本发明涉及能量存储系统，并且更具体地涉及一种系统，其利用吸热相变材料(pcm)，该材料可操作地存储来自从电网或其他电源提取的电力的热能，并产生用于区域供热或其他用途的热水，或在电网负荷需求高峰期间通过朗肯循环产生蒸汽以发电。
背景技术：
0、技术背景
1、随着传统能源发电格局向无污染的“绿色”能源加速转型，全球数以万计的化石燃料发电厂(特别是燃煤电厂)正面临提前关停和退役。事实上，在经济脱碳这一新兴共识的支持下，旧化石工厂的退役进程已经开始，转而采用更环保、无污染的“绿色”替代发电方式。尽管在许多情况下，除了化石燃料锅炉(即蒸汽发生器)之外，图1a所示的传统蒸汽-电力朗肯发电循环的其他设备仍然完全起作用并可继续运行，所造成的资产的破坏和浪费估计仍达数万亿美元。
2、绿色可再生能源兴起的另一个结果是发电水平的波动(高点和低点)增加，这需要储能系统来平衡此类绿色发电系统向电网输送的电力。
技术实现思路
1、本发明提供了一种环境友好的“绿色”热能存储系统，当需要加热传热工作流体时，该系统提供其存储的热能。在一些实施例和应用中，工作流体可以是水或水混合物；然而，在其他应用中可以使用其他类型的工作流体。该系统包括一个或多个热能密封容器(containment vessels)，其包含层相变材料(pcm)床，吸收并存储来自电源的热量。pcm根据不同目的加热流经容器的工作流体。
2、在一些实施例中，本发明的热能存储系统可用于加热水以用于区域供热或其他用途。在其他实施例中，热能存储系统可用于产生用于发电的蒸汽。尽管对于这些应用中的任何一个，在能源价格较低时的电网非高峰负荷需求时段期间优选地从诸如电网之类的电源提取电力来加热容器中的pcm，如本文进一步描述的，但是当必要时，热能系统可以在其他时段(包括高峰负荷需求时段)从电源提取电力。因此，从电网或其他存储源提取电力以存储为热能的时间不限于任何特定时间段。
3、在上面的后一应用中，本发明公开的技术用“绿色锅炉”取代了朗肯发电循环的传统化石锅炉部分，该“绿色锅炉”既充当能量存储装置，又充当相应的“按需”蒸汽发生和发电器，而不消耗任何化石燃料。这样，就可以大大节省化石燃料发电站的巨额资本投资，同时人类的能源脱碳目标也将得到全面实现。
4、根据本发明的绿色热能存储和发电系统提供了将其电力输出与电网的波动负荷需求相匹配的手段，在本文中称为“绿色锅炉”，因为该系统可以被改造和安装在现有的化石能源发电站，并按需提供蒸汽和电力，从而消除了发电站化石燃料的使用。保留传统化石燃料发电厂的汽轮发电机和相关剩余朗肯循环设备基本设施；仅拆除和更换化石燃料锅炉及其相关子系统部件。
5、因此，本发明公开的绿色锅炉技术设想用“绿色锅炉系统”取代现有发电厂的化石燃料燃烧锅炉，该系统将发电厂转变为能量存储设施以及清洁发电机。在一些实施例中，绿色锅炉系统还可以是独立的能量存储单元，其从相关联的太阳能、风能或核电站接收其输入能量。
6、目前的“绿色锅炉”概念依赖的事实为：发电厂在一天24小时的大部分时间内输送到电网的电力超过了实际的实时消费者(即工业、商业或住宅)对电力的需求。这意味着存在一些时间窗口，存在廉价的剩余电力，但不幸地被浪费了。绿色锅炉将从电网或直接从同一地点的绿色能源工厂(例如太阳能、风能或核能)获取剩余能量，并将能量热存储在相变材料(pcm)中，诸如但不限于在一个实施方案中的熔盐床。
7、对于发电，pcm绿色锅炉的配置和功能是使朗肯发电循环的锅炉给水沸腾和过热，以便在电网面临电力短缺以满足当前需求时“按需”生产电力。因此，当电网面临电力短缺时，绿色锅炉可以作为调峰发电机组，进一步取代电网电力负荷波动期间使用的传统小型天然气或柴油调峰发电机组。换句话说，当电力需求超过电网中基本负载单元的可用供应时，绿色锅炉就会被激活。因此，具有化石燃料锅炉的传统的大型“基本负荷”污染化石燃料发电厂被转变为按需清洁能源发电机，以发挥调峰发电的作用。
8、从社会学的角度来看，重新配置的电厂将继续雇用其工人(经过一些再培训)，因此对电厂所在社区的影响很小。然而，有利地消除了碳氢化合物空气排放源。此外，对于燃煤电厂来说，锅炉燃烧煤炭产生的残留飞灰和底灰也被消除。由于一些燃煤电厂使用湿式泄水作为处理灰烬的方法，因此减小了与废水处理和清理相关的成本，废水处理和清理以去除此类废蒸汽中灰烬中的悬浮固体、“重金属”或其他成分以达到规定的排放限值。
9、原则上，将环境不清洁的锅炉改造为绿色锅炉技术可以毫无例外地应用于世界上任何化石燃料工厂。因此，发电经济的脱碳可以毫不拖延地、以最大的便利性进行。范围界定计算表明，就资本成本而言，绿色锅炉改造无疑是现有化石燃烧工厂脱碳最便宜的途径。运营成本同样低于任何其他能量存储和输送技术。
10、用“绿色锅炉”取代现有的化石燃煤、燃油或天然气锅炉是本发明公开的创新绿色能量存储和发电系统的一个非限制性方面，该“绿色锅炉”包括流体互连和加热相变材料(pcm)密封容器组件，在一个实施例中每个密封容器都将热能存储在熔盐中。
11、每个熔盐相变材料密封容器均被配置并可操作以当提供给电网的可用发电量超过需求时，通过嵌入盐库存或床中的加热元件阵列从电网(或位于同一地点的清洁能源工厂)提取的电力来加热和熔化其中所含的固体盐颗粒。每个pcm密封容器包括管束，该管束包括与熔盐床流体隔离的多个热交换器管，以将朗肯循环的锅炉给水输送并流过位于管的内部管侧上的容器。容器的壳侧(每个容器内的管的外部)包含与管的外部紧密且直接接触的熔盐。在与绿色锅炉朗肯循环的发电机电连接的电网运行期间，绿色锅炉利用熔盐中存储的热能在一连串盐床中在连续高于熔点下将包含在热交换器容器中的锅炉给水加热，以产生蒸汽。蒸汽流至蒸汽涡轮并驱动蒸汽涡轮，蒸汽涡轮又使以已知方式机械联接到其的发电机旋转，以在电网的高峰负荷需求期间“按需”发电。
12、在一个实施例中，绿色锅炉系统的熔盐pcm密封容器是伸长的，并且可以包括在水侧流体连通的可选预热器、锅炉和过热器，预热器预热锅炉给水(仍处于液相)，锅炉加热和将水转化为湿(即饱和)蒸汽，以及过热器将蒸汽干燥(即去除水分)至过热状态然后供应给蒸汽涡轮机。如果进入的锅炉给水足够热，则可以省略预热器。在一些实施例中，蒸汽收集容器可包括在蒸汽涡轮机上游，其直接接收并收集来自过热器容器的过热蒸汽。所有前述容器优选地被严格隔热以保持热量并且可以被收集并容纳在共同的封闭结构或壳内。在一个实施例中，容器可以垂直定向并是伸长的，并且安装在地面或高架上的钢筋混凝土支撑垫上。
13、在改造和更换化石燃料锅炉计划中，值得注意的是绿色锅炉系统的规模经过调整，使得过热蒸汽的焓是其所取代的化石燃料锅炉的设计基准蒸汽。因此，由于设备的热负荷没有变化，因此可以在不进行改造的情况下使用剩余发电厂设备。
14、对于区域供热应用，一个或多个与上述结构类似的加热pcm密封容器使用存储在熔盐床中的热能来加热并产生热水，这些热水可以泵送并分配到当地城镇或城市用于为建筑物供暖。水被加热至约200f(华氏度)并保持饱和但未沸腾的状态以用于加热目的。多个加热熔盐密封容器可以以并流布置方式布置并流体地联接在一起，以供应区域供热所需的热水总量。有利地，这提供了一种模块化系统，其中随着区域供热的需求随着人口和基础设施的增长而增加，随着时间的推移，可以添加额外的pcm密封容器。
15、在一个方面，热能密封容器包括：伸长主体，其限定内腔，所述内腔包含可操作以存储热能的相变材料床；嵌入相变材料中的加热器阵列，所述加热器配置为电联接至电源并且可操作以将相变材料加热并熔化至熔融状态；管束，包括嵌入熔融相变材料中的多个热交换器管，所述热交换器管配置为通过热交换器管输送工作流体以从熔融相变材料吸收热能。相变材料可以是盐并且工作流体可以包括单独的水或水混合物(例如，水和乙二醇)。
16、在另一个方面，热能存储和发电系统包括：闭合流动环路，其包括流体连通的蒸汽涡轮机、蒸汽冷凝器、锅炉组件和可操作以使锅炉给水循环通过闭合流动环路的泵；可操作地联接到蒸汽涡轮机和电网的发电机；锅炉组件，包括热能锅炉容器和流体地联接到锅炉容器的热能过热器容器。每个容器包括：伸长管状主体，其限定包含可操作以存储热能的熔融相变材料床的内腔；嵌入熔融相变材料中的加热器阵列，所述加热器电联接至电网并被通电以加热熔融相变材料；管束，包括嵌入熔融相变材料中的多个热交换器管，所述热交换器管配置为通过所述热交换器管的管侧输送锅炉给水。其中，热能锅炉容器配置为接收液态给水，该给水被热能锅炉容器中的熔融相变材料加热以产生饱和蒸汽，并且热能过热器容器配置为接收饱和蒸汽，该饱和蒸汽被热能锅炉容器中的熔融相变材料加热至过热状态；其中，过热蒸汽流经蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机使发电机旋转并产生电。在一些实施例中，该系统还包括流体地联接至锅炉容器上游的闭合流动环路的热能预热器容器。预热器容器可以与锅炉和过热器容器类似地构造并且具有与锅炉和过热器容器相同的特征。相变材料可以是盐，并且在每个容器中可以使用不同类型的盐。
17、在另一方面，一种用于加热工作流体的方法包括：提供热能密封容器，该热能密封容器包括内腔和管束，所述内腔含有固态相变材料床，所述管束包括嵌入所述相变材料床中的多个管；对嵌入相变材料床中的多个加热元件通电，其加热相变材料并将其从固态变为熔融态；使处于第一温度的工作流体流过熔融相变材料，熔融相变材料将工作流体加热到更高的第二温度。相变材料可以是盐并且工作流体可以包括单独的水或水混合物(例如，水和乙二醇)。在一些实施例中，水呈液态进入容器并被相变材料从第一温度加热到液态的更高的第二温度。在其他实施例中，水呈液态进入容器并被相变材料加热以将水转化为蒸汽。在又一些实施例中，水呈饱和蒸汽进入容器并被相变材料加热成过热蒸汽。