一种热能径向分级存储装置及方法

技术领域

本发明涉及一种热能存储技术领域，特别是关于一种热能径向分级存储装置及方法。

背景技术

目前，如何使用可再生能源来减少化石能源的使用得到了广泛的关注，然而可再生能源(如风能、太阳能等)具有不稳定、间歇性和周期性等诸多问题，限制了可再生能源的大规模应用。热能存储技术可以将多余的能量存储起来，在用户需要时释放稳定能量，从而解决可再生能源不稳定、间歇性等问题。

热能存储技术通常使用罐子存储能量，并将罐体暴露在环境当中，由于存储温度与环境温度之间的传热温差，导致热能通过环境不断耗散，造成能量损失，降低热能存储效率，并且损失量随着环境温度与存储温度的传热温差增大而增大。此外，热能在充放过程中，换热流体与储能材料之间存在传热温差，这导致充放过程结束后，储能材料内部存在显著的温度梯度，将其放置在一个储罐中会引起内部热量传递，导致能量品位降低。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种热能径向分级存储装置及方法，能有效避免与外界环境的直接接触，降低存储过程中的传热温差，从而减少通过环境的能量耗散。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种热能径向分级存储装置，至少包括：内罐、中罐和外罐，内罐、中罐和外罐由内至外依次包裹；内罐的内部设置有高品位能量填充层，内罐的外壁设置有内罐保温层；中罐与内罐之间设置有中品位能量填充层，且中罐的外壁设置有中罐保温层；外罐与中罐之间设置中有低品位能量填充层，且外罐的外壁设置有外罐保温层。

进一步，高品位能量填充层由高品位能量储能材料制成，用于存储高品位热能。

进一步，中品位能量填充层由中品位能量储能材料制成，用于存储中品位热能。

进一步，低品位能量填充层由低品位能量储能材料制成，用于存储低品位热能。

进一步，所述储能材料为显热材料，或相变材料。

进一步，还包括第一布液器、第二布液器和第三布液器；

第一布液器设置在内罐内部，位于内罐底部；

第二布液器设置在内罐与中罐之间，位于中罐的上部；

第三布液器设置在中罐与外罐之间，位于外罐的下部。

进一步，第一布液器的一端通过管路与外部连通，管路的另一端穿过外罐的底部延伸至外罐外部，并在外罐外部的管路上设置有第一阀门。

进一步，位于外罐的顶部设置有用于与外部连通的另一管路；该另一管路的一端位于低品位能量填充层内，另一端穿过外罐的顶部延伸至外罐外部，并在外罐外部的另一管路上设置有第二阀门。

进一步，高品位能量填充层、中品位能量填充层和低品位能量填充层沿径向分布，梯级存储高品位能量、中品位能量和低品位能量。

一种如上述装置的热能径向分级存储方法，包括蓄能过程和释能过程：

蓄能过程：

高品位换热流体经过第一阀门和第一布液器进入高品位能量填充层，换热流体释放高品位能量，并将其存储在高品位能量储能材料，换热流体品位降低；

换热流体通过第二布液器进入中品位能量填充层，释放中品位能量，并将其存储在中品位能量储能材料，换热流体品位进一步降低；

换热流体经过第三布液器进入低品位能量填充层，释放低品位能量，并将其存储在低品位能量储能材料，然后由第二阀门流出；

释能过程：

常温换热流体经过第二阀门进入低品位能量填充层，与低品位能量储能材料换热，换热流体品位升高；

换热流体经过第三布液器进入中品位能量填充层，与中品位能量储能材料换热，换热流体品位升高；

换热流体经过第二布液器进入高品位能量填充层，与高品位能量储能材料换热，换热流体品位进一步升高，然后通过第一布液器和第一阀门流出。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明通过外罐包裹中罐、中罐包裹内罐的形式梯级存储不同品位的热能，可以有效避免外界环境对高品位和中品位能量的直接热冲击，从而降低通过外界环境的能量耗散；此外，通过保温层隔绝各罐之间的热量传递，有效避免存储过程高品位、中品位与低品位能量之间的热传递。

2、本发明将高品位能量、中品位能量和低品位能量沿径向梯级存储，可以有效避免与外界环境的直接接触，降低存储过程中的传热温差，从而减少通过环境的能量耗散。

3、本发明在高品位、中品位和低品位能量填充层之间设置保温层隔绝传热，可以有效避免不同能量品位之间热传递导致的能量损失。

综上，本发明为实现热能的跨季节存储提供了一种可行方案，可用于热能的长时存储(跨天、跨周、跨季节)。

附图说明

图1是本发明实施例中热能径向分级存储装置结构示意图；

附图标记：

1-第一阀门，2-第一布液器，3-高品位能量填充层，4-高品位能量储能材料，5-内罐，6-第二布液器，7-中品位能量填充层，8-中品位能量储能材料，9-中罐，10-第三布液器，11-低品位能量填充层，12-低品位能量储能材料，13-外罐，14-第二阀门，15-内罐保温层，16-中罐保温层，17-外罐保温层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了解决现有技术中热能存储技术中热能通过环境不断耗散，造成能量损失，降低热能存储效率，能量品位降低的问题，本发明提供一种热能径向分级存储装置及方法，其包括内罐、中罐和外罐；所述内罐中设置高品位能量填充层，内罐与中罐之间依次设置保温层和中品位能量填充层，中罐与外罐之间依次设置保温层和低品位能量填充层，外罐外壁设置保温层；内罐用于存储高品位热能，中罐用于存储中品位热能，外罐用于存储低品位热能。本发明通过外罐包裹中罐、中罐包裹内罐的形式梯级存储不同品位的热能，一方面，可以有效降低外界环境对内罐与中罐的热冲击，并且通过保温层进一步隔绝各罐之间的热量传递，从而减少存储过程中的高品位和中品位热能的耗散率；另一方面，隔绝不同能量品位热能的传递，避免能量品位的降低，最终实现热能的跨天、跨周乃至跨季节高效存储。

在本发明的一个实施例中，提供一种热能径向分级存储装置。本实施例中，如图1所示，该装置至少包括：内罐5、中罐9和外罐13，且内罐5、中罐9和外罐13由内至外依次包裹；

内罐5的内部设置有高品位能量填充层3，内罐5的外壁设置有内罐保温层15；

中罐9与内罐5之间设置有中品位能量填充层7，且中罐9的外壁设置有中罐保温层16；

外罐13与中罐9之间设置中有低品位能量填充层11，且外罐13的外壁设置有外罐保温层17。

上述实施例中，高品位能量填充层3由高品位能量储能材料4制成，以用于存储高品位热能；

中品位能量填充层7由中品位能量储能材料8制成，以用于存储中品位热能；

低品位能量填充层11由低品位能量储能材料12制成，以用于存储低品位热能。

本实施例中，储能材料可以是显热材料，例如石头、沙子等，也可以是相变材料，如无机盐、有机物等。

本实施例中，高品位是指储能材料可承受的高温为200°以上，低温为-160°以下；中品位是指储能材料可承受的高温为(100°，200°)，低温为(-100°，-160°)；低品位是指储能材料可承受的温度为(-100°，100°)。

上述实施例中，本发明的热能径向分级存储装置还包括第一布液器2、第二布液器6和第三布液器10；

第一布液器2设置在内罐5内部，位于内罐5的底部；第二布液器6设置在内罐5与中罐9之间，位于中罐9的上部；第三布液器10设置在中罐9与外罐13之间，位于外罐13的下部。

上述实施例中，第一布液器2的一端通过管路与外部连通，该管路的另一端穿过外罐13的底部延伸至外罐13外部，并在外罐13外部的管路上设置有第一阀门1，用于控制进入内罐5中的流体流量。位于外罐13的顶部设置有用于与外部连通的另一管路，该另一管路的一端位于低品位能量填充层11内，另一端穿过外罐13的顶部延伸至外罐13外部，并在外罐13外部的另一管路上设置有第二阀门14。

上述实施例中，高品位能量填充层3、中品位能量填充层7和低品位能量填充层11沿径向分布，梯级存储高品位能量、中品位能量和低品位能量，可以有效避免与外界环境的直接接触，降低存储过程中的传热温差，从而减少通过环境的能量耗散。

上述各实施例中，可以设置多级存储，并不局限于内罐5、中罐9和外罐13的三级存储结构。

在本发明的一个实施例中，提供一种热能径向分级存储方法，该方法基于上述各实施例中的热能径向分级存储装置实现。具体的，该方法包括以下步骤：

1)蓄能过程：高品位换热流体经过第一阀门1和第一布液器2进入高品位能量填充层3，换热流体释放高品位能量，并将其存储在高品位能量储能材料4，换热流体品位降低；

然后，换热流体通过第二布液器6进入中品位能量填充层7，释放中品位能量，并将其存储在中品位能量储能材料8，换热流体品位进一步降低；

最后，换热流体经过第三布液器10进入低品位能量填充层11，释放低品位能量，并将其存储在低品位能量储能材料12，然后由第二阀门14流出；

2)释能过程：常温换热流体经过第二阀门14进入低品位能量填充层11，与低品位能量储能材料12换热，换热流体品位升高；

然后，换热流体经过第三布液器10进入中品位能量填充层7，与中品位能量储能材料8换热，换热流体品位升高；

最后，换热流体经过第二布液器6进入高品位能量填充层3，与高品位能量储能材料4换热，换热流体品位进一步升高，然后通过第一布液器2和第一阀门1流出。

上述实施例中，高品位能量填充层3、中品位能量填充层7和低品位能量填充层11之间通过保温层隔绝传热，可以有效避免不同能量品位之间的热传递。

本实施例提供的方法是基于上述各装置实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。