一种基于气体对流的固介储能系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于气体对流的固介储能系统及方法，属于能量存储及利用技术领域。

背景技术

储能技术主要分为三类：电化学储能、机械储能和热储能。其中热储能成本低廉，适合大规模储能。固介储热技术具有储热温度高、储能密度较大、对外输出热能的形式多样等优点；既可以提供热风，也能够提供高温蒸汽和热水，能够满足工业和民用多个领域的用热需求。固介储热电锅炉是一种较为常见的储热型供热产品，其利用低谷电加热储热介质，在电价平峰和高峰时段放热提供蒸汽或热水。该类系统大多为热传导方式换热，采用电热合金和储热材料的耦合结构，通过电热合金将电能转化为热能存储在储能材料中，因此存在设备零部件需要单独设计，储热系统结构复杂，换热零部件制造成本较高和维护困难的问题。为了进一步节省成本，扩大储能规模，提高能源综合利用率，急需设计一种换热结构简单，储热量更大，储热周期更长，成本更加低廉，使用寿命更长的储热系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单的使用气体对流换热方式的固介储能系统及方法，该系统外部为保温壳体，内部设置有多个储能单元，储能单元和保温壳体的空隙构成气体流道，在系统外部使用风机驱动高温气体进入系统内部，通过强制对流换热的方式，可以有效将气体热量存储在固体颗粒中，实现高温气体的显热储热。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于气体对流的固介储能系统，包括储能模块1、进口阀门2、出口阀门3和风机4，其中储能模块1由保温壳体5和储能单元6组成，储能单元6包括储能单元外壳8，填装在储能单元外壳8内部的固体储能和换热介质，设置在固体储能和换热介质中的测温元件7；所述风机4的出风口与进口阀门2由管路连接，所述保温壳体5的进气口与进口阀门2由管路连接，保温壳体5的出气口与出口阀门3由管路连接；多个所述储能单元6布置安装在保温壳体5内部，相邻储能单元6及保温壳体5间形成气体流道。

所述风机4的进风口与任意提供高温气体的装置或环境相连或者与任意提供气体温度低于所述储能单元6温度的装置或直接从环境中抽取室温气体，气体种类是高温状态下没有可燃性，性质相对稳定，对保温壳体5和储能单元外壳8没有腐蚀性，具有一定比热容的气体。

所述风机4用于将高温气体以足够大的压力和流量经过进口阀门2泵入储能模块1中，该压力和流量根据具体实施方式而定，高温气体的压力需要满足使高温气体从出口阀门3流出储能模块1时仍具有不小于常压的压力；所述风机4需选用高温风机，其最高使用温度根据用于换热的高温气体温度而定。

所述保温壳体5内部底部安装有加筋底座11用于支撑加筋底座11上部的储能单元6，和/或不同储能单元6之间安装加筋底座11作为支撑或连接结构，加筋底座筋板之间的空隙用作气体流道，使气体能继续流动。

所述保温壳体5由多层保温隔热材料制成或采用涂有保温耐火涂层的复合保温结构，所述保温隔热材料包括岩棉、玻璃棉、硅酸铝、橡胶、聚氨酯中的一种或多种。

所述保温壳体5进气口与出气口是一个或多个，形状取决于由保温壳体5和储能单元6构成的气体流道，进气口与出气口的位置需要尽可能使高温气体在流道中充分流动，使高温气体和储能单元6的换热面积最大。

根据储能模块1及其内部储能单元6形状引起换热面积的大小，决定在储能单元外壳8外表面设置或不设置平行于气流流动方向的翅片9。

所述储能单元外壳8由金属制成；所述翅片9与所述储能单元外壳8为相同材料制成，或使用与所述储能单元外壳8材料具有良好焊接性能的金属制作。

所述储能单元外壳8为封闭外壳，固体储能和换热介质在储能单元外壳8内填装时在储能单元外壳8内部留有一定空隙。

所述固体储能和换热介质选用耐高温固体颗粒，所述耐高温固体颗粒包括沙子、氧化镁颗粒、氧化铝颗粒、硅酸铝颗粒、陶瓷颗粒、粘土颗粒、碳化硅颗粒、碳颗粒中的任一种或多种混合物。

所述固体储能和换热介质还包括所述耐高温固体颗粒中添加各类相变材料或添加金属粉末形成的复合耐高温固体储热介质，所述相变材料包括硅铝合金颗粒、铅锡合金颗粒、碳酸盐、氯化盐中的任一种或多种混合物，所述金属粉末包括铝粉、铜粉或铁粉。

所述储能系统由一个或多个储能模块1组成，多个储能模块1之间进行连接，多个储能模块1的尺寸和形状相同或不同，多个储能模块1的排布方式根据具体应用场景改变。

所述的基于气体对流的固介储能系统的工作方法，储能时，所述风机4进风口通过管路连接任意提供高温气体的装置或环境，将所述风机4出风口产生的具有一定压强和流速的高温气体经由进口阀门2通入保温壳体5中，通过风机4调节高温气体的流量，高温气体在保温壳体5和储能单元6组成的气体流道之间强制对流换热，高温气体换热后从保温壳体5的出气口流经出口阀门3流出，气体的热量储存在固体储能和换热介质中，固体储能和换热介质温度上升，储存的热量在保温壳体5中长期保存；

释能时，所述风机4进风口通过管路连接任意提供气体温度低于所述储能单元6温度的装置或直接从环境中抽取室温气体，将由风机4产生的具有一定压强和流速的气体经由进口阀门2通入保温壳体5的进气口中，通过风机4调节气体流量，气体在保温壳体5和储能单元6组成的流道之间与固体储能和换热介质强制对流换热，气体吸收热量后变为高温气体并从保温壳体5的出气口流经出口阀门3流出，该高温气体进入换热器与流体换热或应用于需要高温气体的场合，固体储热介质温度下降，储存的热量被带出。

相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

1、该系统在储能和释能过程的换热流道相同，结构相比利用电热合金的固介储能系统简单许多，后期维护方便，换热效率较高，相比其他储能系统，该系统由于采用固体储能介质，系统规模可根据储热需求扩充，因此具有储热量大的优点；由于该系统耗能部件仅为风机，气体可在风机作用下循环换热，因此具有能源综合利用率高的优点；由于系统工作过程不存在腐蚀现象或运动结构，因此使用寿命长；由于系统具有较低导热系数的保温壳体，内部储能单元结构简单，因此储热周期长，成本低廉，制造安装简单，无易燃易爆问题的优点。

2、基于强制对流换热特性，本发明的换热流道具有较大换热面积，储能单元外壳上的翅片还带有扰流效果，进一步强化了换热效率。

附图说明

图1为本发明所涉及其中一种实施方式的基于气体对流的固介储能系统结构示意图。

图2为图1实施方式的基于气体对流的固介储能系统中剖去部分保温壳体的储能模块立体图。

图3为图1实施方式的基于气体对流的固介储能系统中储能单元的立体图。

图1-3中：1-储能模块；2-进口阀门；3-出口阀门；4-风机；5-保温壳体；6-储能单元；7-测温元件；8-储能单元外壳；9-翅片。

图4为本发明所涉及另一种实施方式的基于气体对流的固介储能系统结构示意图。

图5为图4实施方式的基于气体对流的固介储能系统中储能模块的半剖立体图。

图6为图4实施方式的基于气体对流的固介储能系统中加筋底座的立体图。

图4-6中：1-储能模块；2-进口阀门；3-1-出口阀门A；4-风机；5-保温壳体；6-储能单元；7-测温元件；10-出口阀门B；11-加筋底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步说明，此外，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的实施例的描述中，“多个”代表至少2个。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-3所示，一种基于气体对流的固介储能系统，包括储能模块1、进口阀门2、出口阀门3、风机4。系统以耐高温固体颗粒为储能和换热介质，包括沙子、氧化镁颗粒、氧化铝颗粒、硅酸铝颗粒、陶瓷颗粒、粘土颗粒、碳化硅颗粒、碳颗粒中的任一种或多种混合物，其理论最高储热温度范围为600～1000℃。储能和换热介质还可以选用在耐高温固体颗粒中加入相变材料或金属粉末形成的复合固体储热介质，相变材料包括硅铝合金颗粒、铅锡合金颗粒、碳酸盐或氯化盐，金属粉末包括铝粉、铜粉或铁粉。储能模块1采用强制对流换热的方式进行换热，储能模块1内部设置有多个按固定间距阵列排布安装的储能单元6，储能模块1内的气体流道由储能单元6和保温壳体5共同组成。

风机4的进风口可与任意提供高温气体的装置或环境相连，风机3的出风口通过管路与进口阀门2连接。风机4用于将高温气体以足够大的压力和流量经过进口阀门2泵入储能模块1中，该压力和流量可根据具体实施方式而定，高温气体的压力需要满足使高温气体从出口阀门3流出储能模块1时仍具有不小于常压的压力。

储能模块1由多个储能单元6和保温壳体5组成，储能单元6按照固定间距阵列排布安装布置在保温壳体5内部。风机4将高温气体泵入储能模块1后，储能单元外壳8将与高温气体发生强制对流换热，储能单元外壳8内部填充有耐高温固体颗粒并用于储存高温气体的热量。

储能模块1和储能单元6的形状为长方体形，储能单元6上下错开固定在储能模块1的保温壳体(5)，以形成气体流道，在保温壳体5两侧分别设置有圆孔用于安装连接进口阀门2和出口阀门3的管路，进口阀门2通过管路与风机4的出风口相连，储能模块1内部设置有多个高度相同的储能单元6，储能单元6由测温元件7，储能单元外壳8，翅片9和固体储能和换热介质组成，储能单元外壳8的外表面上分布有沿气体流动方向横向布置的翅片9。

翅片9主要用于增大换热面积和扰流，高温气体被风机4泵入储能模块1后，气流沿储能模块1内部气体流道流动并换热。

测温元件7安装于储能单元6的体积中心处，用于测量储能单元6内部固体储热介质的温度，通过电路连接将温度信号反馈至储能模块1外部。

实施例2

如图4-6所示，本实施例基于实施例1的技术方案提出，储能模块1的形状为圆柱形，内部储能单元6的形状为圆筒形，且多个储能单元6的尺寸不同，储能单元6的设置数量和尺寸可根据储能模块1的尺寸选取设计。

储能模块1由多个储能单元6和保温壳体5组成，保温壳体5底部中心处设置有一圆孔用于安装连接进口阀门2的管路，保温壳体5的圆柱表面靠近底部处设置有对称的两个圆孔用于安装连接出口阀门A 3-1和出口阀门B10的管路。

储能模块1内部的最外侧储能单元6底部设置有两条引出气体的流道管路，该管路与保温壳体5圆柱表面底部的两个圆孔对应，用于将换热后的高温气体引出储能模块1。

保温壳体5内部底部安装有加筋底座11用于支撑加筋底座11上侧的储能单元6，加筋底座筋板之间的空隙可用作气体流道，使气体能继续流动。

本实施例中，储能单元6由测温元件7，储能单元外壳8和内部固体储能和换热介质组成，由于气体流道横截面呈圆环状，同储能模块体积下，实施例2的换热面积相比实施例1更大，因此省去了在储能单元外壳8外侧布置的沿气体流动方向的翅片，在实施例2的圆柱状储能单元外壳8外侧布置翅片也会导致建造成本的进一步上升。

本实施例中，保温壳体5内部安装的加筋底座11安装位置和数量不固定，安装位置可以在保温壳体5底部，也可以安装于不同储能单元6之间作为支撑结构，安装数量可以是1个也可以是多个，加筋底座11的尺寸和形状可根据具体安装位置改变。

风机4将高温气体从储能模块1底部中心管路泵入，储能单元外壳8将与高温气体发生强制对流换热，储能单元外壳8内部填充有耐高温固体颗粒并用于储存高温气体的热量。

在本发明的实施例中，保温壳体5由保温隔热材料制成，所述保温隔热材料包括岩棉、玻璃棉、硅酸铝、橡胶、聚氨酯中的一种或多种。此外，保温壳体5还包括由多层保温隔热材料制成或涂有保温耐火涂层的复合保温结构。

在本发明的实施例中，风机4的设计参数依据具体实施例的高温气体源，储能模块结构和气体流道结构选定。风机4的工作气体种类可以是空气或二氧化碳等在高温状态下没有可燃性，性质相对稳定，对保温壳体5和储能单元外壳8没有腐蚀性，具有一定比热容的气体。

在本发明的实施例中，测温元件7的最高工作温度应接近高温气体源的气体温度。

在本发明的实施例中，储能模块1的形状结构可自由设计，保温壳体5同时应具有一定承载能力用于承受多个储能单元6的重量，储能单元外壳8的材料需要选用具有较大导热系数，较好高温强度，较高蠕变强度的金属制成。

在本发明的一些实施例中，所述储能系统可以由一个或多个储能模块1组成，多个储能模块1之间可以进行连接，多个储能模块1的尺寸和形状可以相同也可以不同，多个储能模块1的排布方式也可根据具体应用场景改变。

在本发明的一些实施例中，所述保温壳体5的进口与出口可以是一个或多个，进口与出口的数量、位置和形状可根据具体实施例而定。

在本发明的一些实施例中，可以在保温壳体5内部安装加筋底座11，安装位置和数量可依据具体实施例而定，安装位置可以在保温壳体5底部，也可以安装于不同储能单元6之间作为支撑或连接结构，不同加筋底座11的形状和尺寸可根据不同安装位置改变。

在本发明的一些实施例中，翅片9与所述储能单元外壳8可为相同材料制成，翅片9也可使用其他与所述储能单元外壳8材料具有良好焊接性能的，具有较大导热系数，较好高温强度，较高蠕变强度的金属制作。

在本发明的一些实施例中，翅片9的布置方向应沿气体流动方向，减小气体流动阻力的同时具有扰流的作用，翅片9的几何参数可根据具体实施例的流道形状设计。

在本发明的一些实施例中，所述保温壳体5的进气口与出气口可以是一个或多个，进气口与出气口的数量、位置和形状可根据具体实施例而定。

所述基于气体对流的固介储能系统有储能和释能两种工作模式。

以实施例1为例，其他实施例的工作模式与实施例1大体类似，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据实施例理解具体工作模式。

当系统处于储能模式时，先打开出口阀门3，然后打开进口阀门2，启动风机4，来自高温气源的高温气体通过风机4和进口阀门2被泵入储能模块1中，高温气体在储能模块1内部流道流动至储能模块1出口管路，然后经过出口阀门3流出，同时可根据测温元件7示数变化判断是否系统处于储能工作模式，高温气体的流量和压力可通过风机直接调控，合理调节流量和压力可以使高温气体的换热效率提升。以上即系统的储能模式。

当系统处于释能模式时，先打开出口阀门3，然后打开进口阀门2，启动风机4，常温气体通过风机4和进口阀门2被泵入储能模块1中，常温气体在储能模块1内部流道流动至储能模块1出口管路，然后经过出口阀门3流出，此时常温气体被加热至高温，可进入其他需要使用高温气体的装置中换热。可根据测温元件7示数变化判断是否系统处于释能工作模式，高温气体的流量和压力可通过风机直接调控，合理调节流量和压力可以使高温气体的换热效率提升。以上即系统的释能模式。

所述基于气体对流的固介储能系统可连续释能和储能，通常连续释能时，应使每次通入储能模块1换热的气体温度低于测温元件7的示数，若通入储能模块1的气体温度高于测温元件7的示数，则系统切换为储能模式。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。