組合顯熱固體材料和相變材料的熱能儲存系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】組合顯熱固體材料和相變材料的熱能儲存系統(tǒng)
[0001] 發(fā)明目標(biāo)
[0002] 本發(fā)明描述了儲存和復(fù)原（recovery)熱能的系統(tǒng)，其利用固體材料的容納顯熱 形式熱能的能力以及相變材料的容納顯熱和相變潛熱兩種形式的熱能的能力。在本文中， 本發(fā)明描述了使用來自外部源的熱或來自過程的熱，在穩(wěn)定時間中給裝置（箱）充熱能，并 且在隨后的時間中，當(dāng)能源不可用于（或不足以）持續(xù)向外部系統(tǒng)供應(yīng)熱能時，使所述裝置 (箱）釋放熱能。本發(fā)明的一個目的是在不危害儲存箱的效力的情況下使儲存箱的尺寸最 小化。
【背景技術(shù)】
[0003] 幾十年來，由于需要更少地依賴?yán)缁剂系炔豢稍偕Y源來獲得能量轉(zhuǎn)換過 程，使用來自外部源的熱能（例如，太陽能、制造過程的余熱等）來產(chǎn)生電能或簡單地在過 程中（例如，產(chǎn)生蒸汽、加熱水等）使用所述能量已經(jīng)成為重要的研究領(lǐng)域。
[0004] 用于得到熱能的機(jī)制受到這樣的限制，S卩，通常它們不是持續(xù)的過程。這些過程僅 在每天的特定數(shù)目的小時期間發(fā)生，相比之下，需求一般是持續(xù)的或簡單地隨著時間而不 合時宜。這就是之所以采用一些方法來提供此所需能量的原因。近年來，提出了不同的方 法來儲存在外部熱源可供利用期間得到的并且沒有供應(yīng)給耗能單元的熱能。一般而言，該 用于儲存熱能的策略基于對箱中保護(hù)的載熱介質(zhì)的使用，并且所述介質(zhì)儲存外部源可供利 用期間所得的熱能，隨后將在耗能單元需要時進(jìn)行使用。
[0005] 有兩類可能的組件用于儲存和利用得自外部源的熱能，其采用兩個儲存箱一一熱 箱和冷箱，或者僅采用一個箱（斜溫層），其特征為兩個限定區(qū)域一一熱區(qū)和冷區(qū)。斜溫層 定義為流體內(nèi)的層，其中溫度隨著深度或高度而快速變化，并且其中存在箱中所裝流體的 分層現(xiàn)象。
[0006] 已知，長時間維持熱能儲存箱（斜溫層）內(nèi)的分層效果有困難。這是由以下因素 所致：頂部或熱區(qū)持續(xù)并入流體以及箱底部去除冷的流體，不同溫度的流體層之間的傳導(dǎo) 效果，以及所述層因流體湍流導(dǎo)致的混合。已經(jīng)依照一些策略來促進(jìn)箱內(nèi)部的流體的分層。 其中一些是：標(biāo)題為"Methodandapparatusforoperatinganimprovedthermocline storageunit"的專利US4523629中描述的依賴于流體密度而在熱和冷界面之間漂浮的 分離膜；標(biāo)題為"Singlebi-temperaturethermalstoragetankforapplicationin thesolarthermalplant"的專利US2010301062中提出的并入固定擋板；標(biāo)題為"Dual thermalenergystoragetank"的專利EP2141432中提出的使用移動擋板；或者標(biāo)題為 "ThermalenergystoragesystemComprisingthermoclineoptimalmanagement" 的專 利US20120118554中所述的用于監(jiān)視箱中不同高度處的流體溫度的方法。這些專利中的每 一個都提供了避免以下的方法，即，不同溫度的流體的混合可能傾向于劣化熱儲存系統(tǒng)。標(biāo) 題為"Horizontalextractionandreturnextensionsinliquidstoragetanks'，的專 利US2012104003中提出了對載熱流體至儲存箱的入口和出口的設(shè)計的改進(jìn)，其中尋求減 少進(jìn)入箱或從箱出來時的流體速度以防止流體的攪動以及隨后而來的混合。
[0007] 載熱介質(zhì)或者用于吸收熱能或吸收來自外部源的熱的介質(zhì)是流體物質(zhì)，因此，耗 散集中在外部熱源中的熱。所述載熱流體可為例如，水、空氣或任何烴族流體（熱油）、熔融 的鹽（硝酸鈉、硝酸鉀、氯化鎂等）或所述鹽的混合物。后者必須具有低熔點(diǎn)的特征，使回 路內(nèi)的材料在過程中不凝固。
[0008] 作為尋求得到具有更小尺寸的儲存系統(tǒng)的改進(jìn)的替代方案，出現(xiàn)了將相變材 料（PhaseChangeMaterials-PCM)并入熱能儲存系統(tǒng)中。在這些系統(tǒng)中，在熱能的儲 存/復(fù)原期間，當(dāng)相變材料從固體變成液體或反之時，相變材料的潛熱被利用。標(biāo)題為 ^High-temperaturedirect-contactthermalenergystorageusingphase-change media"的美國專利4512388首次公開了用于高溫的相變材料的使用和應(yīng)用，其中提出將這 些種類的材料用于在400°F至3000°F(約205°C至1650°C)下儲存熱能的應(yīng)用中。隨 后，如在標(biāo)題為"Thermalstoragesystem"的專利US20100230075中所述，描述了使用相 變材料作為儲存熱能的工具的應(yīng)用。將這樣的材料布置于箱內(nèi)側(cè)，其中浸沒有一系列熱交 換器，所述熱交換器是用于向PCM供熱或從PCM除去熱的工具。提到了在該類型的組件中 交換器效率劣化的一些問題。
[0009] 如果所述材料是包封的，則可避免PCM與熱交換器的直接接觸。標(biāo)題為"Thermal energystoragesystemComprisingencapsulatedphasechangematerial'，的專利 US2012018116中描述了基于該可選方法的建議，其還描述了執(zhí)行將PCM包封于球中的方 法。其提到，當(dāng)使用包封的PCM時，如何得到較高的傳遞面積，以促進(jìn)介質(zhì)與PCM之間的熱 傳遞。
[0010] 在標(biāo)題為"Encapsulatedphasechangeapparatusforthermalenergy storage"的專利US20110259544中描述了包封用于高溫應(yīng)用的相變材料PCM的方法，其 中描述了用于制造圓柱形的PCM盒（capsule)的技術(shù)。隨后，標(biāo)題為"Hightemperature thermalenergystoragesystem"的專利US20120055661 描述了用于將PCM包封于圓管內(nèi) 以避免其表面上可能的缺陷或破損的創(chuàng)新。該方法由沿著包含PCM的管制造一系列螺旋槽 組成；這有利于盒在熔化期間變形，而沒有因PCM體積變化而導(dǎo)致的任何損傷風(fēng)險。
[0011] 發(fā)明目的
[0012] 本發(fā)明旨在使用至少一種顯熱固體材料和一組具有不同恪點(diǎn)（meltingpoint)的 并且被適當(dāng)容納的相變材料（PCM)來改進(jìn)熱能儲存系統(tǒng)的設(shè)計。顯熱固體材料和PCM這兩 類材料都直接與載熱介質(zhì)或載熱流體接觸，所述載熱介質(zhì)或載熱流體負(fù)責(zé)在給系統(tǒng)充熱能 期間將來自外部源的熱傳遞至箱（PCM和固體材料），然后在釋放熱能期間將來自箱 固體材料）的熱遞送至外部系統(tǒng)。本發(fā)明目的的一部分是尋求尺寸比常規(guī)裝置小同時不損 害其效率的裝置，其中本發(fā)明做出了努力以高效地儲存能量。
[0013] 提出了用于儲存/復(fù)原熱能的箱的新設(shè)計，其提供了沿著箱內(nèi)部的至少兩個區(qū) 域，所述區(qū)域由其所包含的填充材料以及其所經(jīng)歷的溫度范圍來適當(dāng)區(qū)分。在箱的一端提 供了冷區(qū)，其裝有一組以低熔化溫度為特征的包封的PCM，或者裝有顯熱固體材料。然后，將 布置由至少一種顯熱固體材料組成的中區(qū)，其分隔熱區(qū)和冷區(qū)的流體。箱的另一端將裝有 一組具有高熔化溫度的包封的PCM或顯熱固體材料。最常見的構(gòu)型是：箱垂直放置，底區(qū)裝 有具有低熔化溫度的包封的PCM，中區(qū)裝有顯熱固體材料，并且上區(qū)裝有具有高熔化溫度的 包封的PCM。所述各區(qū)都由元件（網(wǎng)孔）限定，所述元件除了作為結(jié)構(gòu)元件外，還防止PCM 盒在箱內(nèi)自由移動。
[0014] 發(fā)明描述
[0015] 利用熱能儲存系統(tǒng)，所述系統(tǒng)使用某些材料容納顯熱和相變潛熱形式的能量的能 力，從而在充熱能期間儲存來自外部源的熱（例如，太陽能或制造過程的廢熱，并且這些熱 旨在供應(yīng)例如電能產(chǎn)生系統(tǒng)、吸收制冷系統(tǒng)等外部系統(tǒng)），并在釋放熱能期間復(fù)原來自外部 熱源的熱。
[0016] 所述熱能儲存系統(tǒng)由其中裝有一組形成多孔介質(zhì)的材料的單一的箱或腔組成，載 熱流體可循環(huán)通過所述多孔介質(zhì)。這樣的材料包括：至少一種適當(dāng)包封的相變材料（PCM)， 并且其負(fù)責(zé)儲存/復(fù)原相變或狀態(tài)變化（固體_液體或反之）的潛熱和顯熱形式的能量； 至少一種顯熱固體材料，其將儲存/復(fù)原顯熱形式的能量；并且可能包括一組網(wǎng)格、網(wǎng)孔或 其他裝置，其負(fù)責(zé)塑造結(jié)構(gòu)，避免由于相變材料或顯熱固體材料的重量導(dǎo)致?lián)p壞，或者材料 逃脫至其他區(qū)域或逃向載熱流體而損壞。所述箱具有