專利名稱：用于存儲熱能的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于存儲熱能的方法和設備。
背景技術：
熱能存儲裝置(或熱存儲器)用于接收熱、冷或熱能并且然后存儲一段時間其被需要用于有用目的。這種熱存儲裝置允許高或低(包括低溫)溫能量被臨時存儲以便稍后使用，并且提供存儲熱能，例如，用于稍后轉換成電、用于空氣液化過程以減少由該過程消耗的能量或者提供冷卻以進行共定位過程(co-located processes)的可能性。已知通過增加或減少物質溫度、通過改變物質狀態(即，固體、液體或氣體)或通過這兩者的組合來存儲熱能。熱存儲器通常以三階段熱存儲過程來操作蓄能、存儲和釋能。
圖1示出了一般的熱存儲器的表示。該存儲器包括熱質量10、通路20、表面特征30、入口 40和出口 50。在蓄能階段，在下文被稱為HTF的熱傳遞流體(液體或氣體)，通過入口 40，進入到通路20中，并且離開出口 50，以加熱或冷卻熱質量10。在存儲階段，熱能則被存儲在熱質量10中直到被需要。在釋能階段，HTF在熱質量10之上通過入口 40，進入到通路20中并且離開出口 50，以回收熱能，用于傳遞到另一過程。熱質量10包括表面特征30以促進熱傳遞。在已知的熱存儲器中，蓄能和釋能階段是對稱的，即，HTF流率在蓄能和釋能階段期間是相同的。這種熱存儲器所在其中被使用的一種應用是在用于發電的存儲能量的領域。需要大規模的存儲能量的有效方式來利用發電能力平衡消費者對電的需求，并且消除例如由可再生能源間歇供應的水平。能量需求以小時、天、周和季節基礎變化。除使用傳統的化石燃料工廠之外，目前用于平衡供需的替代解決方法被認為對于幫助控制溫室氣體排放是重要的。W02007/096656公開了一種低溫能量存儲系統，其利用低溫液態空氣和環境空氣或廢熱之間的溫度和相差異來在低需求和/或過量生產的時段存儲能量，從而允許該存儲的能量稍后被釋放以在高需求和/或限制輸出的時段期間發電。該系統包括用于在低電需求時段期間液化空氣的裝置、用于存儲產生的液態空氣的裝置和用于使液態空氣膨脹的膨脹渦輪。該膨脹渦輪連接到發電機以在需要時發電來滿足供需之間的差額。這種低溫能量存儲系統的效率的主要限制是在從膨脹之后的膨脹渦輪排放的過程空氣中余留的冷能量的量。低溫能量存儲和熱能存儲的組合提供匹配電力供應以滿足供需中的變化的裝置。具體地，熱存儲器能夠與低溫能量存儲系統一起使用，以回收并存儲當低溫能量存儲器發電時釋放的冷能，并且在對低溫能量存儲系統再蓄能時釋放該冷能以降低制造低溫流體的能量成本。圖2示出了包括空氣液化器模塊60、低溫液體存儲器70、低溫能量回收模塊80和熱存儲器90的低溫能量存儲系統的示例。圖2示出了由于在發電之間所需的時間位移而存在熱存儲的需要，以及產生另外的冷凍劑的需要。因此，需要一種有效的冷能熱存儲器，其促進從廢氣中回收冷能并且允許冷能作為高級冷被存儲，以最大化在液化作用階段期間使用的稍后回收的火用效率，從而促進更多的冷凍劑的生產，和/或為共定位過程提供冷卻。當在低溫能量存儲系統中使用熱存儲器存儲冷能時，熱存儲器的釋能階段和蓄能階段可以具有不同的持續時間。具體地，釋能階段通常比蓄能階段長四倍或更多倍。由于高需求和低需求時段之間的不匹配以及不同的持續蓄能和釋能階段，需要一種能夠以不同速率進行蓄能和釋能的靈活熱存儲系統。對這種熱存儲系統的需要給出對熱存儲器的一般需求，其中，能夠針對“不對稱”操作域(regime)、即熱存儲器的蓄能和釋能不以相同的HTF流率執行的域，來優化熱回收、HTF壓力損失和存儲容量。這些需要也適用于熱能作為熱而被存儲的系統。因此，需要一種促進以高的火用效率從廢氣回收熱、冷或熱能的有效熱存儲器。填充床熱存儲理論發明人已經認識到，優化HTF和熱質量之間的接界的設計以確保在低壓降下從HTF到熱存儲器的良好熱傳遞是很重要的。通常，希望提供具有大的表面積和打破HTF-固體接界處的熱邊界層的特征的固體熱質量，以便促進最佳的熱傳遞。然而，這樣的特征增加了固體熱質量和HTF之間的摩擦，因此增加了熱存儲器兩端產生的HTF壓力損失。在顆粒填充床的情形中，流體流率和每單位長度的壓力損失之間的關系被Ergun描述為
權利要求
1.一種熱能存儲裝置，包括 第一熱質量； 第二熱質量；以及 第二熱質量； 其中 所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量中的至少兩個熱質量的縱橫比彼此不同；以及 由導管和閥構成的布置結構，所述由導管和閥構成的布置結構被構造成用于引導熱傳遞流體通過所述熱質量中的一個或多個熱質量的組合， 其中，所述由導管和閥構成的布置結構使得所述熱質量能夠彼此隔離。
2.根據權利要求1所述的熱能存儲裝置，其中，所述由導管和閥構成的布置結構被構造成用于引導所述熱傳遞流體通過如下熱質量 i )通過所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量中的所有熱質量，或者 ii)通過所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量中的兩個熱質量，或者 iii)通過所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量中的一個熱質量。
3.根據任一前述權利要求所述的熱能存儲裝置，還包括支撐結構，以支撐所述熱質量。
4.根據任一前述權利要求所述的熱能存儲裝置，還包括隔熱材料，以隔離每個熱質量。
5.根據權利要求4所述的熱能存儲裝置，其中，所述隔熱材料被施用到所述支撐結構的內側，和/或在每個熱質量的基部與所述支撐結構之間設有熱中斷部。
6.根據從屬于權利要求3時的權利要求4所述的熱能存儲裝置，其中，所述隔熱材料包括雙皮層設計，在該雙皮層設計中，所述支撐結構通過隔離物層以及與每個熱質量接觸的內側薄皮層而與每個熱質量隔離。
7.根據權利要求4所述的熱能存儲裝置，其中，所述隔熱材料包括噴涂涂層或封裝的隔離材料，所述噴涂涂層被施用到所述支撐結構的內側，所述封裝的隔離材料被裝配到所述支撐結構的內側。
8.根據權利要求1所述的熱能存儲裝置，其中，在每個熱質量的入口和出口處設有閥。
9.根據任一前述權利要求所述的熱能存儲裝置，其中，所述由導管和閥構成的布置結構使得所述熱傳遞流體能夠被弓I導通過所述熱質量中的串聯的兩個或更多個熱質量。
10.根據任一前述權利要求所述的熱能存儲裝置，其中，所述由導管和閥構成的布置結構使得所述熱傳遞流體能夠被引導通過所述熱質量中的并聯的第一熱質量和第二熱質量，以及所述熱質量中的與所述第一熱質量及所述第二熱質量串聯的第三熱質量。
11.根據任一前述權利要求所述的熱能存儲裝置，其中，所述由導管和閥構成的布置結構使得所述熱傳遞流體能夠被引導通過所述熱質量中的并聯的兩個或更多個熱質量。
12.—種存儲能量的方法，包括 提供熱能存儲裝置，所述熱能存儲裝置包括 第一熱質量， 第二熱質量，以及 第二熱質量， 其中所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量中的至少兩個熱質量的縱橫比彼此不同；以及 提供由導管和閥構成的布置結構，所述由導管和閥構成的布置結構被構造成用于引導熱傳遞流體通過所述熱質量中的一個或多個熱質量的組合，其中，所述由導管和閥構成的布置結構使得所述熱質量能夠彼此隔離； 通過引導所述熱傳遞流體通過所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量來利用熱能對所述熱能存儲裝置進行蓄能；然后 將所述熱能儲存在所述熱能存儲裝置中一段時間；然后 通過引導熱傳遞流體通過所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量而釋放來自所述熱能存儲裝置的熱能中的至少一部分，其中所述蓄能步驟和/或釋能步驟包括多級過程。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，所述釋能步驟包括 通過引導熱傳遞流體通過所述熱質量中的一個或多個熱質量的第一構造而釋放來自所述熱能存儲裝置的熱能中的一部分；然后 通過引導熱傳遞流體通過所述熱質量中的一個或多個熱質量的第二構造而釋放來自所述熱能存儲裝置的熱能的另一部分，其中，所述第一構造不同于所述第二構造。
14.根據權利要求12或13所述的方法，其中，所述蓄能步驟包括 通過引導所述熱傳遞流體通過所述熱質量中的一個或多個熱質量的第三構造而將所述熱能的一部分蓄存到所述熱能存儲裝置中；然后 通過引導所述熱傳遞流體通過所述熱質量中的一個或多個熱質量的第四構造而將所述熱能的另一部分蓄存到所述熱能存儲裝置中，其中，所述第三構造不同于所述第四構造。
15.根據任一前述權利要求所述的裝置或方法，其中，所述熱傳遞流體包括氣體或液體。
16.根據任一前述權利要求所述的裝置或方法，其中，所述熱質量中的每一個熱質量均包括一個熱單元或者彼此并聯布置的多個熱單元。
17.根據權利要求16所述的裝置或方法，其中，所述第一熱質量比所述第二熱質量包括更多個熱單元，所述第二熱質量又比所述第三熱質量包括更多個熱單元。
18.根據權利要求16或17所述的裝置或方法，其中，每個熱單元均包括以下項中的一個或它們的組合 i)固體顆粒填充床，所述熱傳遞流體能夠直接通過所述固體顆粒填充床，以將熱能運載到所述熱能存儲裝置以及從所述熱能存儲裝置運載熱能， ii)布置在至少一個導管周圍的固體顆粒填充床，所述熱傳遞流體能夠通過所述至少一個導管， iii)包括多個通路的固體質量基質，所述熱傳遞流體能夠通過所述多個通路，或者 iv)一定體積的相變材料。
19.根據任一前述權利要求所述的裝置或方法，其中，每個熱單元均包括以下項中的一個或它們的組合 i)固體顆粒填充床，所述熱傳遞流體能夠直接通過所述固體顆粒填充床，以將熱能運載到所述熱能存儲裝置以及從所述熱能存儲裝置運載熱能，ii)布置在至少一個導管周圍的固體顆粒填充床，所述熱傳遞流體能夠通過所述至少一個導管。
20.根據任一前述權利要求所述的方法或裝置，其中，所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量包括固體顆粒，并且，所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量中的至少兩個熱質量中的顆粒直徑彼此不同。
21.根據任一前述權利要求所述的方法或裝置，其中，所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量包括固體顆粒，并且，所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量中的至少兩個熱質量中的顆粒直徑彼此相同。
22.根據任一前述權利要求所述的裝置或方法，其中，每個熱質量均具有大于180s/mm的熱容量/導熱率比值。
23.根據權利要求22所述的裝置或方法，其中，每個熱質量均具有大于500s/_的熱容量/導熱率比值。
24.根據任一前述權利要求所述的裝置或方法，其中，每個熱質量均包括巖石。
25.根據權利要求12或13所述的方法，其中，對所述熱能存儲裝置進行蓄能的步驟包括引導所述熱傳遞流體通過所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量，其中，所述第二熱質量和所述第三熱質量并聯布置，并且所述第一熱質量與所述第二熱質量及所述第三熱質量串聯布置。
26.根據權利要求12或13所述的方法，其中，對所述熱能存儲裝置進行蓄能的步驟包括引導所述熱傳遞流體通過串聯布置的所述第一熱質量、所述第二熱質量和所述第三熱質量。
27.根據權利要求13或根據從屬于權利要求13的任一權利要求所述的方法，其中，所述熱質量的所述第一構造包括串聯的所述第一質量和所述第二熱質量。
28.根據權利要求13或根據從屬于權利要求13的任一權利要求所述的方法，其中，所述第二構造包括串聯的所述第二質量和所述第三熱質量。
29.根據權利要求13或根據從屬于權利要求13的任一權利要求所述的方法，其中，所述第二構造包括串聯的所述第一熱質量、所述第二質量和所述第三熱質量。
30.根據任一前述權利要求所述的裝置或方法，其中，所述熱質量具有不同的橫截面面積。
31.根據任一前述權利要求所述的裝置或方法，其中，所述第三熱質量的橫截面面積小于所述第二熱質量的橫截面面積。
32.根據任一前述權利要求所述的裝置或方法，其中，所述第二熱質量的橫截面面積小于所述第一熱質量的橫截面面積。
33.根據權利要求13或根據從屬于權利要求13的任一權利要求所述的方法，其中，在這三個熱質量中，所述熱傳遞流體在最終釋能期間所流動通過的最后一個熱質量具有最小的橫截面面積。
34.根據權利要求12至33中的任一項所述的方法，其中，蓄能期間的所述熱傳遞流體的速度與釋能期間的所述熱傳遞流體的速度不同。
35.根據權利要求12至34中的任一項所述的方法，其中，通過所述熱質量的所述熱傳遞流體的流動速率在該循環的蓄能階段和/或釋能階段期間不同。
36.一種低溫能量存儲系統，包括 根據權利要求1至11、15至24或30至32中的任一項所述的熱能存儲裝置，其中，所述裝置被構造成用于存儲在功率產生期間釋放的冷的熱能，以及釋放所述冷的熱能以提供冷能來使冷凍劑液化和/或為共定位過程提供冷卻。
37.一種低溫發電系統,包括 根據權利要求1至11、15至24或30至32中的任一項所述的熱能存儲裝置，其中，所述裝置被構造成用于存儲來自廢熱源的、熱的熱能，并且在發電期間釋放所述熱的熱能。
全文摘要
公開了用于存儲熱能的方法和設備。熱能可以是熱的或冷的。該方法和設備允許熱存儲器在不同的速率下蓄能和釋能。該方法和設備還允許以多個階段和/或中斷階段對熱存儲器蓄能和釋能。
文檔編號F28D20/00GK103069247SQ201180040018
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月12日 優先權日2010年8月12日
發明者羅伯特·摩根, 邁克爾·迪爾曼 申請人:高維有限公司