储热装置、储热系统和用于操作储热装置的方法

摘要

本发明涉及储热装置(1)、包括至少一个储热装置(1)的储热系统(15)以及用于操作储热装置(1)的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及储热装置。另外，本发明涉及储热系统。此外，本发明涉及用于操作储热装置的方法。

背景技术

根据现有技术，储热装置早已为人所知。储热装置是用于热能的储存装置(能量储存装置)。储热装置可以被构建成不同的尺寸，包括小型分散式系统和大型中央储存装置。它们既可以作为短期储存装置使用，也可以作为季节性储存装置使用，并且可以根据其结构吸收并释放用于室供暖的低温热量或用于工业应用的高温热量。因此，除了储存热能之外，储热装置的最重要目的是使产生的热量能够在以后的时间点使用。

由DE 10 2017 217 963 A1已知储热装置和用于储热的方法。这种类型的装置和方法尤其用在至少部分电力驱动的机动车(电动车)中，以便覆盖在用储存热量的操作期间所需的尽可能多的热量并且从而将不涉及推进的部件的电能消耗最小化。

现有技术的储热装置的储热能力留有改善的空间。换言之，已知的储热装置的效率仍可以被提高。

发明内容

因此，本发明的目的是克服现有技术已知的缺点。

该目的通过具有权利要求1的特征的储热装置、具有权利要求11的特征的包括至少一个储热装置的储热系统以及具有权利要求13的特征的用于操作储热装置的方法来实现。

根据本发明的储热装置包括用于储存热量的储存容器，储存容器具有至少两个开口、设置在储存容器中的至少一个储热手段和至少一个加热元件。换言之，除了储热手段之外，加热元件位于储热装置的储存容器内。

储热装置具有用于支撑加热元件的支撑基体。支撑基体的存在允许以简单方式支撑至少一个加热元件。此外，多个加热元件可以彼此以限定的距离定位。

优选地，支撑基体被设置在至少一个加热元件和至少一个储热手段之间。优选地，储热手段包括支撑基体。换言之，支撑基体可以是储热手段的一部分。特别优选地，支撑基体具有用于容纳至少一个加热元件的偏移。这允许以简单方式支撑加热元件。术语支撑基体可以指支撑件或底座。支撑件或底座可以被配置为容纳至少一个加热元件。

进一步优选地，支撑基体具有多个部件，特别是条状物，其在由支撑基体形成的平面中水平地和/或竖直地延伸。进一步优选地，支撑基体具有容纳或围绕或包围所述部件的框架。支撑基体也可以被配置为网格结构。

特别优选地，用于给加热元件供电的至少一根电缆或电线穿过支撑基体布线，尤其是穿过部件布线。

术语储热装置是指用于热能的储存装置。优选地，加热元件是加热装置的部件，加热元件被配置为通过加热装置的电源来操作。优选地，储热容器具有绝缘性。储热容器可以被解释为储存容器。

储热装置可以用于将来自高度波动的再生源(例如风能或光伏发电)或连接的电网的多余电能以高温度水平的热量的形式有效地储存。这确保了电网的稳定。储存在储存容器内的热量可以被使用——例如，根据需要通过蒸汽工艺、ORC等转化为电——或者在日后传递至工艺(工业供热)。

优选地，以下适用于将热量引入至储存容器：

-储热装置被配置为经由至少一个第一开口将气体输送至储存容器中，

-加热元件被配置为加热被输送的气体，

-设置在加热元件下游的储存手段被配置为储存被加热的气体的热量，以及

-储热装置被配置为经由至少一个第二开口将已经将热量传递至储存手段并因此已经冷却的气体从储存容器再输送出去。

在热量引入期间经由至少一个第一开口输送至储存容器中的气体优选地具有≤120°的温度。

因此，储热装置被配置为在热储存容器内直接地以可能的最高效率使用电能来加热气体，优选地空气或气流，优选地空气流。特别优选地，将气体加热到约1000℃。由此产生的热气体随后流过储热手段，以便将其热量传递至储热手段。

换言之，储热装置允许气流从第一开口穿过储存容器沿朝向第二开口的方向输送。在此过程中气体被加热元件加热并被引导至储存手段。在储存手段处，热量从气体传递至储热手段并且由储热手段储存。

优选地，储热手段是堆叠的模制砖。优选地，第一开口和第二开口连接至回路。

特别优选地，可以提供除第一开口和第二开口之外的其它开口，所述其它开口允许气流进入储存容器的内部或从储存容器离开。

优选地，以下适用于从储存容器提取热量：

-储热装置被配置为经由至少一个第二开口将气体输送至储存容器中，

-储存手段被配置为将储存的热量传递给气体并且加热气体，以及

-储热装置被配置为将已经穿过储存手段的被加热的气体经由至少一个第一开口从储存容器输送出去。

在从储存容器提取热量期间通过至少一个第二开口输送的气体优选地具有≤120°的温度。

在热量引入方向上，储热装置可以包括第一气体分配腔，第一气体分配腔设置在加热元件的上游。此外，储热装置可以包括第二气体分配腔，第二气体分配腔在热量引入方向上设置在储存手段的下游。气体分配腔的存在允许进入的气体在储存装置的横截面上实现均匀分配。

如上所述，还可以提供除第一开口和第二开口之外的其它开口，所述其它开口允许气流进入储存容器的内部或从储存容器离开。

优选地，至少两个相邻加热元件之间的空间是气密密封的。因此，可以密封加热元件之间的水平空间，其中，不应有气体流过水平空间。空间优选地是气密的、耐热的和/或电绝缘的。例如，耐火粘土或纤维绝缘物可以用作材料。

进一步优选地，流均化器可以被设置在加热元件的任一侧。术语流均化器可以指流均衡器。可替代地，流均化器可以被设置在多层的加热元件的任一侧以及多层的加热元件之间。流均化器的存在允许实现气流的额外均化。流均化器可以由陶瓷材料或金属材料或不同材料的组合组成，例如呈块状材料、泡沫、网格或穿孔板的形式。加热元件顶部的流均化器可以与加热元件底部或加热元件之间的流均化器在材料和结构方面有所不同。加热元件顶部的流均化器可以配置为在其上行走以用于维护目的。

特别优选地，至少两层的加热元件堆叠在彼此之上。多层的加热元件的存在允许通过打开和关闭各个加热元件层来使装机热容量适应极大变化的气体体积流量。

特别优选地，气体可以流过的至少一个加热元件包括导电金属或陶瓷蜂窝结构。优选地，蜂窝结构为蜂窝体。蜂窝结构可以具有任何的整体横截面，例如圆形、矩形、正方形、六边形、多边形或螺旋形。蜂窝结构的各个通道也可以具有任何的横截面，例如正方形、六边形、圆形或尤其与瓦楞纸板相当的波浪形。蜂窝结构被配置为允许气体或气流流过蜂窝结构。当加热元件被启动时，蜂窝结构以流过蜂窝结构的气体也被加热的方式被加热。

蜂窝结构的存在导致用于在加热元件和气流之间传递热量的非常大的表面以及流可以作用在其上的扩大的整体横截面。在穿过加热元件期间产生的低空气速度与蜂窝的优选直通道形状相结合导致最小的空气阻力。流沿纵向方向穿过蜂窝结构或蜂窝结构的通道。此外，例如在储存模式下的风扇所消耗的电能量减少。

进一步优选地，加热元件被设置成线的形状或者以曲折或螺旋形状延伸。加热元件被设置在储存装置的表面处或者在储存装置的表面处延伸。例如，线性布置特别适用于具有正方形或矩形流横截面的储存容器中的结构相同的矩形、长方形加热元件。串联连接并以曲折形状设置的加热元件特别适用于将加热元件均匀地分布在诸如圆形或多边形的任何形状的储存横截面上。螺旋布置导致布置多个加热元件组的选项，每个加热元件组由串联连接为螺旋臂的加热元件组成，螺旋臂围绕中心电连接点并联地电连接，结果是储存容器上电连接所需的孔数目减少到最低。

特别优选地，加热元件串联和/或并联连接。这允许相应的加热元件根据应用被通电，即被启动。例如，在较大设备的情况下，加热元件可以连接至10至20kV AC或1000至1500VDC的中压或低压范围内的可用的AC/DC电压源。取决于形状和电阻，加热元件可以串联和/或并联地电连接以形成加热元件组。

可以形成可相互独立地被打开和关闭的加热元件的加热元件组。

此外，各个加热元件的输出可以通过利用储存容器外部的开关系统来打开/关闭它们或改变加热元件的连接来具体改变，以便最小化储存表面处的加热气体中的温差。

此外，整个系统的热惯性可以最小化，因为加热元件搁置在储存手段上而没有任何额外的外壳和绝热材料，因此加热元件本身是可热利用的整体储存块的一部分。

根据本发明的储热系统包括至少一个如上所述的储热装置，储热装置与热消耗器连接或互连。可以通过管道系统建立连接。

优选地，储存系统可以包括管道系统，管道系统包括至少一个节流件和/或至少一个风扇。术语节流件可以指瓣或阀。术语风扇可以指在启动时加速气体或气流的装置。

根据本发明的用于操作储热装置的方法包括以下用于将热量引入储存容器中的按顺序的步骤：

-通过第一开口将气体输送至储存容器中，

-通过加热元件加热被输送的气体，

-通过储存手段储存被加热的气体的热量，以及

-通过第二开口将已经将热量传递至储存手段的气体从储存容器输送出去。

充气意味着将热量引入至储存容器中。当储热装置被充气时，气体首先流过至少一个加热元件，然后从顶部到底部竖直地流过储存手段。此时，加热手段被启动，即被供电。优选地，在热量引入期间将气体从≤120°的温度加热至约800℃至1000℃。

特别优选地，用于操作储热装置的方法包括以下用于从储存容器提取热量的按顺序的步骤：

-通过第二开口将气体输送至储存容器中，

-将热量从储存手段传递至被输送的气体，以及

-通过第二开口将已经将热量传递至储存手段的气体从储存容器输送出去。

排气是指从储存容器提取热量。在储热装置的排气期间，气体从底部到顶部竖直地流过储存手段和加热手段。此时，加热手段未启动，即，没有电流流动。可替代地，也可以启动加热手段以便继续加热排出的气体。优选地，在热量提取期间，将气体从≤120°的温度加热至约800℃至1000℃。

附图说明

在下文中，将参照附图更详细地讨论本发明。

图1是根据本发明的装置的实施例的示意性剖面图；

图2示出了图1的细节A；

图3是根据图1的加热装置的示意性俯视图；

图4示出了图1的加热装置的可替代实施例；

图5示出了图1的加热装置的另一可替代实施例；

图6示出了图4的细节A；

图7是根据本发明的储热系统的实施例在充气模式下的示意图；

图8示出了在排气模式下的根据图7的实施例；和

图9是储热系统的另一实施例的示意图。

具体实施方式

在图1中，示出了用于储存热量的包括储存容器2的储热装置1，储存容器2具有至少两个开口3、13。多个加热元件7和储热手段11被设置在储存容器2中。储热手段11是堆叠的模制砖，堆叠的模制砖最初用于储存热量或吸收热量。

在气体的输送方向上，第一气体分配腔4被设置在第一开口3的下游。气体分配腔4用于均化流入的气体。气体分配腔4之后是第一流均化器5。第一流均化器5额外地用于均化气体。加热元件7被设置在第一流均化器5的下游。加热元件7是加热装置6的一部分。

支撑基体9被提供用于支撑加热元件7，如图2中详细示出的。为了给加热元件7供电，加热装置6额外具有包括电线的电源8。第二流均化器10连接在支撑基体9和加热元件7的下游。第一流均化器5和第二流均化器10都是可选的。

第二流均化器10之后是储热手段11。如上所述，储热手段11是模制砖，模制砖以偏移堆叠。支撑件12被提供在第二气体分配腔14和模制砖11之间。第二开口13被设置在第二气体分配腔14的下游。

两个相邻加热元件7之间的空间是气密密封的。耐热和电绝缘材料可以用作用于气密密封的材料。加热元件7可以串联或并联连接。

如图1和2所示，加热元件7被设置在储存装置的表面。加热元件7可以被设置成不同的形状。图3示出了其中四排加热元件7并联连接的电路。根据图4，加热元件7一个接一个地串联连接，加热元件7以曲折形状延伸。根据图5，加热元件7一个接一个地串联连接，加热元件7以螺旋形状延伸。

图6是具有电连接件25、26的图4的加热元件7的俯视图。加热元件7具有带有六边形通道的蜂窝结构或蜂窝体30的矩形横截面。气体或气流相对于绘图平面垂直地流过加热元件7的蜂窝结构30，即流入或流出绘图平面。换言之，气体沿纵向方向流过蜂窝结构或蜂窝结构的通道。蜂窝结构30的存在导致流可以作用于其上的扩大的整体横截面、用于传递热量的较大表面、以及具有低流动阻力的直通道形状。可替代地，也可以想到用于蜂窝体30的其它形状，例如圆形、椭圆形、矩形或多边形。也可以想到用于蜂窝通道的其它形状，例如正方形、圆形、六边形或尤其与瓦楞纸板相当的波浪形。

图7示出了包括根据图1的储热装置1的储热系统15。储热系统15除了储热装置1之外还具有热消耗器16。热消耗器16经由管道系统与储热装置1连接。

此外，图7示出了回路17。第一回路17用于对储热装置1进行充气。充气意味着将热量引入至储存容器2。箭头P1表示回路17中气体的流动方向。包括管道的回路17具有两个节流件23、21。节流件23、21可以用于影响气流的流速。

储热装置1(参见图1)被配置为经由第一开口3将气体输送至储存容器2中。加热元件7被配置为加热被输送的气体。设置在加热元件7下游的储存手段11被配置为储存被加热的气体的热量。此外，储热装置1被配置为经由第二开口13将已经传递热量至储存手段11并因此已经冷却的气体从储存容器2再输送出来。

与图7相反，图8示出了储热装置的排气。在图8中，示出了第二回路18。包括管道的第二回路18用于将储热装置1排气。排气意味着从储存容器2提取热量。箭头P2示出了回路18中气体的流动方向。回路18具有两个节流件22、20。节流件22、20可以用于影响气流的流速。

储热装置1(参见图1)被配置为经由第二开口13将气体输送至储存容器2中。储存手段11被配置为将储存的热量传递给气体并加热气体。此外，储热装置1被配置为经由至少一个第一开口3沿消耗器16的方向将已经穿过储存手段11的被加热的气体从储存容器2再输送出来。

此外，储热系统15具有管道19，管道19包括风扇24。

图9示出了另一储热系统15。与根据图7和8的储热系统15的情况不同，除了一个储热装置1之外，其它储热装置1也存在于储热系统15中，为了清楚起见，仅示出这些多个其它储热装置1中的一个。

如上所述的储热装置1或储热系统15的存在允许例如来自高度波动的再生源或连接的电网的多余电能以高温度水平的热量的形式有效地储存，以便从而稳定电网。

附图标记

1 储热装置

2 储存容器

3 第一开口

4 第一气体分配腔

5 第一流均化器

6 加热装置

7 加热元件

8 电源

9 支撑基体

10 第二流均化器

11 储热手段

12 支撑件

13 第二开口

14 第二气体分配腔

15 储热系统

16 热消耗器

17 回路

18 回路

19 管道

20 节流件

21 节流件

22 节流件

23 节流件

24 风扇

25 连接件

26 连接件

30 蜂窝结构(蜂窝体)

P1 箭头(流动方向)

P2 箭头(流动方向)