接至所述至少一个模块化TXES阵列并且将所述一个或多个热发动机连接至所述至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯科特·雷蒙德·弗雷泽，詹妮弗·芬·吐伊，迈尔斯·L·阿巴拉，布兰登·R·吉尔斯，卡尔·金特，亚历克斯·刘，
申请(专利权)人：博瑞特储能技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US