專利名稱：用于儲(chǔ)存熱能的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于以后使用的能量的儲(chǔ)存。更確切地說(shuō)，本發(fā)明涉及在石墨體中儲(chǔ)存熱能的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
熱能是一種能夠用于多種用途的能量形式。許多工藝的操作依賴于熱能的可用性。然而，熱能能夠被輕易地利用依賴于其可用的溫度(或者“等級(jí)”)。申請(qǐng)人已經(jīng)熟知例如像熱泵之類的設(shè)計(jì)用來(lái)從低的溫度等級(jí)“移動(dòng)”或者“提升”至較高的溫度等級(jí)的設(shè)備。然而，他們的應(yīng)用是受限制的。此外，沒(méi)有熱泵能夠在高溫下泵送熱能。
熱能的一個(gè)固有缺陷在于由于熱有傳遞到較低溫物體上的趨勢(shì)，所以不易長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)儲(chǔ)存。這特別適用于高溫下的熱。因而，所要儲(chǔ)存的熱所在的溫度越高，由于傳遞到低溫物體上而損耗的趨勢(shì)越大。
這一缺陷可以通過(guò)抑制熱能從其所儲(chǔ)存的儲(chǔ)存器或者物體內(nèi)損耗的容易性來(lái)基本克服或改良。
熱傳遞可以通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流或輻射的方式進(jìn)行。眾所周知，通過(guò)傳導(dǎo)所致的熱損耗可以通過(guò)使用絕熱材料來(lái)抵抗，通過(guò)對(duì)流所致的從容器中的熱損耗可以通過(guò)在容器和圍繞容器的外殼之間所提供的空間內(nèi)施用真空(例如在一個(gè)真空瓶?jī)?nèi))來(lái)抵抗，通過(guò)輻射所致的熱損耗可以通過(guò)使用具有低輻射率表面的材料來(lái)抵抗。
與熱能相比，電能不適合大規(guī)模存儲(chǔ)。以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存電能的現(xiàn)行技術(shù)，例如電池，在尺寸上非常受限制，并且具有有限的使用期限。其他技術(shù)，例如飛輪、超級(jí)電容器(supercapacitors)和燃料電池也只是在小規(guī)模地開(kāi)發(fā)。這些技術(shù)都以比熱儲(chǔ)存系統(tǒng)低得多的能量密度和高得多的成本為特征。
由于發(fā)電廠必須具有足夠能力來(lái)滿足高峰需求，大規(guī)模電力的商業(yè)生產(chǎn)者面臨的一個(gè)問(wèn)題是需要安裝基本上超過(guò)平均需求的發(fā)電能力。例如，在澳大利亞，每天常常有兩個(gè)高峰，一個(gè)出現(xiàn)在早晨，一個(gè)出現(xiàn)在晚上。平時(shí)，高峰和非高峰之間的差異分別在平均需求量的約125％和平均需求量的約75％之間變化。因而，例如在澳大利亞新南威爾士(NSW，Australia)，如果電力的日平均消耗量是約7500MW，那么常態(tài)變動(dòng)是從非高峰的約6000MW到高峰的約12000MW。峰值的大小通常與天氣情況相關(guān)。因此，非常熱和非常冷的天氣會(huì)導(dǎo)致電力的高消耗量。在一些其他國(guó)家，特別是在北半球，在高峰和非高峰之間的變化更大。
世界范圍內(nèi)，在一特定的國(guó)家和地區(qū)，在高峰和平均值之間的變化取決于多種因素，例如在該國(guó)家或地區(qū)中的家庭連接到電力中的程度，在該國(guó)家或地區(qū)的人均電力消耗量，電力價(jià)格，工業(yè)、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)和私人住戶(private household)的電力消耗的相對(duì)比例等。為了抑制在高峰期的電力使用和鼓勵(lì)在非高峰期的電力消耗，公共事業(yè)機(jī)構(gòu)往往對(duì)于高峰期電力供應(yīng)征收額外費(fèi)用。此外或作為可選的，有時(shí)也征收最大需求量費(fèi)用，這些費(fèi)用是針對(duì)公共事業(yè)建立足夠的發(fā)電容量以滿足高峰期的需求的需要。
用于大規(guī)模的儲(chǔ)存電能的現(xiàn)有技術(shù)包括例如像泵取蓄能水電方案和壓縮空氣系統(tǒng)之類的技術(shù)。由于它們只能被安裝在地理特征允許的地方，它們對(duì)在高峰期和非高峰期之間的電力供應(yīng)的平穩(wěn)輸出的貢獻(xiàn)程度是有限的。
因?yàn)殡娔懿荒鼙蝗菀椎貎?chǔ)存，因此就需要一個(gè)可行的系統(tǒng)用于將電能轉(zhuǎn)化為熱能并以熱能的形式將其一直儲(chǔ)存到以后對(duì)其利用。
也存在一個(gè)在非高峰期和下一個(gè)高峰期之間的相對(duì)短的時(shí)間周期內(nèi)儲(chǔ)存熱能的需求。
盡管已有從可再生能源中重新獲取能量的技術(shù)，但這些技術(shù)常常受這一缺點(diǎn)困擾當(dāng)能量可用時(shí)，大量的重新獲取的能量不能夠被利用，可是當(dāng)需要使用時(shí)，該可再生能源又不可用。因而，由于它們的可用時(shí)間與所需求的時(shí)間的差異，這些可再生能源不能被容易地整合到現(xiàn)有的電網(wǎng)中。包括在這一類型中的技術(shù)包括那些旨在以熱或電的形式再生太陽(yáng)能、風(fēng)能和波能的技術(shù)。
相應(yīng)地，存在通過(guò)將可用時(shí)間遷移到需求時(shí)間來(lái)將可再生能源更好地整合到電網(wǎng)中的需求，還需要通過(guò)儲(chǔ)存能量以在可再生能源不可用時(shí)將間歇的能量供應(yīng)轉(zhuǎn)換為持續(xù)供電的能力。
由于溫度是熱傳遞的驅(qū)動(dòng)力，因此也同樣需要一種用于在高溫下儲(chǔ)存熱能的方法和設(shè)備。
美國(guó)專利US 4,089,176描述了一種用于操作電力渦輪機(jī)的方法和設(shè)備，該電力渦輪機(jī)包括一含有石墨堆芯的熱能儲(chǔ)存裝置。該石墨堆芯通過(guò)電磁感應(yīng)從其外表面被加熱。然而，這種儲(chǔ)存裝置受到能量損耗高這一缺陷的困擾，由于石墨體的外表面上的更高的工作溫度，此缺陷是從外表面加熱石墨體的固有問(wèn)題。盡管采用了絕熱材料試圖將熱損耗最小化，熱損耗還是很高。此外，堆芯外表面能夠忍受的溫度受到絕熱材料的最大工作溫度的限制。
發(fā)明目的本發(fā)明的一個(gè)目的是克服或基本改良至少一個(gè)上述缺陷。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是處理至少一個(gè)上述需求。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種高溫下在石墨體內(nèi)儲(chǔ)存熱能并從其中重新獲取熱量的方法，該方法包括當(dāng)需要儲(chǔ)存熱能時(shí)加熱石墨體的內(nèi)部區(qū)域并在需要時(shí)重新獲取熱量。
通過(guò)加熱石墨體的內(nèi)部區(qū)域，傳遞到石墨的能量的量增加。這也有熱損耗能夠最小化的優(yōu)點(diǎn)，這不僅是由于石墨體的外表面的工作溫度可以更低以用于儲(chǔ)存給定量的擬儲(chǔ)存的能量，也是因?yàn)槟軌蚴褂酶土蛘吒行У慕^熱材料。
石墨體可以被細(xì)分成幾個(gè)分開(kāi)的部分、層、片(section)或區(qū)域(region)，它們可以在一個(gè)、兩個(gè)或者三個(gè)維度上被布置為繞所加熱的內(nèi)部區(qū)域定位。因而，本發(fā)明還構(gòu)想從使用中被布置為圍繞一個(gè)區(qū)域的表面或者末端來(lái)加熱兩個(gè)或者更多的石墨體，該所圍繞的區(qū)域構(gòu)成了石墨體的組合的內(nèi)部區(qū)域?？梢杂?、2、3、4、5、6、7、8、9、10或者更多的體、部分、片、層或者子部分。
該子部分、體、部分、片或?qū)涌梢砸员舜藷峤粨Q的方式排列在該內(nèi)部區(qū)域。因而，鄰近或者相鄰的體可以彼此互相接觸。為了提高在相鄰體、部分、片或子部分之間的熱交換，相鄰或者鄰近的體或部分或子部分可以鄰接。
該子部分、體、部分、片或者層可以適于被結(jié)合在一個(gè)組件內(nèi)。該組件可以適于為了維修目的被容易地拆開(kāi)或者重新裝配。該石墨體的形狀可以是立方體形、三棱柱、五棱柱、六方柱、八棱柱、矩形塊或棱柱、球體、橢圓、卵形體、圓柱體、圓柱形棱柱、不規(guī)則棱柱、規(guī)則棱柱或任意其他適合的形狀。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了一種高溫下在多個(gè)石墨體內(nèi)儲(chǔ)存熱能并從其中重新獲取熱能的方法，該方法包括在需要儲(chǔ)存熱能時(shí)加熱石墨體組件的內(nèi)部區(qū)域的步驟和當(dāng)需要時(shí)從其中重新獲取熱能的步驟。
該方法可以包括使電流通過(guò)一個(gè)電阻器的步驟，該電阻器可以被布置在石墨組件或石墨體的內(nèi)部區(qū)域或者可替換的與其形成熱傳遞的關(guān)系，以使得其溫度上升?？梢杂?、2、3、4、5、6、7、8、9、10個(gè)或者更多的電阻器。
該電阻器或者每個(gè)電阻器可以組成一個(gè)電路的部分，該電路可以在非高峰期時(shí)連接到電力網(wǎng)系統(tǒng)上并可以在需用電力處于或者接近高峰時(shí)從電力網(wǎng)系統(tǒng)上斷開(kāi)連接?？商鎿Q的或者另外，該電阻器可以被連接到或者可連接到一個(gè)電路，該電路由從可再生能源中重新獲取電能的電源供給能量。
該電阻器或者每個(gè)電阻器優(yōu)選地通過(guò)一個(gè)或者兩個(gè)連接器連接到該電路上或者連接到電源中。該連接器或者每個(gè)連接器優(yōu)選地由例如鋼或銅之類的金屬制成。為了避免該電阻器的損耗，電觸頭優(yōu)選地由相同的材料制成，優(yōu)選地由銅制成。需要注意的是要避免在高溫下的電路連接的高電流負(fù)載。
可替換的或此外，石墨材料體可以用從可再生能源中重新獲取的能量來(lái)加熱。
根據(jù)本發(fā)明的方法包括在需要時(shí)從石墨材料體中重新獲取熱能的步驟。該重新獲取的熱本身可以作為熱能使用或者用于轉(zhuǎn)化成電。該熱能可以通過(guò)將其傳遞到一固體中或者液體中來(lái)重新獲取。
熱可以通過(guò)一熱交換器的方式從石墨材料體中重新獲取，該熱交換器可定位于至少部分地在石墨材料體內(nèi)或者接近石墨材料體。在電阻器位于石墨材料體外面的情況下，可以使用同一個(gè)或者不同的熱交換器將由電阻器產(chǎn)生的熱傳遞到石墨材料體上。為了減少?gòu)墓腆w石墨材料體上的熱損耗，根據(jù)本發(fā)明的第一方面的方法可以包括將石墨材料體絕熱和將其包含在受控環(huán)境中的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種用于高溫下在石墨材料體中儲(chǔ)存熱能的設(shè)備，該設(shè)備包括用于加熱石墨材料體的內(nèi)部區(qū)域的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供了一種用于高溫下在多個(gè)石墨材料體中儲(chǔ)存熱能的設(shè)備，該設(shè)備包括用于加熱石墨材料體組件的內(nèi)部區(qū)域的裝置。
用于加熱石墨材料體或者組件的內(nèi)部區(qū)域的裝置可以包括電阻器；用于使電流通過(guò)該電阻器從而使其溫度上升的裝置；和用于將電阻器產(chǎn)生的熱傳遞到石墨材料體上的裝置。
該電阻器可以適于連接到一用于使電流通過(guò)該電阻器的電路上。該電路可以被連接到電力網(wǎng)供電(mains power supply)上或者任一從可再生能源產(chǎn)生的電源上。
如上所述，石墨體可以被細(xì)分成分開(kāi)的部分、層、片或區(qū)域，它們能在一個(gè)、兩個(gè)或者三個(gè)維度上被布置為繞被加熱的內(nèi)部區(qū)域定位。因而，本發(fā)明還構(gòu)想從使用中被布置為圍繞一個(gè)區(qū)域的表面或者末端來(lái)加熱兩個(gè)或者更多的石墨體，該所圍繞的區(qū)域構(gòu)成石墨體的組合的內(nèi)部區(qū)域。
在一個(gè)實(shí)施方案中，石墨材料體或者組件包括堆芯和圍繞或者包裹該堆芯的一個(gè)或更多的層、部分、片或者塊。連續(xù)的層等和該堆芯可以互相絕熱。
在堆芯內(nèi)的工作溫度可以比在圍繞該堆芯的第一層內(nèi)的工作溫度高，該第一層的工作溫度又依次比下一層的工作溫度高并且如此類推。
該堆芯的工作溫度可以超過(guò)所使用的構(gòu)造材料的推薦溫度，該構(gòu)造材料與圍繞石墨體的堆芯的石墨材料的第一層相關(guān)聯(lián)。
舉例來(lái)說(shuō)，堆芯和任選的一個(gè)或者多個(gè)石墨材料體的環(huán)繞層的工作溫度可以超過(guò)900℃，同時(shí)外層的工作溫度被保持在900℃以下以允許不能在超過(guò)900℃的溫度工作的構(gòu)造材料的使用。
本發(fā)明的設(shè)備和方法的工作溫度可以超過(guò)300℃。該溫度優(yōu)選超過(guò)800℃的溫度。更優(yōu)選地，該溫度超過(guò)1500℃，更加優(yōu)選地超過(guò)2000℃來(lái)獲得最大的能量存儲(chǔ)密度。本發(fā)明的設(shè)備和方法的工作溫度可以在300℃-2400℃、1000℃-2400℃、1500℃-2400℃、1900℃-2400℃或者2400℃-3000℃的范圍內(nèi)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如表1中所示出，工作溫度越高，能夠儲(chǔ)存在石墨中的熱能越多。表1所包含的數(shù)據(jù)用圖表表示在附圖7中。
表1

適宜選用固體石墨材料體以使得其導(dǎo)熱率盡可能的高。該材料在1000℃的導(dǎo)熱率優(yōu)選的超過(guò)約80W/m.°K，更優(yōu)選超過(guò)約100W/m.°K，更加優(yōu)選超過(guò)約200W/m.°K。例如，該材料在1000℃的導(dǎo)熱率可以在80W/m.°K-250W/m.°K、100W/m.°K-250W/m.°K、150W/m.°K-250W/m.°K或180W/m.°K-220W/m.°K之間。
石墨＞3500℃的升華點(diǎn)合宜地高于該設(shè)備的建議工作溫度。
石墨的高導(dǎo)熱率、高升華點(diǎn)和低輻射率使其成為用于儲(chǔ)存熱的優(yōu)選材料。
石墨的輻射率(被定義為通過(guò)材料體的表面所輻射的能量與在同一溫度和同一區(qū)域內(nèi)由理想黑體所輻射的能量的比率)被合宜的選擇或者通過(guò)對(duì)于石墨的適當(dāng)凈化過(guò)程來(lái)降低，以使得其盡可能的低。該輻射率優(yōu)選低于約0.3。優(yōu)選地，輻射率在0.3到0.05或0.3到0.1或0.3到0.15的范圍內(nèi)。
由于燃燒的危險(xiǎn)，優(yōu)選地防止氧高溫下與石墨材料接觸。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在超過(guò)約300℃的溫度下，石墨的表面開(kāi)始變得具有活性并與可能存在的任何氧發(fā)生反應(yīng)。由于這一原因，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備還優(yōu)選包括一適于將石墨材料包含在非氧氣體的氣氛或者真空中的外殼。
石墨可以是人造的或者天然的。優(yōu)選地，石墨是經(jīng)過(guò)挑選的以使其包含盡可能少的礦物雜質(zhì)。由于當(dāng)使用具有高純度的石墨時(shí)會(huì)有可能的更高能量?jī)?chǔ)存密度，因此優(yōu)選使用高純度的結(jié)晶形石墨，例如具有95-99.9重量％純度的石墨。此外，低輻射率是結(jié)晶形石墨的一個(gè)特點(diǎn)。具有90-99重量％，更典型的從約93重量％到約98重量％，更加典型的約95重量％、96重量％、97重量％、98重量％或99重量％純度的石墨可以有出色使用效果。為了最好的效果，石墨可以具有非常高的純度，例如最高達(dá)99.99重量％純度，該石墨優(yōu)選為結(jié)晶體。
具有至少1.5、典型為1.75、且優(yōu)選從約2.1到約2.2的體積密度的高純度石墨適于作為儲(chǔ)存介質(zhì)使用。優(yōu)選地使用具有體積密度在1.5至2.2、1.6至2.2、1.7至2.2、1.8至2.2、1.9至2.2或2.0至2.2范圍的高純度石墨。
石墨可以是固體石墨或壓縮石墨(compressed graphite)或者壓縮的粒狀石墨?？梢允褂脝我灰粔K石墨或者兩塊或更多更小塊的石墨，同時(shí)確保當(dāng)開(kāi)始與其接觸時(shí)，每一塊與鄰近塊進(jìn)行有效的熱接觸。在此實(shí)施方案中，該更小的塊可以適于通過(guò)使石墨纖維圍繞或通過(guò)該塊并拉緊石墨纖維來(lái)保持接觸?？商鎿Q地，自然存在并被商業(yè)開(kāi)采的原生的石墨可以被用于固體材料體的制造。例如，被開(kāi)采的原生天然石墨塊，典型的約90重量％的石墨，可以在真空中被加熱到約2200-3000℃，更典型的加熱到約2400℃，一直到基本上沒(méi)有更多的揮發(fā)物放出，這一方法典型地提供了至少約95重量％純度的石墨，該種石墨可以被用于本發(fā)明的方法和設(shè)備中。
由于純度影響石墨的傳導(dǎo)率，被選擇用于本發(fā)明的石墨材料的純度很重要。該純度對(duì)根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的使用壽命也有影響。就石墨而言，其純度可以被表示為灰分在總?cè)紵械陌俜直取榱耸垢鶕?jù)本發(fā)明的設(shè)備具有可接受的使用壽命，認(rèn)為石墨具有小于約5重量％的灰分是適當(dāng)?shù)?，?yōu)選的低于約4％、3％、2％或1.0％，更優(yōu)選的低于0.6％，尤其是低于約0.3％。
作為另一替換方式，通過(guò)形成一適當(dāng)?shù)暮疾牧象w并在還原或惰性氣體中加熱該含碳材料來(lái)石墨化該含碳材料，石墨體可以原位制造。用于這一目的的合適的含碳材料包含那些固體或者半固體的相對(duì)高碳含量的材料。例子有無(wú)定形碳、焦油、瀝青、樹(shù)脂(pitch)、地瀝青(asphalt)、煤、石油焦和蔗糖。含碳材料體可以用碳纖維或用碳織物加固。因此，用于制備一塊石墨的典型方法包括以下步驟(i)制備一樹(shù)脂或其他粘結(jié)劑和石墨粉的混合物，(ii)通過(guò)加熱將該混合物軟化，(iii)將軟化的混合物裝填到要求尺寸和形狀的模具中并在最高達(dá)1200℃的焙烤爐中將該成型的塊燒成炭，(iv)將成型的塊傳送到一可加熱可抽空的外殼中，(v)將該外殼抽空到500Pa或更小的絕對(duì)壓強(qiáng)，典型的100-500Pa，(vi)逐漸加熱該塊到大約2200-2500℃的溫度，更典型的大約2400℃，加熱24-48小時(shí)，同時(shí)保持外殼的壓強(qiáng)在500Pa或更小，典型的100-500Pa，以將該樹(shù)脂或其他粘合劑石墨化，(vii)冷卻該塊，(viii)讓空氣進(jìn)入該外殼和(ix)取出已石墨化的塊。
在設(shè)備的工作溫度超過(guò)約50℃的地方，石墨體優(yōu)選地應(yīng)該與環(huán)境熱隔絕以減少向該處的熱損耗量。
固體石墨材料體可以是球狀形狀并設(shè)有從其表面延伸至中心的插孔?？商鎿Q地，固體石墨材料體可以具有任意其他適宜的形狀，例如立方體、棱柱或者類似形狀，或者可以具有不規(guī)則的形狀?？梢砸庾R(shí)到，考慮到原料成本、制造成本、能源成本和最小化從材料體上的熱損耗的需要，材料體的表面和容積之比優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)盡可能的低。
可以任選地提供穿孔或插孔用于將電阻器嵌入在固體石墨材料體中。該電阻器可任選地通過(guò)穿孔或者插孔的內(nèi)表面的實(shí)體部分和該電阻器之間提供的一層電絕緣材料與固體石墨材料體隔離，從而使得總電流中流過(guò)插孔側(cè)壁到組成部分固體石墨材料體的周圍材料的電流比例減小，并從而確保大部分電流流過(guò)穿孔或插孔的內(nèi)表面的所期望的區(qū)域或者面積或者比例。這一區(qū)域可以適宜地位于固體石墨材料體內(nèi)并遠(yuǎn)離表面的位置上。
該設(shè)備可以包括一電極，該電極的至少一部分可以連接到電阻器上。該電極也可以嵌入到每一個(gè)穿孔或插孔內(nèi)。該穿孔或插孔可以至少部分地用高純度的粒狀含碳材料填充從而形成電阻器。
每一電阻器可以借助于適合的絕緣體與周圍材料隔離，該絕緣體可以是管狀形式的，優(yōu)選圓柱形管，可以適宜地由例如像氧化鋁或者任意其他能夠承受住該設(shè)備的工作條件的介電陶瓷之類的絕緣材料制成。
電力供應(yīng)可以是直流電或交流電。
可以操作該設(shè)備使得在每一個(gè)電極電阻器界面(electroderesistor interface)測(cè)得的電流密度低于約0.5W/mm2。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，粒狀材料的灰分含量越低，該設(shè)備能夠承受的電流密度越高。對(duì)于灰分含量低于約0.6重量％(wt％)的粒狀材料，可以獲得高達(dá)0.7W/mm2的電流密度。這些數(shù)字可以根據(jù)在夾套(jacket)、腔室、外殼中的環(huán)境不同而變化。
電阻器具有對(duì)于電流的阻抗，一旦電流流過(guò)該電阻器，該阻抗使電能轉(zhuǎn)化成熱能。該電阻器可以形成于或位于所述穿孔或者插孔內(nèi)。該電阻器可以電連接至電極上，該電極又連接至一電路上。
該電阻器可以至少部分嵌入在穿孔或插孔內(nèi)，該穿孔或插孔可以包含適合的高電阻材料，例如像具有更高或高電阻的添加物的含碳材料。該高電阻的添加材料可以從由氧化鋁、氧化鋯和其他適合的氧化物、碳化物或氮化物陶瓷組成的一組材料中選用。
第一電極可以由導(dǎo)電金屬或石墨制成，該導(dǎo)電金屬或石墨可以接觸、或插入、或嵌入電阻器。
第一電極材料的電阻率優(yōu)選小于約20微歐·米，更優(yōu)選小于約10微歐·米，更加優(yōu)選小于約5微歐·米。
該設(shè)備可以包括第二電極，該第二電極也可以通過(guò)材料體內(nèi)提供的從其表面延伸至基本其中心的第二插孔或穿孔連接到材料體上?？商鎿Q地，該第二電極可以被連接到固體材料體表面的至少一部分上。這樣，可以選擇在第一電極和第二電極之間傳導(dǎo)的電流的流動(dòng)路徑，從而使得通過(guò)材料體的電阻最小，同時(shí)確保產(chǎn)生的熱優(yōu)選地盡可能地接近材料體中心。
通過(guò)將電極至少部分地嵌入在位于穿孔或插孔內(nèi)的含碳材料內(nèi)，電極可以在一定范圍內(nèi)移進(jìn)以及移出該穿孔或插孔，而不明顯地降低電極和在穿孔或者插孔內(nèi)的碳粒子之間的電接觸。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，電極的與其長(zhǎng)度相關(guān)的直徑在確保沿著電極傳導(dǎo)并且離開(kāi)材料體的熱的最小化中是重要的。電極的電阻和導(dǎo)熱率優(yōu)選為低的，同時(shí)其機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)選足夠滿足其目的。電流密度優(yōu)選不大于這一電極的橫截面積的約1W/mm2，更優(yōu)選不大于約0.8W/mm2，更加優(yōu)選不大于約0.5W/mm2。
石墨管可以用于在材料體和電極之間提供電連接。石墨管可以借助于由精細(xì)石墨結(jié)合熱固性樹(shù)脂制成的粘合劑連接到材料體上。
在使用石墨并且該石墨的灰分含量約為0.5重量％的情況下，期望每一個(gè)電極的總表面積足夠高以確保流過(guò)電極的電流密度不超過(guò)0.5W/mm2電極表面積。在使用灰分含量更低的石墨時(shí)，可以承受更高的電流密度。
在石墨體的溫度超過(guò)氧化發(fā)生的溫度時(shí)，優(yōu)選使用上述惰性氣體或真空的腔室或者外殼。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，提供有一適于承受真空的外殼，并且固體石墨材料體懸掛在該外殼中，如此以不接觸該外殼。然后在材料體和該外殼之間的空間內(nèi)施加真空。如果需要，可以在材料體和外殼之間的空間填充一層非氧化氣體。該真空優(yōu)選地施用到約5-10毫巴。
該非氧化氣體優(yōu)選是干燥的，以降低高溫下在水氣和含碳材料之間發(fā)生水煤氣反應(yīng)，導(dǎo)致含碳材料部分氧化的可能性。
為了減少材料體到環(huán)境的熱損耗，通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射中的一種或多種的熱傳遞被阻止或限制。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在固體材料體和外殼之間利用真空來(lái)減少通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流的熱傳遞非常有效。在材料體和外殼之間抽空與使用固體絕熱材料相結(jié)合可以用于將熱損耗減少到可接受的水平。絕熱材料優(yōu)選為纖維狀的?；蛘撸梢杂幸娴厥褂妹喊?、珍珠巖、蛭石、其他絕熱顆粒狀、多孔的或泡沫材料以及反射層。
為了減少傳導(dǎo)造成的熱損耗，固體石墨材料體可以被覆蓋一層或多層適合的絕熱材料。因此該設(shè)備可以包括一層或多層覆蓋或圍繞該固體石墨材料體布置的絕熱材料，該絕熱材料適于抑制源自材料體的熱損耗。該絕熱材料典型為礦物或陶瓷。在高溫下，需要基于碳或石墨的絕熱材料。
更典型的，該設(shè)備包括圍繞石墨塊的夾套、腔室或外殼，并且該夾套、腔室或外殼包含惰性氣氛或者被內(nèi)部抽空。
為了減少通過(guò)輻射的熱傳遞，可以在固體材料體外表面和外殼的內(nèi)表面提供反射表面。因此，夾套、腔室或外殼的內(nèi)表面優(yōu)選地被高度拋光以將輻射熱損耗降到最低。由于機(jī)械強(qiáng)度、成本和承受高溫的能力的原因，該夾套、腔室或外殼優(yōu)選由金屬制成，優(yōu)選為鋼。當(dāng)夾套、腔室或外殼被內(nèi)部抽空時(shí)，石墨體通過(guò)一個(gè)或更多絕熱隔離物與夾套、腔室或外殼分離。絕熱隔離物可以是一層或多層陶瓷材料，可選地由一層金屬分離，例如鉬、鎢或具有不銹鋼合金或鋁的在低溫難熔的金屬。適合的陶瓷絕熱材料的例子包括金屬氧化物，例如氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋨、三氧化二鑭、三氧化銥、三氧化鈧、二氧化鈦、二氧化鋯、二氧化鉿、五氧化二鉭、五氧化二鈮、氧化鋁、二氧化硅、氧化鎳，以及其他無(wú)機(jī)材料，例如氮化硅、碳化硅、碳化硼、碳化鉭、碳化鈦、碳化鎢、一碳化鋯、氮化鋁、硼化鋯、尖晶石、莫來(lái)石、鎂橄欖石、耐火粘土、白云石、鎂石(magnesite)、富礬土瓷料、富鎂土瓷料、硅線石、藍(lán)晶石、硅酸鋯和以上的混合物。也可以使用發(fā)泡或纖維形式的碳或者石墨。
絕熱隔離物可以可選地包括一層或者多層與熱交換器熱接觸的浸入石墨的陶瓷(graphite-impregnated ceramic)，該熱交換器將浸入的陶瓷與夾套、腔室、或外殼分離。在這種配置中，該熱交換器可以被保持在足夠低的溫度以使得從石墨體到夾套、腔室或外殼的熱損耗最低，同時(shí)借助于浸入石墨的陶瓷的適當(dāng)選擇，該體或石墨體可以保持在非常高的溫度。典型的，在夾套、腔室或外殼內(nèi)的石墨體或多個(gè)石墨體在最高溫度最高可達(dá)2800℃的溫度下工作。更典型的，石墨體或多個(gè)石墨體工作在約1400℃至約2000℃、約1400℃至1950℃、約1400℃至1900℃、約1400℃至1800℃、約1400℃至1700℃、約1400℃至1600℃、約1400℃至1500℃的最高溫度下，更加典型的在約1400℃、1450℃、1500℃、1550℃、1600℃、1650℃、1700℃、1750℃或1800℃的最高溫度。在放出能量期間，該溫度會(huì)降至200到300℃或200到500℃。
該腔室或者外殼可以被內(nèi)部抽空并密封以保持內(nèi)部真空，或者可以連接到一用于保持真空的真空泵上。典型的，當(dāng)真空泵被連接時(shí)，設(shè)置該泵使得其僅間歇地工作，例如當(dāng)泄露導(dǎo)致在腔室或者外殼內(nèi)的壓強(qiáng)高于預(yù)定值時(shí)。在腔室或外殼內(nèi)的真空典型地維持在從約1Pa絕對(duì)氣壓至約500Pa絕對(duì)氣壓的范圍內(nèi)，更典型的在從約20Pa絕對(duì)氣壓至約250Pa絕對(duì)氣壓的范圍內(nèi)，更加典型的在從約50Pa絕對(duì)氣壓至約100Pa絕對(duì)氣壓的范圍內(nèi)。
將會(huì)意識(shí)到，當(dāng)熱空氣或其他氧化氣體的溫度導(dǎo)致石墨體或多個(gè)石墨體基本氧化時(shí)，需要避免這些氣體和任意石墨體的直接接觸。這些氧化發(fā)生的溫度取決于石墨的純度，不過(guò)對(duì)于不純的石墨化碳可以低到250℃而對(duì)于純天然石墨是400℃。
第一方面的方法和第二方面的設(shè)備因而可以利用石墨的高導(dǎo)熱性和其在高溫下異乎尋常的比熱來(lái)提供儲(chǔ)存熱能的系統(tǒng)。
任何材料的比熱是該材料溫度的函數(shù)。將一物體從初始溫度T1升高到最終溫度T2所需要的總熱能H可以被表示為H=∫T1T2c(t)dt]]>其中c(t)是物體在溫度t的比熱。
當(dāng)T2高于物體周圍的環(huán)境溫度時(shí)，熱量H或其一部分的量可以用來(lái)做有用功。石墨塊的溫度和其所吸收的能是這樣一種關(guān)系，即，在大約600℃以上的溫度，該熱塊所吸收的額外的熱量引起相對(duì)較小的進(jìn)一步升溫，特別是與像鐵之類的金屬比較。因此，石墨展示出了相對(duì)較高的熱儲(chǔ)存能力。例如，1噸質(zhì)量的石墨在約1600℃的溫度比其在20℃多儲(chǔ)存大約3.6GJ的能量。相比較的，相同質(zhì)量的鐵在相同溫度下儲(chǔ)存大約1.3GJ(在該階段鐵被熔化)。
此外，石墨的高導(dǎo)熱率確保石墨塊的局部過(guò)熱最低化。當(dāng)熱量被施加到高純石墨塊的小區(qū)域時(shí)，一整塊從而幾乎是被均勻加熱。通過(guò)用石墨制成熱傳遞裝置，或者另外地如上所述在熱傳遞裝置中使用石墨，石墨的導(dǎo)熱性也被利用在本發(fā)明中的實(shí)施方案的熱傳遞裝置中。
電力來(lái)源可以是任何方便的來(lái)源，例如電力網(wǎng)，特別是低電力需求時(shí)可獲得的廉價(jià)電源。電力供應(yīng)者可以利用類似的策略，以平緩對(duì)發(fā)電機(jī)的負(fù)載需求。
電力來(lái)源是可以變化的，并且可以包含從可再生能源重新獲取的電力，例如從風(fēng)能、水能、波能、太陽(yáng)能或者潮汐能，這些能源的可用度在某些時(shí)期超過(guò)能源的需求，而能源需求在另一些時(shí)期超過(guò)其可用度?？捎枚冗^(guò)量的時(shí)期和需求過(guò)量時(shí)期的持續(xù)時(shí)間可以從比方說(shuō)大約20到60分鐘到幾個(gè)小時(shí)，例如在主電力網(wǎng)所經(jīng)過(guò)的高峰期和低谷期，或者它們可以是更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，例如在可以利用太陽(yáng)能的情況下，從白天到晚上，或者例如在利用風(fēng)能和波能的情況下幾天的時(shí)間。當(dāng)在比方說(shuō)一個(gè)季節(jié)內(nèi)有大量的能源可以使用時(shí)，這些能量以熱的方式從這一季節(jié)儲(chǔ)存到另一需要能源的季節(jié)，可以考慮使用本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，儲(chǔ)存在本發(fā)明的該設(shè)備體中的熱能可在熱和電的需求高峰期使用。
為了確保連接到電極的電連接保持在一相對(duì)較低的溫度，該電連接可以通過(guò)在圍繞其提供的夾套內(nèi)的水循環(huán)的方式冷卻。
可以被使用的適合的陶瓷絕熱器的示例包括那些在上文中舉例說(shuō)明的絕熱器。
為了確保表面電流密度不超過(guò)約0.5-約1.0W/mm2，可以使用附加的電極。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備用于在非高峰期時(shí)儲(chǔ)存能量時(shí)，重要的是能量以相對(duì)高的速度傳遞進(jìn)入該設(shè)備和從該設(shè)備中傳遞出。在經(jīng)歷了其間具有非高峰期的兩個(gè)消耗高峰期時(shí)，例如，一個(gè)在早上的期間，另一個(gè)在晚上的期間，有例如約兩個(gè)小時(shí)的相對(duì)較短的時(shí)間用于儲(chǔ)存能量，有另外兩個(gè)小時(shí)相對(duì)短的時(shí)間用于從根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中重新獲取能量。這使得每千瓦時(shí)比每天只有一個(gè)高峰期需要更多的材料來(lái)儲(chǔ)存。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，由于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以以相對(duì)無(wú)污染方式工作，該設(shè)備能夠被設(shè)置在電力消耗的地方，而不是生產(chǎn)電力的地方。
通過(guò)將熱能轉(zhuǎn)換成電能，或者直接使用，或者將其轉(zhuǎn)化成其他形式，可以實(shí)現(xiàn)熱能的利用。
現(xiàn)有多種技術(shù)用于將熱能轉(zhuǎn)化成電能的。舉例來(lái)說(shuō)，這些技術(shù)包括磁流體動(dòng)力學(xué)、蘭金循環(huán)(Rankine cycle)(有機(jī)物或蒸汽)、布雷頓循環(huán)、熱離子發(fā)電和熱光電發(fā)電。這些技術(shù)中最常用的是利用蒸汽驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)發(fā)電，該渦輪機(jī)依次驅(qū)動(dòng)一交流發(fā)電機(jī)或直流激發(fā)器形式的發(fā)電機(jī)。為此目的，蒸汽可以通過(guò)在與根據(jù)本發(fā)明的儲(chǔ)存熱的材料體接觸的管子內(nèi)蒸發(fā)水而產(chǎn)生。為了提高根據(jù)與本發(fā)明的設(shè)備相聯(lián)系的重新獲取設(shè)備的效率，蒸汽可以在過(guò)熱器管內(nèi)過(guò)度加熱，該過(guò)熱器管也可與組成根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備一部分的石墨材料體接觸。加熱管和過(guò)熱管可以是如“直流蒸汽發(fā)生器”系統(tǒng)中所使用的那樣的連續(xù)的管。
本發(fā)明因此延伸至一可選地在高峰期生產(chǎn)電力的工廠，該工廠包括根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和用于在與該設(shè)備相關(guān)的管內(nèi)蒸發(fā)工作流體的裝置，該裝置適于可選地在電力的消耗高峰期重新獲取儲(chǔ)存在該設(shè)備中的熱。
該設(shè)備還可以包括一適于由在蒸發(fā)裝置中產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)；以及用于產(chǎn)生電力的適于被該渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電裝置。為了該設(shè)備的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，該工作流體的狀態(tài)可以保持基本恒定。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供了一種儲(chǔ)存熱并從這些被儲(chǔ)存的熱中產(chǎn)生電力的方法，該方法包括以下步驟如上文所描述的那樣儲(chǔ)存熱能，當(dāng)需要時(shí)重新獲取這些儲(chǔ)存的熱能以及將所述重新獲取的熱能轉(zhuǎn)化成電能。
該重新獲取步驟可以包括將工作流體從液相蒸發(fā)成氣相。它也可以包括將該氣相過(guò)熱處理。
該轉(zhuǎn)化步驟可以包括利用該工作流體的氣相驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)以及在渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生電。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供了熱儲(chǔ)存和發(fā)電工廠，該工廠包括如上文所描述的用于儲(chǔ)存熱能的設(shè)備、用于重新獲取其中儲(chǔ)存的熱能的裝置以及用于將所述重新獲取的熱能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。
用于從儲(chǔ)存熱能的設(shè)備中重新獲取熱能的裝置可以包括用于將工作流體從液相蒸發(fā)成氣相的蒸發(fā)器。
用于將所述重新獲取的熱能轉(zhuǎn)化成電能的裝置可以包括由氣相的工作流體驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)和適于產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，提供了一種高溫下在石墨體內(nèi)儲(chǔ)存熱能的方法，該方法包括當(dāng)需要儲(chǔ)存熱能時(shí)加熱石墨體的內(nèi)部區(qū)域以及當(dāng)需要使用熱能時(shí)借助于熱交換器來(lái)重新獲取熱的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，提供了一種用于在高溫下在石墨材料體內(nèi)儲(chǔ)存熱能的設(shè)備，該設(shè)備包括用于加熱石墨材料體的內(nèi)部區(qū)域的裝置和用于從其中重新獲取熱的裝置，其中該用于加熱石墨材料體內(nèi)部區(qū)域的裝置包括一電阻器和用于使電流通過(guò)該電阻器以使其溫度升高的裝置，并且該用于重新獲取的裝置包括一適于容納熱交換流體的熱交換器。
根據(jù)本發(fā)明的第九方面，提供了一熱儲(chǔ)存和發(fā)電工廠，該工廠包括如上文所描述的用于儲(chǔ)存熱能的設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的第十方面，提供了一像上文所描述的那樣儲(chǔ)存熱能的設(shè)備，該設(shè)備包括第一石墨塊和至少一個(gè)附加的石墨塊，其中該第一石墨塊與該附加的石墨塊或附加的每一石墨塊絕熱。
根據(jù)本發(fā)明的第十一方面，提供了一溫度補(bǔ)償?shù)臒醿?chǔ)存和重新獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-適于在高溫下儲(chǔ)存熱能的第一固體石墨材料體；-與該第一固體石墨材料體有熱交換關(guān)系的用于從其中重新獲取熱能的第一熱交換器；-有效連接到該第一熱交換器的第一工作流體回路，該回路用于將工作流體從其源頭經(jīng)由第一熱交換器傳導(dǎo)到一能夠使用該工作流體的一部分熱能的裝置；-適于在高溫下儲(chǔ)存熱能的第二固體石墨材料體；-與該第二固體石墨材料體有熱交換關(guān)系的第二熱交換器，從而可以增加第一和第二熱交換器的復(fù)合熱交換區(qū)，以補(bǔ)償在第一和第二石墨體內(nèi)的溫度降低；
-有效連接到該第二熱交換器的第二工作流體回路，該回路用于將工作流體從其源頭經(jīng)由第二熱交換器傳導(dǎo)到一能夠使用該工作流體的一部分熱能的裝置，該第二工作流體回路包括一適于打開(kāi)和關(guān)閉的控制閥；和-一控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)適于通過(guò)使工作流體或者更大量的工作流體經(jīng)由第二工作流體回路被注入到第二熱交換器，來(lái)補(bǔ)償從第一固體石墨材料體重新獲取的熱由于其溫度降低的損失，該工作流體回路利用增加的復(fù)合熱交換區(qū)進(jìn)行熱傳遞。
該系統(tǒng)可以可選地包括一個(gè)或多個(gè)適于在高溫下儲(chǔ)存熱能的附加固體石墨材料體，也可以包括一個(gè)或多個(gè)與該一個(gè)或多個(gè)附加固體石墨材料體有熱交換關(guān)系的附加熱交換器，以及有效地連接到該附加熱交換器的一個(gè)或多個(gè)附加工作流體回路，該工作流體回路用于將工作流體從其源頭經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)附加熱交換器傳導(dǎo)到能夠使用該工作流體的一部分熱能的裝置，該附加工作流體回路或每一個(gè)附加工作流體回路包括一適于打開(kāi)和關(guān)閉的控制閥。
因此，該系統(tǒng)可以包括3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、35、40、45、50或更多的附加熱交換器和熱儲(chǔ)存塊或熱儲(chǔ)存塊對(duì)或熱儲(chǔ)存塊組。每一熱儲(chǔ)存塊或熱存儲(chǔ)塊對(duì)或熱儲(chǔ)存塊組可以與相應(yīng)的熱交換器或熱交換器對(duì)或熱交換器組相聯(lián)系，從而使得該系統(tǒng)被制成以單元形式制造的模塊化系統(tǒng)，以便于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的構(gòu)造和/或擴(kuò)展。
熱可以以傳遞到工作流體的潛熱和/或顯熱的形式重新獲取。以氣體或液體蒸汽的形式傳遞的熱可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。該工作流體可以是水。
根據(jù)本發(fā)明的第十二方面，提供了一種當(dāng)從儲(chǔ)熱介質(zhì)中重新獲取熱時(shí)，用于補(bǔ)償儲(chǔ)熱介質(zhì)的溫度降低的方法，該方法包括-在高溫下在第一固體石墨材料體內(nèi)儲(chǔ)存熱；-通過(guò)在與第一固體石墨材料體有熱交換關(guān)系的第一熱交換器內(nèi)加熱第一工作流體，從第一固體石墨材料體重新獲取熱能；-在第一工作流體回路內(nèi)將第一工作流體傳導(dǎo)到能夠利用該工作流體的一部分熱能的裝置；
-在高溫下在第二固體石墨材料體內(nèi)儲(chǔ)存熱；-通過(guò)在與第二固體石墨材料體有熱交換關(guān)系的第二熱交換器內(nèi)加熱第一工作流體，從第二固體石墨材料體重新獲取熱能；-在第二工作流體回路內(nèi)將第二工作流體傳導(dǎo)到能夠利用該工作流體的一部分熱能的裝置；和-通過(guò)使工作流體或者更大量的工作流體在第二熱交換器內(nèi)加熱來(lái)補(bǔ)償從第一固體石墨材料體重新獲取的熱由于其溫度降低的損失；該熱交換器或每一個(gè)熱交換器的管子可以與固體石墨材料體直接接觸，并且可以在其表面基本平行布置?；蛘撸摕峤粨Q器或每一個(gè)熱交換器的管子可以被夾緊固定在兩個(gè)鄰近的塊之間。
在本發(fā)明的這一實(shí)施方案和其他實(shí)施方案中，在熱交換器或其任意部分，例如管子，由鋼制成的情況下，以及在該熱交換器在高溫下與石墨直接接觸時(shí)，通過(guò)碳分子從熱石墨遷移到熱鋼的表面，鋼可能會(huì)被滲碳。
為了避免鋼的滲碳，可以在熱交換器的管子和石墨之間放置適合的導(dǎo)熱材料。
對(duì)于最高達(dá)800或900℃的高溫，高鎳鋼合金可以用作構(gòu)造熱交換器的材料。
為了便于裝配以及簡(jiǎn)化熱交換器的檢查和維修，任意一個(gè)或多個(gè)固體石墨體可以設(shè)置有空腔，該空腔可以設(shè)置在塊內(nèi)或者該空腔可以形成在一可分的或者可拆卸插件或子組件的部分或者片斷之間，以使得容納在空腔內(nèi)的一個(gè)或者多個(gè)熱交換器能夠去除和更換。
根據(jù)本發(fā)明的方法可以用于以熱的形式捕獲和儲(chǔ)存從不同的來(lái)源得到的能量。到儲(chǔ)存設(shè)備的輸入能可以是到電阻加熱元件的電、集中光束形式的太陽(yáng)能或來(lái)自工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的廢熱。在該能量是電的情況下，輸入可以來(lái)自電力網(wǎng)，以利用整個(gè)電力供應(yīng)期的價(jià)格差，或者是來(lái)自可再生的能源，例如風(fēng)輪機(jī)或空氣流驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)、光電池或波或潮汐發(fā)電機(jī)。
儲(chǔ)存在本發(fā)明設(shè)備中的能量可以用于各種各樣的利用熱作為動(dòng)力的技術(shù)。最簡(jiǎn)單的是將儲(chǔ)存設(shè)備作為產(chǎn)生用于多種工藝的蒸汽的鍋爐使用。為了產(chǎn)生電力，熱能可被用于加熱工作流體以驅(qū)動(dòng)一渦輪機(jī)/發(fā)電機(jī)或一馬達(dá)/發(fā)電機(jī)(motor/generator)。熱氣也可被用于燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)的驅(qū)動(dòng)力?；蛘?，可以使用磁流體動(dòng)力(MHD)發(fā)電、熱離子發(fā)射發(fā)電或斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電。該設(shè)備可以作為用于燃?xì)廨啓C(jī)或內(nèi)燃機(jī)/發(fā)電機(jī)的燃料或助燃空氣的預(yù)熱器使用。最簡(jiǎn)單的商業(yè)發(fā)電選擇是使用該儲(chǔ)存設(shè)備產(chǎn)生蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)一渦輪機(jī)/發(fā)電機(jī)或一馬達(dá)/發(fā)電機(jī)。
工作流體工作流體可以是可以被蒸發(fā)以形成蒸汽的水。作為水/蒸汽的替換物，一定范圍內(nèi)的其他工作流體可以用于傳遞熱或者為渦輪機(jī)或馬達(dá)提供動(dòng)力。工作流體可以是在室溫下的氣體、液體或固體，只要其在熱儲(chǔ)存的工作溫度范圍內(nèi)熔化和/或汽化。工作流體可以從例如像甲醇、乙醇或異丙醇之類的醇、像乙烯之類的碳?xì)浠衔锘蛘呦窆惖慕饘僦羞x擇。
在工作流體在室溫下是固體的情況下，它可以是例如像硝酸鋰的鹽、例如像硫的非金屬元素或例如像鉍、錫或銻的金屬元素。
特殊用途的工作流體可以根據(jù)其熱容量、其相對(duì)于熱儲(chǔ)存工作溫度范圍的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)、或者其在熱交換器材料上的腐蝕和積垢的影響的缺乏來(lái)選擇。當(dāng)水與不銹鋼或高鎳管或管狀熱交換器一起使用時(shí)，水優(yōu)選為高純度的，典型的最大外來(lái)夾雜物的級(jí)別在十億分之50。
氣態(tài)工作流體可以從氨，氮，例如像氦、氬的惰性氣體，二氧化碳或者例如像丁烷或者戊烷等的碳?xì)浠衔餁怏w中選擇。
用于熱儲(chǔ)存的絕熱材料絕熱材料可以用來(lái)使從石墨材料體的熱損耗最低。熱傳遞通過(guò)輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)而發(fā)生。
輻射傳熱可以通過(guò)將熱能反射回堆芯來(lái)改良。反射材料層，例如高熔點(diǎn)金屬(例如鉬)、石墨、不銹鋼或任何其他能夠在要求的溫度下工作的金屬，可以作為反射內(nèi)襯使用。盡管不是必需的，但是通常將這些反射絕熱材料與輕質(zhì)多孔材料結(jié)合，該輕質(zhì)多孔材料例如像氧化鋁、碳、二氧化硅、氧化鋯、鋁硅酸鹽、各種堿金屬硅酸鹽、尖晶石的多孔狀、纖維狀或散裝顆粒狀形式，或者更典型的許多這些形式的組合。這些絕熱材料可以是像板、塊或磚等的剛性形式或者是像散纖維或者氈狀的柔性形式。該顆粒狀絕熱材料可以是氧化鋁、二氧化硅、鋁硅酸鹽、堿金屬硅酸鹽、氧化鋁顆粒、蛭石、珍珠巖、煤胞或者任意其他適合的多孔顆粒。
傳導(dǎo)可以通過(guò)絕熱材料的低體密度或通過(guò)設(shè)置許多氣孔或滯留空氣或氣體空間來(lái)克服或改良。在絕熱層內(nèi)的對(duì)流傳遞可以通過(guò)閉孔絕熱來(lái)最小化。
為了獲得最好的絕熱設(shè)計(jì)以最小化熱損耗，必須平衡這三種熱傳遞模式。絕熱材料和內(nèi)襯厚度的最終選擇取決于所要容納的要求溫度和能夠承受的熱損耗。
絕熱材料的最大工作溫度額定值取決于材料工作的狀態(tài)條件。氧化或者腐蝕性氣體的存在會(huì)降低反射絕熱材料的反射率并因此降低其效率。在高真空下的石墨反射體可以在最高達(dá)約+3000℃有效，而通常的纖維絕熱硅酸鋁耐火材料常常被限制在約1400℃。纖維狀、發(fā)泡的或顆粒狀的絕熱材料全都固有地具有大表面面積因此易于被氣體附加劑(gaseous agents)侵襲。
在特定的應(yīng)用中，纖維狀氧化鋁可以在最高達(dá)約1600℃下使用，發(fā)泡的碳可以在最高達(dá)約3000℃使用。這些材料可用作通常是具有低耐火材料的組合內(nèi)襯的高溫表面，該組合內(nèi)襯形成直到外部夾套、腔室或外殼的層。
用于熱交換器管的金屬用于以熱的形式從熱儲(chǔ)存設(shè)備提取能量的熱交換器可以包括管道。只要包含工作流體的容器在工作流體工作溫度范圍和壓強(qiáng)下能夠工作，可以使用任何形式的金屬或非金屬材料。
該熱交換器可以是金屬的。所使用的材料取決于包括工作流體的壓強(qiáng)和溫度、周圍的熱儲(chǔ)存和大氣這些工作條件。管道優(yōu)選為無(wú)縫構(gòu)造。在熱交換器的構(gòu)造或者設(shè)計(jì)中使用的金屬或金屬合金，優(yōu)選能夠滿足設(shè)計(jì)需要，并且可以是AS1210-1997壓力容器AS4041-1998/Amdt.1-2001壓力管道
AS1228-1997/Amdt.1-1998壓力裝備-鍋爐ASME鍋爐和壓力容器標(biāo)準(zhǔn)-2004ASME B31.1-2001動(dòng)力管DIN En 13445-2002未焙燒的壓力容器如當(dāng)時(shí)適用的修訂的或類似的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
在低溫端使用時(shí)，可以使用300系列的不銹鋼，包括但不限于304(UNS#S30400)、316(UNS#S31600)、321(UNS#S32100)、347(UNS#S34700)、309(UNS#S30900)、310(UNS#S31000)、它們的衍生物和類似合金。其他不銹鋼包括153MA(UNS#S30415)、235MA(UNS#S30815)和353MA(UNS#S35315)，它們的衍生物和類似合金。
(合金304、321、347和253MA最適用于管子所受到的最大溫度為500℃的蒸汽應(yīng)用，典型地適用于工作溫度＜400℃的蒸汽渦輪機(jī)。)隨著工作溫度升高，則對(duì)金屬的要求移動(dòng)到高鎳合金，例如600和800系列，包括但不限于600(UNS#N06600)、601(UNS#N06601)、602CA(UNS#N06025)、625(UNS#N06625)、690(UNS#N06690)、800(UNS#N08800)、825(UNS#N08825)、它們的衍生物和類似合金。也有一定范圍的其他高鎳合金在哈斯特洛依合金(Hastelloy)范圍內(nèi)，該合金包括N(UNS#10003)、X(UNS#06002)以及例如像HR-120(UNS#N08120)、HR-160(UNS#N12160)、230(UNS#N06230)、556(UNS#R30556)的特殊海恩斯高電阻高硬度超基合金(Haynesalloys)、它們的衍生物和類似合金。
合金600，800H和海恩斯(Haynes)556最適用于管子所受到的最大工作溫度為900℃的蒸汽應(yīng)用，適用于一工作溫度在約500℃的蒸汽渦輪機(jī)。此處所列出的合金是按照最大使用溫度增加的順序。
下列標(biāo)準(zhǔn)適合用于選擇熱交換器管的構(gòu)造材料ASMEB31.1-2001動(dòng)力管標(biāo)準(zhǔn)，和ASME鍋爐和壓力容器標(biāo)準(zhǔn)-2004.
在鍋爐管中允許的最大溫度也取決于其受到的壓強(qiáng)。典型的，對(duì)于任意給定的合金，隨著所包含的流體的工作壓強(qiáng)上升，所使用的最大溫度下降。概括了這些變化的表格包含在“ASME B31.1-2001動(dòng)力管”或相關(guān)等效標(biāo)準(zhǔn)中。
控制原理氣氛石墨體可以位于腔室或者外殼內(nèi)。在腔室內(nèi)或外殼內(nèi)使用保護(hù)氣氛以使得石墨不受氧化。這可以通過(guò)保持部分真空和/或通過(guò)使用例如像氮的不可燃?xì)怏w或者像氦或氬等惰性氣體中的一種來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在要求的限度內(nèi)，應(yīng)該在腔室或者外殼內(nèi)保持低正壓強(qiáng)氣體。該壓強(qiáng)可以具有一從約2巴到毫巴級(jí)的設(shè)定值。該壓強(qiáng)可以被維持在設(shè)定值的正負(fù)50％范圍內(nèi)，不過(guò)優(yōu)選地降低到正負(fù)1％或更小。壓強(qiáng)的升降控制(the ramping of the control of the pressure)典型地通過(guò)使用一PID控制器(比例-積分微分-微分積分反饋控制)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)所要保持的特定壓強(qiáng)，在腔室或者外殼中的氣氛可以是例如像氮的不可燃?xì)怏w或者像氦或氬等惰性氣體中的一種。隨著需要的壓強(qiáng)降低，腔室或外殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要被增強(qiáng)。
在一個(gè)實(shí)施方案中，可以使用5-15毫巴的工作壓強(qiáng)。如果壓強(qiáng)被降低至約1毫巴，電暈放電成為圍繞電連接的一個(gè)問(wèn)題。然而，如果工作壓強(qiáng)進(jìn)一步降低，降至約900微巴，電暈放電可以被避免。
當(dāng)壓強(qiáng)增加至大氣壓之上時(shí)，腔室或外殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也需要增強(qiáng)。為了使熱儲(chǔ)存腔室或外殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求最小化，工作壓強(qiáng)可以被保持為剛剛超過(guò)大氣壓。氣氛優(yōu)選為不可燃的或性質(zhì)為惰性的，并且優(yōu)選地保持在剛剛超過(guò)大氣壓的壓強(qiáng)，從而最小化或避免氧氣的進(jìn)入。
在工作期間，在腔室或者外殼中的壓強(qiáng)由于所包含的氣氛的膨脹和收縮而變化。通過(guò)監(jiān)測(cè)夾套、腔室或外殼內(nèi)的壓強(qiáng)，以及在壓強(qiáng)到達(dá)一特定最大設(shè)定值時(shí)打開(kāi)排氣閥或者在壓強(qiáng)降低到最低壓強(qiáng)設(shè)定值時(shí)打開(kāi)連接到腔室或外殼的氣體供應(yīng)閥，來(lái)實(shí)現(xiàn)壓強(qiáng)控制。
該壓強(qiáng)典型地保持在200PaG和400PaG之間。
熱儲(chǔ)存和加熱系統(tǒng)石墨塊優(yōu)選地在其中心加熱，優(yōu)選地具有繞其中心的一層或多層石墨和兩層或更多層繞中心的熱交換器模塊。這些層可以與絕熱材料交錯(cuò)相間。在儲(chǔ)存器和熱交換器塊層之間交錯(cuò)的絕熱材料層的類型和厚度取決于熱儲(chǔ)存的溫度、熱能的提取速度和所需要的溫度曲線。
操作該設(shè)備從而使電力被施用到加熱元件一直到達(dá)到期望的工作溫度。一旦到達(dá)這一溫度，關(guān)閉供應(yīng)到該元件的電力，并且在溫度下降到最小設(shè)定值之前不再打開(kāi)。電力施加的升降率典型地通過(guò)使用一PID控制器(比例-積分-微分反饋控制)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
最大儲(chǔ)存溫度由金屬熱交換器能夠安全工作的溫度來(lái)支配?？梢蕴峁┮粺犭娕紒?lái)測(cè)量溫度。該熱電偶可以置于熱交換器近鄰，以確保不超過(guò)最大工作溫度。
加熱元件所處的石墨塊的中心可被加熱到最大溫度，當(dāng)能量從該塊中取走時(shí)，由于可以利用溫度梯度，該最大溫度在穿過(guò)加熱元件和熱交換器之間的儲(chǔ)存器的絕熱層和熱交換器塊形成的塊中升高。
熱交換器和儲(chǔ)存塊用于熱交換器的材料取決于工作流體、流體工作壓強(qiáng)和流體溫度。盡管不應(yīng)認(rèn)為是惟一的選擇，但是常用的工作流體就是水/蒸汽。本發(fā)明也設(shè)想使用氣體或有機(jī)工作流體來(lái)驅(qū)動(dòng)閉式循環(huán)渦輪機(jī)。
典型的，連接到蒸汽渦輪機(jī)的熱儲(chǔ)存設(shè)備所用的工作流體為在從10-100巴壓強(qiáng)下的水/蒸汽。蒸汽從嵌入在熱儲(chǔ)存器設(shè)備中的一部分中的熱交換器中產(chǎn)生，該熱儲(chǔ)存器設(shè)備處于最高達(dá)900℃的溫度。工藝用汽蒸汽的通常要求典型的但并不限于6-10巴飽和蒸汽。用于從熱儲(chǔ)存器中重新獲取能量的熱交換器典型的為金屬直流蒸汽生成型系統(tǒng)(ametallic once through steam generation type system)(OTSG)，其中所使用的熱交換器管的數(shù)量可以變化以滿足輸出需要。當(dāng)塊的一個(gè)區(qū)域的溫度降低時(shí)，該塊的另一區(qū)域可以被用于產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，而衰竭區(qū)域可以作為過(guò)熱區(qū)的預(yù)熱器。這種類型的鍋爐的類型可以被稱之為分階段的OTSG，第一階段用于亞飽和加熱，并且第二階段用于將蒸汽加熱到過(guò)熱的溫度。在這兩個(gè)階段之間不設(shè)置產(chǎn)生汽包。通過(guò)遵循這一過(guò)程，可以將能夠從儲(chǔ)存器中提取得的能量的量最大化。
可以提供兩個(gè)或更多儲(chǔ)存塊和兩個(gè)或更多熱交換器塊。任意一個(gè)可以具有足夠的熱交換器長(zhǎng)度以運(yùn)行STG?？赡軙r(shí)，從渦輪機(jī)蒸汽流提取的蒸汽可以用于將給水預(yù)熱到趨于特定工作壓強(qiáng)的飽和溫度。在工作中，至少一個(gè)塊需要位于可能的最高溫度，因此至少一塊總是保持更熱，優(yōu)于將他們都加熱到相等的溫度。
塊的溫度將支配可以使用多少熱交換器管用于亞飽和水加熱或蒸汽產(chǎn)生。在任何時(shí)間工作中的管的數(shù)量取決于所需要的吞吐量和在石墨和工作流體之間的溫差。所使用的管的數(shù)量在工作溫度范圍內(nèi)可以變化5或20倍或更多。當(dāng)溫差最大時(shí)，可以使用最小數(shù)量的管，但當(dāng)這溫差降低時(shí)，熱交換區(qū)域需要增加。
由于兩塊工作在不同的溫度，它們可以工作在不同的壓強(qiáng)。壓強(qiáng)較高、溫度較低的塊可以通過(guò)一減壓閥連接到溫度較高的塊。具有STG需求所控制的設(shè)定壓力的該減壓閥可以控制在第二、較高溫度塊內(nèi)的壓強(qiáng)。
以下為熱儲(chǔ)存設(shè)備如何操作的幾個(gè)設(shè)計(jì)方案方案1一個(gè)塊時(shí)常被作為較冷的塊來(lái)預(yù)熱用于較熱的塊的水。這樣，能夠提取的能量可以是最大的。這嚴(yán)格來(lái)講不符合OSTG的工作原理，不過(guò)卻是最簡(jiǎn)單的方案以及最直接的控制方案。
方案2.
另一個(gè)方案是使儲(chǔ)存器的中心堆芯升到高溫，典型的約1000℃。該堆芯可以具有將其與外層或包含熱交換器的塊隔開(kāi)的絕熱材料。由于可能有從該設(shè)備的最小的能量下降，在熱交換器區(qū)域的溫度應(yīng)該是自調(diào)整的?？晒ぷ饔诘蜏氐膬?nèi)熱交換器層周圍可能還有第二層。熱首先從外層熱交換器提取一直到該石墨塊不能產(chǎn)生足夠量的蒸汽。
外層熱交換器然后可以用于預(yù)熱用于內(nèi)部熱交換器的水。另一個(gè)儲(chǔ)存塊可以交錯(cuò)地被用作較高溫度塊的預(yù)熱器。這一設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，接近儲(chǔ)存器外緣的塊表面可以在較低的溫度，并且因此腔室或外殼的表面溫度將會(huì)更低，從而降低熱損耗。
溫度調(diào)節(jié)和蒸汽質(zhì)量通過(guò)監(jiān)測(cè)給水流量和給水管道上的溫度，可以保持質(zhì)量流量。一個(gè)給水泵既可以用于熱儲(chǔ)存鍋爐的給水，也可以用于過(guò)熱降溫器的水。總流量可以用給水控制閥設(shè)定，而過(guò)熱降溫器控制閥可以控制被過(guò)熱降溫器所使用的給水的比例。這意味著來(lái)自熱儲(chǔ)存器的可變質(zhì)量蒸汽可以以滿足工藝要求或馬達(dá)或渦輪機(jī)的恒定的數(shù)量和質(zhì)量供給。
滿足工藝、馬達(dá)或渦輪機(jī)需求所需要的蒸汽質(zhì)量被確定，然后這一設(shè)定被保持在給水泵上。進(jìn)入到溫度調(diào)節(jié)器的這些水的比例由離開(kāi)熱交換器的蒸汽的溫度確定。當(dāng)來(lái)源于熱儲(chǔ)存器的蒸汽的溫度升高時(shí)，過(guò)熱降溫器的流量增加。由熱交換器產(chǎn)生的蒸汽的量可以根據(jù)多少熱交換器管在控制儲(chǔ)存塊的溫度而變化。
蒸汽產(chǎn)生儲(chǔ)存塊可以用于蒸汽產(chǎn)生。由熱交換器產(chǎn)生的蒸汽會(huì)根據(jù)使用了多少熱交換區(qū)域以及儲(chǔ)存塊的溫度變化。在離開(kāi)熱交換器之后，典型為近飽和的蒸汽，被調(diào)溫到需要的蒸汽狀態(tài)。
蒸汽渦輪機(jī)工作典型地，一高效蒸汽渦輪機(jī)在約500℃和約60巴的壓強(qiáng)下工作。
蒸汽渦輪機(jī)所需要的蒸汽溫度可以通過(guò)到達(dá)蒸汽渦輪機(jī)之前離開(kāi)熱儲(chǔ)存設(shè)備的蒸汽的溫度調(diào)節(jié)來(lái)保持。


本發(fā)明的優(yōu)選形式將參照附圖通過(guò)示例進(jìn)行描述，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的一個(gè)實(shí)施方案的圖示；圖2是根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施方案的圖示；圖3(a)是示出一引入了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的發(fā)電廠一個(gè)實(shí)施方案的示意流程圖；圖3(b)示出了組成圖3(a)中的設(shè)備的一部分的鍋爐和過(guò)熱器管的一種典型布置；圖4是示出引入了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一實(shí)施方案的熱儲(chǔ)存和發(fā)電工廠的示意流程圖；圖5是示出引入了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的又一實(shí)施方案的熱儲(chǔ)存和發(fā)電工廠的示意流程圖；圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的另一方面的溫度補(bǔ)償熱儲(chǔ)存和重新獲取系統(tǒng)的部件分解視圖的示意流程圖；
圖7是在遞增溫度下能夠儲(chǔ)存在一噸石墨中的能量的量的圖解表示；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)熱儲(chǔ)存設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施方案的圖示。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，顯示了用于儲(chǔ)存熱能的設(shè)備10的一個(gè)實(shí)施方案。設(shè)備10包括一包含按重量計(jì)少于0.5％雜質(zhì)的高純度石墨體12。設(shè)備10還包括用于向體12傳遞熱的裝置14，該裝置14包括一電極16和一電阻器18。該電阻器18位于穿孔或插孔20內(nèi)，該穿孔或插孔20從體12的上表面12.1延伸到體12中遠(yuǎn)離體其表面的點(diǎn)12.2。
一陶瓷管22安插進(jìn)穿孔或插孔20內(nèi)。然而，其直徑小于插孔或穿孔20的直徑，在管22的外表面和穿孔或插孔20的內(nèi)表面之間留有一環(huán)形間隙20.1。
電極16包括一桿部16.1和一底部16.2。底部16.2被嵌入在構(gòu)成電阻器18的有陶瓷顆?；驔](méi)有陶瓷顆粒的顆粒狀石墨或碳的混合物內(nèi)。絕熱材料24覆蓋在底部16.2的上表面和體12的表面12.1之間的空隙上。為了防止從體12到環(huán)境的熱損耗，可以在體12的上表面12.1上提供更多的絕熱材料(未示出)。
在環(huán)形間隙20.1內(nèi)，設(shè)備10還包括用于從體12上移除或提取熱的裝置26，該裝置26部分位于插孔20內(nèi)。裝置26是以螺旋管26.2形式成型的管26.1的形式。
在使用中，電能經(jīng)由電極16的桿部16.1傳導(dǎo)到裝置10。電從底部16.2傳遞到構(gòu)成電阻器18的有陶瓷顆?；驔](méi)有陶瓷顆粒的顆粒狀石墨或碳的混合物。由于電阻器18的阻抗，當(dāng)電流過(guò)電阻器18時(shí)產(chǎn)生熱。通過(guò)高純度石墨體12將熱從該電阻器上引開(kāi)。
當(dāng)需要從設(shè)備10提取熱時(shí)，水從管26.1流過(guò)。只要高純度石墨材料體12的溫度高于流過(guò)管26.1的流體的溫度，熱將從石墨體12流到流體上。該流體可以是水，并且當(dāng)它流過(guò)管26.1時(shí)可被轉(zhuǎn)化成蒸汽，該蒸汽可以是過(guò)熱的蒸汽。
參照?qǐng)D2，顯示了一根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的以熱儲(chǔ)存塊組件210形式的另一實(shí)施方案。該熱儲(chǔ)存塊組件210包括一具有左側(cè)212.1、右側(cè)212.2，底部212.3以及前側(cè)和后側(cè)(未示出)的箱形外部鋼殼212。蓋212.4蓋住頂部。底部212.3被一對(duì)梁212.5支撐，以使得設(shè)備210能夠用鏟車容易地運(yùn)輸。
在外部鋼殼212內(nèi)部，提供有用于支撐用于儲(chǔ)存熱能的高純度結(jié)晶形固體石墨塊216的五個(gè)陶瓷支柱214.1、214.2、214.3、214.4、214.5。儲(chǔ)存塊216通常是矩形截面。儲(chǔ)熱塊216通過(guò)鋪在陶瓷支柱214.1到214.5上表面上的四塊陶瓷絕熱瓷磚218.1，218.2，218.3，218.4與陶瓷支柱214.1，214.2，214.3，214.5分開(kāi)。為了制造的方便和簡(jiǎn)單，儲(chǔ)存塊216可以由更小的塊制成(未示出)，該更小的塊被加工到精密公差以使得它們能夠在堆疊在一起時(shí)保持足夠近的接觸，以快速地分散引入到塊216或從塊216移除的任意熱量。當(dāng)在使用時(shí)，通過(guò)進(jìn)入到外部鋼殼212內(nèi)部的惰性氣體，外部鋼殼212及其容納物可以受到一微小的正內(nèi)壓。
絕熱材料220被提供在填充于熱儲(chǔ)存塊216的外表面和鋼殼212的側(cè)面212.1、212.2、底部212.3和蓋212.4之間的層內(nèi)，以防止或至少減少損失到環(huán)境的熱能的量。絕熱材料220被提供在適合的材料層內(nèi)，該材料能夠承受最高達(dá)該設(shè)備的工作溫度的溫度。在低于1300℃的范圍內(nèi)，可以使用例如像“高嶺棉(Kaowool)”或“鋁硅陶瓷纖維”(“Fiberfrax”)之類的材料。在1300℃之上，在鄰近石墨儲(chǔ)存介質(zhì)的更高溫度區(qū)域內(nèi)，基于石墨或氧化物、氮化物或以碳為基礎(chǔ)的氈制品的其他絕熱材料能夠在最高達(dá)3000℃的溫度使用?？梢允褂眠@些材料的組合物以使得在層之間的界面溫度與它們的設(shè)計(jì)最大工作溫度相匹配。
當(dāng)需要時(shí)，該熱儲(chǔ)存塊216可以通過(guò)四個(gè)電阻器222、224、226和228來(lái)加熱。
電阻器222、224、226和228中的每一個(gè)由壓縮進(jìn)提供在儲(chǔ)存塊216內(nèi)的孔內(nèi)的高純度粒狀碳成分制成，其從儲(chǔ)存塊上表面延伸到其下表面。在儲(chǔ)存塊216的底部提供兩個(gè)電連接器230、232，用于分別將電阻器222、224和226、228互相連接。該電連接器230、232由適合的導(dǎo)電石墨制成，該導(dǎo)電石墨能夠承受最高達(dá)3000℃的溫度。電連接器230、232分別與電阻器222、224和226、228的下端電接觸。含碳材料被壓縮進(jìn)儲(chǔ)存塊216的孔內(nèi)，從而形成電阻器222、224、226、228，每一個(gè)電阻器的上表面被放置在各自上表面的端子234、236、238、240分別覆蓋。每一個(gè)端子234、236、238和240包括一底部234.1、236.1、238.1、240.1和一中心端桿(central terminal rod)234。2、236.2、238.2、240.2，這些中心端桿連接到各自相應(yīng)的底部234.1到240.1的中心并垂直延伸進(jìn)入提供在儲(chǔ)存塊216上表面和蓋212.4之間的絕熱材料220。電連接器242、244和246、248各自連接到端子234、236和238、240的中心端桿234.2、236.2、238.2、240.2。由于中心端桿234.2，236.2，238.2，240.2延伸進(jìn)入絕熱材料220，它們的遠(yuǎn)端在使用中工作在比他們各自的底部234.1、236.1、238.1、240.1低的溫度。
儲(chǔ)存塊216的下端216.1借助于一電絕緣墊板250與電連接器230、232電絕緣。該絕緣墊板250設(shè)有四個(gè)孔，這些孔的每一個(gè)與電阻器222、224、226和228中的一個(gè)的底端相對(duì)應(yīng)，以使得電阻器222、224、226和228能夠與上述的電連接器230、232電接觸。
一可拆卸熱交換器組件252提供在儲(chǔ)存塊216中心，用于當(dāng)需要時(shí)從熱儲(chǔ)存塊216移除熱能。該可拆卸組件252包括兩石墨塊段254、256，該兩石墨塊段在其之間共同限定了一空腔，該空腔用于容納一管狀熱交換器(未示出)，該管狀熱交換器的管子在工作時(shí)與空腔258的內(nèi)表面密切接觸。
該熱交換器用高鎳合金管制成，該高鎳合金管能夠在650℃以上并最高達(dá)900℃的溫度工作。
為了組裝該設(shè)備210，絕熱材料220從外部鋼殼的一個(gè)側(cè)面，比方說(shuō)側(cè)面212.1裝入其內(nèi)，其后插入214.1到214.5的陶瓷支柱。還在相鄰的陶瓷支柱214.1到214.5之間提供絕熱材料，之后引入電絕緣體218.1到218.4，電連接器230、232和電絕緣墊板250。據(jù)此，熱儲(chǔ)存塊216的單元塊被置于外殼212內(nèi)，電阻器222、224、226和228通過(guò)在設(shè)置于石墨材料塊內(nèi)的孔內(nèi)引入并壓縮顆粒狀含碳材料來(lái)制備。之后在電阻器222、224、226和228的上表面放置端子234、236和238、240。導(dǎo)體242、244、246和248被連接到中心端桿234.2、236.2、238.2、240.2的遠(yuǎn)端。導(dǎo)體242，244，246和248的自由端被連接到電源上。最后，為了提供將儲(chǔ)存塊216的組成部分固定在一起的壓力，絕熱材料220的最后一層被插入到儲(chǔ)存塊216和側(cè)面212.2之間的外部鋼殼內(nèi)。
為了避免石墨儲(chǔ)存塊216的氧化，于是將例如像氮、氬或氦等的惰性氣體引入到外殼212內(nèi)，以清除任何可能留在其內(nèi)的氣體并防止在設(shè)備210的工作期間當(dāng)石墨和其他含碳材料很熱的時(shí)候有空氣進(jìn)入。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)儲(chǔ)存塊254、256和管狀熱交換器260之間獲得良好的熱接觸時(shí)，可以獲得大于1,000W/m2°K的總傳熱系數(shù)。這要優(yōu)于在常規(guī)燃燒蒸汽鍋爐中獲得的60W/m2°K的總傳熱系數(shù)，其中熱借助于由燃料燃燒所致的熱煙道氣體產(chǎn)生的對(duì)流熱傳遞被傳遞到鍋爐或者蒸汽管中內(nèi)的水或蒸汽。這種鍋爐中的總熱傳遞系數(shù)被熱氣(燃燒生成物)端環(huán)繞鍋爐管形成的氣膜所限制，并且該氣膜抑制進(jìn)入到管中的熱傳遞。
由于熱交換器260具有高得多的傳熱系數(shù)，組成設(shè)備210一部分的熱交換器260可以比在常規(guī)鍋爐或過(guò)熱器中所需要的小許多。
可拆卸組件252具有的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)采取注意確保尺寸公差很小時(shí)，一方面，可以在塊段254、256和管狀熱交換器的管之間實(shí)現(xiàn)緊密接觸，另一方面，在塊段254、256和塊216之間實(shí)現(xiàn)緊密接觸，從而促進(jìn)熱傳遞。可拆卸熱交換器組件252的可拆卸性便利了熱交換器260的檢查和維護(hù)。
雖然圖2只示出了一個(gè)可拆卸熱交換器組件252，但是可以在遍及分布在儲(chǔ)存塊216的不同位置上設(shè)置多個(gè)這樣的可拆卸熱交換器組件，以便于在需要時(shí)從儲(chǔ)存塊216重新獲取熱能。類似的，雖然只示出了四個(gè)電阻器222、224、226和228，但是可以設(shè)置任意數(shù)量的電阻器以便于需要儲(chǔ)存在儲(chǔ)存塊216內(nèi)的熱能輸入到儲(chǔ)存塊216中。電阻器和熱交換器的數(shù)量和分布取決于在特定應(yīng)用中使用的石墨材料的使用性能和物理性能，例如像傳導(dǎo)性和熱容量等。這可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過(guò)合理的試驗(yàn)和試用確定。
在使用中，電能通過(guò)電阻器222、224、226和228轉(zhuǎn)化成熱能，并且以熱能的形式儲(chǔ)存在設(shè)備210中。這可以通過(guò)使電通過(guò)導(dǎo)體242和246到達(dá)端子234和238完成，該端子依次將電傳導(dǎo)到電阻器222和226。由于電阻器222、224和238、240的下端通過(guò)電導(dǎo)體230、232分別互相連接，通過(guò)電導(dǎo)體242進(jìn)入電阻器222的電流經(jīng)由電連接器230傳導(dǎo)到電阻器224并且經(jīng)由端子236和導(dǎo)體244從設(shè)備210導(dǎo)出。類似的，通過(guò)導(dǎo)體246進(jìn)入到設(shè)備210的電流經(jīng)由端子238傳導(dǎo)到電阻器226，并且經(jīng)由電連接器232從電阻器226傳導(dǎo)到電阻器228，并且經(jīng)由端子240和導(dǎo)體248從該設(shè)備導(dǎo)出。當(dāng)使用直流電流時(shí)，電流的流動(dòng)方向可以與上面所描述的方向相反。當(dāng)使用交流電流時(shí)，電流的流動(dòng)方向會(huì)交替變換。
由于電阻器232、224、226和228的阻抗，當(dāng)電流流過(guò)電阻器時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱。這些熱消散在整個(gè)石墨塊216中，在需要使用之前在其內(nèi)儲(chǔ)存。
當(dāng)需要從設(shè)備210取出熱能時(shí)，例如像水之類的流體在熱交換器260中循環(huán)。這使得只要石墨塊216的溫度高于經(jīng)過(guò)熱交換器260的水的溫度，熱量就被傳遞到經(jīng)過(guò)熱交換器260的水。該水可以被蒸發(fā)形成蒸汽，該蒸汽優(yōu)選地進(jìn)一步加熱以形成過(guò)熱蒸汽，該過(guò)熱蒸汽可以用于驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)產(chǎn)生電力。
參照?qǐng)D3(a)，一發(fā)電廠28包括驅(qū)動(dòng)能夠產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)32的蒸汽渦輪機(jī)30。通過(guò)導(dǎo)管34，過(guò)熱蒸汽被注入蒸汽渦輪機(jī)30。該過(guò)熱蒸汽在一組并排布置在立方體石墨塊36表面上的過(guò)熱器管35內(nèi)產(chǎn)生，該立方體石墨塊組成根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的設(shè)備的一部份，在該設(shè)備中，利用從非高峰期的電力供應(yīng)網(wǎng)中提取的電來(lái)電阻加熱而獲得的熱被儲(chǔ)存。雖然在本發(fā)明的實(shí)施方案中提到電力網(wǎng)供電，要理解的是，電力源可以如上面所描述的進(jìn)行變化，并且可以包含從例如像風(fēng)能、水能和波能等可再生能源重新獲取的電力，因此這些電力的可用性在某些時(shí)期超過(guò)需求，而在其他時(shí)期其需求超過(guò)其可用性。
石墨塊36位于鋼殼38的內(nèi)部。另一石墨塊40被設(shè)置用于以類似于蒸汽被石墨塊36過(guò)熱的方式來(lái)產(chǎn)生飽和蒸汽。石墨塊40位于鋼殼42內(nèi)部。絕熱材料44設(shè)置在該鋼殼42和石墨塊40之間以及在鋼殼38和石墨塊36之間。鍋爐管46沿石墨塊40的表面并排布置。
圖3(b)顯示了圖3(a)中的鍋爐管46是如何并列布置并縱向焊接在由適合的合金制成的傳遞墊板48的外表面。傳遞板48的內(nèi)表面用適合的材料等離子涂覆，以防止使用低等級(jí)的合金時(shí)碳遷移到合金。滲碳具有影響合金機(jī)械性能的效果。
為了控制輸送到渦輪機(jī)30中的蒸汽的溫度、壓強(qiáng)和過(guò)熱程度，設(shè)置有一蒸汽混合/調(diào)節(jié)單元50，使得通過(guò)導(dǎo)管52從鋼殼38放出的過(guò)熱蒸汽在需要時(shí)可以與通過(guò)飽和蒸汽導(dǎo)管54從鋼殼42放出的飽和蒸汽混合。為了控制供應(yīng)到渦輪機(jī)30的蒸汽的工作條件，控制閥門(mén)56、58和60如圖示被設(shè)置在導(dǎo)管中。
廢蒸汽可以在一個(gè)或更多提取點(diǎn)70、72、74、76處從蒸汽渦輪機(jī)30中提取，并且在被冷凝形成重復(fù)循環(huán)再使用的冷凝物之前用于預(yù)熱給水。該冷凝物返回一鍋爐給水罐80。
在工作中，發(fā)電廠28工作使得在電力消耗的非高峰期，通過(guò)嵌入到石墨塊36、40內(nèi)的電阻器(未在圖3(a)中示出)將電力轉(zhuǎn)化成熱。在高峰時(shí)期，儲(chǔ)存在塊40中的熱被用于蒸發(fā)布置在塊46的外表面上的鍋爐管46內(nèi)的水，然后形成飽和蒸汽，該飽和蒸汽在汽包55中與水分離。該飽和蒸汽通過(guò)導(dǎo)管54，經(jīng)過(guò)控制閥58，注入到布置在石墨塊36外表面的過(guò)熱管35中。在過(guò)熱之后，蒸汽通過(guò)設(shè)置在過(guò)熱蒸汽導(dǎo)管52的控制閥56放出。如上所述，過(guò)熱蒸汽穿過(guò)蒸汽混合和調(diào)節(jié)單元50，之后通過(guò)過(guò)熱蒸汽導(dǎo)管34被注入到蒸汽渦輪機(jī)30。為了控制過(guò)熱蒸汽的過(guò)熱程度，在過(guò)熱器管35產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽可以被過(guò)熱到超過(guò)所需要的程度，送入渦輪機(jī)30的蒸汽的過(guò)熱度于是在蒸汽混合和調(diào)節(jié)單元50中調(diào)節(jié)，該調(diào)節(jié)通過(guò)操作控制閥60，使來(lái)自汽包55的飽和蒸汽流入蒸汽混合和調(diào)節(jié)單元50，從而致使飽和蒸汽經(jīng)由導(dǎo)管61流入單元50來(lái)進(jìn)行。
圖4顯示了一個(gè)熱儲(chǔ)存和發(fā)電工廠428的一個(gè)實(shí)施方案。該工廠428包括一驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)432的蒸汽渦輪機(jī)430。通過(guò)導(dǎo)管434，過(guò)熱蒸汽被注入到蒸汽渦輪機(jī)430。過(guò)熱蒸汽在位于一排高純度石墨塊436.1、436.2、436.3、436.4、436.5、436.6、436.7、436.8、436.9、436.10、436.11、436.12、436.13、436.14、436.15、436.16、436.17、436.18、436.19內(nèi)的18組金屬管435.1、435.2、435.3、435.4、435.5、435.6、435.7、435.8、435.9、435.10、435.11、435.12、435.13、435.14、435.15、435.16、435.17、435.18內(nèi)產(chǎn)生，每一組金屬管435.1、435.2、435.3、435.4、435.5、435.6、435.7、435.8、435.9、435.10、435.11、435.12、435.13、435.14、435.15、435.16、435.17、435.18分別被鄰近的兩石墨塊夾在中間。
石墨塊436.1、436.2、436.3、436.4、436.5、436.6、436.7、436.8、436.9、436.10、436.11、436.12、436.13、436.14、436.15、436.16、436.17、436.18、436.19位于鋼殼438內(nèi)部并且被其封閉。
一絕熱系統(tǒng)439被設(shè)置在低碳鋼殼438和石墨塊436.1、436.2、436.3、436.4、436.5、436.6、436.7、436.8、436.9、436.10、436.11、436.12、436.13、436.14、436.15、436.16、436.17、436.18、436.19之間，該絕熱系統(tǒng)通常包括惰性氣體以防止該石墨塊的氧化。
電能通過(guò)一系列的19個(gè)電阻器418.1、418.2、418.3、418.4、418.5、418.6、418.7、418.8、418.9、418.10、418.11、418.12、418.13、418.14、418.15、418.16、418.17、418.18、418.19的電阻加熱轉(zhuǎn)化成熱能，如關(guān)于圖1和2所描述的，每一個(gè)電阻器嵌入在相應(yīng)的石墨塊436.1、436.2、436.3、436.4、436.5、436.6、436.7、436.8、436.9、436.10、436.11、436.12、436.13、436.14、436.15、436.16、436.17、436.18、436.19內(nèi)。
電能經(jīng)由一有效地連接至一變壓器414的低電壓饋電線439傳導(dǎo)到電阻器418.1、418.2、418.3、418.4、418.5、418.6、418.7、418.8、418.9、418.10、418.11、418.12、418.13、418.14、418.15、418.16、418.17、418.18、418.19，該變壓器441從供電網(wǎng)443供電。該變壓器441也可以由一風(fēng)車447驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)445供電。
發(fā)電機(jī)432產(chǎn)生的電力經(jīng)由一變壓器433被送入到電網(wǎng)(grid)443。鍋爐給水或冷凝物經(jīng)由一鍋爐給水導(dǎo)管449被供應(yīng)到金屬管435.1、435.2、435.3、435.4、435.5、435.6、435.7、435.8、435.9、435.10、435.11、435.12、435.13、435.14、435.15、435.16、435.17、435.18。該供應(yīng)量通過(guò)一控制閥451控制。蒸汽儲(chǔ)蓄器453可以提供用于啟動(dòng)的蒸汽。該蒸汽儲(chǔ)蓄器453經(jīng)由導(dǎo)管455和控制閥457有效地連接到鋼管435.1的蒸汽釋放端以及連接到例如像傳統(tǒng)的鍋爐等的獨(dú)立的蒸汽源或者其他設(shè)備428，使得當(dāng)設(shè)備428被啟動(dòng)時(shí)，蒸汽能夠從蒸汽儲(chǔ)蓄器453經(jīng)由控制閥459供應(yīng)到金屬管組435.1、435.2、435.3、435.4、435.5、435.6、435.7、435.8、435.9、435.10、435.11、435.12、435.13、435.14、435.15、435.16、435.17、435.18。
為了控制送入到渦輪機(jī)430的蒸汽的量，設(shè)置有一控制閥456。
在工作中，該發(fā)電和熱儲(chǔ)存工廠428如此工作使得在電力消耗的非高峰期，電能通過(guò)電阻器418.1、418.2、418.3、418.4、418.5、418.6、418.7、418.8、418.9、418.10、418.11、418.12、418.13、418.14、418.15、418.16、418.17、418.18、418.19轉(zhuǎn)化成熱。
在高峰時(shí)期，儲(chǔ)存在石墨塊436.1、436.2、436.3、436.4、436.5、436.6、436.7、436.8、436.9、436.10、436.11、436.12、436.13、436.14、436.15、436.16、436.17、436.18、436.19內(nèi)的熱被用于蒸發(fā)金屬管435.1、435.2、435.3、435.4、435.5、435.6、435.7、435.8、435.9、435.10、435.11、435.12、435.13、435.14、435.15、435.16、435.17、435.18內(nèi)的鍋爐給水和/或冷凝物而產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，該過(guò)熱蒸汽通過(guò)導(dǎo)管434、經(jīng)由控制閥456輸送。
在圖4所示的熱儲(chǔ)存和發(fā)電工廠的實(shí)施方案是基于直流蒸汽發(fā)生器(once through steam generator)(OTSG)設(shè)計(jì)的。發(fā)明人還設(shè)想本發(fā)明的原理能被應(yīng)用到如圖5所示出的汽包型的設(shè)計(jì)。
因此圖5示出了本發(fā)明的熱儲(chǔ)存和發(fā)電工廠528形式的另一實(shí)施方案。該工廠528包括一驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)532的蒸汽渦輪機(jī)。通過(guò)導(dǎo)管534，過(guò)熱蒸汽被送入到蒸汽渦輪機(jī)530。
過(guò)熱蒸汽在位于第一列的9個(gè)高純度石墨塊536.1、536.2、536.3、536.4、536.5、536.6、536.7、536.8、536.9內(nèi)的8組過(guò)熱器管535.1、535.2、535.3、535.4、535.5、535.6、535.7、535.8中產(chǎn)生，每一組過(guò)熱器管535.1、535.2、535.3、535.4、535.5、535.6、535.7、535.8分別被鄰近的兩石墨塊夾在中間。
石墨塊536.1、536.2、536.3、536.4、536.5、536.6、536.7、536.8、536.9位于低碳鋼殼538內(nèi)并且被其封閉。
一絕熱系統(tǒng)539.1被設(shè)置在低碳鋼殼538和石墨塊536.1、536.2、536.3、536.4、536.5、536.6、536.7、536.8、536.9之間，該絕熱系統(tǒng)包括真空或惰性氣體以防止該石墨塊的氧化。
從一汽包555經(jīng)由一控制閥558和蒸汽導(dǎo)管553和554向過(guò)熱器管535.1、535.2、535.3、535.4、535.5、535.6、535.7、535.8供給飽和蒸汽。汽包555從18組鍋爐管546.1、546.2、546.3、546.4、546.5、546.6、546.7、546.8、546.9、546.10、546.11、546.12、546.13、546.14、546.15、546.16、546.17、546.18被供給飽和蒸汽，這些鍋爐管位于第二列的19塊高純度石墨塊540.1、540.2、540.3、540.4、540.5、540.6、540.7、540.8、540.9、540.10、540.11、540.12、540.13、540.14、540.15、540.16、540.17、540.18、540.19之內(nèi)，同時(shí)每一組鍋爐管546.1、546.2、546.3、546.4、546.5、546.6、546.7、546.8、546.9、546.10、546.11、546.12、546.13、546.14、546.15、546.16、546.17、546.18分別被鄰近的兩石墨塊夾在中間。石墨塊540.1、540.2、540.3、540.4、540.5、540.6、540.7、540.8、540.9、540.10、540.11、540.12、540.13、540.14、540.15、540.16、540.17、540.18、540.19位于低碳鋼殼542內(nèi)并且被其封閉。
一絕熱系統(tǒng)539.2被設(shè)置在低碳鋼殼542和石墨塊540.1、540.2、540.3、540.4、540.5、540.6、540.7、540.8、540.9、540.10、540.11、540.12、540.13、540.14、540.15、540.16、540.17、540.18、540.19之間，該絕熱系統(tǒng)也包括真空或惰性氣體以防止該石墨塊的氧化。
在第一列的9塊高純度石墨塊536.1、536.2、536.3、536.4、536.5、536.6、536.7、536.8、536.9內(nèi)，電能通過(guò)一系列的9個(gè)電阻器518.1、518.2、518.3、518.4、518.5、518.6、518.7、518.8、518.9的電阻加熱轉(zhuǎn)化成熱能，如關(guān)于圖1和2所描述的，每一個(gè)電阻器嵌入在相應(yīng)的石墨塊536.1、536.2、536.3、536.4、536.5、536.6、536.7、536.8、536.9內(nèi)。
類似的，在第二列的19塊高純度石墨塊540.1、540.2、540.3、540.4、540.5、540.6、540.7、540.8、540.9、540.10、540.11、540.12、540.13、540.14、540.15、540.16、540.17、540.18、540.19內(nèi)，電能通過(guò)一系列的19個(gè)電阻器518.10、518.11、518.12、518.13、518.14、518.15、518.16、518.17、518.18、518.19、518.20、518.21、518.22、518.23、518.24、518.25、518.26、518.27、518.28的電阻加熱轉(zhuǎn)化成熱能，如關(guān)于圖1和2所描述的，每一個(gè)電阻器嵌入在相應(yīng)的石墨塊540.1、540.2、540.3、540.4、540.5、540.6、540.7、540.8、540.9、540.10、540.11、540.12、540.13、540.14、540.15、540.16、540.17、540.18、540.19內(nèi)。
電能經(jīng)由能夠有效地連接到變壓器541的低壓饋電線539傳導(dǎo)到518.1至518.28的電阻器，該變壓器541能夠從電網(wǎng)543供電。變壓器541也可以由一風(fēng)車547驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)545供電。發(fā)電機(jī)532產(chǎn)生的電力經(jīng)由一變壓器433被送入到電網(wǎng)(grid)543。鍋爐給水或冷凝物經(jīng)由一鍋爐給水導(dǎo)管549和水包580被供應(yīng)到鍋爐管546.1、546.2、546.3、546.4、546.5、546.6、546.7、546.8、546.9、546.10、546.11、546.12、546.13、546.14、546.15、546.16、546.17、546.18。供應(yīng)量由一控制閥551控制。
蒸汽儲(chǔ)蓄器553可以提供用于啟動(dòng)的蒸汽。該蒸汽儲(chǔ)蓄器553經(jīng)由導(dǎo)管559和控制閥557有效地連接到汽包555以及連接到例如像傳統(tǒng)的鍋爐等的獨(dú)立的蒸汽源或者其他設(shè)備528，使得當(dāng)設(shè)備528被啟動(dòng)時(shí)，蒸汽能夠從蒸汽儲(chǔ)蓄器553經(jīng)由控制閥562供應(yīng)到鍋爐管組546.1、546.2、546.3、546.4、546.5、546.6、546.7、546.8、546.9、546.10、546.11、546.12、546.13、546.14、546.15、546.16、546.17、546.18。
為了控制輸送到渦輪機(jī)530中的蒸汽的溫度、壓強(qiáng)和過(guò)熱程度，設(shè)置有一蒸汽混合/調(diào)節(jié)單元550，使得從過(guò)熱管535.1至535通過(guò)一導(dǎo)管552放出的過(guò)熱蒸汽在需要時(shí)可以與從汽包555通過(guò)飽和蒸汽導(dǎo)管554和另一導(dǎo)管561輸送的飽和蒸汽混合。
為了控制供應(yīng)到渦輪機(jī)30的蒸汽的工作條件，控制閥556和560被分別設(shè)置在過(guò)熱和飽和蒸汽導(dǎo)管內(nèi)。在工作中，發(fā)電和熱儲(chǔ)存工廠528如此工作使得，在電力消耗的非高峰期，當(dāng)電從電網(wǎng)543被輸送到電阻器518.1到518.28時(shí)，電力通過(guò)這些電阻被轉(zhuǎn)化成熱。熱被儲(chǔ)存在石墨塊536.1到536.9以及540.1到540.19中。
在高峰時(shí)期，儲(chǔ)存在石墨塊540.1到540.19中的熱被用于蒸發(fā)鍋爐管546.1到546.19中的鍋爐給水和/或冷凝物來(lái)產(chǎn)生飽和蒸汽，該飽和蒸汽被釋放到蒸汽鍋爐555內(nèi)。同時(shí)，儲(chǔ)存在石墨塊536.1到536.9中的熱被用于過(guò)熱在過(guò)熱管535.1到535.8內(nèi)的飽和蒸汽來(lái)產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，該過(guò)熱蒸汽經(jīng)由導(dǎo)管552、蒸汽混合和調(diào)節(jié)單元550和導(dǎo)管534輸送到渦輪機(jī)530。渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)532，該發(fā)電機(jī)532依次產(chǎn)生輸送進(jìn)入電網(wǎng)543的電力。
參照?qǐng)D6，顯示了根據(jù)本發(fā)明的一溫度補(bǔ)償熱儲(chǔ)存和重新獲取系統(tǒng)610的示意流程圖。系統(tǒng)610包括三對(duì)加熱塊段612.1、612.2，614.1、614.2和616.1、616.2。在每一對(duì)加熱塊段612.1、612.2，614.1、614.2和616.1、616.2之間，可以?shī)A緊固定一組熱交換器管618，620，622，以在塊對(duì)612.1、612.2，614.1、614.2，616.1、616.2的鄰近表面之間提供密切接觸。熱交換器管618、620、622中的每一組由并聯(lián)連接的三個(gè)管618.1、618.2、618.3，620.1、620.2、620.3和622.1、622.2、622.3組成。
供水導(dǎo)管624將鍋爐給水導(dǎo)向熱交換器管組618、620、622，同時(shí)過(guò)熱蒸汽輸出管或總管626將過(guò)熱蒸汽從該組熱交換器618、620、622輸送到其能夠被用于驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)或者類似裝置(未示出)的地方。一電力輸入饋電電纜628將電力傳導(dǎo)至網(wǎng)狀電纜630.1、630.2、630.3，該網(wǎng)狀電纜依次將電力傳導(dǎo)至設(shè)置在每一加熱塊段612.1、612.2，614.1、614.2，616.1、616.2內(nèi)的三對(duì)電阻器632、632.2等等(為了清晰起見(jiàn)，只有在加熱塊段612.1、612.2內(nèi)的電阻在圖中被編號(hào))。
在工作中，借助于每一加熱塊段612.1、612.2，614.1、614.2和616.1、616.2內(nèi)的電阻器632.1、632.2等等的電阻加熱，在非高峰期從電網(wǎng)獲得的電力，或者從例如像太陽(yáng)能、風(fēng)能、波能或潮汐能等可再生能源重新獲取的電力，可以被用于加熱加熱塊段612.1、612.2，614.1、614.2，616.1、616.2。當(dāng)需要從加熱塊段612.1、612.2，614.1、614.2，616.1和616.2中重新獲取熱能時(shí)，通過(guò)打開(kāi)控制閥634，鍋爐給水被引入到熱交換器618，使得鍋爐給水流過(guò)熱交換器618.1、618.2、618.3并且從儲(chǔ)存塊段612.1、612.2提取熱量。水被蒸發(fā)，并且其所形成的蒸汽在通過(guò)控制閥636被釋放進(jìn)過(guò)熱蒸汽導(dǎo)管或總管626之前，被過(guò)熱到所需要的溫度和壓強(qiáng)。
通過(guò)分別操作控制閥638、640，加熱塊段614.1、614.2和616.1、616.2的熱交換器組620和622可以從給水導(dǎo)管624供給給水?；蛘撸灰渌刂崎y646和648是打開(kāi)的，通過(guò)打開(kāi)其內(nèi)的控制閥644，允許加熱的鍋爐給水或飽和蒸汽從熱交換器618傳遞到熱交換器620，622的一個(gè)或者兩個(gè)，熱交換器620和622可以通過(guò)導(dǎo)管642被供給該加熱的鍋爐給水或飽和的蒸汽。其他控制閥646和648可替換地(并且優(yōu)選地)可以被控制，以確保當(dāng)飽和蒸汽流或加熱鍋爐給水的溫度相對(duì)于產(chǎn)生需要溫度和壓強(qiáng)的過(guò)熱蒸汽太低的時(shí)候，引導(dǎo)飽和蒸汽流或加熱鍋爐給水從熱交換器618通過(guò)熱交換器620到達(dá)熱交換器622以使其在通過(guò)控制閥650、652釋放進(jìn)入過(guò)熱蒸汽導(dǎo)管626之前被蒸發(fā)和過(guò)熱?？刂崎y654、656被設(shè)置為在從相應(yīng)的熱交換器產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽被釋放進(jìn)入過(guò)熱蒸汽總管626之前，分別引導(dǎo)飽和蒸汽和/或加熱的鍋爐給水從熱交換器620到達(dá)熱交換器622，或者從熱交換器622到達(dá)一系列熱交換器中的隨后的熱交換器(該系列的剩余部分[balance]未示出)。也可能將熱交換器618、620、622中的任意一個(gè)或多個(gè)與給水導(dǎo)管624和過(guò)熱蒸汽導(dǎo)管或總管626隔離，例如當(dāng)熱要被分別儲(chǔ)存在相應(yīng)的儲(chǔ)存塊段612.1、612.2，614.1、614.2，616.1、616.2時(shí)。
通過(guò)打開(kāi)分別供應(yīng)熱交換器620和622的控制閥658、660中的一個(gè)，每一組儲(chǔ)存塊段612.1、612.2，614.1、614.2，616.1、616.2可以獨(dú)立地從鍋爐給水導(dǎo)管624供給。
為了能夠有效地工作，蒸汽驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)通常需要輸送超過(guò)一定限度的溫度和壓強(qiáng)的蒸汽。在常規(guī)鍋爐和過(guò)熱器中產(chǎn)生的蒸汽能夠相對(duì)簡(jiǎn)單地被控制，這是因?yàn)樵谶@些鍋爐中的相對(duì)穩(wěn)定恒定的溫度和熱通量，因而，能量傳輸量速度和最后得到的蒸汽的溫度和壓強(qiáng)通常是相當(dāng)恒定的。在熱儲(chǔ)存塊612.1、612.2，614.1、614.2以及616.1、616.2中，熱的提取導(dǎo)致他們溫度的逐漸降低。能量傳輸速度是相關(guān)的熱儲(chǔ)存塊612.1、612.2，614.1、614.2，616.1、616.2和接收流體之間的溫差(ΔT)、以及所產(chǎn)生的能量傳遞所經(jīng)過(guò)的區(qū)域的函數(shù)。這一關(guān)系可以用以下方程式表示q＝f(A，ΔT)其中′q′＝能量傳輸速度，且
′A′＝熱交換器區(qū)域。
為了維持勻速的能量傳遞，以及由此所產(chǎn)生的蒸汽的相一致的工作狀態(tài)，并且由于ΔT的變化，需要能夠改變傳遞的區(qū)域(熱交換表面)。
在工作中，通過(guò)操作控制閥634、636、638、640、644、646、648、650、652、654、656、658、660，控制系統(tǒng)610，以使得從加熱塊段612.1、612.2，614.1、614.2以及616.1、616.2中順序取出熱。當(dāng)加熱塊段612.1、612.2的溫度降低到一溫度時(shí)，在該溫度下在加熱塊段612.1、612.2與熱交換器618中的蒸汽或水之間的溫差ΔT降低到所需求的溫度和壓強(qiáng)的過(guò)熱蒸汽不能再在熱交換器618中產(chǎn)生的點(diǎn)上，控制閥636被關(guān)閉而控制閥644打開(kāi)，允許蒸汽和/或加熱后的鍋爐給水經(jīng)過(guò)導(dǎo)管642流到熱交換器620，在經(jīng)過(guò)控制閥650被釋放進(jìn)入過(guò)熱蒸汽總管626之前，該蒸汽和/或加熱后的鍋爐給水在該交換器6209內(nèi)被蒸發(fā)或進(jìn)一步蒸發(fā)和過(guò)熱。最初，沒(méi)有鍋爐給水經(jīng)過(guò)控制閥638從鍋爐給水導(dǎo)管624進(jìn)入到熱交換器620。一旦仍然能夠從加熱塊段612.1、612.2中提取的熱的量降低到通過(guò)熱交換器618循環(huán)鍋爐給水不再經(jīng)濟(jì)時(shí)，控制閥638優(yōu)選地只在打開(kāi)狀態(tài)。在此時(shí)，控制閥634是關(guān)閉的，而控制閥638是打開(kāi)的。于是控制閥640仍然是關(guān)閉的，不過(guò)，與控制閥638同理，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，當(dāng)從儲(chǔ)存塊段614.1、614.2提取熱量從經(jīng)濟(jì)上或從技術(shù)上不再可行時(shí)，它可以被打開(kāi)。
如上面所描述的用于加熱塊對(duì)612.1、612.2的相同過(guò)程針對(duì)加熱塊對(duì)614.1、614.2和616.1、616.2重復(fù)。
控制閥的操作可以是自動(dòng)的，并且可以由一可編程的裝置(未示出)控制，來(lái)確?？刂崎y的打開(kāi)和關(guān)閉響應(yīng)于總管中所要求的輸送到渦輪機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)的蒸汽的預(yù)設(shè)的溫度和壓強(qiáng)條件。
所使用的熱交換管優(yōu)選地選擇為經(jīng)得起系統(tǒng)的溫度和壓強(qiáng)所產(chǎn)生的應(yīng)力，從而遵守適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。滿足最高達(dá)850℃要求的合金包括合金600、合金800H和556合金。
通過(guò)使用飽和水(給定壓強(qiáng)下在剛好低于其變成蒸汽的溫度下的水)來(lái)控制熱沖擊以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)，優(yōu)選的在大約300℃和一定壓強(qiáng)下。飽和水的流量逐漸升高一直到達(dá)到需要的流量，從而控制在管中的溫度降低速度和隨之產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
本發(fā)明的熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)用于大范圍內(nèi)的輸出容量(從像5kW小的發(fā)電機(jī)輸出到數(shù)百M(fèi)W的輸出)并且以規(guī)模模塊{sizemodules}構(gòu)造，該大規(guī)模模塊并且在需要時(shí)可以將電力儲(chǔ)存幾周或者更長(zhǎng)的時(shí)間。
該系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)用來(lái)通過(guò)當(dāng)可再生能源可利用時(shí)重新獲取和儲(chǔ)存能量以及在其不可利用或可用性降低的期間將能量從儲(chǔ)存中釋放，來(lái)覆蓋這些可再生能源(例如風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、潮汐能和波能等)在間歇可用之間的空隙。
關(guān)于圖2所描述的可拆卸插件可以可選地被設(shè)置在圖4、5、6的石墨塊之間。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和方法的應(yīng)用范圍包括但不限于●儲(chǔ)存非高峰期可用的過(guò)剩能量用于高峰期時(shí)放出，從而更好地利用現(xiàn)有發(fā)電資源。
●根據(jù)在高峰期的可用性重新定位現(xiàn)有的發(fā)電能力到負(fù)載中心，從而避免昂貴的從網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到輸配電系統(tǒng)的需求。
●在分配系統(tǒng)中提供發(fā)電能力(分布式發(fā)電)，作為一個(gè)在分配系統(tǒng)中由于單線路供電而遭受停電的地方的安全措施。
●將可再生能源整合到網(wǎng)絡(luò)中，來(lái)克服例如風(fēng)之類的能源的不規(guī)則性。
●用可靠的可再生能源電力供應(yīng)取代依靠化石燃料運(yùn)行的高成本和污染的無(wú)電網(wǎng)(off-grid)或“孤立的”電網(wǎng)系統(tǒng)。
參照?qǐng)D7，顯示了在從300℃到2400℃的存儲(chǔ)溫度能夠被儲(chǔ)存在石墨中的能量(以“兆瓦小時(shí)”表示)。圖7中的曲線是包含在表1中的數(shù)據(jù)的圖解表示。下部的曲線顯示了每噸石墨儲(chǔ)存的能量，而上部的曲線表示每立方米的石墨儲(chǔ)存的能量。參照?qǐng)D8，顯示了根據(jù)本發(fā)明的熱儲(chǔ)存設(shè)備800的另一實(shí)施方案。該設(shè)備800包括一立方體狀的由一中溫層804環(huán)繞的高溫堆芯802，該中溫層804又依次由一低溫層806環(huán)繞。
該高溫堆芯802、該中溫層804和該低溫層806都由高純度石墨制成并且被完全封閉在外殼808內(nèi)。
高溫絕熱材料810將高溫堆芯802與中溫層804隔離，而中溫絕熱材料812將中溫層804與低溫層806隔離。另一絕熱層814設(shè)置在低溫層806和外殼808之間。
一電導(dǎo)體816將電力導(dǎo)入到一列49個(gè)電阻器818中，該電阻器818被嵌入在高溫堆芯802內(nèi)。如圖8中所示，電阻器818以7排每排7個(gè)的方式排列。
四組熱交換器管820、822、824和826被設(shè)置在低溫層806內(nèi)，在中溫層804的四邊的每一邊上各有一個(gè)。另四組熱交換器管828、830、832和834被設(shè)置在中溫層內(nèi)，在高溫堆芯802的每一邊上各有一個(gè)。
如圖8中所示，熱交換器管820、822、824和826和828、830、832和834分別以串聯(lián)方式互相連接。然而，在本發(fā)明的替代實(shí)施方案中，它們可以被連接到分離的蒸汽或熱水循環(huán)中，或者是在其它替代實(shí)施方案中，它們中的兩個(gè)或者更多可以以并聯(lián)方式被連接到相同的蒸汽或熱水回路，或者可以被設(shè)計(jì)或操作為將鍋爐給水傳輸?shù)奖桓魇珜雍推渲械恼羝蜻^(guò)熱蒸汽加熱的管中。
在使用中，非高峰電力或者從例如像風(fēng)力田、太陽(yáng)能收集器等可變的能源產(chǎn)生的電力，可以通過(guò)電導(dǎo)體816被傳導(dǎo)到熱儲(chǔ)存設(shè)備800，并借助于電阻器818轉(zhuǎn)化為熱能。
當(dāng)需要時(shí)，通過(guò)使水或者蒸汽穿過(guò)一組或者多組熱交換器管，可以從中溫層804或者低溫層806中提取熱能。
當(dāng)從低溫層806或者中溫層804提取熱時(shí)，它們的溫度根據(jù)圖7中所示的曲線降低。當(dāng)中溫層804的溫度降低到高溫堆芯802的溫度以下時(shí)，中溫層804和高溫堆芯802之間的溫差會(huì)導(dǎo)致熱從高溫堆芯802穿過(guò)高溫絕熱材料810傳導(dǎo)到中溫層804。類似的，當(dāng)?shù)蜏貙?06的溫度降低到中溫層804的溫度以下時(shí)，熱穿過(guò)中溫絕熱材料812被傳導(dǎo)到低溫層806。
由于熱儲(chǔ)存設(shè)備800的分層結(jié)構(gòu)以及由于在高溫堆芯802和中溫層804之間以及在中溫層804和低溫層806之間的絕熱材料，使用用于制造熱交換器管組的材料也是可能的，該材料不必要能夠承受高溫堆芯802的高工作溫度。這樣，可以使用比之前的方案中更低成本的材料。然而，控制熱儲(chǔ)存設(shè)備以使熱交換器管的工作溫度不超過(guò)制造者所實(shí)行的安全工作極限的方式工作，變得重要。
此外，通過(guò)將高溫堆芯802排列為中心設(shè)置，同時(shí)石墨層將高溫堆芯802圍繞，使得具有最低工作溫度的層最接近外面，從該設(shè)備穿過(guò)另一絕熱材料814的熱損耗可以最小化。
權(quán)利要求書(shū)(按照條約第19條的修改)1.一種高溫下在石墨體內(nèi)儲(chǔ)存熱能和從其中重新獲取熱能的方法，該方法包括當(dāng)需要儲(chǔ)存熱能時(shí)加熱石墨體的內(nèi)部區(qū)域的步驟以及當(dāng)需要被重新獲取時(shí)重新獲取該被儲(chǔ)存的熱能的步驟，其中該加熱步驟包括使一電流經(jīng)過(guò)設(shè)置在石墨體內(nèi)部區(qū)域的電阻以使其溫度上升，其中該電阻器與該石墨體電隔離。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該方法包括將石墨體與其環(huán)境熱隔離的步驟。
3.一種用于高溫下在石墨體內(nèi)儲(chǔ)存熱能和從其中重新獲取熱能的設(shè)備，該設(shè)備包括用于加熱該石墨體的內(nèi)部區(qū)域的電阻器和用于當(dāng)需要重新獲取能源時(shí)從該石墨體重新獲取所儲(chǔ)存的熱能的裝置，其中該電阻器與該石墨體電隔離。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括一連接到電源的電路，所述電源選自從可再生能源重新獲取的電力和非高峰期的電力。
5.如權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，還包括一外殼，該外殼適于在非氧化氣體的氣氛中或在真空中容納石墨體。
6.如權(quán)利要求3至5中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，具有用于在石墨體內(nèi)設(shè)置電阻器的穿孔或插孔。
7.一種儲(chǔ)存熱能并從這些儲(chǔ)存的熱能產(chǎn)生電力的方法，包括如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的儲(chǔ)存熱能的步驟，和將所述重新獲取的熱能轉(zhuǎn)化成電力的步驟。
8.一種熱儲(chǔ)存和發(fā)電工廠，包括如權(quán)利要求3至6中的任一項(xiàng)所述的用于儲(chǔ)存熱能的設(shè)備和將所述重新獲取的熱能轉(zhuǎn)化成電力的裝置。
9.一種溫度補(bǔ)償熱儲(chǔ)存和重新獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-適于在高溫下儲(chǔ)存熱能的第一石墨體；-與該第一石墨體有熱交換關(guān)系的用于從其中重新獲取熱能的第一熱交換器；-有效地連接到該第一熱交換器的第一工作流體回路，該第一工作流體回路用于將工作流體從其源頭經(jīng)由第一熱交換器傳導(dǎo)到一能夠使用該工作流體的一部分熱能的裝置；-適于在高溫下儲(chǔ)存熱能的第二石墨體；-與該第二石墨體有熱交換關(guān)系的第二熱交換器，從而第一和第二熱交換器的復(fù)合熱交換區(qū)可以被增加以補(bǔ)償在第一和第二石墨體內(nèi)的溫度降低；-有效地連接到該第二熱交換器的第二工作流體回路，該回路用于將工作流體從其源頭經(jīng)由第二熱交換器傳導(dǎo)到一能夠使用該工作流體的一部分熱能的裝置，該第二工作流體回路包括一適于被打開(kāi)和關(guān)閉的控制閥；和-一控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)適于通過(guò)使工作流體或者更大量的工作流體經(jīng)由第二工作回路被注入到第二熱交換器，來(lái)補(bǔ)償從第一石墨體重新獲取的熱由于其溫度降低所致的損失，該第二工作流體回路利用增加的復(fù)合熱交換區(qū)進(jìn)行熱傳遞。
10.一種當(dāng)從儲(chǔ)熱介質(zhì)中重新獲取熱時(shí)用于補(bǔ)償儲(chǔ)熱介質(zhì)的溫度降低的方法，該方法包括-高溫下在第一石墨體內(nèi)儲(chǔ)存熱；-通過(guò)在與第一石墨體有熱交換關(guān)系的第一熱交換器內(nèi)加熱工作流體，從第一石墨體重新獲取熱量；-在第一工作流體回路內(nèi)將工作流體傳導(dǎo)到能夠利用該工作流體的一部分熱能的裝置；-在高溫下在第二石墨體內(nèi)儲(chǔ)存熱；-通過(guò)在與第二石墨體有熱交換關(guān)系的第二熱交換器內(nèi)加熱工作流體，從第二石墨體重新獲取熱量；-在第二工作流體回路內(nèi)將工作流體傳導(dǎo)到能夠利用這些工作流體的一部分熱能的裝置；和-通過(guò)使工作流體或者更大量的工作流體在第二熱交換器內(nèi)加熱來(lái)補(bǔ)償從第一石墨體重新獲取的熱能由于其溫度降低所致的損失，由此第一和第二熱交換器的復(fù)合熱交換表面區(qū)域被用于補(bǔ)償?shù)谝缓偷诙w的溫度降低，從而保持向工作流體的恒定熱能傳遞量。
11.如權(quán)利要求3至6或9中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備或系統(tǒng)，其特征在于，包括第一石墨體和至少一附加石墨體，其中該第一石墨體與該附加石墨體或附加的每一石墨體絕熱。
12.如權(quán)利要求3至6中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，該石墨體被分成一中心高溫堆芯和圍繞該中心高溫堆芯的至少一個(gè)層。
13.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，該第一石墨體是一中心高溫堆芯，該第二石墨體是圍繞該石墨堆芯的一層石墨。
14.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，包括在該堆芯和圍繞堆芯的該層或每一層之間的絕熱材料。
15.如權(quán)利要求3至6或11至14中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備或系統(tǒng)，其特征在于，該電阻器通過(guò)一對(duì)電觸頭連接到電源上，并且其中該對(duì)電觸頭由相同的材料制成。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該石墨體被細(xì)分成多個(gè)部分或子部分。
17.一種高溫下在多個(gè)石墨體內(nèi)儲(chǔ)存熱能并從其中重新獲取熱能的方法，該方法包括在需要儲(chǔ)存熱能時(shí)加熱石墨體組件的內(nèi)部區(qū)域的步驟和當(dāng)需要重新獲取時(shí)從其中重新獲取熱能的步驟，其中，該熱能借助于一電阻器被儲(chǔ)存在至少一個(gè)石墨體的內(nèi)部區(qū)域，該電阻器借助于電流的通過(guò)而被加熱，并且該電阻器與所述石墨體電隔離。
18.如權(quán)利要求3至6、8、9或11至15中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備、工廠或系統(tǒng)，其特征在于，該電阻器借助于一容納該電阻器的陶瓷管與該石墨體電隔離。
19.如權(quán)利要求3至6、12、14、16或18中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備、工廠或系統(tǒng)，其特征在于，用于從石墨體中重新獲取所儲(chǔ)存的熱能的裝置包括一用于蒸發(fā)水以產(chǎn)生蒸汽的熱交換器、一由蒸汽驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)以及一由渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。
20.如權(quán)利要求9、11、15或18中的任一項(xiàng)所述的溫度補(bǔ)償熱儲(chǔ)存和重新獲取系統(tǒng)，其特征在于該工作流體是水，所述水在使用中被蒸發(fā)以產(chǎn)生蒸汽，并且該系統(tǒng)還包括一由蒸汽驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)和一由渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。
21.如權(quán)利要求9、19或20中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備、工廠或系統(tǒng)，其特征在于，該熱交換器或每一個(gè)熱交換器包括一組熱交換器管，該石墨體或每一個(gè)石墨體被分成一對(duì)片段并且其中所述熱交換器管組在該片段對(duì)之間被夾緊固定以在該片段對(duì)的鄰近表面之間提供緊密接觸。
22.一種熱儲(chǔ)存和發(fā)電工廠，該工廠包括-一用于高溫下在石墨體內(nèi)儲(chǔ)存熱能并從其中重新獲取熱能的設(shè)備，該設(shè)備包括一用于加熱該石墨體的內(nèi)部區(qū)域的電阻器；和-用于當(dāng)需要重新獲取時(shí)從該石墨體中重新獲取所儲(chǔ)存的熱能的裝置，其中該用于從石墨體中重新獲取所儲(chǔ)存的熱能的裝置包括一用于蒸發(fā)水以產(chǎn)生蒸汽的熱交換器、一由蒸汽驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)以及一由渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。
23.一種熱儲(chǔ)存和重新獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-一用于高溫下儲(chǔ)存熱能的石墨體，其中該石墨體被分成至少一對(duì)片段，該對(duì)片段共同限定了一個(gè)在它們之間的空腔，每一個(gè)片段被設(shè)置有一用于加熱其內(nèi)部區(qū)域的電阻器；和-一用于當(dāng)需要重新獲取時(shí)從石墨體中重新獲取所儲(chǔ)存的熱能的熱交換器，該熱交換器被容納在該對(duì)片段之間的空腔內(nèi)并且包括在工作時(shí)與該空腔的內(nèi)表面緊密接觸的管。
24.如權(quán)利要求23所述的熱儲(chǔ)存和重新獲取系統(tǒng)，其特征在于，該電阻器是與該石墨體電隔離的。
25.如權(quán)利要求23所述的熱儲(chǔ)存和重新獲取系統(tǒng)，其特征在于，該熱交換器在片段之間被夾緊固定。
權(quán)利要求
1.一種高溫下在石墨體內(nèi)儲(chǔ)存熱能并從其中重新獲取熱能的方法，該方法包括當(dāng)需要儲(chǔ)存熱能的時(shí)候加熱石墨體的內(nèi)部區(qū)域和在需要時(shí)重新獲取熱能的步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述加熱步驟包括使一電流經(jīng)過(guò)布置在石墨內(nèi)部區(qū)域的電阻器，以使其溫度升高。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括將石墨材料體絕熱的步驟。
4.一種用于高溫下在石墨材料體內(nèi)儲(chǔ)存熱能并從其中重新獲取熱的設(shè)備，該設(shè)備包括在需要時(shí)用于加熱石墨材料體內(nèi)部區(qū)域的裝置和用于重新獲取所儲(chǔ)存的能量的裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述使一電流經(jīng)過(guò)電阻器的裝置包括一連接到電力源的電路，該電力源選自可再生能源和非高峰期電力。
6.如權(quán)利要求4或權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，還包括一外殼，該外殼適于在非氧化氣體的氣氛中或在真空中容納石墨材料。
7.如權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，包括一用于在石墨體內(nèi)嵌入電阻器的穿孔或插孔。
8.一種儲(chǔ)存熱并從這些儲(chǔ)存的熱中產(chǎn)生電力的方法，該方法包括如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的儲(chǔ)存熱能的步驟，以及將所述重新獲取的熱能轉(zhuǎn)化成電能的步驟。
9.一種熱儲(chǔ)存和發(fā)電工廠，該工廠包括如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的用于儲(chǔ)存熱能的設(shè)備和用于將所述重新獲取的熱能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。
10.一種溫度補(bǔ)償熱儲(chǔ)存和重新獲取系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-適于在高溫下儲(chǔ)存熱能的第一固體石墨材料體；-與該第一固體石墨材料體有熱交換關(guān)系的用于從其中重新獲取熱能的第一熱交換器；-有效地連接到該第一熱交換器的第一工作流體回路，該回路用于將工作流體從其源頭經(jīng)由第一熱交換器傳導(dǎo)到一能夠使用該工作流體的一部分熱能的裝置；-適于在高溫下儲(chǔ)存熱能的第二固體石墨材料體；-與該第二固體石墨材料體有熱交換關(guān)系的第二熱交換器，從而第一和第二熱交換器的復(fù)合熱交換區(qū)可以被升高以補(bǔ)償在第一和第二石墨體內(nèi)的溫度降低；-有效地連接到該第二熱交換器的第二工作流體回路，該回路用于將工作流體從其源頭經(jīng)由第二熱交換器傳導(dǎo)到一能夠使用該工作流體的一部分熱能的裝置，該第二工作流體回路包括一適于被打開(kāi)和關(guān)閉的控制閥；和-一控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)適于通過(guò)使工作流體或者更大量的工作流體經(jīng)由第二工作流體回路被注入到第二熱交換器，來(lái)補(bǔ)償從第一固體石墨材料體重新獲取的熱由于其溫度降低所致的損失，該第二工作流體回路利用增大的復(fù)合熱交換區(qū)進(jìn)行熱傳遞。
11.一種用于當(dāng)從儲(chǔ)熱介質(zhì)中重新獲取熱時(shí)補(bǔ)償儲(chǔ)熱介質(zhì)的溫度降低的方法，該方法包括-高溫下在第一固體石墨材料體內(nèi)儲(chǔ)存熱；-通過(guò)在與第一固體石墨材料體有熱交換關(guān)系的第一熱交換器內(nèi)加熱第一工作流體，從第一固體石墨材料體中重新獲取熱量；-在第一工作流體回路內(nèi)將第一工作流體傳導(dǎo)到能夠利用該工作流體的一部分熱能的裝置；-在高溫下在第二固體石墨材料內(nèi)儲(chǔ)存熱；-通過(guò)在與第二固體石墨材料體有熱交換關(guān)系的第二熱交換器內(nèi)加熱第一工作流體，從第二固體石墨材料體中重新獲取熱量；-在第二工作流體回路內(nèi)將第二工作流體傳導(dǎo)到能夠利用這些工作流體的一部分熱能的裝置；和-通過(guò)使工作流體或者更大量的工作流體在第二熱交換器內(nèi)加熱來(lái)補(bǔ)償從第一固體石墨材料體重新獲取的熱由于其溫度降低所致的損失，提供了一種改變?cè)摕峤粨Q器系統(tǒng)表面面積來(lái)補(bǔ)償降低的溫度并從而保持向工作流體的恒定熱傳遞的方式。
12.一種用于如權(quán)利要求4至7中任一項(xiàng)所述的儲(chǔ)存熱的設(shè)備，該設(shè)備包括一第一石墨塊和至少一附加石墨塊，其中該第一塊石墨與該附加石墨塊或附加的每一石墨塊絕熱。
13.如權(quán)利要求1或12所述的設(shè)備，其特征在于，包括一中心高溫堆芯和至少一圍繞該中心高溫堆芯的層。
14.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，包括在該堆芯和圍繞該堆芯的該層或每一層之間的絕熱材料。
15.如權(quán)利要求4至7或12至14中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，該電阻器通過(guò)一對(duì)電觸頭連接到電源上，該對(duì)電觸頭由從金屬或石墨中選擇的相同材料制成，并且該電觸頭不與任何其他金屬體物理接觸。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該石墨體被細(xì)分成多個(gè)部分或者子部分。
17.一種在高溫下在多個(gè)石墨體內(nèi)儲(chǔ)存熱能并從其中重新獲取熱能的方法，該方法包括當(dāng)需要儲(chǔ)存熱能時(shí)加熱一石墨體組件的內(nèi)部區(qū)域的步驟以及當(dāng)需要時(shí)從其中重新獲取熱能的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于在高溫下在石墨體內(nèi)儲(chǔ)存熱能的方法和設(shè)備。該方法包括當(dāng)需要儲(chǔ)存熱能時(shí)加熱一石墨體的內(nèi)部區(qū)域和當(dāng)需要使用能量時(shí)通過(guò)熱交換器重新獲取該熱。該設(shè)備適于儲(chǔ)存可再生能源和從非高峰期間的供應(yīng)中獲得的電能。
文檔編號(hào)C09K5/00GK101023314SQ200580015338
公開(kāi)日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者R·H·金特爾, H·K·達(dá)特, S·J·哈默, S·霍利斯 申請(qǐng)人:拉科登集團(tuán)有限公司