一種蓄熱器及其操作方法
【技術領域】
[0001]本發明第一方面涉及一種如權利要求1的主題所述的蓄熱器。
[0002]本發明另一方面還涉及一種如權利要求17的主題所述的蓄熱器的操作方法。
【背景技術】
[0003]蓄熱器，又稱為熱存儲裝置，包括通過受熱來存儲蓄熱能的蓄熱介質。常見的蓄熱介質具有相對較高的比熱容。因此它們可以存儲相當多的能量同時又沒有過高的溫度變化。從蓄熱器散發出來的熱能用于多種不同的應用。
[0004]通用的蓄熱器包括用以接收蓄熱介質的殼體以及接收在殼體中的蓄熱介質。此夕卜，蓄熱器包括用于運送熱載流的熱交換器，該熱交換器被配置為將熱量從蓄熱介質轉移到熱載流。
[0005]相應地，用于操作熱交換器的通用方法按照以下步驟來執行:熱能從熱源轉移到設置在蓄熱器的殼體上的蓄熱介質，并且熱能通過熱交換器的傳送從蓄熱器轉移到熱載流。
[0006]如果蓄熱介質可以被加熱到相對高的溫度，那么對于某些應用而言是非常有益的。在DE 10 2012 111 707 Al中描述到許多充滿鋁的膠囊被用作蓄熱介質，從而存儲了例如來自熱電站或者集中供暖系統的熱量。
[0007]在WO2012/113824 Al中，來自火車的廢熱得到了利用。為此，具有鋁的蓄熱器被推薦為潛在的蓄熱介質。
[0008]此類已知的蓄熱器限于使用廢熱或者熱電站的熱能。根據上述記載，通過該蓄熱器，除了熱能之外的不同形式的能量并不能得以存儲，也不能轉變為熱能。
【發明內容】
[0009]本發明的目的可以被視為提供一種蓄熱器以及一種操作蓄熱器的方法，其超越了僅僅將熱能吸入和散發的作法，開創了各種應用的可能性。
[0010]該目的可以通過具有權利要求1的技術特征的蓄熱器以及具有權利要求17的技術特征的方法來實現。
[0011]根據本發明的蓄熱器以及根據本發明的方法的各種有益的變體是從屬權利要求的主題，并且將在下文中進一步解釋說明。
[0012]通過上述類型的蓄熱器，根據本發明提供了一種電加熱裝置，其被配置為將電能轉換為熱能。電加熱裝置設置為在操作期間加熱蓄熱介質，其中通過電加熱裝置進行加熱的蓄熱介質是金屬。
[0013]在上述類型的方法中，根據本發明提供了一作為熱源的電加熱裝置，將電能轉換為熱能，并且將通過電加熱裝置來生成的熱能轉移至作為蓄熱介質的金屬。
[0014]通過電加熱裝置將電能盡可能徹底地轉變熱能可以視為本發明的核心思想。然后將該熱能盡可能徹底地轉移到作為蓄熱介質的金屬。
[0015]大量電能的存儲是一個巨大的挑戰。為此，蓄能電站就是以消耗電能來將水栗送到上游從而存儲作為勢能的能量而為人所知。但是，以此方式對空間的要求是很高的。人們也知道電池和類似的方式，其中，電能是被轉化并以化學能的方式來存儲。化學能的存儲可以理解為通過提供能量，某種分子轉化為其它分子。但是，通過這種方式，只有相對少量的能量能夠以合理的成本進行存儲。相反，根據本發明的電加熱裝置允許將電能轉換為熱能然后再進行存儲。連同加熱金屬的想法，使得以相對低的成本來存儲大量的能量成為可能。由于高溫，所存儲的能量可以有效地再次利用于之后的各種應用中或者轉換為其它的能量形式。
[0016]本發明利用了電能有時能夠以非常低的價格獲得，有時甚至是倒貼的事實。這在很大程度上是由于不斷增強了對例如太陽能和風能之類的再生能源的使用。如果產生太多的電能并提供給電力網，那么電價就會快速地下降。但是，為了保護電力線，電能必須要被移除。在用戶過少的情況下，則必須以倒貼的價格來提供電能。
[0017]根據本發明的蓄熱器還提供了尤其是(專有地)在外部電力網中存在多余電能的時候進行充電。這可以通過電價的上閾限來進行限定。可以提供當查明有多余電能時通過電加熱裝置來僅啟動電能引入的控制裝置。這種作法尤其地可以采用自動化的方式來實現，例如通過比較當前電價和預定的最高價格的方式。
[0018]所儲存的熱能可以通過熱載流以可控的方式進行散發。熱載流的熱能大體上能夠以所希望的方式使用。特別地，也可以提供一些裝置，通過這些方法可以將熱能轉回成電能。例如可以在電價到達或者超過預定的最低價格時恰好采用這些方法。
[0019]電加熱裝置大體上可以理解為可以將電能轉變為熱能的任何裝置。優選地，電加熱裝置設計為將至少80%，優選超過95 %的電能轉變為熱能。在這種情況下，它不像所用的其它方法那樣有廢熱。相反，電加熱裝置實現了正好用電源來產生熱的目的。例如這可以通過電阻來實現。
[0020]電加熱裝置可以配置為將蓄熱介質加熱到它的熔點之上。可以使用相變的潛熱能，從而存儲大量的能量。此外，通過操作來接近相變溫度，就可以實現將相對恒定的熱能散發到熱載流中，即使存儲在蓄熱器中的能量總量有更大的波動。在這種結構中，電加熱裝置則必須可以達到足夠高的溫度。根據用作蓄熱介質的金屬，該最小溫度可以例如在600°C和1100°C之間。
[0021]特別地，鋁可以優選為蓄熱介質。其具有660°C的熔解溫度。該溫度一方面足夠高從而能夠存儲大量的能量并且有助于熱載流的高溫，這就意味著更高的性能系數用于隨后使用的熱載流。但是，另一方面熔解溫度沒有太高并且可以劃算地制作容器。該容器必須使用比蓄熱介質的熔解溫度要高的材料來制作。因此，在將鋁作為蓄熱介質的情況下，可以使用劃算的金屬來制作容器，例如鋼鐵。
[0022]作為選擇，銅也適用為蓄熱介質，其中，容器壁同樣可以使用相對理想的金屬來制作。
[0023]熱交換器可以理解為一種具有一個或多個流線(例如管道)的裝置，通過它可以輸送熱載流，尤其是用栗送的方式。流線與蓄熱介質熱接觸，也就是說，特別是在流線與蓄熱介質之間沒有空氣絕緣。相反，蓄熱介質和流線通過具有好的導熱系數的材料來進行連接，例如通過金屬。熱載流原則上可以為任意流體或者任意氣體。優選地，熱載流的相變溫度低于蓄熱介質的相變溫度。一般來說，更多的能量可以因此轉移到熱載流。
[0024]殼體可以理解為包圍尤其是圍繞蓄熱介質的壁體。蓄熱介質可以直接接觸殼體的內壁。
[0025]可以配置電加熱裝置以便于將殼體的上部區域中的熱能散發到蓄熱介質。換而言之，電加熱裝置可以設置進入到殼體的上部區域或者配置在那里。上部區域可以理解為殼體上部的三分之一或四分之一。電加熱裝置優選地設置為與殼體的上邊緣間隔分開。因此，需要考慮這樣的情況，即在從固體相變到流體的情況下，為了保證蓄熱介質可進行膨脹，殼體優選地不要完全充滿蓄熱介質。在這種情況下，電加熱裝置與上邊緣的間隔很遠，從而使得當處于固態時其也被蓄熱介質所包圍。
[0026]通過在上部區域中的布置，在殼體中的蓄熱介質從上到下地開始熔解。因此可以避免不確定的材料應力和負載。
[0027]可以采用將加熱工具直接浸入到蓄熱介質中。因此可以實現良好的熱傳遞。
[0028]由于高溫，電加熱裝置的使用壽命相對較短。為了能夠快速地交換，可以在殼體上為電加熱裝置提供一個或者多個入口。電加熱裝置通過電線來獲得電力，電加熱裝置的電線也可以延伸穿過入口。
[0029]殼體也可以具有一個或者多個針對電加熱裝置的接收管。接收管設置為插入殼體中并在那兒被蓄熱介質所圍繞。接收管從殼體的外部進入，以便于電加熱裝置可以引入到接收管中。接收管可以各自靠近入口并且從外部進入。通過接收管在蓄熱介質和電加熱裝置之間可實現保護。此外，由于沒有和蓄熱介質直接接觸，從而能夠更容易地交換電加熱裝置。盡管如此，為了實現良好的熱傳遞，電加熱裝置可直接與接收管接觸。將固體/液體引入到接收管內用于熱傳遞也可實現。
[0030]為了確保加熱能夠盡可能地均勻同時有最大的熱輸出，電加熱裝置優選地包括多個加熱元件。這些加熱元件可以相互獨立地移動。每個加熱元件可以通過入口引入和/或引入到接收管中。
[0031]與電加熱裝置相比，熱交換器優選地設置在殼體的外部。因此可以確保在發生熱交換器泄漏的情況下，不會有熱載流進入到殼體中。否則，這就會導致殼體爆炸或產生其它損害。這種風險至少通過殼體以及熱交換器的壁來將熱載流與蓄熱介質相分離來降低。
[0032]雖然電加熱裝置可以設置在殼體的上部區域，也可以優選地將熱交換器設置在殼體的下方。因此，可以在殼體的下部區域現實蓄熱介質的冷