本发明主要涉及一种基于流化/可流化颗粒床的热能存储和传递系统和方法。发明背景及技术基础已知的有基于具有高热容量的固体颗粒的流化或可流化床的热能存储系统。例如，在wo2011135501a2和wo2017021832a1中披露了基于上述技术的装置，设备和方法的示例，这些示例主要使用太阳能来加热床固体颗粒。在上述系统中，热交换器通常浸入流化床中，从而可以将热能存储和传递功能集成到同一装置中。与基于熔盐的其他技术相比，这种布置具有的优势是不需要多个单独的设备。在流化床技术的最简单配置中，整个流化床(由于其高热扩散率)可以被假定为等温度，即，相当于其中所有颗粒具有相同温度的物质团。在这种情况下，热能以固体颗粒显热的形式存储在流化床中，由下式给出：q＝m*cp*δt (公式1)其中：●q是流化床中存储的热能，●m是流化床颗粒的总质量，●cp是颗粒材料的比热，●δt是固体颗粒温度差(tmax-tmin)，其中tmin和tmax分别是流化床的最低和最高操作温度。图1举例说明了根据上述已知的热能存储系统，在基于流化床模块的热能存储系统中发生的热交换步骤，该热能存储系统通过传热流体(htf)和/或电力充有热能，并且能够在一定的存储时间后释放热量。这种配置虽然由于流化床特性而确保了高传热速率，但同时在能量充入和释放阶段也造成了限制，如下所述。充入阶段如果流化床(例如由砂粒构成)通过传热流体(例如在一定时间段内可用的高温蒸汽)进行充入，则在热能充入阶段，流化床、入口蒸汽和出口蒸汽的温度值的典型趋势如图2所示。在充入阶段，蒸汽通常会：■进入流化床模块时，温度较高通常恒定(图中连续水平线)；■穿过床内的热交换器，逐渐加热等温流化床砂(下线)；■退出流体床模块时，其温度随时间的推移，随着硫化床砂温度的逐渐升高而升高(中间线)。由于在充入时间内流化床温度的逐渐升高，入口蒸汽温度和流化床之间的温差变得越来越小。如图2所示，该温差在充入阶段开始时(左垂直箭头)较高，在末端时(右垂直箭头)较小。因此，在充入时间内，从高温蒸汽到床颗粒的热传递变得越来越小。这一事实构成了热能存储系统的操作和性能的限制，因为后者没有提取并存储蒸汽的全部潜在热含量。例如，在某些情况下，所考虑的布置不能回收蒸汽的潜热，这意味着存储的热量只是入口蒸汽中可用焓的有限部分，剩余的可用热量被浪费了(如果没有在工厂的其他部分使用的话)。释放阶段鉴于上述，当流化床充满能量时，可以通过浸没在流化床中的热交换器将热量从流化床释放到传热流体(htf)，如蒸汽、co2、超临界co2或其他流体。当然，产生的htf温度始终低于流化床温度，并且可以进行下游调整(例如，通过蒸汽减温器)以满足使用所需的条件。为了更好地理解，图3至图5的图表举例说明了在假设tmin为350℃,tmax为620℃，蒸汽产生时间为6小时的情况下，流化床质量和传热流体(例如蒸汽)的可能温度趋势。其中，图3显示了蒸汽温度随着固体颗粒温度降低而不断降低。图4显示的蒸汽生成曲线，前两个小时恒定保持在500℃，之后随着固体颗粒温度的降低逐渐降低。图5显示了整个传递周期蒸汽生成温度恒定保持在300℃。在任何情况下，以上图表表明，至少在一段时间间隔内，htf是在低于流化床最低温度(在示例中tmin＝350℃)的温度下产生的。换句话说，对于htf需要恒定在例如500℃的温度下的应用，除非砂的最低温度提高到500℃以上(例如530℃)，否则上面显示的解决方案无法正常工作。但是，由于固体颗粒的可操作的δt将大大降低，因此这种增加对热存储能力会产生强烈的负面影响。继续上面的示例，δt将从(620-350)℃＝270℃降低到(620-530)℃＝90℃，这意味着如果必须在500℃而不是在300℃下产生蒸汽，热存储能力将降低到1/3。从理论上讲，可以通过提高流化床的最高温度(在公式1中的tmax)来弥补该温度差距，但是这种增加可能不可行和/或不经济，尤其是因为构成床内热交换器的材料的操作限制。再次引用上面的示例，为了通过采用最低温度(tmin)在530℃下的流化床并保持相同的热能存储容量来生成恒定在500℃的蒸汽，流化床最大温度应从620℃升高到800℃(即530+δt＝530+270＝800℃)，由于用于热交换器的建筑材料的特性，这可能是不切实际的。在较高温度(例如500℃)产生蒸汽时，另一种保持相同的热存储能力的可能对策是增加固体颗粒质量，但同样，这将涉及更大的模块(在示例中，是三倍大)，成本大幅提高。例如，如果传热流体是超临界co2，则上述考虑因素甚至更为重要，目前预计超临界co2能够驱动热电效率高达50％的涡轮机，前提是超临界co2在温度超过700℃(压力超过200bar)的情况下输送到涡轮机。在这些情况下，流化床应在非常高的温度范围内工作(例如，从730℃到1000℃)，该温度范围，即使对于固体颗粒来说是可能的，也可能使浸入式热交换器的实现变得不可行的，或者由于在这种温度和压力水平下运行的材料限制，它们的寿命太短。当然，一般来说，希望tes系统能够从可用的充入源中回收和存储尽可能多的能量，从而最大化其存储容量，并在最高温度下释放存储的热量，以便扩大可能的应用范围，尤其是在需要时允许高效的过程，例如在从热到电的能量再转换过程的情况下。
背景技术：
技术实现思路
1、因此，本发明提出并解决的技术问题是提供一种基于流化固体颗粒床的热存储和传递配置，其克服了上面参照现有技术提到的一个或多个缺点。
2、所述问题通过根据权利要求1的系统和根据权利要求14的方法来解决。
3、本发明的优选特征是从属权利要求的目的。
4、如上所述，本发明旨在克服与基于装备有床内热交换器的固体颗粒流化床的热能存储和传递配置本质上相关的性能限制。
5、根据本发明的系统提供了串联布置的多个流化颗粒床用于热存储和传递。在热存储和传递系统中每个所述床实现一模块。有利地，每个模块作为在同一壳体内串联布置的几个热能隔室中的一个隔室。
6、传热流体(htf)穿过串联的隔室(或通常为模块)进入系统。
7、优选的配置是使得传热流体可以根据相反的方向依次穿过模块，以分别将热能充入颗粒床或从颗粒床提取热能。
8、在基本配置中，传热流体按顺序运行通过模块，仅提取热能，从较低温度的床到较高温度的床。在这种情况下，可以利用其他传热装置，例如具有电性质，对床进行热含量充入。
9、每个隔室中的蓄热颗粒的质量可以是相同的或专用的。
10、每个隔室可以在不同的颗粒温度范围下运行。
11、在一个或多个模块或隔室中，可以设置用于将热能充入床中的附加热交换器。
12、htf可以是例如用于热充入的高温蒸汽和用于热释放的水。
13、一般来说，在充入阶段，传热流体穿过隔室的流动方向与释放阶段相反。
14、本发明适用于通过电、传热流体、废热或太阳能或者通过它们的组合(即混合解决方案)进行热电充入的配置。
15、本发明特别适用于其中还通过电阻器等向每个模块或隔室提供热量的配置，例如wo2020/136456a1中所公开的。
16、本发明的其他优点、特征和使用模式将从以下一些实施例的详细描述中显而易见，这些实施例以示例的方式提供，但不具有限制性目的。
1.一种热能存储和传递系统(100)，包括：
2.根据权利要求1所述的热能存储和传递系统(100)，其中，所述热充入装置(101)包括被配置为容纳传热流体(htf)的流的充入回路(101、101')或导管装置，所述充入回路将热能充入每个所述床(150)中，并且其中所述热提取装置(102)包括提取回路(102、102')或导管装置，所述提取回路被配置为从每个所述床提(150)取热能。
3.根据权利要求2所述的热能存储和传递系统(100)，其中，所述提取回路(102、102’)布置成相对于所述充入回路(101、101’)反向穿过所述床。
4.根据前述权利要求中任一项所述的热能存储和传递系统(100)，其中，所述热充入装置(101)包括电阻器装置(471)、辐射板(571)和基于太阳能的交换器装置中的一个或多个。
5.根据前述权利要求中任一项所述的热能存储和传递系统(100)，其中，该配置使得所述传热流体(htf)按照相反方向依次穿过所述模块，以分别将热能充入所述床或从所述床提取热能。
6.根据前述权利要求中任一项所述的热能存储和传递系统(200)，包括单个回路(201、201')，所述单个回路被配置为使得所述传热流体交替地沿相反方向从其中穿过，以便交替地用作热充入装置和热提取装置。
7.根据前述权利要求中任一项所述的热能存储和传递系统(100)，其中，所述热提取装置和/或所述热充入装置包括多个、尤其是一对导管(101、101'；102、102')并联布置以执行相同的热充入或热提取操作。
8.根据前述权利要求中任一项所述的热能存储和传递系统(400)，其中，所述模块(451-454)中的至少一个包括附加热充入装置(470)，所述附加热充入装置被配置为将附加热能充入所述模块的所述床(450)中。
9.根据前一权利要求所述的热能存储和传递系统(400)，其中，所述附加热充入装置(470)包括电阻器装置(471)、辐射板(571)和基于太阳能的交换器装置中的一个或多个。
10.根据前述权利要求中任一项所述的热能存储和传递系统(100)，其中，所述多个热存储和传递模块(151-154)共享公共壳体(110)并且通过隔热的分隔装置(161-163)分开。
11.根据权利要求10所述的热能存储和传递系统(100)，其中，所述分隔装置(161-163)允许内收到每个床中的流化气体，在容纳所述床(150)环境中，在所述床的自由表面(130)上方，流体连通。
12.根据权利要求10所述的热能存储和传递系统(200)，其中，所述分隔装置(261-263)阻止流化气体在容纳每个所述床(250)的环境之间的任何流体连通。
13.根据前述权利要求中任一项所述的热能存储和传递系统(100)，其中，所述流化装置(120)包括用于每个所述热存储和传递模块(151-154)的相应流化单元。
14.一种热能存储和传递方法，包括以下步骤：
15.根据权利要求14所述的热能存储和传递方法，其特征在于，所述布置使得所述传热流体能够按照相反的方向依次穿过所述模块，以分别向所述床传递热能或从所述床提取热能。
16.根据权利要求14或15所述的热能存储和传递方法，包括对每个所述床(150)进行流化的步骤，以促进所述床颗粒与所述传热流体或其他热充入装置之间的热交换。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的热能存储和传递方法，其中，容纳所述床(150)的环境与所述床(150)的自由表面(130)上方的流化气体流体连通。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的热能存储和传递方法，其中，从所述传热流体到每个所述床(150)的热能充入操作与从所述床(150)至所述传热流体的热能提取操作交替地发生。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的热能存储和传递方法，其中，从所述传热流体到每个所述床(150)的热能充入操作与从所述床(150)至所述传热流体的热能提取操作反向地进行。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的热能存储和传递方法，其中，从所述传热流体到每个所述床(150)的热能充入操作和从所述床(150)至所述传热流体的热能提取操作中的至少一个通过容纳传热流体且并联布置的多个导管(101、101')发生。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的热能存储和传递方法，其中，充入热能的所述步骤通过使用电阻器装置(471)、辐射板(571)和基于太阳能的交换器装置中的一个或多个来执行。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的热能存储和传递方法，进一步包括通过附加热传递装置(470)将附加热能充入至少一个所述床的步骤，所述附加热传递装置包括电阻器装置(471)、辐射板(571)和基于太阳能的交换器装置中的一个或多个。
