技术领域
[0001] 本
发明涉及热能存储器的领域，尤其涉及带有减少的内部
自然对流的热能存储器。
背景技术
[0002] 热能存储器在供
电网的
稳定性的改进中起着重要的作用且用于提高
能量效率。取决于如何存储能量（使用材料的
热容量，或者使用
相变焓或甚至使用化学
反应焓），存在不同类型的热能存储器。通常，这些热存储器是填充有热存储元件的设施，该热存储元件具有被加热且保持特定
温度的能
力。热存储元件通过
工作流体（气体、液体或其混合物）的流动被加热（充能），该流体具有高于热存储元件的温度。所存储的能量能够通过流体（带有相同或不同的成分）的流动恢复，该流体具有低于热存储元件的温度。
[0003] 在充能的热能存储器处于停滞期（即，其中没有工作流体的充能流动或放能流动馈送到存储器的时段）时，由于自然对流现象（温度梯度），在存储器内可仍然产生流体流动。这些流既能够使材料受到
应力（机械应力）又能在存储器内产生非均匀的温度曲线。出于这些原因，应当避免通过自然对流导致的这样的流的产生。
[0004] 解决该问题的已知尝试涉及在热能存储器内使用
水平或垂直板以在停顿状态期间限制在热存储元件的结构内的对流。
[0005] 在垂直板，即，垂直于流动方向的板的情况下，板可交替地放置在存储器的上部分和下部分中。这样的模式减少了存储器中的对流，但是同时增大了在存储器的充能和放能期间的压力损失。而且，该模式不能在停滞期期间在热能存储器中提供均匀的温度分布。在一定时间之后，热流体将被收集在结构的上部分中，同时较冷流体将存在于结构的下部分中。这样的温度梯度可导致应力且对热存储元件造成潜在损坏。
[0006] 在水平板，即，平行于流动方向的板的情况下，若干板安装在热存储元件的层之间的主要存储中，以便限制用于流体的自由体积，流体能在自由体积内运动。从而，因为流体的流动通过板被防止，所以在热存储元件的结构内的自然对流被限制。然而，在空的空间存在于热存储结构的前部和/或后部（相对于流动方向）处的情况下，自然对流可仍然发生在这样的空的空间（一个或复数个）内，从而有效地绕过水平板。同样在这种情况下，结果是，在停滞一定时间之后，热流体将被收集在热存储元件的上层中，同时较冷流体将被收集在热存储元件的下层中。
[0007] 因此，可存在对于改进的热能存储器的需要，该改进的热能存储器不遭受已知存储器的上述缺点。
发明内容
[0008] 该需要可通过根据独立
权利要求的主题满足。本发明的有利
实施例通过
从属权利要求描述。
[0009] 根据本发明的第一方面，提供一种热能存储器。所描述的热能存储器包括：（a）壳体；（b）布置在壳体内的热能存储结构，热能存储结构包括（b1）热能存储元件和（b2）多个分隔元件，该多个分隔元件布置成使得热能存储元件被分成多个层；（c）流体入口，流体入口与壳体流体连通且适于接收工作流体以及提供朝着壳体的工作流体的流动；以及（d）对流减少结构，其被布置成在面朝流体入口的热能存储结构的侧部处邻近热能存储结构。
[0010] 本发明的该方面基于如下想法，即，通过在热能存储结构面朝流体入口的侧部处邻近分层的热能存储结构（即，热存储结构包括热存储元件的多个层，其中，多个层通过分隔元件分离）布置对流减少结构，在流体入口和热能存储结构之间的空间或室中的对流能够被显著地减少或防止。因此，通过上述空间或室从一个层到另一个层的对流（即，绕过分隔元件的对流）被显著地减少或防止，使得在停滞期间能够在热能存储结构中维持恒定且均匀的温度分布。
[0011] 壳体可由耐热材料，诸如
钢或陶瓷制成，且可具有带有矩形、正方形（quadratic）、2
圆形、椭圆形或多边形的形状的筒形形状。取决于应用，壳体可具有25 m 或更大的横截面面积。
[0012] 热能存储元件优选地具有大的热存储容量，且布置在通过分隔元件分隔的层中以形成热能存储结构。热存储元件被定尺寸且彼此间隔开，使得每一层均允许尤其沿平行于层的方向的工作流体的流动。分隔元件基本上防止工作流体从一
层流动到另一层，因此防止层之间的热对流，尤其在不向热能存储器供应工作流体的任何流动的停滞期间。
[0013] 流体入口可由与壳体相同的材料制成，且可具有类似或不同的横截面大小和形状。流体入口可连接到工作流体的外部源，诸如
蒸汽发电设备的
汽化器。在使用中，流体入口适于引导所接收的工作流体朝着壳体流动，使得工作流体流
过热能存储结构且在其中存储热能（充能）或者从其接收热能（放能）。
[0014] 为了对热能存储器充能，工作流体可例如包括水（尤其热蒸汽）、空气、氮气或氩气。为了对热能存储器放能，工作流体可例如包括水、蒸汽、空气、氮气或氩气。
[0015] 对流减少结构布置在热能存储结构和流体入口之间，且用于防止在热能存储元件的层之间的热对流，即，绕过热存储结构的分隔元件的热对流。
[0016] 对流减少结构优选地设计成在工作流体于压力下被供应到流体入口时，允许工作流体朝着热能存储结构发生足够流动，以便将热能存储在热能存储结构中或者从热能存储结构恢复热能。在停滞期间，对流减少结构限制流体从热能存储元件的一个层（例如，下层）到另一个层（例如，上层）的流动，从而限制自然对流。
[0017] 根据本发明的实施例，对流减少结构包括沿垂直于热存储元件的层的方向延伸的对流减少元件的层。
[0018] 换言之，对流减少结构在热能存储结构的前部被形成为对流减少元件的壁状结构。
[0019] 对流减少元件的层可具有热能存储结构的高度的大约40%或更小的厚度，诸如热能存储结构的高度的大约35%、30%、25%或20%。
[0020] 对流减少元件可包括与热存储元件相同的材料，或者类似或不同的材料。对流减少元件的大小和间隔可类似于热存储元件的大小和间隔。优选地，对流减少元件小于热存储元件。
[0021] 根据本发明的进一步实施例，对流减少结构包括用于
支撑对流减少元件的层的至少一个穿孔板。
[0022] 至少一个穿孔板具有与对流减少结构基本相同的大小，且包括多个穿孔或洞。洞可具有任何适当的形状，诸如圆形、椭圆形、正方形、矩形、三
角形或多边形。
[0023] 至少一个穿孔板被设计成允许工作流体在热能存储器的充能和放能期间穿过穿孔而不引起显著的压力损失。而且，至少一个穿孔板被设计成通过将对流减少元件保持在适当
位置支撑对流减少结构。
[0024] 至少一个穿孔板可被布置在对流减少结构的任一侧上，即，面朝流体入口或面朝热存储结构。在一个实施例中，穿孔板可被布置在对流减少结构的两侧上。
[0025] 根据本发明的进一步实施例，热能存储器还包括布置在流体入口和壳体之间的扩散器部分，其中，扩散器部分沿从流体入口朝着壳体的方向具有逐渐增大的横截面。
[0026] 扩散器部分用于增强进入热能存储结构的工作流体的分布，尤其通过提供流体在壳体的横截面上的恒定分布。扩散器部分沿朝着壳体的方向逐渐增大的横截面将工作流体的流动速度降低到在工作流体流过热能存储结构时适用于与热能存储结构交换热能的水平。
[0027] 为了进一步增强扩散器部分的功能，一个或多个扩散元件可布置在扩散器部分内以影响通过扩散器部分的流体的流动。
[0028] 对流减少结构优选地布置在扩散器部分和壳体之间的过渡处。
[0029] 根据本发明的进一步实施例，热能存储器还包括流体出口，该流体出口与壳体流体连通且适于从壳体接收工作流体的流动。
[0030] 因此，通过流体入口进入热能存储器的工作流体可在与壳体中的热存储结构相互作用之后，通过流体出口离开热能存储器。在对热能存储器放能时，输出工作流体可例如用来生产用于蒸汽发电设备的蒸汽，或者加热用于例如有机
朗肯循环（ORC）或超临界CO2循环的另一种介质。
[0031] 根据本发明的进一步实施例，热能存储器还包括另外的对流减少结构，其被布置成在热能存储结构面朝流体出口的侧部处邻近热能存储结构。
[0032] 另外的对流减少结构布置在热能存储结构和流体出口之间，且类似于上述对流减少结构，用于防止在热能存储元件的层之间的热对流，即，绕过热存储结构的分隔元件的热对流。
[0033] 另外的对流减少结构可类似于或不同于上述对流减少结构。
[0034] 根据本发明的进一步实施例，另外的对流减少结构包括沿垂直于热存储元件的层的方向延伸的对流减少元件的层。
[0035] 另外的对流减少结构优选地被形成为在热能存储结构后方（即，下游）的对流减少元件的壁状结构。而且，另外的对流减少结构可通过至少一个穿孔板支撑。
[0036] 根据本发明的进一步实施例，热存储元件和对流减少元件包括从由石头、火山石、砖
块、
花岗岩、
玄武岩和陶瓷组成的组中选择的材料。
[0037] 根据本发明的进一步实施例，对流减少元件的平均大小在热存储元件的平均大小的10%和50%之间，诸如在15%和45%之间、诸如在20%和40%之间、诸如在25%和35%之间、诸如大约30%。
[0038] 通过使用
比热存储元件更小的对流减少元件，能够实现旁路对流的有效
预防。
[0039] 根据本发明的进一步实施例，分隔元件包括工作流体不能流动通过其的材料的片材或板材。
[0040] 片材或板材可包括任何适当的耐热材料，诸如金属、合成织物等等，其对于工作流体基本不能渗透。
[0041] 根据本发明的第二方面，提供用于生产
电能的发电设备，诸如蒸汽发电设备、
有机朗肯循环（ORC）发电设备或超临界二
氧化
碳循环（sCO2）发电设备。所描述的发电设备包括根据第一方面或上文中所述的实施例的任一个的热能存储器。
[0042] 通过使用热能存储器，发电设备能够在产出超过需求的情况下存储能量，且然后在需要超过产出时稍后使用存储的能量。
[0043] 发电设备可以是
风力发电设备的一部分，或者结合
风力发电设备操作，风力发电设备由于风速和方向的改变通常具有非常多变的产出。
[0044] 根据本发明的第三方面，提供一种存储热能的方法。所描述的方法包括：（a）提供工作流体通过热能存储器的入口朝着壳体的流动，其中，热能存储器包括布置在壳体内的热能存储结构，热能存储结构包括热能存储元件和多个分隔元件，多个分隔元件布置成使得热能存储元件分成多个层，其中，流体入口与壳体流体连通且适于接收工作流体并提供朝着壳体的工作流体的流动，以及其中，热能存储器包括对流减少结构，其被布置成在热能存储结构面朝流体入口的侧部处邻近热能存储结构。
[0045] 本发明的该方面基于与上文中所述的第一方面基本上相同的想法，即，布置在分层的热存储结构和流体入口之间的对流减少结构可在停滞期间在热能存储结构中提供恒定且均匀的温度分布。
[0046] 应注意，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。尤其，一些实施例已经参考方法类型权利要求描述，然而其他实施例已经参考器械类型权利要求描述。然而，本领域技术人员根据上述和以下描述将理解，除非以其他方式指示，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合，与不同的主题相关的特征的任何组合，尤其是方法类型权利要求的特征和器械类型权利要求的特征的组合，也是该文件的公开的一部分。
[0047] 本发明的上文中限定的方面和更多的方面从将在此后描述的实施例的示例中显而易见且参考实施例的示例被解释。将在此后参考实施例的示例更详细地描述本发明。然而，明确指出的是本发明不受限于所描述的示例性实施例。
附图说明
[0048] 图1示出已知的热能存储器的侧视图。
[0049] 图2示出根据本发明的实施例的热能存储器的侧视图。
具体实施方式
[0050] 在附图中的例图是示意性的。应注意在不同的图中，类似的或相同的元件设有相同的参考数字，或者设有仅第一数位不同的参考数字。
[0051] 图1示出已知的热能存储器100的侧视图。热能存储器100包括用于接收工作流体（诸如水、热或冷蒸汽、空气、氮气或氩气，如通过箭头112指示的）的流体入口102。热能存储器100还包括扩散器部分104，其用于均匀分布工作流体且用于降低工作流体的流动速度。热能存储器100还包括壳体106，其包括热存储元件120，诸如提供为散装材料的砖块、石头、火山石、花岗岩、玄武岩或陶瓷。热存储元件120通过分隔元件122（诸如钢板或金属片材）分离成分层的热能存储结构。热能存储器100还包括
喷嘴部分108，其用于提高离开壳体106中的热能存储结构的工作流体的流动速度和压力，且运送该工作流体到流体出口110以从热能存储器100喷出，如通过箭头114指示的。
[0052] 热能存储系统100可通过向流体入口102馈送热工作流体，诸如热蒸汽，被充装热能。工作流体将流动通过在热能存储结构中热能存储元件120的层，且因此加热热存储元件120。冷却的工作流体经由流体出口110离开存储器100。在充能完成之后，存储器100可留在数小时或甚至数天的停滞期，直到需要存储的热能且通过向流体入口102馈送冷工作流体（诸如水）放能为止。在流动通过在壳体106中的热能存储结构之后，被加热的工作流体从其喷出。
[0053] 分隔元件122被设置成防止由于在停滞期间的自然对流而导致的热能存储结构内的温度分布的改变，该自然对流即，环绕在壳体106的下部分中的热存储元件的热流体流动到壳体106的上部分。然而，由于在扩散器部分104内的开放空间，一些自然对流可仍然从下层朝向上层发生，如通过箭头116指示的。因此，在较长的停滞期之后，在热存储结构内的温度分布将依旧。这是非期望的，因为其在热存储元件120结构上引起应力，且使得难以在对存储器放能时实现带有期望温度的输出流动。
[0054] 图2示出根据本发明的实施例的热能存储器200的侧视图。热能存储器200的整体结构和功能类似于上文中讨论的热能存储器100。因此，省略了类似和相同元件的重复描述，且在下文中仅描述针对热能存储器200的额外且不同的特征。
[0055] 热能存储器200包括对流减少结构，其被设置为在壳体206中的热能存储结构的前方在面朝流体入口202的侧部上的对流减少元件224的垂直层。而且，热能存储器200还包括对流减少结构，其被设置为在壳体206中的热能存储结构的后方（即，在面朝流体出口210的侧部上）的对流减少元件228的垂直层。
[0056] 对流减少结构被布置成邻近热能存储结构（分别在其上游侧和下游侧上），使得其防止在上文中讨论的在停滞期间成问题的自然对流。尤其，由于对流减少元件224和228，在图1中通过箭头116和118指示的对流不能发生（或至少减少到微不足道的量）。
[0057] 对流减少元件224和228由与热能存储元件220相同或类似的散装材料制成，但是优选地小于这些热能存储元件。在热能存储元件220的平均大小可为大约2 cm到3 cm的情况下，对流减少元件的平均大小可为大约0.5 cm到1 cm。
[0058] 对流减少元件224和228通过穿孔金属板（未示出）被保持在期望的位置（即，相应地在扩散器部分204和壳体206之间的过渡处和在壳体206和喷嘴部分208之间的过渡处）。而且，可设置开口（未示出）以用于在操作一定时间之后必要时添加对流减少元件224和
228，以防工作流体通过对流减少结构224和228的流动“吹走”对流减少元件224和228中的一些。
[0059] 在图2中示出的热能存储器200能够针对长停滞期存储热能，同时维持在结构内的均匀温度分布。因此，实现热能存储元件220的延长寿命，且能够提供来自存储器的恒定温度的输出流体。
[0060] 当产出暂时超过需求时（例如，结合易受变化的风速和风向影响的风力发电设备），热能存储器200可有利地用于在发电设备处暂时地存储过量能量。
[0061] 应指出的是术语“包括”不排除其他元件或步骤，且冠词“一”或者“一个”的使用不排除复数个。而且，可以组合关于不同的实施例描述的元件。进一步指出的是在权利要求中的参考标记不应被理解解释为限制权利要求的范围。
