模块化的热能储存系统、该系统的改进的操作方法以及热能储存系统的用途技术方案

热能储存器TES包括：至少两个块或区，该至少两个块或区通过使传热流体HTF流过块或区而关于热能的充入和排放来进行操作；入口充入歧管；出口充入歧管；入口管，该入口管被布置成从入口充入歧管到每个块或区；每个块或区的出口；并且进一步结构如下：阀中的一个或更多个阀：流量控制阀(v

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】模块化的热能储存系统、该系统的改进的操作方法以及热能储存系统的用途专利
本专利技术涉及提高热能储存器(TES)的整体性能。更具体地，本专利技术涉及模块化的热能储存器，对于这些模块化热能储存器，热量通过流经管道系统的传热流体(HTF)被传递到储存器中和传递离开储存器，该管道系统的一些部分被定位在热元件内，并且该管道系统的一些部分被定位在元件的外侧。优选地，所述元件包括具有用于热量的有效传递和储存的性质的合适的固态材料，例如特殊类型的混凝土。在一些实施方式中，本专利技术涉及描述这种技术的专利，然而，在其他实施方式中，本专利技术涉及其他类型的热能储存器。许多在先的专利以各种实施方式描述了热能储存器TES的设计和物理性质。本专利技术提供了TES系统的设计和操作方法，以通过扩展动态温度范围、保持HTF的稳定温度、增加操作的多功能性以及减小尺寸并由此减少成本来提高TES总容量、热能充入和排放的效率和速率。专利技术背景和现有技术电化学电池用于储存和输送电力的目的，而TES用于储存和输送热能的目的。热能随后可以直接被用作例如工业用热(通常是蒸汽)，或者经由涡轮发电机转换成电力。针对TES存在许多应用；一种是集中式太阳能(CSP)，其中在日照时间期间捕获的过剩的热能可以被储存，并且之后在日落后被排放以维持发电。其他应用可以在能源密集型工业中找到，例如金属和化学工业，其中大量的热量通常是被丢弃的，这是因为温度已经下降到过程中所需的温度以下，并且能量不能在另一个下游过程中重新整合。后者通常可能是由过程本身(例如间歇过程)产生的废热的循环特性而引起的。在这种情况下，TES可以在更长的时间区间内使波动稳定并且储存能量，从而能够按需向其他过程输送热量，或者经由涡轮发电机转换成电力和低温热。TES还可以被直接地集成在蒸汽-电力热电工厂(煤、天然气、油、核能、生物质)的蒸汽循环中，以提高电厂在提高升降速率(ramprate)和提高功率输出带宽方面的灵活性，同时减小最小输出并且增加最大输出。该TES还能够使启动和停止工厂的成本和能耗更低。热电工厂的灵活性的增加能够使集成更多间歇且可变的可再生能源(例如风能和太阳能光伏)成为可能；因此，对于经由电化学电池、抽水蓄能器或压缩空气能量储存器的“常规的”电能储存器，TES可能是一个有吸引力的替代方案。TES也可以直接以电力被充入(通过电加热HTF)，这在明显过剩的电力可能被丢弃的情况下可能是有吸引力的。所储存的能量随后可以再次被转换为电力和低温热，或者可用于生产例如工业过程蒸汽。存在许多情况，对于这些情况，TES能够创造巨大的经济价值并且有助于使能源效率更高并且使能源系统的环境性能更好。一系列在先的专利，尤其是NO332707、NO337357、NO339848、NO339952和NO340371，描述了一种模块化的固态热能储存器技术、用于构建这种储存器的方法以及用于在系统环境中应用这种储存器的方法。这项技术已经在阿拉伯联合酋长国阿布扎比的一个试点储存器的长期运行中得到了测试和验证，具有优异的结果。这项技术的许多不同的应用预计将在未来几年内实施。一个TES的典型能量储存容量的范围可以是从10MWh到几个GWh。显然，可以储存非常大量的能量，并且因此这种储存器可能是大型且昂贵的。因此，应清楚的是，关于提高储存容量、效率和热量品质来改进现有技术将具有极大的价值。因此，存在改进现有的TES技术的需要。其基础是，例如，热能可以在高温下被储存在固态热元件中，如图1中举例说明的，该图1与NO339848相关。热量藉由穿过集成的钢管热交换器的系统(如图1中所示的两个并联的U形环所表示的)的HTF被传递到元件和传递离开元件，并且能量的储存主要发生在固体或混凝土状材料中，该材料包围薄钢的圆柱形外壳内的热交换器。如在NO340371中描述的，热元件可以连接并共同捆绑在盒中，该盒进而可以在彼此的顶部上堆叠并且并排放置，以提供任何所需尺寸的模块化的储存器，见图2。然而，本专利技术不仅涉及热能储存器的这种特定的设计；本专利技术同样良好地适用于与其他TES型解决方案相关的方面，例如在NO339952中描述的解决方案，其中HTF在热元件的外侧上流动，见图3。储存器可以具有多个这样的容器(containment)，这些容器的内部具有多个储热元件。本专利技术提供了提高的总热能容量和性能。还应注意，在专利技术NO339952的一个实施方式中，储存器的充入可以是一种HTF(例如热烟气)在元件外侧上的流动，而经由第二HTF(例如热油)进行热量排放，该第二HTF流过热元件内的铸入式热交换器。本专利技术通常也适用于其他形式的模块化的TES解决方案。专利技术概述本专利技术如独立权利要求中所限定的，参考这些独立权利要求。在从属权利要求中限定了优选的实施方式，参考这些从属权利要求。更具体地，本专利技术提供了一种热能储存器TES，该热能储存器包括：至少两个块或区，这些块或区通过使传热流体HTF流过该块或区而关于热能的充入和排放进行操作；入口充入歧管；出口充入歧管；入口管，该入口管被布置成从入口充入歧管到每个块或区；每个块或区的出口；并且进一步结构如下：以下阀中的一个或更多个阀：流量控制阀(vi1；va1，......ve1)，该流量控制阀被布置在块或区入口管、入口、出口和出口管中的至少一个中，以用于控制通过块或区的流量；旁通阀(vi2；va2，……ve2)，该旁通阀被布置在用于块或区的入口管与串联流返回部(serialflowreturn)之间的入口充入侧管段中，以用于旁通流和串联流控制；以及出口充入侧切换阀(vis；vas，......ves)，该出口充入侧切换阀被布置在块或区出口管和出口中的至少一个中，以用于控制串联流动和并联流动；以及以下管中的一个或更多个管：出口管，该出口管从块或区出口或所述出口中的切换阀到出口充入歧管；串联流返回管，该串联流返回管被布置成从块或区出口或从出口管中的切换阀到串联流动的下一个块或区的入口充入侧，其中通过根据传热流体和块/区的温度使传热流体流过所述块/区以分别用于充入和排放、通过操作所述阀以使传热流体以串联和/或并联的方式当充入时从更高温度的块/区或侧流动到更低温度的块/区或侧并且当排放时从更低温度的块/区或侧流动到更高温度的块/区或侧，每个块/区可以在TES的整个温度范围内操作。优选地，热能储存器是固态热能储存器。固态热能储存器优选地包括混凝土，作为唯一或大部分的固态热能储存材料。因此，在大多数实施方式中，热能储存器是基于显热的热储存器，该热储存器可以在从低于环境并且进入零下温度(例如低至-150℃)并且高至(例如源、散热器/使用者、HTF和阀/管道允许的)高温度的温度范围内自由操作，该高温度对于耐最高温度的实施方式而言高达至少500℃或600℃，并且甚至高达至少980℃。所述整个温度范围适用于所有元件、块和区。然而，对于本专利技术的热储存器、方法和用途的一些实施方式，存在纯显热的两个例外；其一，相变材料可以被填充在热能储存器壁内的元件、块和区之间；并且其二，可以使用传热流体HTF的相变，例如水-蒸汽。即使利用能够或将要作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热能储存器TES，其特征在于，所述TES包括：/n至少两个块或区，所述至少两个块或区通过使传热流体HTF流过所述块或区而关于热能的充入和排放来进行操作；入口充入歧管；出口充入歧管；入口管，所述入口管被布置成从所述入口充入歧管到每个块或区；每个块或区的出口；并且进一步的结构如下：/n以下阀中的一个或更多个阀：流量控制阀(v

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171205 NO 201719371.一种热能储存器TES，其特征在于，所述TES包括：
至少两个块或区，所述至少两个块或区通过使传热流体HTF流过所述块或区而关于热能的充入和排放来进行操作；入口充入歧管；出口充入歧管；入口管，所述入口管被布置成从所述入口充入歧管到每个块或区；每个块或区的出口；并且进一步的结构如下：
以下阀中的一个或更多个阀：流量控制阀(vi1；va1，......ve1)，所述流量控制阀被布置在块或区入口管、入口、出口和出口管中的至少一个中，以用于控制通过所述块或区的流量；旁通阀(vi2；va2，......ve2)，所述旁通阀被布置在用于所述块或区的入口管与串联流返回部之间的入口充入侧管段中，以用于旁通流和串联流控制；以及出口充入侧切换阀(vis；vas，......ves)，所述出口充入侧切换阀被布置在块或区出口管和出口中的至少一个中，以用于控制串联流动和并联流动；以及
以下管中的一个或更多个管：出口管，所述出口管从块或区出口或所述出口中的切换阀到所述出口充入歧管；串联流返回管，所述串联流返回管被布置成从块或区出口或从所述出口管中的切换阀到串联流动的下一个块或区的入口充入侧，
其中通过使传热流体根据所述传热流体和所述块/区的温度流过所述块/区以分别用于充入和排放、通过操作所述阀以使传热流体以串联和/或并联的方式当充入时从更高温度的块/区或侧流动到更低温度的块/区或侧并且当排放时从更低温度的块/区或侧流动到更高温度的块/区或侧，每个块/区能够在所述TES的整个温度范围内操作。


2.根据权利要求1所述的热能储存器，包括：具有阀的块或区，所述阀由位于每个块或区入口管或出口管中的流量控制阀(vi1；va1，......ve1)组成；以及从所述块或区至所述出口充入歧管的出口管，以用于以并联流动模式完全或部分地操作所述块或区。


3.根据权利要求1或2所述的热能储存器，包括：具有阀的块或区，所述阀由被布置在用于所述块或区的入口管与串联流返回部之间的入口充入侧管段中的旁通阀(vi2；va2，......ve2)组成；以及块或区串联流返回管，所述块或区串联流返回管用于以串联流动模式完全或部分地操作所述块或区。


4.根据权利要求1、2或3所述的热能储存器，包括：以24小时周期操作的至少一个块或区，所述块或区包括流量控制阀(vi1；va1，......ve1)、可调节的旁通阀(vi2；va2，......ve2)和被布置在所述出口管中的切换阀(vis；vas，......ves)；以及串联流返回管，所述串联流返回管被布置成从所述切换阀到串联流动的下一个块或区的入口充入侧，以用于控制串联流动、并联流动以及串联流动和并联流动的组合，每个切换阀均具有连接的串联回流线路和出口管，
以每周周期操作的至少一个块或区，该块或区优选地包括具有连接的串联回流线路的流量控制阀(vi1；va1，......ve1)和可调节的旁通阀(vi2；va2，......ve2)中的一个或两个，以及
作为热能长期或季节性储备来操作的一个块或区，该块或区优选地包括具有连接的串联回流线路的流量控制阀(vi1；va1，......ve1)或旁通阀(vi2；va2，......ve2)。


5.根据权利要求1或4所述的热能储存器，其中所述TES是固态热能储存器，在所述固态热能储存器中，在充入期间和排放期间，热量通过传热流体HTF被传递到固态热能储存元件和传递离开所述固态热能储存元件，所述传热流体经过铸造到所述元件中或围绕所述元件的热交换管，所述储存器被划分成两个或更多个块单元，对于所述块单元，所述HTF能够从所述块的一个流动侧上的入口歧管系统并且经过不同的块单元流动到另一个流动侧上的出口歧管系统，同时所述流体在热能充入期间将热量传递到所述块内的所有元件，并且在热能排放期间从所述块内的所有元件吸收热量，并且对于至少两个块，提供了以下项：
a.可调节的流量阀，所述可调节的流量阀在充入期间和排放期间控制从所述歧管进入到所述块中的HTF质量流动速率，
b.可调节的旁通阀，所述可调节的旁通阀在充入期间和排放期间控制绕过所述块的HTF质量流动速率，
c.可调节的切换阀，所述可调节的切换阀控制通过直接与所述出口歧管相连的所述块的HTF质量流动速率与分流至串联流动的下一个块的入口侧的HTF质量流动速率的比率，
通过所述项，所述至少两个块能够被动态地控制，使得所期望数量的块将以并联流动模式或串联流动模式或并联流动模式和串联流动模式的组合被接合，并且通过调节所述阀，块的充入和排放能够被及时地转移和混合，使得流出的组合传热流体能够保持在稳定水平并且在由热源和散热器确定的最大温度范围和最小温度范围内，同时所述储存器的主要部分能够被充入和排放远超过所述热极限，并且从而显著地增加总能量储存容量。


6.根据权利要求1-5中任一项所述的热能储存器，其中每个块包括多个储热元件，所述元件中的每个元件包括：组合了铸造成型件、加强件和HTF流体泄漏保持屏障的外壳；已经铸造并硬化到所述外壳中的硬化混凝土形式的固体储热介质；以及铸造到所述混凝土中的管长度间隔件的形式的至少一个管式热交换器，所述至少一个管式热交换器的入口和出口从所述壳的一个端部延伸出来，多个所述元件已经以并联的方式被布置成一个块，多个块已经被布置成块堆叠体或组，所述块堆叠体或组优选地在每个块堆叠体或组的一侧上具有入口充入歧管、出口充入歧管和另外的管道和阀，并且在所述TES的下方、顶部上以及周围具有绝热件。


7.根据权利要求1所述的热能储存器，包括至少两个块或区，所述块或区通过使传热流体HTF流过所述块或区而关于热能的充入和排放来进行操作，其中：
包括能够在完全闭合的位置和完全打开的位置以及在完全闭合的位置和完全打开的位置之间的位置之间自由操作的流量控制阀(vi1；va1，......ve1)或可调节的旁通阀(vi2；va2，......ve2)的至少一个块或区以更短期的周期操作，并且
包括具有连接的串联回流线路的流量控制阀(vi1；va1，......ve1)和旁通阀(vi2...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕尔·G·贝甘，克里斯多佛·格赖纳，尼尔斯·豪维克，
申请(专利权)人：挪威能源公司，
类型：发明
国别省市：挪威;NO