熱能儲存設備的制作方法

本申請要求于2014年5月16日提交的申請號為2014/03555的南非臨時專利申請的優先權，在此將其以引用的方式并入本文。

發明領域

本發明涉及熱能儲存。更特別地，本發明涉及熱能儲存設備，其中能量吸收材料由填充床提供。

背景技術：

使用傳統化石燃料進行發電越來越多地被使用一種或其他種類型的可再生能源進行發電所取代。就本專利申請而言，本發明尤其適用于聚光太陽能發電廠或聯合循環發電廠，雖然它不限于這些應用。

使用太陽能與需要儲存所收集的能量以供稍后使用相關聯，從而能量能在夜晚或當陽光被遮擋時(特別地，被云彩遮擋時)可使用。一種實用的儲存能量的方法是以熱量(熱能)的形式，隨后，所述熱量(熱能)可以通過蒸汽產生循環過程以及相關的渦輪和發電機被用于發電。

有人已經提出了不同的熱能儲存設備，至少在某種程度上，目前已經在使用這些熱能儲存設備。這些設備包括將熱能儲存在熔融鹽或者可替換地，在相轉變材料的情況下主要作為潛熱儲存。雖然這些設備或多或少是成功的，但存在相當大的改進空間，尤其在降低成本方面。

巖石填充床也用于高溫下的熱能儲存。通常，一堆巖石被容納在大體上密封的殼體中，被用于從傳熱流體吸收熱能，以便在稍后的階段釋放熱能。在一個儲熱循環中，通常，傳熱流體通過合適的入口進入密封殼體，從巖石的外側加熱殼體中的巖石。在一個放熱循環中，巖石床的冷卻使得傳熱流體穿過巖石床，并經巖石床的外側排出，然后穿過殼體到殼體的出口。

當巖石床位于容器中時，將會發生被稱為“棘輪效應”的問題。形成巖石床的巖石中的顆粒溫度增高引起膨脹，如果填充床的熱膨脹系數高于容器的熱膨脹系數，則可能導致一些巖石抵壓住其他巖石或者容器壁。在放熱時，溫度降低，顆粒和容器收縮。然而，如果容器的熱膨脹系數高于顆粒的熱膨脹系數，在儲熱過程中，顆粒將下沉，在放熱時，容器將會比顆粒收縮得更多。這樣，顆粒被容器限制并受壓，從而所述顆粒被減小為較小巖石片。這樣會使容器壁破損，和/或導致巖石床的頂部區域逐漸下降到令人不滿意的程度。

另一個問題是密封殼體的成本可能很高，特別是對于大型儲能設備。

本發明的目的是至少在一定程度上解決這些問題及其他問題。

本發明背景技術中的前述討論，只是旨在便于理解本發明。應當理解，所述討論并非確認或承認，任何所提及的材料為本申請的優先權日時的本領域公知常識的一部分。

在以下的說明書中，術語“填充床”不僅包括由天然巖石制得的填料(element)，還包括由陶瓷材料、混凝土、采礦或工業副產品制得的填料以及其他任何具有合適的熱容和其他熱力學性能的填料。

技術實現要素：

本發明提供了一種熱能儲存設備，包括具有實質上無約束的外部區域的填充床，以及與所述填充床的內部連通并且具有外部流體供給端的導管，所述熱能儲存設備的特征在于，所述導管具有位于所述填充床的中央下部區域內的熱交換端部區域，從而在儲熱循環中，允許較高溫度的傳熱流體經所述流體供給端進入所述導管，穿過所述導管到達所述填充床的內部，從所述填充床的內部區域向外加熱所述填充床，并且，在放熱循環中，允許傳熱流體從儲熱的填充床被引入所述導管的較高溫度的所述熱交換端部區域，使得傳熱流體在加熱狀態下從所述導管的所述流體供給端排出。

本發明的另一些特征是，所述流體供給端位于或靠近所述填充床的頂部區域，或者可替換地，位于所述填充床的下面；所述填充床的外表面實質上暴露于環境中；或者可替換地，所述設備設置有一個或多個諸如頂板的保護結構，用于保護所述填充床免受風雨影響。

本發明的另一些特征是，所述導管是由實質剛性材料制得的管，所述導管具有熱交換端部區域和與所述熱交換端部區域相對的流體供給端；所述導管至少部分延伸，大致上豎直地穿過所述填充床的中央區域延伸，所述熱交換端部區域位于所述填充床的下部區域內；所述導管的熱交換端部區域具有孔，在儲熱循環中，所述孔允許經所述流體供給端進入所述導管的較高溫度的傳熱流體穿過所述導管到達所述填充床，加熱所述填充床，并且在放熱循環中，所述孔允許較高溫度的傳熱流體從所述填充床被引入所述導管，從而所述傳熱流體能夠從所述導管排出。

本發明的另一個特征是，所述孔設置在所述導管的熱交換區域，所述孔實質上分布在所述填充床自底部或自近底部的高度的約20％-約50％的區域范圍。

本發明的另一些特征是，所述導管是中空的細長軸；所述管由一種或多種高溫合金制得；所述管實質上由鋼鐵和/或混凝土制得，或所述管由填料填充的袋狀鋼籠制成；所述較高溫度是500℃以上，甚至可能是1000℃以上。

本發明的另一些特征是，所述填充床是填充在至少所述管的熱交換端周圍的填料堆；所述管的所述流體供給端位于或靠近所述填充床的頂部區域，在此情況下，填充所述填料，使得所述填充床和所述管一起具有截錐狀的形狀；或者可替換地，所述管的所述流體供給端位于所述填充床的下面，在此情況下，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為圓錐形或角錐形的形狀，并且所述管的所述流體供給端位于所述填充床的下面；或者作為另一種替代方式，所述填充床為長形堆，至少具有一個橫截面為三角形或平切三角形(truncated triangular)的上部區域，其中所述導管的熱交換端部區域位于所述填充床的內部下部區域內；所述填料被填充為通常無擾動的堆體；所述填料堆以其自然靜止傾角向下傾斜；所述靜止傾角的范圍是25°和65°之間，優選為34°和42°之間；所述填料是天然巖石，選自花崗巖、片麻巖或輝綠巖。

所述設備的尺寸取決于所需的熱能儲存容量。所述填充床的高度可以是在1m和60m之間，所述導管的直徑可以是在0.2m和15m之間。所述填充床的體積約1m³至約300000m³。

本發明延及一種熱能儲存系統，所述熱能儲存系統包括熱源、與所述熱源流體連通(in fluid communication with)的熱能負載和熱能儲存設備，所述熱能儲存設備用于儲存由所述熱源產生的熱能，從而當熱源的輸出可能下降時，給所述熱能負載供能，所述熱能儲存設備包括具有實質上無約束的外部區域的填充床和與所述熱源和所述熱能負載流體連通的導管，所述導管具有熱交換端部區域和與所述熱交換端部區域相對的流體供給端，其特征在于，所述熱交換端部區域位于所述填充床的中央下部區域內，在儲熱循環中，所述熱交換端部區域允許來自所述熱源經所述流體供給端進入所述導管的較高溫度的傳熱流體，穿過所述導管到達所述填充床，加熱所述填充床，并且在放熱循環中，所述熱交換端部區域允許較高溫度的傳熱流體從所述填充床被引入所述導管，從而所述傳熱流體能夠從所述導管排出，以將熱能供給所述熱能負載。

本發明的該方面的另一些特征是，所述導管是由實質剛性材料制得的管，所述導管具有熱交換端部區域和與所述熱交換端部區域相對的流體供給端；所述導管至少部分延伸，大致豎直穿過所述填充床的中央區域延伸，所述熱交換端部區域位于所述填充床的下部區域，所述導管具有至少位于或靠近所述熱交換端部區域的孔，在儲熱循環中，所述孔允許從所述熱源經所述流體供給端進入所述導管的較高溫度的傳熱流體，穿過所述導管到達所述填充床，加熱所述填充床，并且在放熱循環中，所述孔允許較高溫度的傳熱流體從所述填充床被引入所述導管，從而所述傳熱流體能夠從所述導管排出，以將熱能供給所述熱能負載。

根據本發明的一個方面，所述熱源是聚光太陽能發電廠，所述熱能負載是汽輪機，所述傳熱流體是氣體。

所述系統可以包括鼓風機或風扇，用于在儲熱循環中，將傳熱流體驅向所述導管，和/或在放熱循環中，將傳熱流體驅向所述熱能負載。

本發明延及一種構建熱能儲存設備的方法，包括以下步驟：架設導管，所述導管具有熱交換端部區域和與所述熱交換端部區域相對的流體供給端，以實質上無約束的方式填充所述填充床，所述填充床以其自然靜止傾角向下傾斜，其特征在于，所述填充床至少在所述導管的熱交換端部區域的周圍填充。

本發明的該方面的另一些特征是，包括在大致豎直的方向上架設導管的步驟，所述導管由實質剛性材料制得，具有沿熱交換端部區域設置的孔；并且包括至少在所述管的所述熱交換端部區域的周圍填充填充床的步驟，從而所述填充床和所述管一起形成所需形狀，其中所述導管的所述熱交換端部區域位于所述填充床的內部下部區域。

所述方法可以包括架設一個或多個保護結構的步驟，所述保護結構用于保護所述填充床免受風雨影響，優選為頂板。

為了更充分地理解本發明，將參考附圖，對本發明的實施例進行描述。

附圖說明

將參考附圖僅以示例的方式對本發明進行描述。

圖1是根據本發明的熱能儲存設備的一個實施例的截面示意圖；

圖2是根據本發明的熱能儲存設備的另一個實施例的截面示意圖；

圖3是根據本發明的熱能儲存系統的一個實施例的示意圖；

圖4A示出根據本發明的熱能儲存設備在儲熱循環中的溫度的模擬輸出；

圖4B示出圖4A中的熱能儲存設備在放熱循環將要結束時的溫度的模擬輸出；

圖5示出根據本發明的熱能儲存設備隨時間推移的放熱溫度的模擬輸出；

圖6示出根據本發明的熱能儲存設備的不同區域的壓降的模擬輸出；

圖7是根據本發明的熱能儲存設備的一個實施例的截面示意圖，其中所述設備包括頂板。

圖8是根據本發明的熱能儲存設備的可替代實施例的示意性剖視圖；和

圖9是圖8所示的實施例的沿IX-IX線的橫截面圖。

具體實施方式

圖1示出根據本發明的熱能儲存設備的一個實施例1。該熱能儲存設備1包括導管，所述導管是剛性管3，所述導管大致豎直地穿過填充床5的中央區域延伸。填充床5被填充在管3的周圍，從而所述填充床的外部區域7基本不被約束。管3具有位于填充床5的下部區域的熱交換端9和位于填充床5的頂部且與熱交換端9相對的流體供給端11。

流體供給端11被設置為用作較高溫度的傳熱流體在儲熱循環中進入管3的入口，以及較高溫度的傳熱流體在放熱循環中從管3排出的出口。

管3具有緊鄰熱交換端9的熱交換端部區域13，沿所述熱交換端部區域設置有多個孔15。在本發明的該實施例中，熱交換端部區域13是穿孔區，其中這些孔設置在管中，分布在管3的下部約四分之一，也即分布在填充床5的高度的約25％的區域范圍內。如圖1所示，管3的壁的其余部分實質上是連續的或是實體。

在儲熱循環中，傳熱流體穿過這些孔，熱量從傳熱流體被傳遞到填充床5，從而將熱量儲存在填充床5中。在放熱循環中，該過程是相反的，熱量從填充床5被傳遞到傳熱流體，然后傳熱流體流經這些孔，通過將熱量吸收進傳熱流體，從而回收儲存在填充床5中的熱量。

填充床5的外表面可以暴露于環境中，基本不受阻礙，使得填充床5被加熱或冷卻時，能膨脹或收縮。所述填充床5由填充在管3周圍的一堆填料組成，從而填充床5和管3一起形成錐形，如圖1所示。

通過在大致豎直的方向上設置管3或其他導管，并且以實質上無約束的方式在所述管的周圍填充填充床5，可以構建得到設備1。填充床5可以被填充為通常無擾動的堆體，換句話說，可以讓所述填料堆以其自然靜止傾角向下傾斜。填料的自然靜止傾角可以根據所用填料的類型和尺寸改變，例如，在25°和65°之間，優選34°和42°之間。在該實施例中，所用的巖石的類型是天然巖石，即輝綠巖，其自然靜止傾角是38°，填充床5和管3的高度約50m，所述管的直徑約10m。

熱能儲存設備1能夠儲存熱源產生的熱能，從而在所述熱源的輸出可能下降或無輸出時，將熱能供給熱能負載。

圖2示出根據本發明的熱能儲存設備的另一個實施例61。熱能儲存設備61包括剛性管63，所述剛性管的一部分從填充床65的底部77延伸進入所述填充床的中央區域。填充床65被填充在管63的熱交換端69的周圍，從而外部區域67實質上無約束，并且所述填充床和所述管一起具有大致圓錐形或角錐形的形狀。熱交換端69和包括多個孔75的熱交換端部區域73位于填充床65的底部區域內，與熱交換端69相對的流體供給端71位于填充床65的下面。在該實施例中，位于所述填充床的下面的管63的流體供給端71，延伸穿過支撐填充床65的底部支架或地面，伸入填充床65的中央下部區域。熱交換端部區域73是穿孔區，其中這些孔位于管中，分布在填充床5的高度的約25％的區域范圍內。在所述支架或地面下面延伸的管63的壁的其余部分實質上是連續的。

圖3描述了熱能儲存系統的一個實施例17，其中，如圖1所示的熱能儲存設備1與熱源19和熱能負載21流體連通。在該實施例中，熱源19是聚光太陽能發電廠，熱能負載21是汽輪機。

系統17還包括鼓風機23或風扇、第一儲熱循環閥門25、第二儲熱循環閥門27、第一放熱循環閥門29和第二放熱循環閥門31。鼓風機23與熱源19、熱能負載21和熱能儲存設備1流體連通，所述鼓風機被設置為，在儲熱循環中，驅使傳熱流體進入熱能儲存設備1的管3；在放熱循環中，將傳熱流體驅向熱能負載21。在該實施例中，所述傳熱流體是空氣，所述空氣被加熱到500℃至650℃。

在本發明的其它實施例中，所述傳熱流體可以被加熱到500℃以上，甚至可能1000℃以上。

如圖8和圖9所示，本發明保護范圍內可能有多種不同結構；如圖9所示，填充床81可以是長形堆，其橫截面通常為三角形或平切三角形。而且，在這種情況下，進口管82可以位于表面83上面，或在表面83的上方，表面83支撐所述填充床，此時，入口區域84可以是隔熱的，從而將熱量保存在傳熱流體內，所述傳熱流體在儲熱循環中流入所述填充床的內部區域，在放熱循環中從所述填充床的內部區域流出。如在上面例子中所述，所述填充床可以被包圍在防風雨保護罩86中，所述防風雨保護罩具有出口/入口87，用于傳熱流體在儲熱循環中流出所述保護罩，在放熱循環中流進所述保護罩。

使用時，在儲熱循環中，第一儲熱循環閥門25和第二儲熱循環閥門27打開，允許較高溫度的傳熱流體經流體供給端11進入管3。第一放熱循環閥門29必須關閉，從而與熱能負載21無流體連通，第二放熱閥門31可以根據熱能負載21的需要或其他原因打開或關閉。管3中的孔15允許管3中的傳熱流體穿過管3到達填充床5，加熱填充床5。以這種方式，來自熱源19的熱能被填充床5的內部區域吸收。

應當理解，特別地，第二放熱循環閥門31可以在儲熱循環中處于打開狀態，以允許一部分較高溫度的傳熱流體繞過熱能儲存設備1，直接流向熱能負載31。

在放熱循環中，第一放熱循環閥門29和第二放熱循環閥門31都打開。較高溫度的傳熱流體從填充床5經孔15被引入管3，打開的閥門29、31允許傳熱流體經流體供給端11從管3排出，將熱能供給熱能負載21。在放熱循環中，第一儲熱循環閥門25和第二儲熱循環閥門27關閉，從而熱源19和所述填充床之間無流體連通。

建立本發明的熱能儲存設備的一個數值模型，并使用市售的計算流體動力學(CFD)軟件產品ANSYS FLUENT進行模擬。

在該模型中，選擇來自燃氣輪機發電循環的廢氣作為用于加熱所述填充床的熱源。對一個儲熱循環和一個放熱循環進行模擬。所述儲熱循環的時長設為8小時，所述放熱循環的時長設為30小時。模擬中所用的參數見下表1。

表1數值模型參數

*蒸汽循環的最終電力輸出功率

在儲熱循環和放熱循環結束時，采取沿所述熱能儲存設備的單個平面上的等溫線，對其進行分析，模擬結果分別示于圖4A和圖4B中。

如圖4A所示，高溫區41位于所述巖石床的內部區域，而低溫區43位于所述巖石床的外部區域。根據模擬結果，高溫區41的溫度為約560℃，而外部區域43的溫度為約25℃。溫度躍層區45存在于高溫區域41和外部區域43之間，其是所述巖石床的熱區和冷區的過渡區。

圖4B示出在放熱循環快結束時的等溫線。在30小時的放熱循環快結束時，大部分熱能從所述巖石床排出。模擬結果表明，在所述巖石床和所述管之間發生熱交換的區域中，存在相對較小的溫度約為560℃的高溫區47，而管49的大部分區域為低溫區。所述巖石床的大部分區域處于約25℃的低溫區51。

可以設想，在實際運行中，當出口溫度低于一定的溫度，所述設備可以停止放熱或可以將流速降低以保存可用能量。可能需要數個儲熱循環和放熱循環，所述設備才能達到穩定狀態并且能夠提供30小時的滿負載儲量。

圖5的模擬輸出結果示出了在上述的數值模型中，所述傳熱流體隨時間推移的放熱溫度。在放熱約19小時時，從所述管排出的流體的溫度下降到800K(約530℃)以下。

圖6示出了在儲熱循環中，所述熱能儲存設備模型的壓降的示意圖。示出了沿所述填充床的中央區域的單個平面上的壓降。由于設置有管內的孔，熱交換區域附近的區域的壓力梯度較大，并且當流體流向所述填充床的外部區域時，壓力梯度顯著下降。

當流體從所述填充床的中央區域流向所述填充床的外部區域時，流過所述填充床的流體的面積增加，導致流速減慢。由此得到了較低的壓降。據設想，所述熱交換區域的長度和所述管的半徑等參數可以調整，以得到所需壓降。例如，所述熱交換區域的長度和所述管的半徑可以同時增加，從而降低壓降。所述填充床內的填料的顆粒尺寸也可以改變，以獲得所需壓降。

當導管的熱交換端部區域位于填充床的中央下部區域內時，導管可以具有任何合適的形狀和結構。導管可以豎直穿過填充床的中央區域延伸，或可以從支撐填充床的支架下方進入所述填充床。可替代地，為避免或最小化熱量轉移到所述填充床的外部區域，如果所述導管的進入部分被適當地隔熱，所述導管也可以被設置為從所述填充床的一側進入所述填充床，并從該側向所述填充床的中央區域延伸。

所述導管可以是管，所述管可以是任何適合的由實質剛性材料制得的中空細長的軸，以便能夠承受傳熱流體和填充床的熱量以及所述填充床向其施加的力。所述管可以是例如由鋼鐵等高溫合金和/或混凝土制得。可替代地，所述管可以由填充的袋狀鋼籠(優選填料填充的袋狀不銹鋼籠)構成，所述袋狀鋼籠被堆疊以形成導管或供傳熱流體流經的通路。

在所述管的熱交換區域中的孔可以分布在所述管的任何合適的部分和/或所述填充床的任何合適的高度的區域范圍內。所述熱交換區域例如可以分布在所述填充床整體高度的約20％至約50％的區域范圍內。

所述傳熱流體可以是氣體或液體。所述氣體可以是空氣、二氧化碳或其他不可燃氣體。所述液體可以是熔融鹽、熱油或其他傳熱流體。可以使用任何合適的巖石，例如但不限于花崗巖、片麻巖或輝綠巖。

可以設想，本發明的熱能儲存設備或熱能儲存系統可以包括一個或多個保護結構，用于保護所述填充床免受風雨或其他因素影響。優選地，所述保護結構在防止雨到達填充床的同時，不會將所述填充床與環境實質隔離，從而空氣能夠從所述填充床逸出。

圖7示出了根據本發明的熱能儲存設備的一個實施例53。圖7所示的實施例與圖1所示的實施例相似，相同的標號表示相同的組件。在該實施例中，設備53進一步包括頂板55形式的保護結構。頂板55從頂點區域57向下傾斜到檐部59。

頂板55是不透水的，從而防止所述填充床5暴露于雨。向下的斜坡使水沿頂板55向下流動，從檐部59下落。這樣，防止雨到達所述填充床5。頂板55是可透氣的，允許空氣從所述填充床5逸出。

頂板55例如可以包括通風口60，所述通風口被設置為，不允許雨或水向內流動但允許空氣流經。可替代地，可以使用防水和透氣膜，尤其在較小結構中。可以使用Gore-Tex^TM等聚四氟乙烯(PTFE)基材料，以確保所述保護結構是防水的，同時允許空氣通過。

還可以預見，可以設置支撐結構，用于支撐所述填充床的下部外部區域。例如，所述支撐結構可以是圍繞所述填充床的下部外部邊緣的壁。對支撐所述填充床的支架或地面可以進行地基處理，以確保所述填充床的中央下部區域能承受較高溫度。類似地，也可以進行水分收集監測。

所述設備的尺寸取決于所需的熱能儲存容量。所述填充床的高度例如可以為1m和60m之間，所述管的直徑例如可以為0.2m和15m之間。所述填充床的體積例如可以是約1m³至約300000m³。優選地，所述填充床的尺寸足夠大，使得所述填料實質上是自隔離的，從而至少在一定程度上，保護所述填充床的內部區域免受環境因素(例如風雨)影響。也可以使用較小的填充床，例如，體積為1.0m³的填充床。

上述尺寸是示例性的，應當理解，當需要更大的熱能儲存容量時，所述設備可以大很多。

因此，本發明提供了一種熱能儲存設備和系統，以及構建這種設備的方法。特別地，所披露的設備可以用于聚光太陽能發電廠或聯合循環發電廠，盡管所述設備并不限于這些應用。

熱能被儲存在填充床的中央下部區域，從而大大減少了對填充床的周圍做進一步隔離的需要，例如，密閉的容器。這個特征可能意味著所述熱能儲存設備的結構和維修的成本大幅度下降。

所述填充床的傾斜的、實質上不受阻礙的側面可以克服當填充床被置于容器中時出現的棘輪效應的問題，其中顆粒在加熱和冷卻時膨脹和收縮，堆疊更為緊密，向容器施加力。所述設備的設計還可以保證所述填充床的大部分區域上相對較低的壓降。

可以用相對簡單的方式構建所述熱能儲存設備，例如，通過簡單的架設如本文的所述的管，并將一堆填料以其自然靜止傾角填充在所述管的周圍。這可以減少所需部件，降低結構和/或操作成本，從而使所述熱能儲存系統是經濟可行的。例如，如果所述填充床沒有被容納，則當所述填充床壽命盡時，更容易替換。

在整個說明書和權利要求中，除非文中另有要求，詞語“包括(comprise)”或變型，例如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”應理解為包括所述整數個或指定整數個組，但不排除任何其他整數個或整數個組。