專利名稱：用于利用電流儲存熱能的設(shè)備組和過程的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于利用電流儲存熱能的設(shè)備組和過程背景技術(shù)在世界上能量儲備有限；其開采成本變得越來越高。特別是，被預(yù)言為在本世紀(jì)中期石油儲量將嚴(yán)重不足的問題將引起嚴(yán)重的問題和能源短缺；事實上，目前尚未解決使用在大部分上被燒掉的石油衍生物作為替代的問題。同時，由于化石燃料被燒掉，送入環(huán)境中的污染物引起嚴(yán)重的環(huán)境污染并且增加了大氣中的二氧化碳含量，因此加重了具有其嚴(yán)重后果的“溫室”效應(yīng)。發(fā)送到大氣中的二氧化硫?qū)е聦ι锶Ξa(chǎn)生顯著破壞的酸雨。
為了解決就目前并且在更大的程度上人類的未來而言變得越來越嚴(yán)重的這些問題，可替代可再生能源包括風(fēng)能的不斷普及的利用提供了非常有意義的、安全的和可靠的方案。
風(fēng)力發(fā)電站、風(fēng)力蒸汽機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、風(fēng)力發(fā)動機(jī)、風(fēng)車葉片(下面一起稱作利用風(fēng)能的設(shè)施)得以廣泛使用并且其在發(fā)電中的份額呈現(xiàn)出增加的趨勢。起初，這些設(shè)施主要用在沿海區(qū)域中，這是因為，由于在不同時間地面和海面溫度升高而產(chǎn)生的頻繁氣流提供了有利的條件。在另一方面，越來越多的利用風(fēng)能的設(shè)施被安裝在具有風(fēng)力條件的山區(qū)中，這在環(huán)境保護(hù)方面不受質(zhì)疑。
由于(歐盟)的不斷支持、設(shè)備現(xiàn)代化以及降低的投資費用，風(fēng)能利用設(shè)施變得更加適宜應(yīng)用，由承包集團(tuán)和個人所安裝的風(fēng)能利用設(shè)施的數(shù)目都在一年一年地增加。
風(fēng)能利用設(shè)施的操作是間歇性的，除了在特殊的沿海區(qū)域，因此，目前這種間歇性的操作成為最大的缺點。由于這種間歇性的操作，向某些居住區(qū)、居住區(qū)群落、私人和農(nóng)業(yè)工程提供連續(xù)電力供應(yīng)是不可能的。另一個缺點在于，對夜間發(fā)電量的需求很少。因此，連續(xù)電力供應(yīng)以及夜間發(fā)電電能的儲存將能夠在很大的程度上提高風(fēng)能利用設(shè)施的經(jīng)濟(jì)效率。
同時，使用夜間發(fā)電電能的熱量儲存使得有可能在每日的高峰負(fù)荷時間產(chǎn)生額外的電能，因此提高電站的經(jīng)濟(jì)效率；此外，熱量儲存能夠提供一種方案，以用于彌補由于電站的局部故障和操作問題而不能提供的電能。
基于上述考慮，即在理論上電能可被無損失地轉(zhuǎn)化成熱能，該方案包括了本發(fā)明的目的，即風(fēng)能利用設(shè)施和其它電站的能量儲存可以利用熱量儲存而實施，所述熱量存儲利用使用晶體材料(共晶體)的相變進(jìn)行，該晶體材料具有高的熱量儲存能力和持久可逆性從而能夠確保具有高能量密度的能量儲存。
以熱量儲存形式實施的這種高效經(jīng)濟(jì)的能量儲存方案可在多個方面提供極大的優(yōu)點，特別在電站的風(fēng)能利用和熱量儲存領(lǐng)域。正是可替代的可再生能源并且特別是風(fēng)能將在能源方面做出貢獻(xiàn)，其即便在當(dāng)前也在很大程度上滿足了今天不斷增長的能量需求，并且在另一方面，不僅為將來提供了巨大的可能性而且在本世紀(jì)中的能量利用方面占據(jù)了主要的份額；事實上，這種類型的設(shè)施在更寬范圍中的普及使得石油衍生物得以被替代。其意義在于可以用數(shù)十億年衡量的免費能源的時間量程方面、可以在高的溫度范圍中實施熱量儲存的優(yōu)點，并且因此它們的更加多樣性的利用及其以環(huán)保方式進(jìn)行使用的可能性。
在能量利用方面，在各種溫度范圍中提供的供熱服務(wù)占據(jù)非常重要的位置。高效經(jīng)濟(jì)的熱量儲存能夠提供目前尚未使用的巨大可能性以用于在多個領(lǐng)域中替代傳統(tǒng)的能量載體，即用于家庭、公共設(shè)施、寫字樓、工業(yè)處理設(shè)施、畜牧場、畜欄、溫室等的采暖和熱水供應(yīng)，用于需要熱能的工業(yè)過程、農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)中的干燥過程、食品工業(yè)的熱處理過程和其它需要熱能的處理作業(yè)的熱量供給。所有這些可能性的利用對于在寬廣范圍內(nèi)風(fēng)能利用的普及并且對于提高電站效率而言展現(xiàn)出嶄新的前景。
可移動形式的熱量儲存設(shè)備使得向需要高的供熱能力的工業(yè)、處理和公共工程進(jìn)行連續(xù)供熱的問題能夠以如此方式解決，即，將具有高的熱量儲存能力的可移動、可運輸?shù)幕蜃酝七M(jìn)的熱量儲存箱車連接到風(fēng)能利用設(shè)備或電站的電連接點或其它熱傳遞連接點，并且在快速補給之后，該車輛將所儲存的熱能通過快速排放直接釋放到使用設(shè)備或已安裝的熱量儲存設(shè)備。連接到傳統(tǒng)加熱系統(tǒng)和供熱器的這些可移動熱量儲存單元還可高效地用于輸送熱能以便縮短在熱發(fā)生設(shè)施和使用者之間的距離。
目前，已知不同形式的熱量儲存過程。關(guān)于儲存系統(tǒng)的類型，具有用于儲存顯熱和潛熱的設(shè)備。對于顯熱儲存，最適當(dāng)?shù)氖枪腆w材料。被加熱和冷卻的固體材料在無相變的情況下儲存熱量。顯熵決定其儲存能力。在這種熱量儲存方法中，可以區(qū)分出兩個不同的過程在其中一個中，從熱量儲存箱例如在礫石床系統(tǒng)的情形中輸送熱量的是固體材料本身；而在其它過程中，固體材料保留在熱量儲存箱中并且利用某種液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)輸送熱量。
如果儲存介質(zhì)為固體并且使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，則能夠非常容易地實現(xiàn)“溫躍層”效果在薄壁圓筒中，熱輸送介質(zhì)軸向流動并且其特征在于具有短的熱輸送距離，大的熱傳遞表面但是沿著軸向的低的熱傳導(dǎo)率。沿著熱量儲存容器的高度，在補給和排放期間的熱分布以三種不同的方式發(fā)展在第一種情形中，與流動例如Cowper系統(tǒng)相比，熱傳遞表面和熱傳遞系數(shù)較低；在第二種情形中該關(guān)系倒轉(zhuǎn)，例如在礫石床的情形中。在兩種情形中，發(fā)生軸向熱傳遞，這使得溫度圖表更加平坦。在第三種情形中，形成暫時性的溫度范圍，該范圍在補給和排放期間上下漂移，類似于在位移型清潔液容器中的混合范圍，其優(yōu)點在于，出口溫度基本上直至排放終點是實際上恒定的。然而其缺點在于熱傳遞液體應(yīng)該流經(jīng)整個系統(tǒng)，其中沿其路徑壓力下降，而熱傳遞僅僅在較窄的暫時性區(qū)域中發(fā)生。
通常，固態(tài)儲存介質(zhì)具有高的體積比熱儲存能力和寬范圍的溫度變化；然而，在大多數(shù)情形中，這并沒有被充分利用。在金屬中，具有最高熱量儲存能力的是鑄鐵，其缺點在于其具有高的單位體積質(zhì)量。在熱量儲存能力方面，氧化鋁(Al2O3)和氧化鎂(MgO)具有高的熱量儲存能力，然而，它們是貴重的熱量儲存材料。
利用潛熱的熱量儲存涉及儲存介質(zhì)在恒溫時而非溫度變化的相變。最高潛熱涉及從液相轉(zhuǎn)變成氣相。然而，其缺點在于蒸汽相的體積熱量儲存能力相當(dāng)?shù)?；因此，使用潛熱的這種類型的熱量儲存未被使用。在大多數(shù)情形中，潛熱儲存意味著儲存熔化熱，其僅涉及小的體積變化?；谙嘧兊臒崃績Υ娴膬?yōu)點在于，除了潛熱，液相和固相的顯熱也可被使用。潛熱儲存裝置(容器)在于恒溫下具有恒定質(zhì)量的系統(tǒng)。其重要特征在于，儲存能力隨著溫度增加。使用兩種組分特別是共熔的或更多種組分，熔點可被降低，而不會顯著降低相變的熵。
在儲存介質(zhì)方面，可以分為純凈材料、二組分和三組分系統(tǒng)。
低于純凈材料，氟化鋰(LiF)具有最高的熔化熱，而氫氧化鋰(LiOH)大致相同，在多種處理方面，具有非常適宜的熔點。這些材料僅有的缺點在于當(dāng)以其純凈形式使用時它們是高成本的；因此，通過與其它具有良好熱量儲存能力的材料相混合以形成共熔物可以降低這些缺點。
使用二組分系統(tǒng)由于下述事實而變得非常適宜，即它們的熔點位于更加適宜的低溫范圍中，它們使得即使在低熔點下也能夠獲得高的能量密度，并且，此外，具有高的熱量儲存能力的昂貴材料可與較為便宜的材料相混合從而保持大致相同的熱量儲存能力。在該二組分系統(tǒng)中，可以分成共熔和和非共熔混合物。由于其有利性能，最方便的是共熔混合物。
三組分系統(tǒng)的熱特性類似于二組分系統(tǒng)的那些特性；然而，其熔點和價格較低；因此，它們非常適宜用于具有高效率的經(jīng)濟(jì)的熱量儲存。
還應(yīng)提及在壓力下的氣體儲存以及其它熱量儲存系統(tǒng)例如吸附熱量儲存和熱化學(xué)熱量儲存。
在壓力下的氣體儲存包括用于操作燃?xì)鉁u輪峰值負(fù)荷電站的超過至100000m3的壓力空氣地下系統(tǒng)。在該加壓儲存系統(tǒng)中，如果排放量較低并且發(fā)生與周邊環(huán)境的熱交換或者使用獨立的潛熱儲存系統(tǒng)，則能夠大致地實現(xiàn)等溫排放。如果可以獲得進(jìn)一步的熱量儲存能力例如潛熱儲存則可以改進(jìn)熱量儲存。在此情形，在排放量期間，溫度下降被抑制并且沒有引起不必要的熱應(yīng)力。能量密度隨著儲存壓力增加至高于線性的程度；因此，在加壓空氣下，高壓(高于50巴)被推薦用于儲存。所有這些情形均妨礙了這種系統(tǒng)的顯著推廣。
具有四種基本方案用于吸附儲存。在第一方案中，熱量被添加到吸附劑，并且被解吸附的材料被引入在恒定或浮動壓力下操作的氣體存儲器中。儲存能力隨著氣體冷卻而增加。該系統(tǒng)的缺點在于其低的能量密度。在另一方案中，如果氣體在環(huán)境溫度或其附近被冷凝，則其需要較低的體積。冷凝熱被釋放到大氣中。在排放期間，環(huán)境熱將液體再次蒸發(fā)，因此能量完全損失。在第三方案中，液體儲存被吸附儲存替代，所述吸附儲存利用進(jìn)一步的吸收劑操作，該吸收劑能夠在環(huán)境溫度下吸收和解吸附。在第四方案中，結(jié)合使用吸附儲存和熱力發(fā)動機(jī)。如果排放閥打開，則蒸汽從鍋爐通過蒸汽機(jī)流到儲存箱中，熱能被釋放，其被引入到鍋爐中，因此保持蒸汽產(chǎn)生。其缺點在于，雖然吸附熱具有有利價值，由于吸收鹽的低質(zhì)量密度，其能量密度較低。
熱化學(xué)儲存的實質(zhì)在于，熱能以可逆化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合能的形式儲存。該反應(yīng)可在具有或不具有催化劑時發(fā)生。當(dāng)反應(yīng)完成時，反應(yīng)材料應(yīng)該被分離并且分別儲存。在該過程中，在冷凝(供給)期間，蒸發(fā)熱被釋放，其保持未被使用，這影響到儲存效率。另一個缺點在于，在催化劑使用壽命和結(jié)構(gòu)材料方面產(chǎn)生困難。
與顯熱儲存相比，潛熱儲存允許實現(xiàn)高的能量密度。具有超過大氣壓力的飽和壓力的增壓系統(tǒng)要求使用增壓容器；因此，這些系統(tǒng)由于高的壓力并不經(jīng)濟(jì)。吸附熱量儲存要求至少一個增壓容器，而熱化學(xué)熱量儲存則要求提供多個不同壓力從而參與反應(yīng)的材料在其液相中儲存；這些方面以及較低的能量密度成為這些系統(tǒng)的缺點。
潛熱儲存系統(tǒng)比上面列出的那些系統(tǒng)更加適宜；事實上，與具有下降溫度的顯熱儲存系統(tǒng)相比，恒定排放溫度保證了較高的效率。在熱能利用方面，其進(jìn)一步的優(yōu)點在于，固相顯熱、相變潛熱以及液相顯熱可被利用。
在根據(jù)本發(fā)明的過程中，其基本點在于認(rèn)識到在已知的和當(dāng)前使用的熱量儲存系統(tǒng)中，最為適宜的是使用具有最高能量密度的非金屬載體和恒定排放溫度的具有相變的固態(tài)儲存介質(zhì)。然而，這些熱量儲存介質(zhì)，不能滿足在各種情形中在成本有效性、可逆性、適宜的熔點和抗結(jié)構(gòu)材料腐蝕性方面的要求。基于這種認(rèn)識，根據(jù)本發(fā)明的過程解決了使用共晶體的問題，根據(jù)所進(jìn)行的實驗，其顯示出恒定的可逆性、在使用方面其熔點是適宜的、具有高的熱量儲存能力并且不對結(jié)構(gòu)材料造成腐蝕。
專利說明書US 4,244,350描述了一種與上述不同的方案，其涉及太陽能操作熱量儲存箱，其中進(jìn)行熱傳遞過程。在該過程中，利用在過熱管道系統(tǒng)中加熱的蒸汽，產(chǎn)生過熱蒸汽。然而，設(shè)備效率較低并且不能夠用于長期熱量儲存。
專利US 4,391,267描述了一種熱量儲存材料，其實質(zhì)在于，利用相變，液晶熔體在特定溫度下或者自發(fā)地或者人工地經(jīng)由成核被轉(zhuǎn)變結(jié)晶形式。在成核期間，向熔體加入添加劑，其被熔解并且形成混合物。該添加劑可含有磷酸氫二鈉、磷酸氫二鉀或其銨或鈉的等價物。在固化材料中，該添加物促進(jìn)了晶體尺寸和增長的規(guī)則性并且防止熔體結(jié)晶成不理想的氫氧化物形式。
該方案的實質(zhì)在于，在加熱期間，儲存用于相變所必需的熱量的材料被熔化并且因此，熱量在再結(jié)晶期間被釋放。然而，該說明書僅僅提出促進(jìn)結(jié)晶的方法并且沒有解決結(jié)晶材料連續(xù)利用的問題。另一個缺點在于加熱結(jié)晶材料的問題未被解決，并且因此，沒有使其再利用成為可能。
專利說明書US 4,355,627提出一種利用太陽能收集器或熱泵的熱量儲存系統(tǒng)。其本質(zhì)在于，具有規(guī)則幾何形狀的單個熱箱在較大的收集器容器中堆起。熱箱的外殼含有熱傳導(dǎo)材料例如玻璃，也包括熱量儲存材料自身的金屬部件。
這種類型的缺陷在于，利用加熱即不同于從相變釋放的熱量從非晶體材料產(chǎn)生的熔體被用于熱量儲存，因此，它不能實現(xiàn)高的熱量儲存能力和長期的熱量儲存。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)該既定目的，本發(fā)明涉及一種設(shè)備組或過程，用于儲存熱能，優(yōu)選用于儲存由風(fēng)能利用設(shè)施或由熱力發(fā)電站所生產(chǎn)的電能而產(chǎn)生的熱能。在所述設(shè)備組和過程中，利用載熱介質(zhì)從熱發(fā)生設(shè)施輸送的熱能通過使用相變方法以如此方式被儲存，即在熱量儲存設(shè)備的熱量儲存箱中含有具有適宜熱量儲存能力的晶體材料，優(yōu)選某種結(jié)晶共晶體利用來自熱源的熱的載熱介質(zhì)而被加熱，直至在其相變期間該晶體材料在熔化時被充熱并且儲存該熱量，并且然后，在排放模式中，通過從熱交換器或熱利用設(shè)備循環(huán)來自的載熱介質(zhì)，熔體被冷卻至完成相變即再結(jié)晶和/或其最優(yōu)冷卻，因此，所儲存的熱能被回收；在所述方法中，晶體材料和/或共晶體在保持其可逆性在反復(fù)相變過程中不變的過程中被使用、僅有少量地或者根本不會與所使用的結(jié)構(gòu)材料發(fā)生反應(yīng)、具有微不足道的腐蝕性并且它們的熱參數(shù)使得高水平的相變熱量儲存成為可能。
該熱量儲存設(shè)備組的有利性能在于，使用利用由風(fēng)能利用設(shè)施或電站所產(chǎn)生的電能而被加熱的熱發(fā)生設(shè)備，該電能可被低損失地轉(zhuǎn)化成熱能；通過利用加熱的載熱介質(zhì)向熱量儲存箱輸送所述熱能，并且通過在熱箱中熔化該晶體熱量儲存材料(共晶體)，實現(xiàn)了具有高能量密度的相變熱量儲存。
根據(jù)本發(fā)明熱量儲存設(shè)備組的其它方面在于，熱量儲存箱的加熱/冷卻管道，并且在固定設(shè)備的情形中，熱交換器的加熱管道具有有肋表面以用于促進(jìn)熱傳遞。
根據(jù)本發(fā)明的熱量儲存設(shè)備組的有利性能如此得以改進(jìn)，即溫度監(jiān)控、狀態(tài)探測和致動裝置通過控制單元連接到電子數(shù)據(jù)處理裝置例如計算機(jī)。
在根據(jù)本發(fā)明的可移動和可運輸?shù)臒崃績Υ嬖O(shè)備的優(yōu)選實施例中，加熱/冷卻管道至和自熱量儲存箱的進(jìn)口和出口短管設(shè)有連接裝置，為了利用熱能填充可移動熱量儲存設(shè)備的目的，該連接裝置適于被連接到其利用由風(fēng)能利用設(shè)施或電站所產(chǎn)生的電能而被加熱的熱發(fā)生設(shè)備或其它熱傳遞位置。
根據(jù)本發(fā)明的熱量儲存設(shè)備組和過程的目的在于消除由能量儲存中的未解決問題所產(chǎn)生的缺點，并且通過使用最有效的熱量儲存方法即具有高效率的相變實現(xiàn)一種熱量儲存設(shè)備組和合理地并且通過降低對流損失，由此使得熱能的長期儲存和多種利用成為可能。
本發(fā)明的另一個目的在于，通過實現(xiàn)具有可移動和可運輸設(shè)計的熱量儲存設(shè)備從而將所接收和所儲存的熱能直接供應(yīng)到消費者而不鋪設(shè)用于區(qū)域供熱的管道系統(tǒng)，由此在一個方面通過利用自由能源并且在另一方面通過使用最經(jīng)濟(jì)的熱量輸送方式而獲得了進(jìn)一步的優(yōu)點。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的在于，根據(jù)專業(yè)文獻(xiàn)以及來自熱量儲存方法的實踐，雖然目前存在多個技術(shù)問題，該熱量儲存過程被證明為最為有利，即利用晶體材料相變熱的熱量儲存過程以如此方式使用，其中實現(xiàn)了具有穩(wěn)定操作、高效率和經(jīng)濟(jì)操作的熱量儲存過程，該過程使用來自熱量儲存晶體材料的混合物和/或共晶體，其呈現(xiàn)出經(jīng)由實驗證實的恒定可逆性、具有在利用方面適宜的熔點、高的熔化熱和高的熱量儲存能力以及對在實施中所用結(jié)構(gòu)材料不產(chǎn)生腐蝕。
根據(jù)該既定目的，根據(jù)本發(fā)明的用于儲存熱能、優(yōu)選用于儲存由風(fēng)能利用設(shè)施或由電站生產(chǎn)的電能所產(chǎn)生的熱能的設(shè)備組，具有將其熱發(fā)生子組件的一個或多個連接到熱量儲存箱的用于輸送熱的載熱介質(zhì)的主管道和用于輸送被冷卻的載熱介質(zhì)的二級管道，輸送該載熱介質(zhì)的所述主和/或二級管道設(shè)有一個或多個用于循環(huán)該載熱介質(zhì)的相關(guān)單元，例如循環(huán)泵，并且該熱量儲存設(shè)備具有填充有晶體材料以通過相變實現(xiàn)熱量儲存的熱量儲存箱，所述熱量儲存箱設(shè)有嵌入晶體材料和/或其熔體中的加熱/冷卻管道，以輸送載熱介質(zhì)用于利用從熱發(fā)生器輸送的熱量將其填充并且提取所儲存的熱量以便利用，通過插入閥和循環(huán)泵，所述管道的一個或多個出口部分被連接到來自熱發(fā)生子組件并且用于輸送載熱介質(zhì)的主管道以及通向熱發(fā)生子組件的二級管道；所述閥、循環(huán)泵和連接管道被相互連接到一個或多個熱交換器和/或不具有熱交換器時一個或多個熱利用設(shè)備和所述熱量儲存箱和熱發(fā)生器以及熱交換器，進(jìn)而，輸送載熱介質(zhì)的該主和二級管道及其連接管道設(shè)有熱絕緣覆蓋層；該熱量儲存箱和熱發(fā)生器以及熱量儲存介質(zhì)、輸送載熱介質(zhì)的管道、載熱介質(zhì)和熱交換器設(shè)有適于測量和發(fā)送所述介質(zhì)溫度的信號的溫度監(jiān)控子組件、用于示意介質(zhì)參數(shù)的狀態(tài)探測裝置以及適于改變某些參數(shù)的致動裝置；通過插入連接管道，該熱量儲存設(shè)備的熱量儲存箱以及輸送載熱介質(zhì)的管道系統(tǒng)的主管道被連接到填充有某種惰性氣體優(yōu)選為氮氣的膨脹箱；并且建立包括該熱量儲存箱和相關(guān)子組件以及熱發(fā)生器的基本單元，該單元根據(jù)熱量儲存和熱利用的要求能夠被相互連接。
本發(fā)明涉及一種用于儲存熱能的設(shè)備組，其中熱量儲存設(shè)備作為一個基本單元被設(shè)計成可運輸?shù)目梢苿酉到y(tǒng)的形式，例如布置在由車輛輸送的容器中的一個或多個熱量儲存箱，所述熱量儲存箱填充有晶體熱量儲存材料、設(shè)有加熱和冷卻管道、出口連接短管、利用電流加熱的熱發(fā)生設(shè)備和熱絕緣覆蓋層，以及溫度監(jiān)控、狀態(tài)探測和致動裝置；進(jìn)而，利用相同裝置實現(xiàn)的自推式熱量儲存箱車和有軌貨車。
根據(jù)本發(fā)明的熱量儲存設(shè)備組的另一個優(yōu)點在于，熱水產(chǎn)生單元、優(yōu)選為熱水儲存鍋爐可經(jīng)由熱交換器而被連接到熱量儲存設(shè)備。
在利用根據(jù)本發(fā)明的熱量儲存設(shè)備組的方面，進(jìn)一步的優(yōu)點在于，連接到熱量儲存設(shè)備的熱利用設(shè)備能夠用于滿足任何熱能需求，例如通過熱傳遞或熱傳輸單元進(jìn)行加熱、當(dāng)連接到空調(diào)設(shè)備時進(jìn)行冷卻/加熱、當(dāng)連接到吸收冷卻設(shè)備時的冷卻、向干燥設(shè)備的供熱，并且此外，需要熱能的任何工業(yè)處理行為，滿足熱能供應(yīng)者和消費者的首需(headdemand)。
基于示意示例性實施例的附圖，在下面描述本發(fā)明。
附圖的簡要說明

圖1示出來自產(chǎn)生電流的子組件的電流通過電纜被引導(dǎo)至熱發(fā)生器；圖2示出形成基本單元的熱量儲存設(shè)備；圖3示出熱量儲存設(shè)備的可移動和可運輸?shù)脑O(shè)計。
具體實施例方式
圖1示出來自產(chǎn)生電流的子組件7的電流通過電纜7a被引導(dǎo)至熱發(fā)生器7b，從此處輸送被加熱的載熱介質(zhì)的主管道8利用插入進(jìn)口短管5的循環(huán)泵21和閥6而連接到熱量儲存箱2的加熱-冷卻管道4，并且從位于加熱-冷卻管道4端部的出口短管5通過閥6和二級管道9返回到熱發(fā)生器子組件7a，由此形成用于加熱熱量儲存箱2即向其填充熱能的回路。
圖2示出形成基本單元的熱量儲存設(shè)備1的熱量儲存箱2、連接到熱量儲存箱2的熱交換器11、用于產(chǎn)生熱水的鍋爐11a和填充有惰性氣體的膨脹箱18。
在圖2中示出熱量儲存設(shè)備1的熱量儲存箱2，所述熱量儲存箱2填充有晶體熱量儲存材料3，并且輸送載熱介質(zhì)20的加熱-冷卻管道4分別嵌入所述晶體材料3及其熔體3a中。
圖2還示出熱交換器11通過閥6和連接管道10而被連接到熱量儲存箱2，所述熱交換器11通過管道而連接到熱利用設(shè)備12。
利用載熱介質(zhì)20從熱量儲存箱2通過閥6和連接管道10向熱交換器11，并且然后從熱交換器11通過連接管道10和二級管道9與閥6返回到熱量儲存箱2的這種流動，形成冷卻-排放回路。
從圖2，可以示出熱量儲存箱2和熱交換器11與11a，并且此外，主和二級管道8和9設(shè)有熱絕緣覆蓋層13；進(jìn)而，熱量儲存箱2、熱發(fā)生設(shè)備7b、熱量儲存材料3、主和二級管道8和9、熱交換器11和11a設(shè)有適于測量和示意載熱介質(zhì)20的溫度的溫度監(jiān)控子組件14、用于示意介質(zhì)參數(shù)的狀態(tài)探測裝置15以及用于改變各個參數(shù)的致動器16。
此外，圖2還示出熱量儲存箱2和輸送載熱介質(zhì)20的主管道8通過連接管道17而連接到填充有惰性氣體的膨脹箱18。
圖2示出一種優(yōu)選示例性實施例，其中熱量儲存箱2的加熱-冷卻管道4以及熱交換器11與11a的加熱管道22是有肋表面以用于促進(jìn)熱傳遞。
圖2還示出溫度監(jiān)控裝置14、狀態(tài)探測裝置15和致動裝置16所有這些與熱量儲存設(shè)備組1相關(guān)的裝置通過控制單元24連接到電子數(shù)據(jù)處理裝置例如計算機(jī)。
在圖2中示出另一個優(yōu)選的示例性實施例，其中熱水產(chǎn)生和儲存鍋爐11a連接到熱量儲存設(shè)備1。
圖3示出設(shè)有閥6、循環(huán)泵21、出口連接短管5、開關(guān)裝置19、熱絕緣覆蓋層13、溫度監(jiān)控裝置14、狀態(tài)探測裝置15和致動裝置16的熱量儲存設(shè)備1的可移動和可運輸?shù)脑O(shè)計26，其中加熱-冷卻管道4在填充有晶體材料3的熱量儲存箱2中延伸。
圖3示出可移動和可運輸?shù)臒崃績Υ嬖O(shè)備26的另一個示例性實施例，其中熱量儲存箱2的加熱-冷卻管道4設(shè)有有肋表面23以促進(jìn)在兩個方向中的熱傳遞。
圖3還示出溫度監(jiān)控裝置14、狀態(tài)探測裝置15和致動裝置16通過控制單元24連接到電子數(shù)據(jù)處理裝置25，例如計算機(jī)。
圖3還示出在可移動可運輸?shù)臒崃績Υ嬖O(shè)備26中的熱量儲存箱2的加熱-冷卻管道4的進(jìn)口和出口部分上的短管5通過插入閥6設(shè)有可拆卸的連接裝置27，該連接裝置連接到由電流加熱的熱發(fā)生設(shè)備7b從而利用熱能填充可移動熱量儲存設(shè)備26，該電流由風(fēng)能利用設(shè)施7或電站產(chǎn)生并且通過電線7a傳導(dǎo)。在接收所供給熱量的位置處，布置設(shè)有適于連接裝置27的剛性連接延伸部的柔性管道，該剛性連接延伸部用于連接該連接裝置27，其將可移動的可運輸熱量儲存設(shè)備26的熱量儲存箱2以可拆卸的方式連接到熱利用設(shè)備12。
當(dāng)操作根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備組時，在由風(fēng)能利用設(shè)施7或電站產(chǎn)生的電流加熱的熱發(fā)生設(shè)備7b中循環(huán)的載熱介質(zhì)20，優(yōu)選熱油，被加熱至適當(dāng)?shù)臏囟龋⑶以摕岬妮d熱介質(zhì)20利用循環(huán)泵21通過主管道8、閥6和進(jìn)口短管5被引導(dǎo)進(jìn)入熱量儲存箱2的加熱-冷卻管道4系統(tǒng)并且通過該系統(tǒng)循環(huán)，該熱量儲存箱設(shè)置在適當(dāng)?shù)姆忾]中，在這期間，熱的載熱介質(zhì)20變熱并且連續(xù)地熔化在熱量儲存箱2中填充的晶體材料3，并且被冷卻的載熱介質(zhì)20通過出口短管5和閥6與二級管道9返回到熱發(fā)生設(shè)備7b，因此，完成充熱循環(huán)。
在排放模式中，設(shè)備操作如下計算機(jī)25分別將從安裝在需被加熱房間中和熱利用設(shè)備(例如干燥設(shè)備)上的溫度監(jiān)控或溫度控制裝置接收到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)(被編程的)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并且基于所獲得的結(jié)果，起動加熱-排放過程，其中載熱介質(zhì)20由循環(huán)泵21循環(huán)通過始于熱交換器11的加熱管道22的連接管道10，并且同時，安裝于主管道8的進(jìn)口短管8和二級管道9的出口短管5中的閥6被打開。因此，載熱介質(zhì)20從熱交換器11通過熱量儲存箱2的加熱-冷卻管道4的流動開始，在這期間，載熱介質(zhì)20在流經(jīng)熱量儲存箱2的加熱-冷卻管道4時，吸收相變熱并且然后是通過使用電能熔化晶體材料3產(chǎn)生的熔體3a的顯熱，載熱介質(zhì)被加熱并且在返回到熱交換器11中并且流經(jīng)熱交換器11的加熱管道22時，將容納于熱交換器11中的水加熱。利用循環(huán)泵21a將在熱交換器11中被加熱的水通過所連接的主管道8a而被輸送到熱利用設(shè)備12，在該設(shè)備中熱水傳遞其熱能并且通過二級管道9a返回到熱交換器11，因此實現(xiàn)加熱回路。
在操作期間，基于從溫度監(jiān)控裝置14接收到的脈沖，連接到熱量儲存設(shè)備1的熱量儲存箱2的流通系統(tǒng)的儲存型熱水產(chǎn)生鍋爐11a打開內(nèi)置的溫度調(diào)節(jié)裝置和閥6；循環(huán)泵21驅(qū)動熱的載熱介質(zhì)20通過管道8和熱水產(chǎn)生鍋爐11a的加熱管道22a，因此將儲存在儲存型熱水產(chǎn)生鍋爐11a中的水加熱；然后，通過打開安裝于家中的水旋塞而將熱水釋放。同時，由此被冷卻的載熱介質(zhì)20從熱水產(chǎn)生鍋爐11a的加熱管道22a通過二級管道9返回到其起始位置。
熱量儲存設(shè)備1設(shè)有適于測量和示意熱發(fā)生設(shè)備7b、載熱介質(zhì)20和熱量儲存材料3的溫度的溫度監(jiān)控裝置14、設(shè)有用于示意介質(zhì)參數(shù)的狀態(tài)感測裝置15；設(shè)有用于改變各個參數(shù)的致動器16，它們通過中央控制單元24連接到計算機(jī)25并且在操作期間連續(xù)地向計算機(jī)25的存儲器提供數(shù)據(jù)。
該計算機(jī)將所接收到的數(shù)據(jù)與預(yù)編程數(shù)據(jù)相比較，并且根據(jù)所獲得的結(jié)果，在另一方面利用循環(huán)泵21、閥6和其它控制元件的適當(dāng)操作控制載熱單元的流動，并且在另一方面通過部分或完全地打開閥6而控制向熱交換器11和/或熱水產(chǎn)生鍋爐的必要的供熱。
所有上述控制都是需要的從而在另一方面通過控制其流動而防止載熱介質(zhì)20被過度加熱，并且在另一方面利用閥6和循環(huán)泵21的受控操作而保證根據(jù)需要的加熱和熱水供應(yīng)。
本發(fā)明的一個有利特征在于，通過在熱量儲存箱2中使用具有高熔點的晶體材料，所儲存的熱能可被用以產(chǎn)生電能。
根據(jù)本發(fā)明的熱量儲存設(shè)備的一個優(yōu)點在于，使用在電站中產(chǎn)生的蒸汽，無論其溫度和壓力如何，廢氣的熱能以及冷凝的廢熱并且利用具有根據(jù)給定溫度范圍而適當(dāng)選擇的熔點的晶體或共晶體，可以進(jìn)行利用熱能填充熱量儲存設(shè)備的操作。由此儲存的熱能可被用于產(chǎn)生電能或者用于各種供熱服務(wù)。
熱量儲存設(shè)備的1可移動和可運輸?shù)脑O(shè)計26的操作與上述固定熱量儲存設(shè)備1的情形基本相同。其不同在于，在這種類型的設(shè)備中，可以省去熱交換器11，并且在熱量儲存箱2的加熱-冷卻管道4上的進(jìn)口-和出口短管5設(shè)有連接到閥6的連接裝置27，以使得通過將其連接到由風(fēng)能利用設(shè)施7或電站所產(chǎn)生的電能而被加熱的熱發(fā)生設(shè)備7b，而利用熱能填充可移動熱量儲存設(shè)備26。
在操作期間，可移動熱量儲存設(shè)備26利用連接裝置27而被連接到熱發(fā)生設(shè)備7b，并且通過操作閥6和循環(huán)泵21，通過載熱介質(zhì)20的循環(huán)而利用熱能填充可移動熱量儲存設(shè)備26的熱量儲存箱2。
當(dāng)排放時，連接裝置27通過柔性管道直接連接到熱利用設(shè)備12或固定熱量儲存箱2，該連接裝置設(shè)有連接到熱量儲存箱2的主管道8上的出口短管5的閥6，該熱量儲存箱單獨使用或者連接到一起被輸送到供熱場所并且布置在容器中或者作為自推式的箱車移動，該柔性管道設(shè)有適于連接裝置27的剛性連接延伸部，閥6被打開，并且當(dāng)利用循環(huán)泵21循環(huán)載熱介質(zhì)20時，所儲存的熱量被傳遞到熱利用設(shè)備12或固定熱量儲存箱2。
同時，被冷卻的載熱介質(zhì)20從熱利用設(shè)備12的加熱管道系統(tǒng)或固定熱量儲存箱2通過利用剛性延伸部連接到連接裝置27的柔性管道和二級管道9而被返回到可移動熱量儲存設(shè)備26的熱量儲存箱2。
根據(jù)本發(fā)明的過程通過如此操作實現(xiàn)，其中容納于熱量儲存設(shè)備1的熱量儲存箱2中的具有適宜熱量儲存能力的晶體材料3，優(yōu)選共晶體3利用來自熱源7b的熱的載熱介質(zhì)20而被加熱，直至在相變期間晶體材料3在熔化時被熱能填充并且該熱量被儲存，并且然后在排放模式中，通過從熱交換器11或者在可移動熱量儲存設(shè)備26的情形中，從熱利用設(shè)備12循環(huán)載熱介質(zhì)20，熔體3a被冷卻直至完成相變或再結(jié)晶和/或直至其被冷卻到所期望的程度，因此，所儲存的熱能被提取和/或傳遞。
在該過程中，使用的晶體材料和共晶體保持其可逆性在反復(fù)相變期間不變、僅在很小程度上或者根本不會與結(jié)構(gòu)材料發(fā)生反應(yīng)、是非腐蝕性的或僅有較低程度的腐蝕性，并且其參數(shù)在很大程度上使得儲存相變熱成為可能。
根據(jù)本發(fā)明過程的進(jìn)一步的優(yōu)點在于，其提供了這樣的可能性，即不僅利用在相變期間的潛熱儲存，還可利用結(jié)晶和液相的顯熱。
權(quán)利要求
1.一種用于儲存熱能的設(shè)備，優(yōu)選用于通過將風(fēng)能利用設(shè)施產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成熱能而儲存熱能并且使用所儲存熱能以提供各種供熱服務(wù)，并且，為了消除由于風(fēng)能利用設(shè)施的間歇操作而造成的缺點，在無風(fēng)期間使用所儲存的熱能以產(chǎn)生電能；進(jìn)而，利用由電站在夜間所產(chǎn)生的廉價電能儲存能量并且在峰值負(fù)荷時期使用該能量，其特征在于，該熱量儲存設(shè)備(1)具有熱量儲存箱(2)，該熱量儲存箱填充有用于實現(xiàn)相變熱量儲存的晶體材料(3)，所述熱量儲存箱(2)連接到一個或多個熱發(fā)生設(shè)備(7b)，在該利用從電能發(fā)生設(shè)施優(yōu)選利用風(fēng)能的設(shè)施(7b)通過電線(7a)送達(dá)的電流加熱的熱發(fā)生設(shè)備(7)中，從具有相互連接的閥(6)和(泵)的二級管道(9)到來的被冷卻的載熱介質(zhì)被加熱并且通過主管道(8)被供給到輸送熱量儲存箱(2)的載熱介質(zhì)(4)以用于儲存熱能并且在排放期間回收所儲存的熱能的管道；加熱(4)-冷卻(4)管道，該管道嵌入熱量儲存箱(2)內(nèi)的晶體材料(3)和/或其熔體(3a)中以輸送載熱介質(zhì)(20)，所述管道的出口部分或多個出口部分(5)插入閥(6)和循環(huán)泵(21)，來自熱量儲存箱(2)的熱的載熱材料(20)的主管道(8)連接到一個或多個熱交換器(11)和/或具有或不具有熱交換器的熱利用設(shè)備(12)，并且，在該熱利用設(shè)備(12)中，含有冷卻的載熱介質(zhì)(20)的二級管道(9)連接到熱發(fā)生設(shè)備(7b)和/或熱量儲存箱(2)的管道(4)；所述熱發(fā)生設(shè)備(7b)、熱量儲存箱(2)、熱交換器(11)、輸送載熱介質(zhì)的主和二級管道(8)、(9)以及連接管道(10)設(shè)有熱絕緣覆蓋層(13)；熱發(fā)生設(shè)備(7b)和熱量儲存箱(2)，輸送載熱介質(zhì)的管道(8)和熱交換器(11)安裝有適于分別測量并且示意熱量儲存介質(zhì)、載熱介質(zhì)和所述介質(zhì)溫度的溫度監(jiān)控子組件(14)、用于示意介質(zhì)參數(shù)的狀態(tài)探測裝置(15)以及用于改變各個參數(shù)的致動裝置(16)；熱量儲存設(shè)備(1)的熱量儲存箱(2)和輸送載熱介質(zhì)的管道系統(tǒng)的主管道(8)通過相互連接或連接管道(17)而連接到填充有惰性氣體的膨脹箱(18)；并且建立包括熱量儲存箱(2)和相關(guān)子組件的基本單元，根據(jù)需要該基本單元可被相互連接以用于熱量儲存和熱利用。
2.一種用于能量儲存的設(shè)備組，其特征在于，利用優(yōu)選由風(fēng)能利用設(shè)施(7)所產(chǎn)生的電能加熱的熱發(fā)生設(shè)備(7b)用于熔化晶體熱量儲存材料(3)并且用于利用該材料實現(xiàn)的熱量儲存，操作所述熱發(fā)生設(shè)備(7b)時通過閥(6)和循環(huán)泵(21)來自熱利用設(shè)備(12)或熱量儲存箱(2)的二級管道(9)的被冷卻的載熱介質(zhì)被加熱，并且熱發(fā)生設(shè)備(7b)通過主管道(8)連接到輸送載熱介質(zhì)的熱量儲存箱(2)的管道(4)。
3.一種用于能量儲存的設(shè)備組，其特征在于，熱量儲存設(shè)備(1)作為基本單元被設(shè)計成可運輸?shù)目梢苿酉到y(tǒng)的形式，例如設(shè)置在由車輛輸送的容器中的一個或多個熱量儲存箱(2)，所述熱量儲存箱(2)填充有晶體熱量儲存材料(3)，設(shè)有加熱和冷卻管道(4)、利用電流操作的熱發(fā)生設(shè)備(7b)、出口連接短管(5)、連接裝置(19)、熱絕緣覆蓋層(13)、溫度監(jiān)控裝置(14)、狀態(tài)探測裝置(15)和致動裝置(16)；進(jìn)而，利用相同裝置實現(xiàn)的自推式熱量儲存箱車和軌道車輛。
4.一種用于儲存熱能的過程，優(yōu)選用于儲存通過轉(zhuǎn)換由風(fēng)能利用設(shè)施或熱電站產(chǎn)生的電能而產(chǎn)生的熱能，其特征在于，從熱源利用載熱介質(zhì)(20)輸送的熱能使用相變方法以如此方式而被儲存，在熱量儲存設(shè)備(1)的熱量儲存箱(2)中含有的具有適宜熱量儲存能力的晶體材料(3)，優(yōu)選為某種結(jié)晶共晶體(3)利用來自熱源(7a)的熱的載熱介質(zhì)而被加熱，直至在其相變期間，晶體材料(3)在熔化時被熱量填充并且儲存該熱量，并且然后，在排放模式中，通過從熱交換器(11)或熱利用設(shè)備循環(huán)載熱介質(zhì)(20)，熔體(3a)被冷卻至完成相變即再結(jié)晶和/或其最適宜的冷卻，由此，所儲存的熱能被回收；在所述過程中，晶體材料和/或共晶體在保持其可逆性在反復(fù)相變過程中不變的過程中被使用、僅在較小程度上或者根本不會與所使用的結(jié)構(gòu)材料發(fā)生反應(yīng)、具有微不足道的腐蝕性并且其熱參數(shù)使得高水平相變熱量儲存成為可能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱量儲存設(shè)備，其特征在于，熱量儲存箱(2)的加熱-冷卻管道(4)以及熱交換器(11)的加熱管道(22)是有肋表面(23)從而促進(jìn)熱傳遞。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱量儲存設(shè)備，其特征在于，熱量儲存箱(2)的加熱-冷卻管道(4)以及熱交換器(11)的加熱管道(22)是有肋表面(23)從而促進(jìn)熱傳遞。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3中任一項所述的設(shè)備組，其特征在于，溫度監(jiān)控裝置(14)、狀態(tài)探測裝置(15)和致動裝置(16)通過控制單元(24)連接到電子數(shù)據(jù)處理裝置(25)例如計算機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的設(shè)備組，其特征在于，溫度監(jiān)控裝置(14)、狀態(tài)探測裝置(15)和致動裝置(16)通過控制單元(24)連接到電子數(shù)據(jù)處理裝置(25)例如計算機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的可移動和可運輸?shù)臒崃績Υ嬖O(shè)備，其特征在于，在熱量儲存箱(1)的加熱-冷卻管道(4)上的出口-進(jìn)口短管(5)設(shè)有連接裝置(27)，利用該連接裝置，能夠使用電能利用熱能對可移動熱量儲存設(shè)備(26)進(jìn)行填充，該電能優(yōu)選由風(fēng)能利用設(shè)施或電站產(chǎn)生。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2、5和7中任一項所述的設(shè)備組，其特征在于，熱水產(chǎn)生設(shè)備，優(yōu)選為熱水產(chǎn)生和儲存鍋爐可被連接到熱量儲存設(shè)備(1)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、6和8中任一項所述的設(shè)備組，其特征在于，熱水產(chǎn)生設(shè)備，優(yōu)選為熱水產(chǎn)生和儲存鍋爐可被連接到熱量儲存設(shè)備(1)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、5、7、9和10中任一項所述的設(shè)備組，其特征在于，連接到熱量儲存設(shè)備(1)的熱利用設(shè)備可用于滿足任何熱量需求，例如通過熱傳遞或熱傳輸單元進(jìn)行加熱、當(dāng)連接到吸收系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)時進(jìn)行加熱-冷卻、當(dāng)連接到吸收冷卻設(shè)備時進(jìn)行冷卻、向干燥設(shè)備供熱，并且此外，需要熱能的任何工業(yè)處理行為，以滿足熱能供應(yīng)者和消費者的首需。
13.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4、6、8和11中任一項所述的設(shè)備組，其特征在于，連接到熱量儲存設(shè)備(1)的熱利用設(shè)備可用于滿足任何熱量需求，例如通過熱傳遞或熱傳輸單元進(jìn)行加熱、當(dāng)連接到吸收系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)時進(jìn)行加熱-冷卻、當(dāng)連接到吸收冷卻設(shè)備時進(jìn)行冷卻、向干燥設(shè)備供熱，并且此外，需要熱能的任何工業(yè)處理行為，以滿足熱能供應(yīng)者和消費者的首需。
全文摘要
一種用于儲存熱能的設(shè)備，優(yōu)選用于通過將風(fēng)能利用設(shè)施產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成熱能而儲存熱能并且使用所儲存熱能用于提供各種供熱服務(wù)，并且，為了消除由于風(fēng)能利用設(shè)施的間歇操作而造成的缺點，在無風(fēng)期間使用所儲存的熱能用于產(chǎn)生電能；進(jìn)而，利用由電站在夜間所產(chǎn)生的廉價電能儲存能量并且在峰值負(fù)荷時期使用該能量。
文檔編號F28D20/02GK1997855SQ200580011687
公開日2007年7月11日 申請日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月3日
發(fā)明者伽博·茍德 申請人:伽博·茍德