CN105408695A - 储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能系统，包括蓄热器，所述蓄热器包括存储区和围绕所述存储区的外壁(2,11)，所述存储区具有储热介质(1,10)，所述存储区和所述外壁(2,11)之间的中间区(3,13)至少部分地填充有气体介质和支撑材料，并且所述中间区(3,13)连接至泵装置(4)，以便可以调节所述气体介质的压力。

Description

储能系统

本发明涉及一种储能系统。

背景技术

已知有多种用于储能的系统，例如用于存储热能的蓄热器。

例如现有技术中已知的房间内部的蓄热器，所述蓄热器在刚质或塑料容器中容纳大量的水。该容器保温绝热，其厚度通常为24-40cm。蓄热器中的水例如通过太阳能热系统加热。加热系统与蓄热器相连，通过该加热系统可以在冬天时将房间加热。

在文件US3823305A、DE3725163A1、DE102011107315A1、US4520862A和DE1934283中公开了更多的蓄热器。

发明内容

目的在于提供一种改进的储能技术。尤其是，能够用蓄热器加热建筑物。

该目的通过独立权利要求1所述的系统解决。有利的实施例是从属权利要求的主题。

提供了一种储能系统。所述系统包括蓄热器。所述蓄热器包括：存储区，所述存储区包含储热介质；以及围绕所述存储区的外壁。位于存储区和外壁(2,11)之间的中间区至少部分地填充有气体介质和支撑材料。此外，中间区与泵装置相连，以此种方式可以控制气体介质的压力。在一个实施例中，所述系统只包括蓄热器。在其它实施例中可以提供更多组件。由外壁围绕的、具有可控气体的中间区也被称作真空绝热。

蓄热器可以与将能量引入储热介质的装置相连，以此种方式储热介质被加热。储热介质的加热例如可以通过电能的方式发生。加热的储热介质例如以热辐射或热转化的形式将热能释放到周围环境。热能能够穿透中间区和外壁，从而加热蓄热器的周围环境。

泵装置能够控制热量释放。气体介质的热导率与分子的平均自由程长度密切相关。在给定温度下，热导率在很宽的压力范围内与压力无关，进而与气体密度无关。如果分子的平均自由程长度变得大于发生热传导之间的不同控温壁的间距，则热导率与压力有关。因此，如果中间区被排空，即气体介质的压力下降到阈值以下，则介质的热导率随着压力下降而减小。因此，从储热介质到外壁外侧周围环境的热传递几乎可以完全被阻止。如果周围环境将要被加热，则可以增加气体介质的压力，以便能够热传递。因此，从储热介质到周围环境的热传递可以通过选择气体介质压力的方式被控制。

气体介质可以是纯气体，例如氢气或氦气，或者可以是气体混合物，例如空气。气体介质的热导率变得与压力有关的阈值取决于特定的气体或气体混合物。气体分子越重，平均自由程长度越短。

在中间区中至少部分地布置有支撑材料。这使得在中间区中产生支撑真空(supportedvacuum)成为可能。气体分子的平均自由程长度在支撑真空中(极大地)减小了。因此不需要过度减小压力以便实现高度绝热。支撑材料可以例如由细孔隙材料和/或绝热材料构成。支撑材料可以例如以固体元件、例如一个或多个板的形式构成、或者由自由流动的松散材料构成。所述板可以例如包含玻璃纤维、硅酸盐、二氧化硅或前述材料的组合。所述松散材料优选具有均匀的密度，大体上相同的颗粒尺寸和/或相同的材料组成。空心玻璃微珠例如可以用作松散材料。在外壁的上方区域可以形成进口，通过该进口可以将松散材料引入到中间区中。此外，可以在外壁的下方区域形成出口，通过该出口可以将松散材料从中间区中移除。在存在支撑真空的情况下，外壁的厚度可以被减小而不会不利地影响其稳定性。外壁例如可以包括1-2mm厚的不锈钢壁。可以规定使支撑材料完全填充中间区。例如，可以在中间区布置一个或多个板，以此种方式中间区被完全填充。在该情况下，气体介质例如可以大体上位于各个板的组件之间的孔隙和/或间隙中。通过支撑真空方式的绝热要比没有发生压力减小的传统材料的绝热更加有效大致20、30或50倍。

在这个意义上，支撑材料被理解为通过产生的低压来产生支撑真空。如上所述，这意味着分子的平均自由程长度被缩短了。此外，支撑材料可以被构成为执行静态承压(staticallybearing)功能。作为在中间区中减小压力的结果，作用在外壁上的力取决于外部压力与中间区内压力之间的压差。支撑材料可以被构成为吸收这些力并阻止外壁形变。在该情况下，支撑材料因此执行两个功能。它既支撑真空还物理上地支撑外壁。这样的支撑材料也可以被称作静态承压支撑材料。此外，支撑材料可以作为辐射防护(抵制热辐射)。

中间区可以至少部分地填充有至少两种不同的支撑材料。支撑材料可以是静态承压支撑材料。另一支撑材料可以是静态非承压支撑材料。可以以多层布置支撑材料。静态非承压支撑材料也可以被称作填充材料或绝热材料。非承压支撑材料(绝热材料)也可以作为辐射防护(抵制热辐射)。

根据一实施例，中间区可以至少部分或完全填充有四种支撑材料。这四种支撑材料可以以这样的方式布置：两种支撑材料直接靠近外壁并且与存储区无接触。这两种支撑材料构成了外部支撑层。另外两种支撑材料可以直接靠近存储区并且与外壁无接触。它们构成了内部支撑层。四种支撑材料的热传递系数可以是相同的或者不同的。此外，外部层的两种支撑材料的热传递系数可以是相同的或不同的。最后，内部层的两种支撑材料的热传递系数也可以是相同的或不同的。

可以规定使静态承压支撑材料的一端靠近存储区放置，而该静态承压支撑材料的另一端靠近外壁的内侧放置。静态承压支撑材料在存储区和外壁之间的中间区的整个长度上延伸，从而形成了支撑。也可以在中间区中布置多个这样的支撑。各支撑之间的区域可以至少部分填充有绝热材料，从而可以调整绝热。可以节省成本和/或材料。进一步的绝热材料可以提供为直接靠近存储区。因此，各栏之间的区域填充有(部分地填充有)双层。进一步的绝热材料可以与温度有关，即具有大于600℃、优选大于800℃、更优选大于1000℃的熔融温度或升华温度。在存储区包含例如混凝土核心的固体储热介质的情况中，进一步的绝热材料可以具有1000℃-1400℃范围内的熔融温度或升华温度。通过选择进一步的绝热材料可以调整存储区的最大热释放。进一步的绝热材料可以是板型、例如包含二氧化硅的板。

使用多层支撑层(相同或不同材料)具有下述优势：可以标示出最大热传递系数，可以调整更大范围的热传递系数，可以使用更薄的绝热厚度，蓄热器的更高的存储能力(最高温度)是可能的以及可以减小蓄热器的体积。

由于使用了彼此不同的材料(例如静态承压和静态非承压)，更大范围的热传递系数是可能的。在静态非承压材料的情况中，可以进一步降低热传导。可以实现更小的热传递系数，直到多重设置(多层设置)，在该多重设置中，几乎只有热辐射仍需被防止。

蓄热器可以刚性连接到建筑物的地板。可以规定将蓄热器整合到建筑物的地基中。此外，可以规定使存储区的底侧完全被外壁围绕。在蓄热器的底侧可以形成绝热。可以规定将支撑材料例如以前述的板或多个板的形式布置在中间区内侧的存储区的下方。通过调节气体介质的压力，从而还可以确保底部区域的绝热。存储区可以例如竖立在板(或多个板)上。可选地或附加地，在蓄热器下方可以构成腔室。该腔室可以包括围绕腔室区的腔室壁。该腔室区可以至少部分填充有进一步的气体介质和进一步的支撑材料。此外，该腔室区可以与泵装置或进一步的泵装置相连，以此种方式可以控制进一步的气体介质的压力。因此，可以控制底部方向上的热释放。将关于气体介质和支撑材料的实施例相应地应用到进一步的气体介质和进一步的支撑材料。尤其可以规定气体介质和进一步的气体介质以及支撑材料和进一步的支撑材料都是相同的。此外，底侧的绝热可以可选地或附加地包括一个或多个泡沫玻璃板，例如彼此堆叠的多个泡沫玻璃板。

可以规定将蓄热器布置于建筑物中，以此种方式使该蓄热器被外部建筑物墙壁的各侧所围绕。例如，将蓄热器大体布置于建筑物的中央以便能够均匀加热建筑物。可以规定使蓄热器在建筑物中独立构成。此外，可以规定将蓄热器例如完全由建筑物的内部建筑物墙壁所围绕。蓄热器可以被整合到建筑物的墙壁构造中。例如，蓄热器可以在建筑物的多个楼层上延伸。本文中的蓄热器的形状可以适应建筑物的几何结构。蓄热器例如可以具有曲线形状。可以规定将热传导元件布置在蓄热器的外壁，所述热传导元件延伸到建筑物中以便分布热量。

可以规定将部分蓄热器布置于建筑物外侧或位于建筑物下方，例如地下室中。通过使用不同的支撑材料，通过支撑材料的尤其小的平均自由程长度可以在外部保持最大绝热，并且还可以在建筑物的内部控制热释放。

根据另一实施例，可以用真空绝热构成建筑物。该真空绝热可以包括外壁和/或地板(例如地下室)。真空绝热可以与泵装置相连。真空绝热产生良好的建筑物的绝热并且是可控的。此外，真空绝热多少会比传统绝热系统更薄。也易于安装。此外，真空绝热能够在建筑物中使用更小的蓄热器。将关于蓄热器的真空绝热的实施例类似地应用到建筑物的真空绝热中。

蓄热器可以不用连接到建筑物的加热系统。此外，建筑物自身可以没有加热系统。可以规定唯一地通过蓄热器的方式来实现对建筑进行供热。如果用厚的(良好的)绝热构成外部建筑物墙壁是有利的。此外，可以规定在建筑物中安装多个蓄热器。在本文中可以规定使多个换热器中的每个在各种情况下形成为具有泵装置。可选地，可以提供共同的泵装置，该共同的泵装置连接至多个蓄热器。根据一实施例，蓄热器可以配置为大体上通过外壁的整个面积释放储存在储热介质中的热。热释放的发生，例如通过外壁的整个面积大体上均匀地分布。根据一可选实施例，可以在中间区中构成多个区域，以此种方式使得存储在储热介质中的热释放经由外壁以不同的强度发生。不同区域可以例如通过不同厚度的支撑材料、尤其是板，和/或通过不同材料构成。此外，通过多个中间壁的方式可以将中间区划分为多个彼此隔绝的中间子区。中间子区中的压力可以例如通过一个或多个连接至子区的泵装置的方式彼此独立地控制，以便可以控制热释放。

蓄热器的外壁可以由金属或金属合金、尤其是不锈钢，玻璃或塑料制成。外壁可以以一个部分或多个部分构成。可以在外壁的各元件之间构成有膨胀元件，这些膨胀元件在加热期间接受传热介质的膨胀。外壁例如可以具有波纹形状。外壁可以由薄片、例如金属薄片构成。外壁可以不用在内侧镀银。

气体罐可以连接到泵装置，所述气体罐在泵出(即压力减小)期间调节气体介质。如果压力随后升高，储存在气体罐中的气体介质可以再次排放到中间区中。

泵装置可以由真空泵构成，例如活塞泵、分子泵或涡轮分子泵。

蓄热器可以由长期的蓄热器构成。长期的蓄热器配置为例如在具有极强的太阳能辐射的炎热夏季储热，并且在冰冷冬季用储存的热量加热(良好绝热的)建筑物。

可以规定在外壁的外侧布置冷却元件，例如冷却管。因此，如果从储存区的热释放是非期望的很高，可以按需冷却外壁。还可以提供多个冷却元件。如果需要，可以用冷却元件进行建筑物的冷却。可以规定将冷却元件与建筑物的冷却水管或建筑物外侧的雨水罐相连。

根据另一实施例，可以规定在外壁内侧布置换热装置，所述换热装置与存储区相连，以此种方式换热装置的换热介质从储热介质中吸收热量，其中，该换热装置包括管件，该管件穿透外壁，并且通过该管件，前述的换热介质可被传输到外壁外侧区域。换热介质和储热介质之间的热交换还可以通过可控真空的方式发生。可以规定在储热介质与换热介质之间形成进一步的中间区，所述进一步的中间区填充有进一步的气体介质。进一步的中间区可以连接到蓄热器的泵装置。可选地，进一步的泵装置可以与进一步的中间区相连。通过控制第二中间区中进一步的气体介质的压力可以控制从储热介质到换热介质的热释放。进一步的气体介质可以与蓄热器的气体介质相同。可选地，进一步的气体介质可以与气体介质不同。进一步的气体介质可以是纯气体或者可以以气体混合物、例如空气存在。换热器例如可以提供有热的饮用水。可以在外壁内侧布置多个换热器装置。多个换热器装置可以与共同的泵装置相连，或者每个与单独的泵装置相连。

所述系统可以进一步包括热水罐，该热水罐与蓄热器相连，以此种方式将热量从蓄热器释放到热水罐中，以便加热热水罐中的水。热水罐可以构成有真空绝热。因此，避免了热水罐的过度加热。将关于蓄热器的真空绝热的实施例类似地应用到热水罐的真空绝热中。

在另一实施例中，系统可以进一步包括发电机，该发电机用于生成电能，其与蓄热器相连，以便发电机可以用蓄热器中的热量运行。发电机例如可以与蒸汽涡轮或者与斯特林(Sterling)发动机相连。蒸汽涡轮包括快速旋转的轴，提供有许多涡轮叶片，水蒸汽向着该叶片流动。水蒸汽可以用来自蓄热器的热量加热。斯特林发动机是热机，其中，绝热空间中诸如空气、氦气或氢气的工作气体从一个区域中的外部被加入，并且在另一区域中被冷却，以便执行机械作业。通过蓄热器的热量的方式可以再次加热。因此，可以比化学电池更便宜地储存电能。斯特林发动机可以通过泵装置的方式连接到蓄热器。

可以规定存储区包含固体储热介质。在该情况下，存储区由固体存储核心构成。作为储热介质的固体主体可以被加热到非常高的温度，例如上百摄氏度。因此，大量的热可以储存在相对小的空间中。至于固体储热介质，例如可以使用玄武岩、混凝土、滑石、耐火土或钢铁制成。可以规定在固体储热介质中布置一个或多个换热器装置。通过耐热材料可以将一个或多个换热器装置与固体储热介质分隔开。

当使用固体储热介质时，为了限制，可以规定使蓄热器只包括外壁，而没有内壁和进一步的外壁。

此外，可以规定将固体储热介质排空。考虑到固体储热介质的生产、机械加工和处理以及存储，固体主体一般不仅仅在其表面、而且还在其内部包含气体分子。这些分子可以在晶体晶格中被溶解、在晶界处被累积、或在空腔中被包裹。如果固体主体的周围被排空了，气体分子会传到固体主体的表面(分散)并从那里进入到排空区域(解吸)。这一过程也被称为脱气。脱气影响真空的产生和维持。可以规定在蓄热器的中间区中产生真空，以此种方式固体储热介质自身是被排空的，即不会包含任意气体分子或者只有少量气体分子。

还可以规定将存储区与光伏器件相连，通过光伏器件可以加热储热介质。光伏器件将光能转化为电能。例如，通过光伏电池可将太阳光转化为电能。可以使用该电能加热储热介质。可以例如规定将光伏系统安装在建筑物的房顶，所述光伏系统与蓄热器相连。可以规定光热器件由小尺寸的逆变器构成。可选地，光热器件可以不由逆变器构成。在这两种情况中，储热介质还可以用直流加热。

根据另一发展，可以规定使存储区包括由内壁所围绕的储热流体。在该情况中，蓄热器可以是双壁式构成的。在内壁与外壁之间形成中间区，所述中间区至少部分地填充有气体介质和支撑材料。储热流体可以例如是水。考虑到水的高特异性热容量及其相当低的粘度，水作为储热介质符合技术上的需求。尤其是，这使得储存的热能的引入和移除相当简单。可以规定蓄热器构成有减压阀。内壁可以例如由不锈钢构成。

存储区可以与太阳能热系统相连，通过此方式可以加热储热介质。太阳能热系统将太阳光转化为热能。可以例如规定将与蓄热器相连的太阳能热系统安装到建筑物的屋顶上。

可选地或附加地，存储区可以与一个或多个抛物面集热器(parabolcollector)相连。抛物面集热器以与太阳能热发电站中相同的方式收集大量的太阳光，并加热传热介质，传热介质例如是水或液态钠。

此外，可以规定储热介质是石蜡。在该情况中，如果需要，石蜡可以由内壁所围绕。存储区可以与太阳能热系统或光伏器件相连以便加热石蜡。

可以规定在存储区中布置固体或液体储热介质。

还可以规定将存储区与光热器件相连。光热系统结合了光伏作用和太阳能热作用。因此，固体储热介质以及液体储热介质或者二者的组合可以被加热。此外，存储区可以与例如柴气化火炉的火炉相连。

可以规定例如光伏器件的太阳能装置、太阳能热系统和/或光热系统、或其它加热装置(例如柴气化火炉)与加热泵相连。加热泵例如布置在建筑物的外侧。例如在周围环境冰冷时，增加由太阳能装置或加热装置供应的能量，并且将增加的热能供给存储区以便加热储热介质。

附图说明

将参照附图更加详细地阐述进一步的实施例。在附图中：

图1示出了具有固体储热介质的蓄热器的图示；

图2示出了具有固体储热介质的进一步的蓄热器的图示；

图3示出了具有液体储热介质的双壁式蓄热器的图示；

图4示出了具有液体储热介质的进一步的双壁式蓄热器的图示；

图5-7示出了中间区的细节。

下文中相同的附图标记表示相同的部件。

图1示出了具有存储区的蓄热器，该蓄热器包括固体储热介质1。储热介质1由外壁2所围绕。在储热介质1和外壁2之间形成中间区3。中间区3填充有气体介质，例如空气。此外，中间区3至少部分地填充有支撑材料(未示出)。真空泵4通过管5的方式连接到中间区。通过真空泵4可以控制中间区3中气体介质的压力。因此，可以控制热从储热介质1到外部周围环境的热释放。在固体储热介质1下方布置包含支撑材料的板17，以便能够使底部区域绝热。

图2示出了进一步的蓄热器，前述内容相应地适用于该进一步的蓄热器。在外壁2的内侧布置有换热器6，换热器包含换热介质。在固体储热介质1和换热器6之间形成进一步的中间区7，中间区7填充有进一步的气体介质。真空泵4通过进一步的管8连接到中间区7。通过真空泵4可以控制进一步的中间区7中的压力，因此可以控制储热介质1与换热器6中换热介质之间的热交换。加热管9从换热器6伸出蓄热器，通过该加热管，加热的换热介质被运输到周围环境。加热的换热介质例如可以被提供到建筑物的饮用水回路(未示出)中。包含支撑材料的板17布置在固体储热介质1、换热器6和中间区7的下方。

图3示出了具有外壁11和内壁12的双壁式蓄热器。内壁12围绕存储区10，存储区10包含例如是水的液体储热介质。在内壁12和外壁11之间布置中间区13，中间区13至少部分填充有气体介质和支撑材料。真空泵4通过管5连接到中间区13。内壁12通过两个支撑元件14在底部被支撑住。可选地，内壁12可以被支撑在包含支撑材料的一个或多个板(未示出)上。

图4示出了进一步的双壁式蓄热器。在上端形成有细孔隙松散材料的进口15。可以用该松散材料在中间区13产生支撑真空。可以通过在外壁11的下方区域形成的出口16将松散材料从中间区13中移除。

图5-7示出了固体存储核心1与外壁2之间中间区3的细节。在中间区3中布置了不同的支撑材料。

在图5中，在中间区3中交替地布置静态承压支撑材料(支撑件)20和静态非承压支撑材料(绝热材料)21。玻璃棉例如可以用作绝热材料。

在图6所示的实施例中，在各支撑件20之间布置绝热材料21和进一步的绝热材料22。进一步的绝热材料22(直接)靠近固体存储核心1放置。该进一步的绝热材料22是高耐热的，例如是石英板。

图7示出了进一步的变型，其中，支撑件20放置在进一步的静态非承压支撑材料23上。

上述描述所公开的特征、各权利要求和图示可以是彼此独立的，也可以与本发明的各实施例的相互组合。

Claims (15)

1.一种具有蓄热器的储能系统，所述蓄热器包括存储区和围绕所述存储区的外壁(2,11)，其中，所述存储区包含储热介质(1,10)，其中，位于所述存储区和所述外壁(2,11)之间的中间区(3,13)至少部分地填充有气体介质和支撑材料，并且其中所述中间区(3,13)与泵装置(4)相连，以此种方式能够调节所述气体介质的压力。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中间区(3,13)至少部分地填充有至少两种不同的支撑材料。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，在所述中间区(3,13)中布置有静态承压支撑材料和静态非承压支撑材料。

4.根据权利要求2或3所述的系统，其中，所述支撑材料布置为多层。

5.根据前述任一权利要求所述的系统，所述系统还包括发电机，所述发电机用于生成电能，所述发电机与所述蓄热器相连，以便所述发电机能够用来自所述蓄热器的热量运行。

6.根据前述任一权利要求所述的系统，所述系统进一步包括热水罐，所述热水罐与所述蓄热器相连，以此种方式将热量从所述蓄热器释放到所述热水罐中，以便加热所述热水罐中的水。

7.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，所述蓄热器被配置为大体上通过所述外壁(2,11)的整个面积释放储存在所述储热介质中的热量。

8.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其中，在所述中间区中构成有多个区域，以此种方式使得储存在所述储热介质(1,10)中的热量的释放经由所述外壁(2,11)以不同的强度发生。

9.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，在所述外壁(2,11)内侧布置有换热装置(6)，所述换热装置与所述存储区相连，以此种方式所述换热装置(6)的换热介质从所述储热介质中吸收热量，并且其中所述换热装置包括管件(9)，所述管件穿透所述外壁，并且通过所述管件，所述换热介质能够被传输到所述外壁(2,11)外侧的区域中。

10.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，所述存储区包括固体储热介质(1)。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述固体储热介质(1)被排空。

12.根据权利要求1-9任一项所述的系统，其中，所述存储区包括由内壁(12)围绕的储热流体(10)。

13.根据权利要求1-12任一项所述的系统，其中，所述存储区与光伏器件相连，通过所述光伏器件能够加热所述储热介质(1,10)。

14.根据权利要求1-12任一项所述的系统，其中，所述存储区与太阳能热系统相连，通过所述太阳能热系统能够加热所述储热介质(1,10)。

15.根据前述任一权利要求所述的系统，其中，在所述外壁(2,11)的外侧布置有冷却元件。