CN113557406A - 一种用于存储和传递热量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

该说明书涉及一种用于存储和传递热量的系统(100、300、400)。系统(100、300、400)包括至少一个电阻器(101、301、401)，用于从电能产生热能，至少一个储热模块(102、302、402)包括用于存储产生的热能的固体材料，以及传热机构(103、303、403)，用于将热量从至少一个储热模块(102、302、402)传递到传热系统(104、304、404)。传热机构(103、203、403)为闭合气体回路或热虹吸系统。本说明书还涉及一种用于存储和传递热量的方法。

Description

一种用于存储和传递热量的系统和方法

技术领域

本说明书涉及一种用于存储和传递热量的系统和方法。特别地，该说明书涉及季节性高温储热器。

背景技术

可再生能源，尤其是太阳能和风能，提供高度波动的电力。电力的波动性质给电网造成困难。然而，现代工厂的每单位能源价格相对较低。因此，已经开发各种储能技术，例如电池、水泵水电、和压缩气体并用于存储产生的多余电力。也已经开发出来储热器，通常利用水基季节性储热器。然而，以水为存储介质的储热器的存储温度是有限的。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种廉价的方式来将能量存储为可用的形式。

根据实施例，提供了一种用于存储和传递热量的系统。该系统包括：至少一个电阻器，用于从电能产生热能；至少一个储热模块包括用于存储产生的热能的固体材料；以及传热机构，用于将热量从至少一个储热模块传递到传热系统。传热机构为闭合气体回路或热虹吸系统。

根据实施例，提供了一种用于存储和传递热量的方法。该方法包括从电能产生热能，将产生的热能存储到至少一个包含固体材料的储热模块中，通过传热机构将来自至少一个储热模块的热能传递到传热系统中，传热机构是闭合气体回路或热虹吸系统。

另外的实施方式在从属权利要求中进一步提出。

附图说明

图1a通过示例图示了根据实施例的系统100，

图1b举例说明了根据另一个实施例的系统100，

图2a举例说明了传统的热虹吸管，

图2b举例说明了根据实施例的热虹吸管，

图3举例说明了根据实施例的系统300和方法的流程图，以及

图4通过示例示出了根据实施例的系统400和方法的流程图。

附图是示意性的。这些数字没有任何特定的比例。

具体实施方式

下面将参考一些实施例更详细地描述该解决方案，这些实施例不应被视为限制性的。

本申请中使用了以下参考编号：

100系统

101电阻器

102储热模块

103传热机构

104传热系统

300系统

301电阻器

302储热模块

303传热机构

304传热系统

310换热器

311泵

312二次传热回路

313二次储热模块

400系统

401电阻器

402储热模块

403传热机构

404传热系统

405风扇

410换热器

411泵/风扇

412二次传热回路

413二次储热模块

术语“热虹吸管”是指一种基于自然对流的被动热交换方法，无需机械泵即可使流体循环。

提供了一种用于存储和传递热量的系统100。系统100的主要思想如图1a和图1b所示。系统100包括用于从电能产生热能的至少一个电阻器101、包括用于存储产生的热能的固体材料的至少一个储热模块102、以及用于将热量从至少一个储热模块传递到传热系统104的传热机构103，传热机构103是闭合气体回路或热虹吸系统。

系统100可以进一步包括电能产生单元。电能产生单元可以被配置为从具有波动的、不可控的功率输出的能源(例如，太阳能或风能)产生电能。电能产生单元可以包括以下至少之一：太阳能电池板、风力涡轮机、波浪能、任何电网的容量过剩。

系统100包括至少一个电阻器101。电阻器101被配置为从电能产生热能。电阻器101可以被配置为从由电能产生单元产生的电能产生热能。电阻器101是传统类型的加热电阻器。分别如图1a和图1b所示，电阻器可以放置在储热模块102的外部或内部。

该系统包括至少一个储热模块102。储热模块102是季节性储热器。二次储热器将热存储长达数月的时间。只要可用，就可以将热能存储到存储装置中，并且可以在需要时使用所存储的热能。通常，热量在夏季存储并在冬季消耗。

储热模块102被配置为存储电阻器101产生的热能。储热模块102包括用于存储产生的热能的固体材料。固体材料可称为存储介质。固体材料可以是不可燃的和惰性的。存储介质可以包括以下中的至少一种：沙子、基岩、砾石或任何可以加热到至少1200℃的温度而不发生显着化学反应或熔化的材料，或者这些材料中的任何一种的混合物。在存储介质包含沙子的情况下，优选的是沙子仅包含少量杂质，尤其是氯或硫基元素，以减少可能的腐蚀影响。

储热模块102的体积可以根据最终使用需要来选择。体积可以是例如100立方米或更低。储热模块102的形状可以接近立方体、圆柱体、球体或具有足够小的表面积与体积比的任何其他形状。储热模块102可以被绝缘层包围。绝缘层可以包括例如膨胀粘土骨料，例如LECA，或具有低热导率的其他类似的不燃烧材料。低热导率被认为低于典型的干砂(低于0.3W/mK)。储热模块102可以放置在地下。

储热模块102可以被配置为存储高达温度1200℃的热能。储热模块的优选存储温度可以是200-700℃，最优选在300-500℃之间。存储在储热模块102中的热能由放置在储热模块102中的电阻器101或由放置在系统中别处的电阻器101产生的热气体产生。

该系统包括传热机构103，传热机构103被配置为将热量从储热模块102传递到传热系统104以供进一步使用。传热机构103是闭合气体回路或热虹吸系统。

热虹吸系统

根据实施例，传热机构103为热虹吸系统。热虹吸系统包括多根从两端封闭的管道。水和水蒸气被密封在管道内。管道可以相对于水平面(即地平面)以45°到90°(直立)之间的任何角度放置。这意味着管道的一端布置在底部，而管道的另一端布置在顶部。管道可以例如长达15米。管道的长度可以从储热模块的底部延伸到储热模块顶部上方约1m处。热虹吸管可由不锈钢或任何其他合适的合金成分制成。不锈钢等级可以是例如304L、304H、316L、316H、321H或330。热虹吸管可以布置在最佳间隔的蜂窝网中，或任何其他近似相等的间隔，这由安装过程中的限制决定。根据储热模块的体积，热虹吸管的数量可以从几十到几千。

热虹吸管可实现高传热率。图2a显示了传统热虹吸管的图示。当从底部加热时，位于管道底部的水蒸发并向上移动(图2a中向上的箭头)到达管道的顶端。热量在管道的顶端被提取出来，且随后管道内的蒸汽冷凝，且水在重力作用下返回管道底部(图2a中向下的箭头)。传统的热虹吸管通常长达1m，且工作温度高达300℃。传统的管道总是在管道底部有可供蒸发的水，因此避免了干涸的情况。温度上限(300℃)是由于水的临界点，随着压力随温度升高而达到该临界点。

根据实施例，热虹吸系统被配置为与传统系统相比操作不同。这由图2b示出。液体量，即水，在每个管道中可布置为最多为管道体积的25％。这意味着在操作期间，允许干燥。热虹吸系统被布置为在饱和蒸汽范围之外运行。干燥后，蒸汽过热，且压力和温度升高。然而，压力受初始水量的设计限制。

初始水量通过热虹吸管内的最大允许压力计算。水量是热虹吸管体积乘以设计最大压力和温度下的蒸汽密度。例如，在200bar压力和500℃温度下，密度为67.60kg/m³。因此，对于长度为10米、内径为9mm的热虹吸管，总体积为0.0006m³，且填充的水量为0.04kg，或在20℃温度和大气压下为40ml。这种设置具有6.8％的填充率。最高温度越低，填充率越高，可达25％。

该系统可以包括布置在热虹吸管上端的换热器。在那种情况下，热虹吸管从它们的上端连接到换热器。换热器可包括绝热罐。罐可由不锈钢制成，且每个罐的容积最多为1m³。当热量没有从储热模块主动传递时，热虹吸管上端布置成处于环境压力蒸汽中，从而减少来自储热模块的被动热传递。

布置在热虹吸管上端的换热器是一个可选特征。或者，热虹吸管可以直接连接到二次传热回路。

该系统可包括二次传热回路。二次传热回路可包括水或气体作为传热介质。二次传热回路可以连接到布置在热虹吸管上端的换热器或直接连接到热虹吸管上端。二次传热回路可以例如通过绝缘不锈钢管连接到换热器。二次传热回路可以包括在换热器之前和之后的电子操作阀。当热量没有从储热模块传递时，阀被配置为关闭。当热量从储热模块传递时，阀被配置为至少部分地打开。

该系统可包括二次储热模块。二次储热模块可以是水箱。二次储热模块可以被配置为具有满足1-7天的加热需求的能力。二次储热模块可以直接连接到二次传热回路。二次储热模块可以连接任何一种传热系统。传热系统可以是例如生活供暖系统、生活热水系统、热风系统或工业供热系统。

闭合气体回路

根据一个实施例，作为热虹吸系统的替代，传热机构103是闭合气体回路。在闭合气体回路中，储热模块包括布置在存储介质中的不锈钢管。不锈钢管用于在充入储热模块时输送高温气体，并从储热模块传热时输送接近存储介质温度的气体。优选地，不锈钢管被布置成在存储介质中垂直行进，但是水平或成角度的排列也是可能的。气体优选为惰性气体，例如氮气。闭合气体回路的压力可以从例如环境压力变化到高达50巴。可以利用加压来增加传热速率而不过度增加气体速度。

闭合气体回路可以是风扇驱动的。可以提供风扇以在闭合气体回路中移动气体。气流的速度可以由风扇调节。储热模块加热和冷却产生的自然对流在某些条件下可能就足够了，但有时需要使用风扇。风扇可以是双向风扇。风扇可能能够承受高达1200℃的温度。优选地，风扇的电机放置在闭合气体回路之外。风扇的马达优选在室温或稍高的温度下存储。

如图1a所示，在其中传热机构103是闭合气体回路的系统100中，被配置为从电能产生热能的至少一个电阻器101被布置为闭合气体回路的一部分。至少一个电阻器101被布置为加热闭合气体回路的气体。来自闭合气体回路的热量被布置成存储到至少一个储热模块102中。至少一个电阻器101可以是常规的高温电阻器。电阻器可以布置在绝缘罐内。

闭合气体回路可包括换热器。换热器可以是传统的气-水或气-气换热器。换热器可以是逆流换热器。换热器可能能够承受高达1200℃的温度。换热器可以布置成将热量从闭合气体回路传递到二次传热回路。

该系统可包括二次传热回路。二次传热回路可包括水或气体作为传热介质。二次传热回路可以连接到换热器。二次传热回路可以例如通过绝缘不锈钢管连接到换热器。二次传热回路可以包括在换热器之前和之后的电子操作阀。当热量没有从储热模块传递时，阀被配置为关闭。当热量从储热模块传递时，阀被配置为至少部分地打开。

因此，将闭合气体回路用作传热机构，二次储热模块是可选特征。二次储热模块的大小可以是几分钟容量到一周以上容量之间的任何大小，具体取决于应用。如果换热器足够高效，则不需要二次储热模块。然而，如果使用二次储热模块，它可以以这样的方式连接到系统，即二次储热模块的液体被布置为循环通过换热器并返回到二次储热模块，从而捕获来自气体回路的热量。换热器还可以被布置成使得充当传热介质的惰性气体行进穿过管道内的二次储热模块，无论是翅片还是非翅片。本质上，气体回路可以穿过二次储热模块，从而加热里面的液体。

闭合气体回路还可包括进气阀和压力传感器。进气阀可以是单向阀。进气阀可以布置成填充闭合的气体回路并对其加压。压力传感器被布置为监测闭合气体回路的压力水平以检测例如可能的泄漏。

可以使用单向弹簧阀(其通过放出气体来降低气体回路内的压力)控制气体回路中的最大压力。这可能需要控制回路中的最大压力。当回路达到其最高温度时，该阀门放出所有需要的气体，并且在随后的加热循环中不再放出气体。

存储和传递热量的方法

提供了一种用于存储和传递热量的方法。在该方法中，热能由电能产生。产生的热能存储在至少一个包含固体材料的储热模块中。热能通过传热机构从至少一个储热模块传输到传热系统中。如上所述，传热机构是闭合气体回路或热虹吸系统。

图3示出了根据利用热虹吸系统作为传热机构303的实施例的系统300的过程图。由放置在至少一个储热模块302内的至少一个电阻器301产生热量。至少一个电阻器301可以埋入存储介质中。由至少一个电阻器301所产生的热存储于存储介质中。当需要热量时，热虹吸系统启动。通过打开布置在热虹吸管上端的换热器310的阀门来启动热虹吸系统。换热器310开始冷却热虹吸管的上端并且汽液循环开始运行。因此，热量通过热虹吸管从储热模块302传递。

热量可以经由二次传热回路312传递到二次储热模块313。二次传热回路312可以包括用于在二次传热回路312内循环液体或气体的泵311。可以通过与任何常规加热系统、热水系统、热空气系统或工业系统相关的传热系统304将热量从二次储热模块313带到其最终用途。在图3中，上面标有Q的箭头指的是传热的方向，即从储热模块302到传热机构303，从换热器310到二次储热模块313，以及从其上到传热系统304。

根据实施例，热虹吸系统的管道被配置为在它们的常规范围之外操作。如图2a和2b所示，热虹吸管中的液体填充程度低于传统使用中的程度。液体量，即水，在每个管道中可布置为最多为管道体积的25％。在某个温度限制之后，这导致干涸状态，其中管道所包含的蒸汽的状态从饱和转变为过饱和。热虹吸管在饱和状态下运行时获得最佳热通量。在根据本公开的系统和方法中，当从空载状态移动到负载状态时，局部自动达到饱和状态。

空载条件是其中没有来自储热模块的自愿热传递的条件。在空载条件下，热虹吸管内的蒸汽达到存储介质温度，因此达到其最大压力。负载条件被定义为任何条件，其中，存在从热量存储介质到例如二次储热模块的任意热传递，即有液体流通过热虹吸管的上端。随着液体流冷却热虹吸管的上端，蒸汽开始冷凝，蒸汽状态从过热状态向饱和状态移动。蒸汽状态可能在热虹吸管的下部过热，但如果从热虹吸管到循环液体有足够的热传递，则在上端会自动达到饱和状态。

在使用时，热虹吸管的长度可分为蒸发段、等温段和冷凝段。蒸发器部分是热虹吸管中负责吸收热能的部分(在图2a和图2b中显示为上面标有Q并指向热虹吸管的箭头)。管道内的液体在蒸发器部分蒸发成蒸汽。等温段是指温度保持恒定的一段。这是指图2a和2b中标有DT＝0的部分。冷凝器部分负责从热虹吸管向前散发热量(在图2a和2b中显示为上面标有Q并指向远离热虹吸管的箭头)。

传统热虹吸管的目的是在一段距离内传输热量。因此，传统的热虹吸管通常需要较长的等温段。在根据本公开的热虹吸管中，等温段，即热虹吸管的等温距离被最小化。这是可能的，因为等温部分的唯一目的是通过主存储绝缘层将存储与环境热隔离。与传统的热虹吸管相比，热虹吸管的总长度有所增加，但大部分长度增加来自蒸发器部分的长度。当储热模块充满电时，蒸发器部分过于充足，因此会发生二次蒸发过程。这意味着冷凝水永远不会遇到热虹吸管的底部，因此热虹吸管的有效长度比实际长度短。这具有在热量需求较高的时期(例如冬季)期间可以增加传热率的效果。

当温度超过一定限度时，热虹吸管内的所有液态水都会蒸发，从而导致蒸汽过热。当有负载引入时，过热蒸汽在热虹吸管的冷凝器部分下降到饱和水平，并发生二次蒸发过程。

图4示出了根据利用闭合气体回路作为传热机构403的实施例的系统400的过程图。热由被布置为闭合气体回路的一部分的至少一个电阻器401产生。闭合气体回路将热量传递到储热模块402和从储热模块402传递热量。在图4中，这由上面带有Q的双向箭头示出。当存在多余的可用功率时，使用至少一个电阻器401(被布置为闭合气体回路的一部分)加热闭合气体回路中包含的惰性气体。来自闭合气体回路的热量被存储到至少一个储热模块402中。

因此，当遇到对热量的需求时，闭合气体回路中包含的气体被储热模块402加热，并且气体被向前移动到换热器410。换热器410可以是气-水或气-气换热器，其被配置为获取气体的热量并将其传递给水或气体。从换热器410，热量可以通过二次传热回路412传递到二次储热模块413。二次传热回路412可包括用于使二次传热回路412内的水/气体循环的泵/风扇411。

也可以布置热交换过程，使得闭合气体回路管道穿过二次储热模块413，从而加热二次储热模块413内的液体。如果换热器410被布置成使其对于应用足够有效，也可以完全排除二次储热模块413。

闭合气体回路所包含的气体的传播方向可由风扇405控制。风扇405可以是双向风扇。因此没有最终使用热量需求，换热器410或二次储热模块413被绕过，且风扇405将气体推向电阻器401(将气体加热)。气体温度可高达2000℃，最好在700-1000℃之间。热气通过储热模块402，从而冷却下来，且热能被存储在存储介质中。储热模块402中的气体温度总是高于存储介质的温度，从而允许热量传递到存储器。气体温度略高于存储出口处的存储温度。气体通过储热模块402以从上到下的方向前进，这促进了自然对流并因此减少了所需的风扇功率。

因此存在最终使用热量需求，电阻器401不产生热量。风扇405在自下而上的方向推动气体。气体在穿过储热模块402的管道中被加热。离开储热模块402时的气体温度可以接近总的热量存储温度，即高达1200℃。以这样的方式调节气流，使得存储出口处的温度接近存储温度。被加热的气体被传送到换热器410或直接传送到二次储热模块413，其中气体被冷却。热量可以从换热器410传递到二次传热回路412。气体在接近二次传热回路最低温度的温度下离开换热器410，该温度通常在40℃和70℃之间。在换热器410或二次储热模块413之后，气体返回到风扇405。

根据本公开的系统和方法允许以动态方式从储热器传递热量。这意味着热量可以仅在需要时传递。固体材料作为热量存储介质，可以将热能存储到1200℃的温度。与使用液体(例如水)作为存储介质的系统相比，通过显着更高的存储温度以及在存储温度升高时抑制由压力升高引起的可能危害而获得益处。

示例性建筑物的年热能消耗可能为20000kWh。建筑物可以配备例如100kW的太阳能电池板，在典型的芬兰气候条件下，其每年可以产生77000kWh的能量。如果没有合适的方法来存储太阳能电池板产生的能量，建筑物可能会获得大约6000千瓦时(8％)的产生的能量供自己使用。利用根据本公开的用于存储和传递热量的系统和/或方法，可以获得关于热能的100％的能量自给自足。因此，根据本公开的系统和方法提供了一种将能量存储为可用形式的廉价方式。

该系统实际上是一个发电系统的组合，将多余的电力转化为热量。这种盈余存储在廉价的介质中，具有足够的效率比，投资利润丰厚。在来自能源的输入少于所需电力和供暖需求的时间期间，可以动态地并且随意地利用所存储的能量。该系统在设计上是安全的，因为没有使用有毒或危险材料，也没有不可控地增加压力的风险。

Claims (12)

1.一种用于存储和传递热量的系统(100、300、400)，包括：

-至少一个电阻器(101、301、401)，用于从电能产生热能，

-至少一个储热模块(102、302、402)包括用于存储产生的所述热能的固体材料，以及

-传热机构(103、303、403)，用于将热量从所述至少一个储热模块(102、302、402)传递到传热系统(104、304、404)，所述传热机构(103、303，403)是

o闭合气体回路，或

o热虹吸系统，包括多个从两端封闭的管道，

其中，当所述传热机构(103、303、403)是闭合气体回路时，所述至少一个储热模块(102、302、402)包括被布置在所述固体材料中的管道，所述管道被布置成输送所述气体，并且所述闭合气体回路被布置成将热量传入和传出所述至少一个储热模块(102、302、402)。

2.根据权利要求1所述的系统(100、300、400)，进一步包括二次传热回路(312、412)。

3.根据权利要求1或2所述的系统，进一步包括二次储热模块(313、413)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100、300、400)，进一步包括：

-电能产生单元，其中，所述电能产生单元被配置为从波动的能源或从电网的过剩容量产生能量。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100、300、400)，其中，所述至少一个储热模块(102、302、402)被配置为存储温度高达1200℃的热能。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100、300、400)，其中，所述至少一个储热模块(102、302、402)被放置在地下。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统(100、300、400)，其中，所述热虹吸系统包括各自填充有液体的热虹吸管，所述液体的体积至多为所述热虹吸管的体积的25％。

8.一种用于存储和传递热量的方法，包括：

-从电能产生热能，

-将产生的所述热能存储到至少一个包含固体材料的储热模块(102、302、402)中，

-通过传热机构(103、303、403)将来自所述至少一个储热模块(102、302、402)的所述热能传递到传热系统(104、304、404)中，所述传热机构(103、303、403)是

o闭合气体回路，或

o热虹吸系统，包括多个从两端封闭的管道，

其中，当所述传热机构(103、303、403)是闭合气体回路时，所述热能经由布置在所述固体材料中的管道存储到所述至少一个储热模块(102、302、402)中，所述管道被布置成输送所述气体，并且所述热量通过所述闭合气体回路被传入和传出所述至少一个储热模块(102、302、402)。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

-经由二次传热回路(312，412)将所述热能传递到所述传热系统(104、304、404)中。

10.根据权利要求8或9所述的方法，进一步包括：

-在将所述热能传递到所述传热系统(104、304、404)之前，将所述热能存储到二次储热模块(313，413)中。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，进一步包括：

-从波动的能源或从电网的过剩容量产生所述电能。

12.根据权利要求8至11中任一项的方法，其中，所述方法包括：

-通过所述热虹吸系统传递热能，其中，所述热虹吸系统包括每个都填充有液体的热虹吸管，所述液体的体积至多为所述热虹吸管体积的25％。

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