热能存储设备的制作方法

本发明涉及一种用于存储热能的设备。这种设备通常称为“蓄热器”。本发明进一步涉及一种包括上述设备的用于存储热能的装置。

背景技术：

已知将来自可再生能量的波动电能作为热存储在储热器内部，以便在需求高于生产时将其重新转换回电能。

这些储热器通常是热能存储装置的一部分，所述热能存储装置通常进一步包括加热器、蒸汽发生器、蒸汽轮机、热传输流体、存储材料和管道系统。为了实现热电循环（即，将作为热存储在储热器中的能量转换为电能的循环）的良好效率，蒸汽发生器应该以至少600°c的温度操作。因此，由于操作期间的热损失以及在水平储热器的情况下储热器内部的温度分布曲线因自然对流所致的混合，储热器必须以高于600°c的温度充热。

在对储热器充热时，管道系统的位于加热器与储热器之间的部分被不期望地加热，从而导致热应力和热损失。另外，管道系统的成本针对较高温度增加，因为必须使用具有足够热性质的材料。由于热能存储装置的安装成本需要尽可能低以便能够盈利，因此定制产品的使用应该保持在最小水平。

以上不便的一个已知解决方案是在低于600°c的温度下对储热器充热。然而，这种解决方案不是最佳的，因为其决定热能存储装置的较低效率。

另一已知解决方案是构建具有分离的充热和放热回路的热能存储装置。

所述充热回路按闭合环路包括：

-用于产生第一热传输流的第一流体传输机，

-用于将热传递到所述第一热传输流体的加热设备，

-蓄热器，用于存储流过所述蓄热器的第一热传输流体的热能。

所述放热回路按闭合环路包括：

-用于产生第二热传输流体流的第二流体传输机，

-充热回路的相同蓄热器，

-用于将来自第二热传输流体的热能转化成机械动力的热交换器。

第二热传输流体相对于第一热传输流体沿相反方向流过蓄热器，因此回收先前通过操作充热回路积蓄的热能。这两个不同闭合环路还决定热损失、并且因此决定降低的效率。

可以在wo2016/150458a1、us2017/0276026a1和us2018/0238633a1中找到上述现有技术的实例。

因此，可能需要改进热能存储装置，使得能够按优化方式抑制或减少上述不便。

技术实现要素：

可以由根据独立权利要求的主题满足此需求。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明，提供一种用于热能存储装置的蓄热器。所述蓄热器包括用于热传输流体在热端与冷端之间的循环的通路，所述热端被构造成用于在第一温度下存储热能，所述冷端被构造成用于在低于所述第一温度的第二温度下存储热能，所述蓄热器连接到管道，其中所述蓄热器在所述热端处包括加热设备。

根据本发明的可能实施例，所述热端包括分离所述蓄热器的内部和外部的格状物，所述加热设备提供在所述格状物上。

特别地，所述加热设备可以是电感式或电阻式的。

格状物通常安装在储热器的开口处用于防止储热器中的存储材料进入管道。将加热设备集成在格状物中决定无额外压力降，并且进一步最小化安装成本。因此，热经由热传输流体从格状物传输到存储材料。

根据本发明的可能实施例，所述加热设备包括多个区段，每一区段被构造成独立于其他区段被加热。

特别地，所述加热器可以包括竖直地分布的多个区段以单独地控制在存储热端的截面处的热添加分布。加热器与存储热端之间的接近使得可以控制热添加到存储器中的局部分布。如果存储器的下部部分比上部部分冷，则可以控制格状物中的电阻加热器，使得仅加热格状物的下部部分。

蓄热器可以有利地集成在热能存储装置中，所述热能存储装置进一步包括热传输流体在其中循环的管道。所述蓄热器连接到所述管道用于存储在所述管道中循环的所述热传输流体的热能。管道的出口连接到蓄热器的热端。

所述加热设备集成在管道与蓄热器之间的界面处，使得在加热器与储热器中间不存在管子。在对储热器充热时，冷的热传输流体流过管道系统，直到其进入储热器，在那里其在热端处被加热到最大温度（例如600℃）。因此，从不加热储热器外部的管道。

当对储热器放热时，即，当将在蓄热器中积蓄的热传递到热交换器（例如蒸汽发生器）时，管道被加热，但是是在低于热端处的最大温度的温度下被加热。因此，相对于现有技术，可以安装相对便宜的管道系统，并且可以节省定制产品的额外成本。

此外，由于较低温度、并且因此流体的较高密度和较低体积，管道中的较低气体速度减小压力降。

由于热传输流体从加热器到储热器内部的存储材料的路径被减少到最小，因此储热器的响应时间也相对于现有技术显著减少。由于当停止充热过程时在储热器外部不存在热的热传输流体，因此可以实现更准确的操作。这使得储热器对平衡能量任务更兼容。

根据本发明的可能实施例，所述热能存储装置包括充热回路，所述充热回路包括：

-所述管道，

-所述蓄热器，

-被构造成用于产生所述热传输流体从所述热端到所述冷端的流的流体传输机。

所述热能存储装置可以进一步包括放热回路，所述放热回路包括：

-所述管道，

-所述蓄热器，

-被构造成用于产生所述热传输流体从所述冷端到所述热端的流的所述流体传输机，

-用于从所述热传输流体接收所述热能的热交换器。

充热回路与放热回路之间的集成（其例如共享相同流体传输机）准许避免与完全分离的充热和放热回路相关联的不便。

本发明的上文定义的方面和其他方面根据将在下文中描述的实施例的实例显而易见并参考所述实施例的实例进行解释。将在下文中参考实施例的实例更详细描述本发明，但是本发明并不限于所述实施例的实例。

附图说明

图1示出了根据本发明的一示例性实施例的热能存储装置的示意图，

图2示出了处于另一操作构造的图1的热能存储装置的示意图，

图3示出了图1的热能存储装置的部件的示意图。

具体实施方式

附图中的图解是示意性的。应注意，在不同图中，类似或相同元件或特征设置有相同的附图标记。为了避免不必要的重复，在说明书的后面位置处不再次阐明已经关于先前描述的实施例阐明的元件或特征。

图1和图2示意性地示出了热传输流体在其中循环的热能存储装置10。

所述热传输流体可以特别是由空气或适于传输热能的另一气体构成。

热能存储装置10包括蓄热器100、管道110、流体传输机140（当所述热传输流体是空气或另一气体时，流体传输机140可以由风扇或鼓风机构成）、热交换器150和如在下文中规定那样布置的多个阀21、31、41、51。

热能存储装置10包括彼此平行的三个分支20、30、40，所有三个分支都在热能存储装置10的第一节点13与第二节点14之间延伸。

在两个节点13、14之间延伸的第一分支20包括：

-蓄热器100，其在第一节点13与第二节点14之间的中间位置中，

-第一阀21，其插置在蓄热器100与热能存储装置10的第二节点14之间。

第一节点13、蓄热器100、第一阀21和第二节点14分别通过管道110的相应部分串联连接。管道110包括连接到蓄热器100的热端101的出口111。

蓄热器100被构造成在热端101与冷端102之间延伸的器皿，并且被取向成使得管道110的一部分将第一节点13直接连接到热端101，并且管道110的另一部分将冷端102直接连接到第一阀21。

蓄热器100是中空的并且包含多个具有高热容量的储热元件，例如固体或块状材料，如石头、砖、陶瓷以及其他固体材料，其具有被加热并且在长时间周期内保持其温度以便存储已经通过热传输流体传递到其的热能的能力。在管道110与热端101之间的界面处，提供加热设备120，用于在充热阶段（chargingphase）期间加热进入蓄热器100的热传输流体。在蓄热器100内部，热传输流体的热能被传递到所述储热元件。

加热设备120在热端101处集成在蓄热器100中。

加热设备120可以提供在包括在蓄热器100的热端101处的格状物上，所述格状物分离蓄热器100的内部和外部。

加热设备120准许在蓄热器130的热端101与冷端102之间建立第一热温度t1和第二冷温度t2。根据本发明的可能实施例，典型值为t1=600°c，并且t2=120°c。在其他可能实施例中，t2的值可以接近于环境温度或300°c。

加热设备120可以包括多个区段，每一区段被构造成独立于其他区段被加热。加热设备120的这种特征使得可以控制热添加到蓄热器100中的局部分布。如果蓄热器100水平地取向，并且如果蓄热器100的下部部分比上部部分冷，则可以控制加热设备120，使得仅加热所述格状物的下部部分。因此，如果蓄热器100水平地取向，则加热设备120可以包括多个竖直分布的区段。

在两个节点13、14之间延伸的第二分支30包括插置在第一节点13与第二节点14之间的第二阀31。

第一节点13、第二阀31和第二节点14分别通过管道110的相应部分串联连接。

在两个节点13、14之间延伸的第三分支40包括：

-用于在放热阶段期间从热传输流体接收热能的热交换器150，

-第三阀41，

-流体传输机140。

第一节点13、热交换器150、第三阀41、流体传输机140和第二节点14分别通过管道110的相应部分串联连接。

根据本发明的实施例，热交换器150是蒸汽发生器，用于将来自热传输流体的热能传递到大量水，以便产生待馈送到热机（附图中未示出）的蒸汽。所述热机可以是蒸汽轮机，其具有连接到发电机以产生待馈入电网的电力的输出轴。

根据另一可能实施例，热交换器150是锅炉或蒸发器或用于从热传输流体接收热的其他类型的热交换器。热能存储装置10进一步包括用于连接第一分支20和第三分支40的旁路支路50。旁路支路50包括第四阀51。旁路支路50在第一分支20的包括在蓄热器100与第一阀21之间的区段与第三分支40的包括在第三阀41与流体传输机140之间的区段之间延伸。

热能存储装置10的充热阶段通过充热回路11（图1）实施，通过关闭第一阀21和第三阀41并且通过打开上述热能存储装置10中的第二阀31和第四阀51获得所述充热回路11。

在所述充热回路11中，流体传输机140产生热传输流体流，其通过第二分支30到达管道110与蓄热器100的热端101之间的界面，加热设备120提供在所述界面处。所述热传输流体被加热设备120加热并且进入蓄热器100以便将从加热设备120接收的热能传递到蓄热器100内部的储热元件。在蓄热器100的冷端102的下游，热传输流体通过旁路支路50返回到流体传输机140。

热能存储装置10的放热阶段通过放热回路12（图2）实施，通过打开第一阀21和第三阀41并且通过关闭上述热能存储装置10中的第二阀31和第四阀51获得所述放热回路12。

在放热回路12中，流体传输机140产生热传输流体流，其通过第一阀21到达蓄热器100的冷端102。热传输流体然后从冷端102跨越蓄热器100到热端101（即，相对于充热回路11中热传输流体的流沿相反方向）。在蓄热器100内部，在放热阶段期间，所述热传输流体从蓄热器100内部的储热元件接收热能。这种热能从所述热传输流体传输到热交换器150。在热交换器150的下游，所述热传输流体通过第三阀41返回到流体传输机140。

图3示意性地示出了加热器120的实施例。在管道110与热端101之间的界面处，提供格状物或栅格120，用于分离蓄热器100的内部与管道110，因此避免蓄热器100内部的储热元件不离开蓄热器100并进入管道110。所述加热设备提供在格状物或栅格120上。格状物或栅格120可以被电感式地加热，或者其可以充当电阻加热器。