發(fā)明領(lǐng)域本專利申請中公開的發(fā)明涉及能源和電力(energy?and?electricity)領(lǐng)域。在本文中，描述了一種通過新的熱機(jī)械能量存儲系統(tǒng)來存儲能量的創(chuàng)新方法，該新的熱機(jī)械能量存儲系統(tǒng)由可再生天然的、易于可生物降解的或可回收的材料制造，該材料也是可重復(fù)使用的。封閉式系統(tǒng)可以可持續(xù)地操作，以實現(xiàn)比通常更高的能量存儲體積和比通常更長的存儲時間(長期存儲)。封閉式系統(tǒng)還具有在其生產(chǎn)時低碳足跡以及當(dāng)操作或在其生命周期結(jié)束時被處置時無化學(xué)足跡的特征。本發(fā)明解決的技術(shù)問題通過主要天然材料連同熱機(jī)械工藝的合理組合，本專利申請中包含的發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中熟知的技術(shù)問題：也就是說，現(xiàn)今，隨著人類試圖使社會脫碳，主要由太陽能源、風(fēng)源和水力發(fā)電源產(chǎn)生的可再生能源提供了更可持續(xù)的發(fā)電能源替代品(generated?energy?alternative)。在現(xiàn)有技術(shù)中，由于可用的存儲可能性的有限或非成本有效的類型，當(dāng)這種能量必須被存儲時出現(xiàn)問題，由此大部分產(chǎn)生的能量最終不可逆地?fù)p失。當(dāng)本發(fā)明在操作時，產(chǎn)生的能量損失非常少。熱機(jī)械系統(tǒng)為5-7天的能量存儲提供了解決方案，這將本發(fā)明歸類為長期ess(能量存儲系統(tǒng))，并且因此可以提供更有效的存儲條件，但也可以提供更便宜的最終價格能源。由于其長期存儲能力，本發(fā)明的系統(tǒng)“在需要的地方、在需要的時候”提供能量。以下專利發(fā)明是本專利申請的申請人已知的：-us11,391,181b2，并且被認(rèn)為至少在申請人已知的程度上最接近本專利申請。us11,391,181b2描述了一種能量存儲系統(tǒng)，該能量存儲系統(tǒng)將可變的可再生電力轉(zhuǎn)化為超過1,000℃的連續(xù)熱量。間歇性電能加熱固體介質(zhì)，并且來自固體介質(zhì)的熱量根據(jù)需要連續(xù)輸送，在該系統(tǒng)中，磚陣列用于與內(nèi)部輻射腔結(jié)合，并且它們通過熱輻射被直接加熱。來自本技術(shù)的用于長期能量存儲的熱機(jī)械系統(tǒng)被設(shè)計為存儲呈熱能(熱量)的形式的產(chǎn)生的能量，然后該產(chǎn)生的能量進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電能和熱水作為最終輸出。在該系統(tǒng)中，代替磚作為存儲材料，該存儲材料是具有足夠性質(zhì)(熔合潛熱(latent?heat?of?fusion)、比熱)的預(yù)先計算體積的材料，該材料存儲由連接到能源(太陽、風(fēng)等)的加熱器產(chǎn)生的熱能，并且由此使用由于較低熔化溫度(潛在熔合)的≤500微米的回收的玻璃顆粒。-de202018005659u1因此，由于本發(fā)明具有足夠的存儲的電力來為一個或更多個家庭提供電力和熱水，因此甚至可以與鄰居共享。這使得不僅私人房主和企業(yè)對本發(fā)明感興趣，而且能源公司對本發(fā)明也感興趣。通過堆疊若干個彼此連接的本發(fā)明存儲系統(tǒng)，經(jīng)營者或能源供應(yīng)商可以為整個街道或商業(yè)園區(qū)存儲和供應(yīng)能源(以及用于供暖(heating)的熱水)，這可以在發(fā)電期間以及還有在消費期間進(jìn)一步平滑電網(wǎng)的能源峰值和負(fù)載，這對于能源公司來說是一個主要問題。本專利申請中包含的存儲系統(tǒng)可以添加到現(xiàn)有的或新的能源發(fā)電系統(tǒng)并安裝在現(xiàn)有的或新的能源發(fā)電系統(tǒng)上，并且因此不會破壞現(xiàn)有的電網(wǎng)，并且具有低的系統(tǒng)投資成本：價格/kwh比。實際上，這是可充電系統(tǒng)，該可充電系統(tǒng)基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)邏輯，并且由世界各地可用的常規(guī)原材料生產(chǎn)。它在使用中的預(yù)期壽命為25年，并且?guī)缀醪恍枰S護(hù)。存儲的能量可以同時作為電力和熱水輸送。本發(fā)明使得能夠最大限度地利用可再生能源。本專利申請中包含的存儲系統(tǒng)是用于長期能量存儲管理的有效和創(chuàng)新產(chǎn)品，該產(chǎn)品完全符合零碳政策并且沒有任何化學(xué)加工或沒有使用傳統(tǒng)電池中經(jīng)常使用的對環(huán)境有害的原材料諸如鋅、硅、鍺、錳、鋰或鈷。

背景技術(shù)：

0、現(xiàn)有技術(shù)

1、現(xiàn)今，隨著人類試圖使社會脫碳，主要由太陽能源、風(fēng)源和水力發(fā)電源產(chǎn)生的可再生能源提供了更可持續(xù)的發(fā)電能源替代品。在現(xiàn)有技術(shù)中，由于可用的存儲可能性的有限或非成本有效的類型，當(dāng)這種能量必須被存儲時出現(xiàn)問題，由此大部分產(chǎn)生的能量最終不可逆地?fù)p失。

2、發(fā)明描述

3、附圖簡述

4、圖1：本發(fā)明系統(tǒng)示意圖，

5、圖2：系統(tǒng)的兩個單元：熱存儲單元和轉(zhuǎn)換單元，

6、圖3：熱存儲單元元件，

7、圖4：容器/殼體(housing)

8、圖5：安裝的轉(zhuǎn)換單元，俯視圖，帶有元件

9、圖6：水泵

10、圖7：熱交換器

11、圖8：自主設(shè)計的發(fā)動機(jī)/特斯拉渦輪機(jī)

12、圖9：具有在ms內(nèi)水滴爆炸轉(zhuǎn)換的水滴發(fā)電機(jī)(power-drop?generator)

13、圖10：蒸汽冷凝器-示意圖

14、圖11：散熱器

15、圖12：電力發(fā)電機(jī)(power?generator)

16、圖13：流量控制閥

17、圖14：原型發(fā)明的技術(shù)規(guī)格。

18、發(fā)明詳述

19、作為新型能量存儲系統(tǒng)的所提出的系統(tǒng)是一種被設(shè)計為存儲呈熱能(熱量)的形式的產(chǎn)生的能量，然后該產(chǎn)生的能量進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電能和熱水作為最終輸出的裝置。在圖1中給出了其示意性概述。

20、該系統(tǒng)包括兩個主要單元：

21、-熱存儲單元，以及

22、-轉(zhuǎn)換單元，該轉(zhuǎn)換單元用于將存儲的能量從熱量轉(zhuǎn)換為電能。

23、這兩個單元作為整體部件在圖2上示出。熱存儲單元及其元件在圖3上示出。

24、熱機(jī)械系統(tǒng)的第一單元包括填充有天然的、可持續(xù)的、完全可回收的能量存儲材料的良好隔熱的容器(單元(cell))，該能量存儲材料具有通過在溫度變化下的狀態(tài)變化(固體-液體，并且反之亦然)吸收大量熱量的能力。由于容器的隔熱材料(insulation)的高耐熱性，使熱損失最小化，并且因此存儲的熱能能夠被存儲持續(xù)延長的時間量。來自多種天然的、非連續(xù)的源(太陽、風(fēng)等)的電能被用作到能量存儲系統(tǒng)中的輸入。放置到容器(單元)中的合適型號的電加熱器進(jìn)一步將產(chǎn)生的電能(輸入)轉(zhuǎn)換為熱能。在下一步驟，當(dāng)能量源激活時，通過升高電加熱器的溫度，來自加熱器的熱能被傳遞到放置到容器(單元)中的材料(用于熱能存儲)上，這觸發(fā)材料的內(nèi)部溫度以敏感熱能的形式升高到其熔點溫度，因此能量存儲過程發(fā)生。一旦能量存儲材料的內(nèi)部溫度達(dá)到高于熔點溫度的溫度，該材料就開始將其狀態(tài)從固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，這另外觸發(fā)來自加熱器的熱能的甚至更大吸收和存儲。在此過程期間，所述材料僅略微增加其內(nèi)部溫度，并且所述能量以潛在熱能的形式存儲。該過程允許實現(xiàn)在相對小質(zhì)量體積的熱儲存材料中存儲更大量的熱能的效果。

25、熱存儲單元的組成元件是

26、-圖4上示出的容器(也稱為外殼(casing)或單元)，該容器由兩部分(由耐火水泥制成的主體和蓋(cover))制造，該容器容納存儲單元(在內(nèi)部)和轉(zhuǎn)換單元(在外部，安裝在外壁上)的所有部件。該容器由鋼、鋼筋混凝土或任何其他材料或這樣的材料的組合制成，在高溫下具有穩(wěn)定的剛性性質(zhì)。

27、-隔離物(isolation)或一個或更多個隔離物層，該隔離物或一個或更多個隔離物層是可回收的且具有生態(tài)特性，可商購的，具有耐高溫性，以提供最小的熱損失和延長的熱能存儲。

28、-存儲材料-具有足夠性質(zhì)(熔合潛熱、比熱)的預(yù)先計算體積的材料將存儲由連接到能源(太陽、風(fēng)等)的加熱器產(chǎn)生的熱能。玻璃、硅、鹽、玄武巖、碳化硅是少數(shù)可以充當(dāng)熱能存儲材料的材料。對于本發(fā)明原型，使用由于較低熔化溫度(潛在熔合)的≤500微米的回收的玻璃顆粒。

29、-具有足夠規(guī)格(材料sic)的高溫加熱器，該高溫加熱器連接到能源并產(chǎn)生熱量，該熱量作為熱能存儲。

30、-蓋，該蓋包含上板、旋轉(zhuǎn)蝶形翼(rotating?butterfly?wing)并且容納熱交換器，具有控制由存儲材料傳輸至熱交換器的熱能的量的作用。

31、-熱交換器，熱交換器的連接到儲水器和轉(zhuǎn)換單元網(wǎng)絡(luò)其余部分的管道(pipe)具有從存儲材料吸收呈熱量形式的熱能并將水轉(zhuǎn)換為干蒸汽的作用，該干蒸汽將進(jìn)一步使位于轉(zhuǎn)換單元中的發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)。

32、-旋轉(zhuǎn)蝶形翼，其連接到角度馬達(dá)，通過旋轉(zhuǎn)±90度的角度，所述旋轉(zhuǎn)蝶形翼控制間隙的打開/關(guān)閉，在所述間隙中來自存儲材料的熱量能夠傳遞到熱交換器上，從而調(diào)節(jié)熱交換器的管道中的水/蒸汽的溫度。

33、系統(tǒng)的第二單元或用于將熱存儲的能量(熱量)轉(zhuǎn)換為電能的單元在圖5上示出。基本上，它遵循朗肯機(jī)械循環(huán)的原理并且包括幾個基本元件：

34、-用于工作流體(水)的儲器，

35、-流體泵，

36、-熱交換器

37、-膨脹器(expander)，

38、-用于工作流體的冷凝器，

39、-冷卻器，以及

40、-發(fā)電機(jī)(electric?generator)。

41、泵將工作流體從儲器發(fā)送到熱交換器中，同時將工作流體的壓力升高直到8巴，所述泵由安全閥調(diào)節(jié)。直接放置在蓋內(nèi)的隔離的容器(單元)上方并由旋轉(zhuǎn)蝶形板隔開的熱交換器與存儲材料(加熱材料)沒有物理接觸，同時熱能(熱量)通過熱輻射傳遞，即從材料傳遞到穿過蝶形板并被熱交換器接收的工作流體。一組耐熱旋轉(zhuǎn)板起到分隔器(divider)的作用，并且通過打開或減小容器和熱交換器之間的間隙空間，該一組耐熱旋轉(zhuǎn)板通過熱傳導(dǎo)調(diào)節(jié)傳遞到穿過交換器的工作流體的熱量的量。

42、當(dāng)熱機(jī)械系統(tǒng)處于排放模式時(用戶的家庭具有打開的裝置)，蝶形板被定位為“打開”并且工作流體進(jìn)入熱交換器，該工作流體通過對流接收部分熱能并增加其內(nèi)部溫度和其體積。由于恒定的質(zhì)量流量，典型地對于朗肯循環(huán)(rankine?cycle)，在熱交換器的入口部位和出口部位處的工作流體的體積的差異出現(xiàn)。該差異引起工作流體的顆粒在熱交換器的出口部位處的運動的速度增加。隨著這樣的增加的速度，工作流體然后進(jìn)入放置在膨脹器的入口部位處的注入器，獲得另外的速度。在此上下文中，產(chǎn)生功的典型的膨脹器由簡單的蒸汽機(jī)或渦輪機(jī)代表。我們使用自行設(shè)計的無葉片渦輪機(jī)，該無葉片渦輪機(jī)具有多個旋轉(zhuǎn)盤，作為膨脹器-功產(chǎn)生元件提高效率。當(dāng)工作流體圍繞膨脹器/渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)盤移動時，由于摩擦，該工作流體將其動能的一部分傳遞到轉(zhuǎn)子/旋轉(zhuǎn)盤，并且因此傳遞到旋轉(zhuǎn)軸。

43、當(dāng)工作流體將其動能傳遞到旋轉(zhuǎn)盤時，該工作流體存在于膨脹器/渦輪機(jī)中并進(jìn)入管道系統(tǒng)，由此該工作流體最終被吸入冷凝器中，由此多余的熱能被釋放到冷卻劑中。工作流體保持其約70℃的溫度，并且然后進(jìn)入儲器以被存儲，直到發(fā)生新的循環(huán)。冷卻流體(冷卻劑)在其已經(jīng)從冷凝器中的工作流體接收部分熱能并且其內(nèi)部溫度已經(jīng)升高之后，進(jìn)入冷卻器，在所述冷卻器中該冷卻流體的溫度降低。該少量的熱能被釋放到環(huán)境中。

44、為了提高系統(tǒng)的整體效率，應(yīng)該完全釋放到環(huán)境中的多余熱能(熱量)實際上將經(jīng)由單獨的管道管線(piping?line)輸送到目標(biāo)(object)(住宅單元或工業(yè)單元)中以進(jìn)一步使用(在住宅單元的情況下，用于在冬季具有溫水或供暖目的；并且在工業(yè)單元的情況下，用于技術(shù)過程等)。

45、該系統(tǒng)還配備有旁路管道，該旁路管道繞過膨脹器/渦輪機(jī)，并且能夠?qū)⒐ぷ髁黧w直接輸送到冷凝器中，并且因此如果需要的話，增加系統(tǒng)產(chǎn)生更大量溫水的能力。這能夠通過安裝兩個電磁閥來實現(xiàn)，該電磁閥調(diào)節(jié)這些管線中的工作流體的流量。這樣，系統(tǒng)的整體參數(shù)能夠針對現(xiàn)場的實際情況根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得更大的溫水產(chǎn)量或更大的能量存儲。

46、包括轉(zhuǎn)換單元的元件是：

47、-圖6上示出的水泵。水泵的目的是在水待被注入到熱交換器之前增加水的壓力(在本技術(shù)中從1巴增加至6巴)，確保低質(zhì)量流量(在本技術(shù)中為0.0036kg/s)。由于低質(zhì)量流量，水泵的能耗非常低。(在本技術(shù)中，水的入口溫度和出口溫度為95℃)。可以使用具有上文規(guī)格的任何商業(yè)型號。

48、-圖7上示出的熱交換器。

49、這是一種高溫?zé)峤粨Q器，當(dāng)通過水泵、來自儲器的水(在本技術(shù)中，具有95℃的溫度和6巴的壓力)被加熱至350℃時，該高溫?zé)峤粨Q器產(chǎn)生蒸汽。壓力始終保持恒定，但是過熱的蒸汽的速度增加直至待注入到蒸汽渦輪機(jī)中的點(point)。

50、-圖8上示出的膨脹發(fā)動機(jī)(expansion?engine)，

51、作為膨脹發(fā)動機(jī)，可以使用多種類型和型號的可商購的發(fā)動機(jī)，諸如：蒸汽渦輪機(jī)、多盤渦輪機(jī)、懸浮式活塞發(fā)動機(jī)、水滴發(fā)電機(jī)、聲學(xué)發(fā)動機(jī)、真空發(fā)動機(jī)等。蒸汽渦輪機(jī)的目的是以盡可能高的速率將熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在本技術(shù)中描述的系統(tǒng)中，使用自主設(shè)計的多盤蒸汽渦輪機(jī)(特斯拉渦輪機(jī))。該渦輪機(jī)利用光滑圓盤上邊界層的摩擦要素來產(chǎn)生軸的旋轉(zhuǎn)力，并以這種方式產(chǎn)生能量。

52、-圖9上示出的水滴發(fā)電機(jī)(power-droplet?generator)。這是一種獨特的發(fā)電機(jī)概念，該發(fā)電機(jī)利用水滴在插入加熱室時的爆炸。如果將預(yù)熱的水滴(85℃)引入熱板(300℃)上，則它首先將迅速升溫，但隨后液滴將爆炸，釋放能量。我們將利用這種爆炸來使汽缸運動起來。實際上，原理與內(nèi)燃機(jī)相同，只是現(xiàn)在爆炸不是由點火引起的，而是由過熱的板引起的。該系統(tǒng)可以容易地擴(kuò)展到火箭發(fā)動機(jī)的原理，使得進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，而不是月球運動。

53、-圖10上示出的蒸汽冷凝器。蒸汽冷凝器的作用是將工作流體(蒸汽)重新冷凝，并以這種方式將相從氣相變?yōu)橐合唷?/p>

54、-圖11上示出的散熱器。散熱器的作用是冷卻蒸汽冷凝器的冷卻劑并釋放周圍環(huán)境中的多余熱量。任何具有相應(yīng)技術(shù)規(guī)格的可商購的散熱器都是合適的。

55、-圖12上示出的發(fā)電機(jī)(electric?power?generator)。

56、發(fā)電機(jī)將用帶連接到蒸汽渦輪機(jī)(估計的帶減速比(belt?reduction?rate)為約1:6)。發(fā)電機(jī)將為房屋或工廠發(fā)電。原型具有6kw。

57、-圖13上示出的流量控制閥。流量控制閥調(diào)節(jié)蒸汽流量，將蒸汽輸送穿過蒸汽渦輪機(jī)或穿過旁路管線。當(dāng)需要發(fā)電時，蒸汽穿過蒸汽渦輪機(jī)，然后到達(dá)冷凝器，在該冷凝器中蒸汽加熱冷卻劑。然后，冷卻劑被引導(dǎo)到用戶房屋供暖系統(tǒng)或電池散熱器。當(dāng)有必要在沒有電力產(chǎn)生的情況下加熱房屋供暖系統(tǒng)時，在流量控制閥的幫助的情況下，蒸汽被重新引導(dǎo)到旁路管線，并且因此蒸汽被直接輸送到蒸汽冷凝器，在該蒸汽冷凝器中冷卻劑被加熱并且隨后將該熱量傳遞到房屋供暖系統(tǒng)。

58、熱機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格

59、熱機(jī)械能量存儲系統(tǒng)在使用中的預(yù)期壽命為25年，并且是完全可回收的和可重復(fù)使用的。該系統(tǒng)最初能夠存儲由可再生能源(太陽、風(fēng)等)或通過簡單的電網(wǎng)感應(yīng)(在非高峰低電價期間)充電產(chǎn)生的2mw綠色能源，并在最需要時(例如在斷電期間、高峰高電價期間或工業(yè)級電價期間)進(jìn)一步利用能源。

60、該系統(tǒng)代表尺寸為2.4m×1.9m×2.4m(l×w×h)的堅固的鋼/混凝土外殼中的a-系統(tǒng)。這使得可以將系統(tǒng)放置在地下，因此它不會占用住宅內(nèi)部或周圍的任何空間。該系統(tǒng)應(yīng)連接到：

61、-輸入連接部(input?connection)：能量源(太陽能系統(tǒng)、風(fēng)力渦輪機(jī)、生物質(zhì)工廠等)；

62、-輸出連接部：目標(biāo)的電力線(以及在熱水供應(yīng)的情況下的進(jìn)水口連接部)；

63、此外，該系統(tǒng)可以通過應(yīng)用程序進(jìn)行操作，并與智能家居的其余部分同步。

64、該系統(tǒng)具有低壓連接和230/415伏連接作為標(biāo)準(zhǔn)。低壓連接使得可以將太陽能電池板直接連接到系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有低壓輸出和230/415伏輸出。該系統(tǒng)還具有熱水連接和冷水連接，該熱水連接和冷水連接允許為家庭使用、供暖、甚至游泳池供應(yīng)熱水。該系統(tǒng)可以存儲總共2mw/h的能量持續(xù)超過5-7天，將其納入長期ess(能量存儲系統(tǒng))的范疇。該系統(tǒng)具有94％的預(yù)計效率。當(dāng)前型號的最大功率輸出為6kw/h(連續(xù))。未來型號在相同大小尺寸內(nèi)可調(diào)節(jié)至最大30kw/h。

65、原型系統(tǒng)-工作溫度范圍：由于回收的玻璃被用作存儲材料，因此設(shè)想其內(nèi)容物是主要來自瓶子、腌菜罐和窗戶的粒狀玻璃，所有粒狀玻璃都由sls(蘇打-石灰-二氧化硅)玻璃制成。sls玻璃從表現(xiàn)出固體特性轉(zhuǎn)變?yōu)楸憩F(xiàn)出液體特性的溫度為～580℃。因此，工作范圍的溫度在其軟化點和工作點之間，對于sls玻璃，工作范圍的溫度在580℃-1000℃之間。根據(jù)該假設(shè)，下表將給出在已經(jīng)使用回收的玻璃作為存儲材料的原型發(fā)明中熱能可以存儲多長時間的信息：

66、在冬季工作制度下，在第11天，計算熱損失，存儲材料的溫度下降到其工作制度的最低溫度以下，并且將因此需要再充電。這意味著本發(fā)明的存儲系統(tǒng)可以保持能量整整10天，這一時間段遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)前的存儲系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路