蓄热单元及储热系统
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202310004767.0 | 申请日 | 2023-01-03 |
| 公开(公告)号 | CN118293724A | 公开(公告)日 | 2024-07-05 |
| 申请人 | 国家能源投资集团有限责任公司; 北京低碳清洁能源研究院; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 刘均庆; 梁文斌; 张宏伟; 盛英; 于东; 崔福东; 李磊; | 第一发明人 | 刘均庆 |
| 权利人 | 国家能源投资集团有限责任公司,北京低碳清洁能源研究院 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 国家能源投资集团有限责任公司,北京低碳清洁能源研究院 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：北京市 | 城市 | 当前专利权人所在城市：北京市东城区 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：北京市东城区安定门西滨河路22号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：100011 |
| 主IPC国际分类 | F28D20/00 | 所有IPC国际分类 | F28D20/00 ; H05B3/00 ; H05B3/42 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京英创嘉友知识产权代理事务所 | 专利代理人 | 李雪薇; |
| 摘要 | 本公开涉及一种蓄热单元及储热系统，该蓄热单元包括：蓄热体；电加热件；围设于蓄热体的周向，用于加热蓄热体，电加热件与蓄热体之间具有间隙，该间隙形成气体绝缘层；以及固体绝缘层，围设于电加热件的周向，用于防止相邻两个蓄热单元之间因高 电压 而击穿。通过上述设置，该蓄热单元能够保证两个蓄热单元之间可以耐高电压击穿，实现在高电压下具有高 传热 速度，以解决高电压下的加热储热问题。 | ||
| 权利要求 | 1.一种蓄热单元，其特征在于，所述蓄热单元(100)包括： |
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| 说明书全文 | 蓄热单元及储热系统技术领域[0001] 本公开涉及固体储热技术领域，具体地，涉及一种蓄热单元及储热系统。 背景技术[0002] 热储能技术可以将电能转化为热能存储，利用电加热丝将电转化为热是一种经济可行的高效率加热方式。传统的电加热储热装置，蓄热体一般采用镁砖、铝砖、水泥等电绝缘材料，加热时电加热丝可以与蓄热体直接接触。这些电绝缘的储热材料在电加热时不需要做绝缘处理，但是这些蓄热材料普遍热导率偏低，在储热和放热过程中，传热速度慢，材料的温度不均匀，导致储热系统传热速度低，材料容易因为大温差导致开裂或破碎。如果蓄热体采用高导热率高的材料如金属、碳素材料，可以大幅度提高材料的传热速度，但是因为材料具有导电性，需要进行绝缘处理。对于导电材料与电加热装置之间的绝缘处理可以采用气体绝缘层或固体绝缘层，为了实现满足高电压加热，气体绝缘层或固体绝缘层的厚度需要不断增加，然而，气体绝缘层或固体绝缘层的厚度增加会严重影响发热装置与蓄热体之间的传热，从而影响传热效果。 [0003] 因此，如何在满足电加热装置与蓄热体之间的绝缘问题的同时，实现高电压加热是当前亟需解决的问题。发明内容 [0004] 本公开的目的是提供一种蓄热单元及储热系统，该蓄热单元能够保证两个蓄热单元之间可以耐高电压击穿，实现在高电压下具有高传热速度，以解决高电压下的加热储热问题。 [0005] 为了实现上述目的，本公开第一方面，提供一种蓄热单元，所述蓄热单元包括： [0006] 蓄热体； [0007] 电加热件；围设于所述蓄热体的周向，用于加热所述蓄热体，所述电加热件与所述蓄热体之间具有间隙，所述间隙形成气体绝缘层；以及 [0008] 固体绝缘层，围设于所述电加热件的周向，用于防止相邻两个所述蓄热单元之间因高电压而击穿。 [0009] 可选地，所述蓄热体采用导热导电蓄热材料。 [0011] 可选地，所述蓄热体的储热温度为1000‑3000℃； [0012] 和/或，所述电加热件构造为加热丝或加热棒，所述加热丝或加热棒的加热温度为500‑1600℃。 [0013] 可选地，所述固体绝缘层被配置为：在所述电加热件加热至1000℃时，相邻两个所述蓄热单元之间的耐击穿电压大于50kV。 [0014] 可选地，所述固体绝缘层的厚度大于等于3cm； [0017] 所述换热器和所述风机通过连接管道连通，所述风机远离所述换热器的一端与所述储热装置的一端连通，所述换热器远离所述风机的一端与所述储热装置的相对的另一端连通。 [0018] 可选地，所述储热装置包括保温层，所述保温层围成储热空间，多个所述蓄热单元设于所述储热空间内。 [0019] 可选地，所述保温层内还设有第一气体分布器和第二气体分布器； [0020] 所述风机远离所述换热器的一端与所述第一气体分布器连通，且该第一气体分布器与多个所述蓄热单元的所述气体绝缘层的一端连通； [0021] 所述换热器远离所述风机的一端与所述第二气体分布器连通，且该第一气体分布器与多个所述蓄热单元的所述气体绝缘层的相对的另一端连通。 [0022] 可选地，所述储热装置中的多个所述蓄热单元中的三个所述蓄热单元形成一加热组，该加热组中的三个所述蓄热单元的所述电加热件分别连接到三项交流电中的一项；其中，所述电加热件的加热电压为2‑110kV。 [0023] 通过上述技术方案，即本公开的蓄热单元，通过在蓄热体的周向设置电加热件，利用电加热件加热蓄热体并存储热量，因在电加热件与蓄热体之间形成气体绝缘层，可以实现在高电压下对蓄热体进行加热且传热速度高，同时，蓄热体外侧围设有固体绝缘层，可以在蓄热单元引入单项电压，蓄热单元内部不会被高电压击穿，相邻两个蓄热单元之间被固体绝缘层隔开，保证每两个蓄热单元之间可以耐高电压击穿，因为蓄热体与电加热件之间没有固体绝缘层限制传热，也不用设计太厚的气体绝缘层用于绝缘，实现在高电压下具有高传热速度，以解决高电压下的加热储热问题。 [0026] 图1是本公开一些实施例提供的蓄热单元的结构示意图； [0027] 图2是本公开一些实施例提供的储热系统的结构示意图； [0028] 图3是本公开一些实施例提供的储热系统的储热装置的剖面图。 [0029] 附图标记说明 [0030] 10‑储热装置；20‑换热器；30‑风机；100‑蓄热单元；110‑蓄热体；120‑电加热件；130‑固体绝缘层；101‑气体绝缘层；200‑保温层；310‑第一气体分布器；320‑第二气体分布器。 具体实施方式[0031] 以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。 [0032] 在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内、外”是指相应部件轮廓的内和外；“远、近”是指相应结构或者相应部件远离或者靠近另一结构或者部件而言的。另外，本公开所使用的术语“第一”、“第二”等是为了区分一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。此外，在下面的描述中，当涉及到附图时，除非另有解释，不同的附图中相同的附图标记表示相同或相似的要素。上述定义仅用于解释和说明本公开，不应当理解为对本公开的限制。 [0033] 相关技术中，当蓄热体采用高导热率高的材料如金属、碳素材料时，对于导电材料与电加热装置之间的绝缘处理可以采用气体绝缘层或固体绝缘层，使用气体层作为绝缘，直接将电流接入导电材料的两端，利用导电材料的电阻通电产生热量，在电加热装置与蓄热体之间设置气体绝缘层，这种方式可以解决导电材料电加热的问题，但是，采用电流直接加热蓄热体时一方面加热体作为蓄热体本身的截面积大，为了防止电流太大，不能施加太高的电压，另一方面，蓄热体之间要防止击穿，在提高电压的同时需要不断增大气体绝缘层的厚度，增加绝缘层的厚度会导致传热能力下降，也导致整个蓄热装置的体积变大。在加热装置与蓄热体之间设置固体绝缘层也可以实现蓄热体与加热装置之间的绝缘，但是，随着电压的增加，固体绝缘层的厚度需要不断增大，从而严重影响发热装置与蓄热体之间的传热，从而影响传热效果。 [0034] 因此，如何在满足电加热装置与蓄热体之间的绝缘问题的同时，实现高电压加热是当前亟需解决的问题。 [0035] 为了实现上述目的，如图1至图3所示，本公开第一方面，提供一种蓄热单元100，蓄热单元100包括：蓄热体110；电加热件120；围设于蓄热体110的周向，用于加热蓄热体110，电加热件120与蓄热体110之间具有间隙，间隙形成气体绝缘层101；以及固体绝缘层130，围设于电加热件120的周向，用于防止相邻两个蓄热单元100之间因高电压而击穿。 [0036] 通过上述技术方案，即本公开的蓄热单元100，通过在蓄热体110的周向设置电加热件120，利用电加热件120加热蓄热体110并存储热量，因在电加热件120与蓄热体110之间形成气体绝缘层101，可以实现在高电压下对蓄热体110进行加热且传热速度高，同时，蓄热体110外侧围设有固体绝缘层130，可以在蓄热单元100引入单项电压，蓄热单元100内部不会被高电压击穿，相邻两个蓄热单元100之间被固体绝缘层130隔开，保证每两个蓄热单元100之间可以耐高电压(例如，大于等于10kV)击穿，因为蓄热体110与电加热件120之间没有固体绝缘层130限制传热，也不用设计太厚的气体绝缘层101用于绝缘，实现在高电压下具有高传热速度，以解决高电压下的加热储热问题。 [0037] 需要说明的是，使用高电压加热还可以降低加热系统的成本，可以减少由高压电网接入储热系统的电缆、变压器等设备成本，解决导电材料的高电压加热问题，可以大幅提高储热系统的性能，同时降低储热系统的成本。 [0038] 可选地，蓄热体110采用导热导电蓄热材料，例如，可以采用高石墨化度、高导热碳材料。本公开解决了蓄热单元100在高电压下的加热问题，同时，该结构对蓄热体110的电阻率无限制，可以采用电阻率更低，导热性能更强的蓄热材料，如高石墨化度的碳材料及金属材料。 [0039] 相比于相关技术，本公开的蓄热体110采用了不同的储热材料、蓄热单元100采用了不同的结构设计、在高电压下有更高的加热速度、在更高的传热速度下具有更高的电压。 [0040] 在一些实施例中，蓄热体110的石墨化度可以为60‑100％，热导率可以为50‑800W/‑4 ‑6mK，电阻率可以为10 ‑10 Ωm。 [0041] 本公开使用用导电材料作为蓄热体110的储热材料，以提高传热速度和高温稳定性，其中，蓄热体110的石墨化度可以为60‑100％，蓄热体110的热导率为50‑800W/mK，相比于传统的绝缘储热材料(例如，镁砖，其热导率仅为2‑5/mK)，本公开中的蓄热体110的热导率大幅度提高，传热性能大幅提升；使用高石墨化度的储热材料。 [0042] 可选地，蓄热体110的储热温度为1000‑3000℃，其中，蓄热体110的材料熔点可以大于等于3000℃，因此，其储热温度可以达到1000‑3000℃，提高储热温度，以保障储热效率。 [0043] 在一些实施例中，电加热件120可以构造为加热丝或加热棒，加热丝或加热棒的加热温度可以为500‑1600℃。其中，当电加热件120为加热丝时，加热丝可以为镍铬合金丝，加热温度500‑1600℃，每个蓄热单元100内的加热丝连接到三项交流电其中一项，因此每个蓄热单元100内的加热丝上没有相电压，蓄热体110与加热丝之间的气体绝缘层101可以作为蓄热体110与加热丝之间的电绝缘介质，同时作为放热时的气体换热介质通道，用于与处部的换热器20的换热。 [0044] 固体绝缘层130可以采用任意合适的结构进行构造，在本公开的一些实施例中，固体绝缘层130被配置为：在电加热件120加热至1000℃时，相邻两个蓄热单元100之间的耐击穿电压大于50kV，即在50kV电压下，两组电加热件120(例如电加热丝)之间的断路电流<10mA，保障蓄热单元100可以耐高电压击穿。 [0045] 可选地，固体绝缘层130的厚度大于等于3cm；和/或，固体绝缘层130采用氧化镁材质。 [0046] 在一些实施例中，固定绝缘层的厚度可以为3cm，固定绝缘层的厚度也可以大于3cm，例如，4cm、5cm等，以保障两个蓄热单元100之间不被高压电击穿。需要说明是，固定绝缘层可以有用任意合适材质的材料进行构造，例如，可以采用氧化镁或者氧化铝材质，其绝缘性能良好，可以满足高电压的要求，能够在电压大于50kV时不被击穿。 [0047] 在一个具体的实施例中，可以采用热导率为50W/mK的蓄热体110，电加热丝可以为镍铬合金丝，加热温度500‑1600℃，且三项交流电的电压为2‑110kV，固体绝缘层130可以采用氧化镁(MgO)材质，厚度可以为5cm，蓄热体110达到1000℃需要3h，而采用传统的加热结构，蓄热体110达到1000℃需要10h，因此，本公开的蓄热单元100具有更高的加热电压及更高的传热速度。 [0048] 如图2所示，本公开第二方面，还提供一种储热系统，该储热系统包括连接的换热器20、风机30和储热装置10，储热装置10包括多个上述的蓄热单元100；换热器20和风机30通过连接管道连通，风机30远离换热器20的一端与储热装置10的一端连通，换热器20远离风机30的一端与储热装置10的相对的另一端连通。其中，换热器20、风机30和储热装置10依次连接，通过风机30，将储热装置10的多个蓄热单元100中的蓄热体110中存储的热量交换出来，并在换热器20处进行与外界换热，例如，可以将水加热为蒸汽等。 [0049] 可选地，储热装置10中的多个蓄热单元100中的三个蓄热单元100形成一加热组，该加热组中的三个蓄热单元100的电加热件120分别连接到三项交流电中的一项；其中，电加热件120的加热电压为2‑110kV。 [0050] 其中，蓄热体110为导电蓄热材料(例如，可以采用高石墨化度、高导热碳材料，石‑4 ‑6墨化度60‑100％，热导率50‑800W/mK，电阻率10 ‑10 Ωm)，电加热丝可以为镍铬合金丝，加热温度500‑1600℃，每个蓄热单元100内的加热丝连接到三项交流电其中一项，因此每个蓄热单元100内的加热丝上没有相电压；气体绝缘层101作为蓄热体110与加热丝之间的绝缘介质，同时作为放热时的气体换热介质通道；固体绝缘层130作为蓄热单元100之间的绝缘介质，每两个蓄热单元100间的电加热丝连接到三项交流电的两项，利用各项的电压差实现电加热，三项交流电的电压为2‑110kV，由于蓄热单元100之间固体绝缘层130的存在，两个蓄热单元100之间可以保证在高电压下不被击穿。 [0051] 储热时，储热装置10内的每两个蓄热单元100间的加热丝由于电压差存在，电加热丝发热，产生的热量通过热辐射和热对流形式传递给蓄热体110，蓄热体110升温，热能被存储在蓄热材料内部。放热时，开启风机30，低温气体换热介质通过风机30进入储热装置10内部，低温气体介质通过换热风道，蓄热体110的热量传给气体介质，气体被加热，变成高温气体，并进入换热器20，通过换热器20，把水变为蒸汽，产生的蒸汽供使用。 [0052] 在一些实例中，储热装置10包括保温层200，保温层200围成储热空间，多个蓄热单元100设于储热空间内，其中，保温层200可以采用任意合适的保温材料，能够转成一个密封的保温空间即可，用于减少多个蓄热单元100的热量损失。需要说明的是，保温层200上开设用于与内机和换热器20连通的开孔，用于穿设连接管道。例如，开孔可以为两个，分别设于保温层200的相对的两个侧壁上。 [0053] 为了实现多个蓄热单元100的气体绝缘通道与风机30和换热器20的连通，如图3所示，在本公开的一些实施例中，保温层200内还设有第一气体分布器310和第二气体分布器320；风机30远离换热器20的一端与第一气体分布器310连通，且该第一气体分布器310与多个蓄热单元100的气体绝缘层101的一端连通；换热器20远离风机30的一端与第二气体分布器320连通，且该第一气体分布器310与多个蓄热单元100的气体绝缘层101的相对的另一端连通。 [0054] 其中，换热器20的一端通过连接管道与风机30的进风端连通，风机30的出风端通过第一管路与第一气体分布器310连通，以使得由风机30排出的换热气体通过第一气体分布器310与保温层200内部的多个蓄热单元100的气体绝缘层101连通，从而将蓄热体110中的热量换出，换热器20的另一端通过第二管路与第二气体分布器320连通，用于将多个蓄热单元100中的气体绝缘层101中换出的热量汇集后进入换热器20进行换热，实现储热装置10与换热器20的热量交换。 [0055] 综上所述，本公开的蓄热单元100及储热系统，该储热系统包括换热器20、风机30和储热装置10，该储热装置10包括保温层200和设于保温层200内的多个蓄热单元100，其中，蓄热单元100包括蓄热体110、电加热件120和固体绝缘层130，电加热件120设在蓄热体110的周向，通过电加热方式产生高温热能并将热能辐射给蓄热体110实现热能存储，并在电加热件120与蓄热体110之间形成气体绝缘层101，可以实现在高电压下对蓄热体110进行加热且传热速度高，还可以用于换热时的换热气体通道，同时，蓄热体110外侧围设有固体绝缘层130，在蓄热单元100引入单项电压时，蓄热单元100内部不会被高电压击穿，相邻两个蓄热单元100之间被固体绝缘层130隔开，保证两个加热单元间的加热丝在超过10kV的电压下不会发生击穿。通过特殊的结构设计，实现导电蓄热材料的高电压、高温热能存储与释放。因为蓄热体110与电加热件120之间没有固体绝缘层130限制传热，也不用设计太厚的气体绝缘层101用于绝缘，实现在高电压下具有高传热速度，以解决高电压下的加热储热问题。 [0056] 本公开的蓄热单元100的上述设置方式，解决了导电蓄热材料在高电压下的使用问题，采用更加成熟、成本更低的电加热丝作为蓄热体110的加热，同时在加热丝与蓄热体110之间设置气体绝缘层101，在蓄热单元100之间布置固体绝缘层130，每个蓄热单元100引入单项电压，蓄热单元100内部不存在高电压下的击穿问题，在蓄热单元100与蓄热单元100之间设置固体绝缘层130，保证每两个蓄热单元100之间可以耐高电压击穿，因为蓄热体110与电加热件120之间没有固体绝缘层130限制传热，也不用设计太厚的气体绝缘层101用于绝缘，可以实现在高电压下具有高传热速度，也解决了导电储热材料在高电压下的加热问题。同时，该加热结构中对蓄热体110的电阻率无限制，可以采用电阻率更低，导热性能更强的导电导热蓄热材料，如高石墨化度的碳材料及金属材料。 [0057] 以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。 [0058] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。 [0059] 此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。 |
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