低空隙率的储热物品及方法

低空隙率的储热物品及方法
【专利摘要】低空隙率热能存储物品、系统、和用于制造和利用这种热能存储物品和系统的方法。热能存储单元包括具有特定空隙容积的热能存储本体和混合腔室形成元件。热能存储模块包括与由腔室形成元件限定的居间腔室邻近设置的两个或多个热能存储本体。热能存储模块的总空隙容积(即，热能存储本体的通道与腔室的空隙容积的总和)处于约10％至约40％之间。
【专利说明】低空隙率的储热物品及方法
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求2012年6月29日提交的美国临时申请No. 61/665, 957的权益。 【背景技术】 【技术领域】
[0003] 本公开主要涉及低空隙率（voidfraction)的热能存储物品、系统及用于制造和 利用这种热能存储物品和系统的方法。
[0004] 对于相关技术的说明
[0005] 所有类型的能量存储在能源节约方面均起到了重要的作用。对于诸如太阳能或 来自工业过程的废热之类的热能的有效收集、利用和保存是能源开发和能源管理的重要方 面。特别地，呈显热和潜热的形式的热能的存储是重要的。
[0006] 对于有效地存储和回收大量热能（即，热力能）的能力已经存在浓厚的兴趣。存 在可回收、存储和取出包括诸如太阳热能、地热（例如，火山地热、热水地热等）之类的天然 能源和诸如工业产生的废热之类的人工产生的热能在内的热存储技术。热能存储系统可被 广泛地分类成显热系统、潜热系统和结合能系统。显热系统是通过在不改变相的情况下对 通常为液体或固体的介质进行加热来存储热能的系统。潜热系统是对经历相变（通常为熔 化）的介质进行加热的系统。结合能存储系统是通过使介质经历将热能转换成化学能的吸 热-放热反应来存储热能的系统。
[0007] 热能存储通过平滑供给以及提高可靠性来改善能源系统的性能。尽管太阳能是充 裕的、清洁的、且是安全的能量源，但它经历每年且每日的循环；由此必然是断续的，并且通 常由于变化的天气状况（例如，雨、雾、尘埃、霾、云翳）而是不可预期的且被漫射掉。此外， 伴随着工业和消费需求的每年且每日的循环，对于能源的需求同样是不稳定的。因此，持续 需要促进热能的有效存储、回收和利用的改良的、节约成本的物品、过程和系统。
【发明内容】

[0008] 本发明的热能存储单元主要包括热能存储本体，该热能存储本体具有顶面、底面、 和多个穿孔，这多个穿孔形成从该顶面穿过该热能存储本体延伸至该底面的通道。该热能 存储单元的热能存储本体可还包括附连的混合腔室形成元件。作为选择，当在热能存储系 统中使用时，该混合腔室形成元件可以是与该热能存储本体结合使用的单独的单元。
[0009] 该热能存储本体包括处于顶面和底面中的穿孔或开口。穿孔限定平均水力直径dh ，其中，穿孔的具体实施例包括1-2个穿孔/英寸2 (1-2个穿孔/6. 452cm2)，任何具体的 穿孔均具有上限值DHira= 1英寸（6.452cm)。穿孔还将平均壁厚Thk+肖限定为处于相邻穿 孔之间的最窄内部壁厚，其中，具体实施例包括DMm/Thk^^ = 0. 5-3. 0。
[0010] 该热能存储本体穿孔还限定通道，这些通道随着它们延伸穿过该热能存储本体可 具有均匀的、不规则的、或其任一组合的形状。
[0011] 该热能存储本体穿孔还将空隙的开孔率（openfacevoid)限定为穿孔的直径占 总表面积的百分比。该热能存储本体穿孔还将空隙容积（voidvolume)限定为通道的空隙 占该热能存储本体的总面积的百分比，其中，具体实施例包括处于约10%至约35%的空隙 容积范围。
[0012] 两个或多个本体和居间腔室的结构限定了一种模块，其中，本体相邻设置在一起， 且腔室设置在这些本体中间，其中，本体设置成使得通道将流体流引导穿过本体和居间腔 室。该模块包括总空隙容积，其中，各个本体与腔室的空隙容积的总和处于约10 %至约 40 %之间的范围中。
[0013] 该腔室由腔室形成元件形成，该腔室形成元件可以是与热能存储本体的一个或多 个表面成一整体、与本体分离开或位于本体的外部、或从本体设置在其中的密闭壳延伸的 突起或构件。
[0014] 该热能存储单元和模块起作用以控制该密闭壳内的流体流。在这种情况下，来自 流体的热量可在一个操作中被传递至一个或多个热能存储本体，并且所存储的来自热能存 储本体的热量可在另一操作中被传递至流体。 【专利附图】

【附图说明】
[0015] 对于本领域技术人员而言，通过参照附图可更好地明白本发明及其多个特征和优 点。
[0016] 图1是包括热能存储本体的热能存储单元的实施例的插图，该热能存储本体具有 一体的腔室形成元件（即，一体的唇缘）。
[0017] 图2是包括两个热能存储本体和一个外部腔室形成元件（间隔环）的热存储模块 的插图。
[0018] 图3A-3F是具有不同形状的通道（例如，圆形、十字形、直线形切口、弧形、S形切 口、及方形）的热能存储本体的替代实施例的截面图。
[0019] 图4A-4C是具有设置成不同图案（例如，对正的多排阵列、非对正的多排阵列、和 径向）的通道的热能存储本体的替代实施例的截面图。
[0020] 图5A-5C是具有一体的腔室形成元件（例如，多个突起、凸条、单个突起）的替代 实施例的热能存储本体的视图。
[0021] 图6A-6C是在该热能存储本体的顶面和底面上具有不同的一体的腔室形成元件 的热能存储单元的视图。
[0022] 图7A-7C是具有外部腔室形成元件的替代实施例（例如，多个可分离的突起、多个 可分离的凸条、单个可分离的突起）的热能存储本体的视图。
[0023] 图8是具有热能存储本体的热能存储单元的视图，该热能存储本体包括设置在一 起的多个饼状部分。
[0024] 图9是热能存储单元的包括同心的环形部分的替代实施例的视图。
[0025] 图10是制造陶瓷热能存储本体的过程的流程图。
[0026] 相同的附图标记在不同视图中的使用指代相似或相同的物品。 【具体实施方式】
[0027] 提供结合附图进行的下列说明以便有助于理解本文中公开的教导。下列讨论将集 中在这些教导的具体实施方案和实施例。提供该焦点以便有助于描述这些教导且不应被解 释成是对于这些教导的范围或适用性的限制。
[0028] 如本文中所使用的那样，术语"包括"、"包含"、"具有"或其任一其它变型均旨在覆 盖住非排他性的包括。例如，包括一列特征的过程、方法、物品、或设备并非必然仅限制于那 些特征，而是可包括并未明确列出或为这种过程、方法、物品或设备所特有的其它特征。此 夕卜，除非另有相反说明，否则"或者"表示包括性的或者而非排他性的或者。例如，状况A或 B由下列情况中的任一种所满足:A是真的（或存在）且B是假的（或不存在），A是假的 (或不存在）且B是真的（或存在），以及A和B均是真的（或者存在）。
[0029] "一"或"一种"的使用用于描述本文中所述的元件和部件。这仅出于方便的目的 进行且给出了本发明的范围的一般意义。该描述应该被理解成包括一个或至少一个，并且 该单数还包括复数，反之亦然，除非清楚的表明它具有其它含义。
[0030] 除非另外限定，否则本文中所使用的所有技术和科学术语均具有与本发明所属领 域的技术人员通常明白的含义相同的含义。材料、方法、和示例均仅是说明性的且并非意在 是限制性的。
[0031] 本文中描述了具有创造性的实施例，该实施例涉及可用在诸如与太阳能发生器相 关联的热能存储设备之类的大型热能存储设备中的热能存储介质。具有创造性的具体实施 例涉及结构化的、模块化的、整体的热能存储介质。该热能存储介质可放置在诸如大型管道 或密闭壳之类的容器内。可使已经被例如通过太阳充能（即，加热）的传热流体流过该热 能存储介质。该热能存储介质又吸收来自该传热流体的热量并存储所吸收的热量用于后期 使用。例如，在太阳能收集器不能将足够量的加热流体直接提供至发生器时（例如晚间） 的时期期间，可使传热流体流经加热后的热能存储介质，使得该传热流体吸收所存储的热 量并随后将该热量传递至可将它用于例如产生蒸汽的发生器。
[0032] 本文中描述了具有创造性的具体实施例，该具体实施例涉及热能存储单元、热能 存储模块、和热能存储系统。如在下文中更为详细描述的那样，该热能存储单元包括热能存 储本体和混合腔室形成元件。该热能存储模块由通过混合腔室形成元件分离开的至少两个 热能存储本体组成。该热能存储系统包括多个热能存储模块。
[0033] 在如图1中所示的实施例中，热能存储单元100包括：热能存储本体101，该热能 存储本体101具有顶面103、底面105、多个穿孔107、和处于约10%至约35%的范围内的空 隙容积，其中，这多个穿孔107形成从顶面103穿过该热能存储本体延伸至底面105的通道 109 ;以及混合腔室形成元件111。
[0034] 该热能存储单元的热能存储特性受到该热能存储单元的形状和尺寸的影响。该热 能存储单元具有值得注意的形状以及长度、宽度和高度的尺寸。该热能存储单元的热能存 储本体可具有任一形状，该任一形状具有顶面和底面并具有使该热能存储本体能够装配在 密闭壳（未示出）内的总尺寸。在一种实施例中，该热能存储本体的长度和宽度被确定尺 寸成大致等于该密闭壳的内部长度和宽度。在另一实施例中，该热能存储本体可小于该密 闭壳的长度和宽度（例如对于大型密闭壳而言），使得可将多个热能存储本体并排设置以 便装配在该密闭壳内。
[0035] 在一种实施例中，该热能存储本体可以是单元式构件。在一种实施例中，该热能存 储本体可包括装配在一起以形成该热能存储本体的多个部分，其中，这多个部分可包括单 个层。图8示出了由单层多个饼状的楔形部分形成的热能存储本体。图9示出了由多个同 心成形的部分形成的热能存储本体。
[0036] 在一种实施例中，该热能存储本体可具有处于不大于约60英寸（152. 4cm)的范围 内的长度尺寸，例如不大于约48英寸（121. 92cm)、不大于约36英寸（91. 44cm)、不大于约 24英寸（60. 96cm)、不大于约20英寸（50. 8cm)、不大于约18英寸（45. 72cm)、不大于约12 英寸（30. 48cm)、不大于约10英寸（25. 4cm)、不大于约8英寸（20. 32cm)、或不大于约6英 寸（15. 24cm)的长度。在一种实施例中，该长度尺寸可不小于约2英寸（5. 08cm)、不小于 约3英寸（7. 62cm)、不小于约4英寸（10. 16cm)、或不小于约5英寸（12. 7cm)。该长度尺 寸可处于包括任一对前述上限值和下限值在内的范围内。在一种具体实施例中，该长度尺 寸可处于不小于约4英寸（10. 16cm)至不大于约12英寸（30. 48cm)、例如不小于约5英寸 (12. 7cm)至不大于约10英寸（25. 4cm)的范围中。
[0037] 在一种实施例中，该热能存储本体可具有处于不大于约60英寸（152. 4cm)的范围 内的宽度尺寸，例如不大于约48英寸（121. 92cm)、不大于约36英寸（91. 44cm)、不大于约 24英寸（60. 96cm)、不大于约20英寸（50. 8cm)、不大于约18英寸（45. 72cm)、不大于约12 英寸（30. 48cm)、不大于约10英寸（25. 4cm)、不大于约8英寸（20. 32cm)、或不大于约6英 寸（15.24cm)。在一种实施例中，该宽度尺寸可不小于约2英寸（5. 08cm)、不小于约3英 寸（7. 62cm)、不小于约4英寸（10. 16cm)、或不小于约5英寸（12. 7cm)的宽度。该宽度尺 寸可处于包括任一对前述上限值和下限值在内的范围内。在一种具体实施例中，该宽度尺 寸可处于不小于约4英寸（10. 16cm)至不大于约12英寸（30. 48cm)、例如不小于约5英寸 (12. 7cm)至不大于约10英寸（25. 4cm)的范围中。
[0038] 在一种实施例中，该热能存储本体可具有处于不大于约60英寸（152. 4cm)的范围 内的高度尺寸，例如不大于约48英寸（121. 92cm)、不大于约36英寸（91. 44cm)、不大于约 24英寸（60. 96cm)、不大于约20英寸（50. 8cm)、不大于约18英寸（45. 72cm)、不大于约12 英寸（30. 48cm)、不大于约10英寸（25. 4cm)、不大于约8英寸（20. 32cm)、或不大于约6英 寸（15. 24cm)的高度。在一种实施例中，该高度尺寸可不小于约2英寸（5. 08cm)、不小于 约3英寸（7. 62cm)、不小于约4英寸（10. 16cm)、或不小于约5英寸（12. 7cm)。该高度尺 寸可处于包括任一对前述上限值和下限值在内的范围内。在一种具体实施例中，该高度尺 寸可处于不小于约4英寸（10. 16cm)至不大于约12英寸（30. 48cm)、例如不小于约5英寸 (12. 7cm)至不大于约10英寸（25. 4cm)的范围中。
[0039] 在一种具体实施例中，长度、宽度和高度的尺寸为6英寸（15. 24cm)乘以6英寸 (15. 24cm)乘以 12 英寸（30. 48cm) (6"X6"X12"）（15. 24cmX15. 24cmX30. 48cm) 〇[0040] 该热能存储单元的空隙容积可受到定位在该热能存储本体的顶面和底面上的穿 孔（还称之为孔穴、孔、开口、或空隙）的尺寸、形状、和结构的影响。穿孔的形状可以是规 则的或不规则的。在一种实施例中，穿孔的形状可以呈切口、规则多边形、不规则多边形、椭 圆形、圆形、弧形、十字形、螺旋形、沟槽、或其组合的形式。在一种具体实施例中，穿孔具有 圆形的形状。在另一实施例中，该穿孔的形状可以呈一个或多个切口的形式，其中，多个切 口可以是交叉的，例如呈十字或星的形式。在另一实施例中，穿孔是弧形的。图3A-3F示出 了多种形状的穿孔的示例。
[0041] 该热能存储本体的顶面和底面上的穿孔的集中可以是均匀的或不规则的。图4A 示出了穿孔的均匀集中。图4C示出了穿孔的不规则集中。在一种实施例中，热能存储本体 的顶面或底面可具有处于下列范围内的穿孔集中度，该范围为每平方英寸（每6. 452cm2) 不大于约5个穿孔，例如每平方英寸（每6. 452cm2)不大于约4个穿孔、每平方英寸（每 6. 452cm2)不大于约3个穿孔、每平方英寸（每6. 452cm2)不大于约2. 5个穿孔、每平方英 寸（每6. 452cm2)不大于约2. 2个穿孔、每平方英寸（每6. 452cm2)不大于约2. 0个穿孔、 每平方英寸（每6. 452cm2)不大于约1. 9个穿孔、每平方英寸（每6. 452cm2)不大于约1. 8 个穿孔、或每平方英寸（每6. 452cm2)不大于约1.7个穿孔。在一种实施例中，热能存储本 体的顶面或底面可具有处于下列范围内的穿孔集中度，该范围为每平方英寸（每6. 452cm2) 不小于约0. 25个穿孔、例如每平方英寸（每6. 452cm2)不小于约0. 5个穿孔、每平方英寸 (每6. 452cm2)不小于约0. 8个穿孔、或每平方英寸（每6. 452cm2)不小于约1. 0个穿孔。 该穿孔集中度可处于包括任一对前述上限值和下限值在内的范围内。在一种具体实施例 中，该穿孔集中度可处于下列范围内，该范围为每平方英寸（每6. 452cm2)不小于约0.5个 穿孔至每平方英寸（每6. 452cm2)不大于约3.0个穿孔、例如每平方英寸（每6. 452cm2)不 小于约1. 0个穿孔至每平方英寸（每6. 452cm2)不大于约2. 0个穿孔。
[0042] 该热能存储本体的穿孔具有值得注意的水力直径。该水力直径对于表征该热能 存储单元的实施例的特定尺寸特征和结构特征、特别是关于该热能存储本体和该腔室形成 元件的特定尺寸特征和结构特征会是有用的。各个穿孔的水力直径均可以是均匀的或变 化的、相同的或不同的。在一种实施例中，穿孔的平均水力直径可处于下列范围内，该范 围为不大于约2. 0英寸（5. 08cm)，例如不大于约1. 8英寸（4. 572cm)、不大于约1. 6英寸 (4. 064cm)、不大于约1. 4英寸（3. 556cm)、不大于约1. 2英寸（3. 048cm)、或不大于约1. 0 英寸（2. 54cm)、不大于约0. 9英寸（2. 286cm)。在一种实施例中，穿孔的平均水力直径可处 于下列范围内，该范围为不小于约0. 1英寸（0. 254cm)，例如不小于约0. 2英寸（0. 508cm)、 或不小于约0.3英寸（0.762cm)。该水力直径可处于包括任一对前述上限值和下限值在内 的范围内。在一种具体实施例中，该水力直径可处于下列范围内，该范围为不小于约0. 1英 寸（0. 254cm)至不大于约2. 0英寸（5. 08cm)，例如不小于约0. 35英寸（0. 889cm)至不大于 约 1. 0 英寸（2. 54cm)。
[0043] 该热能存储本体的表面上的相邻穿孔之间的间距（即，壁厚）是值得注意的并且 可单独或与穿孔的水力直径相结合用于表征该热能存储单元的特定尺寸特征和结构特征， 特别是与该热能存储本体和该腔室形成元件相关的特定尺寸特征和结构特征。各个穿孔之 间的壁厚可以是均匀的或变化的、相同的或不同的。在一种实施例中，水力直径与最小壁厚 的平均比率（DHira/Thk)可处于下列范围内，该范围为不大于约3.0,例如不大于约2. 8、不 大于约2. 6、不大于约2. 4、不大于约2. 2、不大于约2. 0、或不大于约1. 9。在一种实施例中， 水力直径与最小壁厚的平均比率（DH/Thk)可处于下列范围内，该范围为不小于约0. 3,例如 不小于约0. 4、或不小于约0. 5。水力直径与最小壁厚的平均比率（DHira/Thk)可处于包括 任一对前述上限值与下限值在内的范围内。在一种具体实施例中，水力直径与最小壁厚的 该平均比率（DH/Thk)可处于不小于约0. 5至不大于约3. 0的范围内。
[0044] 热能存储本体的顶面或底面上的穿孔可被任意地（例如随机地）或故意地设置成 各种各样的图案。该顶面上的穿孔的图案可与底面上的图案是相同的或不同的。在一种实 施例中，穿孔的图案可以是具有均匀分布、不均匀分布、或受控不均匀分布的任何图案。在 另一实施例中，穿孔的图案可包括：竖直（如在图4A中所示）、对角（如在图4B中所示）、 或水平排和列的阵列；径向图案（如在图4C中所示）、螺旋形图案、叶序形图案、对称图案、 非对称图案、或其组合。该图案可覆盖（即，分布在）该热能存储本体的整个顶面或底面 (上），可基本上覆盖该热能存储本体的整个顶面或底面（即大于50%但小于100% )，可覆 盖该热能存储本体的顶面或底面的多个部分，或者可仅覆盖该热能存储本体的顶面或底面 的一部分。
[0045] 该热能存储本体的顶面和底面上的穿孔可限定延伸穿过该热能存储本体的通道 的形状。通道的截面形状可以是彼此相同或不同的。随着通道延伸穿过该热能存储本体， 通道的截面形状可以是均匀的、不规则的、变化的、或其任一组合。在一种实施例中，通道具 有均匀的截面形状，该截面形状与连接该通道的顶面上的穿孔的形状相同。在另一实施例 中，通道的截面形状随着通道延伸穿过该热能存储本体而改变。
[0046] 在一种实施例中，任一具体通道将该热能存储本体的顶面上的至少一个穿孔连接 至该热能存储本体的底面上的至少一个穿孔。通道的路径可以是不曲折的、曲折的、或其组 合。在一种实施例中，通道中的一个或多个是曲折的（即，不规则的，就是说，具有穿过该热 能存储本体的包括曲线和转弯并因此并非笔直的形状）。在另一实施例中，穿过该热能存储 本体的通道中的一个或多个是不曲折的（即，大致笔直的）。
[0047] 穿孔限定该热能存储本体的顶面或底面的开放面面积（openfacearea)。同样， 随着通道穿过该热能存储本体，通道限定了该热能存储本体的空隙容积。在一种实施例中， 该热能存储本体的顶面或底面的开放面面积处于下列范围内，该范围为不大于约38%，例 如不大于约37%、不大于约36%、或不大于约35%。在一种实施例中，该热能存储本体的顶 面或底面的开放面面积可处于下列范围内，该范围为不小于约7%，例如不小于约8%、不 小于约9%、或不小于约10%。该热能存储本体的顶面或底面的开放面面积可处于包括任 一对前述上限值和下限值在内的范围内。在一种具体实施例中，该热能存储本体的顶面或 底面的开放面面积可处于不小于约10%至不大于约35%的范围内。
[0048] 与开放面面积相似，在一种实施例中，该热能存储本体的空隙容积可处于下列范 围内，该范围为不大于约38%，例如不大于约37%、不大于约36%、或不大于约35%。在一 种实施例中，该热能存储本体的空隙容积可处于下列范围内，该范围为不小于约7%，例如 不小于约8%、不小于约9%、或不小于约10%。该热能存储本体的空隙容积可处于包括任 一对前述上限值和下限值在内的范围内。在一种具体实施例中，该热能存储本体的空隙容 积可处于不小于约10%至不大于约35%的范围内。
[0049] 该热能存储单元包括混合腔室形成元件。该混合腔室形成元件的功能是用于在两 个热能存储本体（即，第一热能存储本体和第二热能存储本体）之间形成混合腔室或者连 续空间，该混合腔室或连续空间在这两个热能存储本体彼此邻近放置时分离开这些热能存 储本体的相对表面。允许流经第一热能存储本体的多个通道的传热流体在相邻的本体之间 的混合腔室内合并或混合，这促进了温度平衡并降低了传热流体的任一单独的部分具有显 著高于或低于流经该热能存储本体的传热流体的其它部分的平均温度的可能性，从而还降 低了"热点"产生的可能性。
[0050] 在一种实施例中，该混合腔室形成元件与该热能存储本体成一整体。在另一实施 例中，该混合腔室形成元件位于该热能存储本体的外部。在一种实施例中，外部混合腔室形 成元件是与该热能存储本体分离开的诸如间隔环之类的部件。在另一实施例中，外部混合 腔室形成元件是其中放置有该热能存储本体的密闭壳的一部分的或者从该密闭壳延伸的 部件。
[0051] 一体的混合腔室形成元件可以与该热能存储本体的顶面、底面、或顶面及底面成 一整体。例如，如在图1和图5A-5C中所示，一体的混合腔室形成元件可被形成或模制在顶 面、底面、或两者上。在一种实施例中，一体的混合腔室形成元件可以是从该热能存储本体 的顶面或底面中的任一个或两者正交延伸的突起。在另一实施例中，该混合腔室形成元件 可以是从该热能存储本体的顶面或底面中的任一个或两者延伸的多个一体的突起。
[0052] 突起可呈不妨碍该热能存储本体的表面上的穿孔的任一形状或形式。突起可以是 规则的或不规则的。突起可具有连续的或断续的形状。突起可定位在该热能存储本体的顶 面或底面上的任何位置。在一种实施例中，突起可以是凸起的实心本体，例如多边形棱柱、 平截头体、穹丘、或其组合。在一种实施例中，突起可以是条、唇缘、壁、墩、或其组合。
[0053] 在一种实施例中，至少一个突起可呈条的形式。在一种实施例中，条可以是笔直 的、弯曲的、缠绕的、成角度的、或其组合。在一种实施例中，条可在相邻的穿孔之间延伸。在 一种实施例中，条可环绕一个或多个穿孔。在一种实施例中，一个或多个条可相交。
[0054] 在一种实施例中，该突起是围绕该热能存储本体的顶面的周缘径向地延伸的唇 缘。
[0055] 图1示出了沿该热能存储本体的顶面的周缘的一体的元件、顶面、连续的唇缘或 壁。图5(A)示出了处于热能存储本体的顶面的四个拐角处的凸起的实心本体。图5(B)示 出了沿热能存储本体的顶面的两个条。图5(C)示出了处于热能存储本体的顶面的中央的 单个凸起的方形本体。图6A-6C示出了位于热能存储本体的顶面和底面上的腔室形成元 件。
[0056] 来自一个热能存储本体的顶面的突起可被形成为与来自叠置的相邻热能存储本 体的底面的突起联锁或在形状上互补。在一种实施例中，位于热能存储本体的顶面上的突 起可呈半圆的形状，而位于叠置的相邻热能存储本体的底面上的突起可具有互补成形的半 圆，使得当一个本体放置在该相邻本体上时，这些半圆联锁或互补成大致完整的圆。
[0057] 混合腔室形成元件的高度是值得注意的并且影响形成在相邻的热能存储本体之 间的一个或多个混合腔室的尺寸。混合腔室形成元件的高度与混合腔室的预期高度及该热 能存储本体的顶面或底面上的穿孔的水力直径相关。单个突起的高度或彼此堆叠的多个突 起的高度总和可限定位于相邻热能存储本体之间的该混合腔室的高度。然而，该混合腔室 的高度以及由此任何混合腔室形成元件的总高度单独或者作为总计并不大于该热能存储 本体的顶面上的穿孔的平均水力直径（DHT_)，例如不大于约0. 9DHira、不大于约0. 8DHira、 不大于约0. 7DHire、或不大于约0. 6DHire、在一种实施例中，任何混合腔室形成元件的总高 度单独或者作为总计不小于约0. 1DHITO，例如不小于约0. 2DHT_、不小于约0. 3DHira、或不小 于约0. 4DHira。任何混合腔室形成元件的总高度单独或者作为总计可处于包括任一对前述 上限值和下限值在内的范围内。在一种具体实施例中，任何混合腔室形成元件的总高度单 独或者作为总和可处于约为该热能存储本体的顶面上的穿孔的的约1/3倍至1倍的 范围内。
[0058] 如前所述，该混合腔室形成元件可以是可与该热能存储本体的顶面分离开的元件 (即，外部元件）。在一种实施例中，外部腔室形成元件可以是环形本体，例如环形环（图 7A-7C中所示的示例）。环形环可以是圆形环、方形环、多边形环、或其它形状的环，例如匹 配该热能存储本体的顶面的周界的形状（图2中所示的示例）。在一种具体实施例中，该环 形环可以是间隔环、间隔凸缘、间隔垫圈等。在一种实施例中，该外部腔室形成元件可以是 单个环形本体或彼此叠置放置的多个环形本体。如先前在上文中所讨论的那样，该混合腔 室具有处于为该热能存储本体的顶面上的穿孔的平均水力直径（Dhi^)的约1/3倍至1倍 的范围内的高度，因此，外部环形本体的总高度或多个环形本体的高度总和将同样处于为 该热能存储本体的顶面上的穿孔的平均水力直径（DHTy的约1/3倍至1倍的范围内。
[0059] 在另一实施例中，外部混合腔室形成元件可以是从热能存储本体中的一个或多个 放置其中的密闭壳的内表面延伸的突起、本体、或诸如支承构件之类的构件。在一种实施例 中，密闭壳可包括热能存储本体可搁置其上的诸如支架之类的支承构件，该支承构件将上 部热能存储本体与相邻的下部热能存储本体分离开一定的距离，该距离在热能存储本体之 间限定该混合腔室。在一种具体实施例中，该支承构件可以是由角铁制成的支架。
[0060] 在一种实施例中，热能存储模块包括：密闭壳；至少第一热能存储本体和第二热 能存储本体，每一个热能存储本体均具有顶面、底面、形成从顶面延伸至底面的通道的多个 穿孔、和处于约10%至约35%的范围中的热能存储本体的空隙容积；混合腔室形成元件； 和至少一个连续的混合腔室，其中，第一热能存储本体和第二热能存储本体放置在该密闭 壳内并且串联定位使该第一热能存储本体的顶面与该第二热能存储本体的底面相对，其 中，该混合腔室形成元件设置在该第一热能存储本体的顶面与该第二热能存储本体的底面 之间，并且其中，该至少一个连续的混合腔室由处于该第一热能存储本体的顶面与该第二 热能存储本体的底面之间的空间限定。
[0061] 该热能存储模块具有值得注意的空隙容积以及连续的混合腔室，该空隙容积影响 该模块的热能热存储特性并包括相邻的热能存储本体中的每一个的空隙容积，该连续的混 合腔室存在于相邻的热能存储本体之间。用于该热能存储模块的总空隙容积可不大于约 40%，例如不大于约38%、不大于约34%、不大于约30%、不大于约28%、不大于约24%、或 不大于约22%。在一种实施例中，用于该热能存储模块的总空隙容积可不小于约8%，例如 不小于约9%、或不小于约10%。用于该热能存储模块的总空隙容积可处于包括任一对前 述上限值和下限值在内的范围内。在一种具体实施例中，用于该热能存储模块的总空隙容 积可处于约10%至约40%的范围内。
[0062] 包括该热能存储模块在内的热能存储本体和混合腔室形成元件可如上所述与热 能存储单元相关。在一种实施例中，热能存储本体的穿孔可彼此完全对齐。在一种实施例 中，该腔室形成元件故意将第一热能存储本体的顶面与第二热能存储本体的底面分离开一 定的距离，该距离在从该第一热能存储本体的顶面的穿孔的平均水力直径的1/3倍至1倍 的范围内。在一种实施例中，该环形环可与该热能存储本体成一整体或可与其分离开。在 另一实施例中，该腔室形成元件可以是从该第一热能存储本体的顶面或该第二热能存储本 体的底面延伸的一体的或可分离的突起。
[0063] 该热能存储模块可还包括传热流体。将基于考虑中的热收集和存储系统的具体应 用和运行状况来确定所包括的传热流体。在一种实施例中，传热流体为有机液体，如油。在 一种特定实施例中，所述油可为矿物油，如链烷烃和环烷烃的混合物、高纯度白矿物油、二 苯醚和联苯的混合物、二苯醚和1，1-二苯乙烷的混合物、经改性的三联苯，它们的任意组 合等。
[0064] 在一种实施例中，热能存储系统包括放置在一个或多个罩壳内的多个热能存储模 块。
[0065] 将了解到的是，本文中所述的热能存储本体、混合腔室形成元件、和密闭壳的多个 方面均可被操作以提供一种控制密闭壳内的传热流体的流动的方法。
[0066] 在一种实施例中，一种控制密闭壳内的传热流体的流动的方法包括：将传热流体 引导穿过第一热能存储本体，该第一热能存储本体放置在该密闭壳内并具有匹配该密闭壳 的内部尺寸的截面；其中，该传热流体流过多个穿孔，这多个穿孔形成从第一热能存储本体 的正面穿过该第一热能存储本体延伸至该第一热能存储本体的背面的通道；对该传热流体 进行引导以便收集在腔室内，该腔室具有由第一热能存储本体的背面的截面面积以及从第 一热能存储本体的背面至第二热能存储本体的正面的正交距离限定的容积，该第二热能存 储本体放置在该密闭壳内并且与第一热能存储本体是大致相似的；以及使传热流体流过该 第二热能存储本体，其中，该正交距离等于第一热能存储本体的背面的穿孔的平均水力直 径，并且其中，第一陶瓷本体和第二陶瓷本体中的每一个都具有小于35%的空隙容积。如上 所述，将认识到的是，术语"正面"和"背面"的使用分别与关于该热能存储本体的术语"顶 面"和"背面"是同义的。
[0067] 图10示出了制造热能存储单元的方法1000的具体实施例。该过程在活动1001 处始于将包括氧化铁在内的陶瓷组分混合在一起以形成陶瓷混合物。在活动1003中，将该 陶瓷混合物形成为具有一体的混合腔室形成元件的热能存储本体。在活动1005中，对该热 能存储本体进行热处理以便形成热存储单元。
[0068] 热能存储本体可由任意材料形成，所述材料提供足够的结构强度、具有足够的热 能存储能力，并与预期的传热流体以及和热能存储本体接触的任何其他化学品、化合物或 其他材料可相容。在一种实施例中，所述本体可由金属材料、陶瓷材料、金属陶瓷材料、玻璃 材料、聚合物材料、复合材料或它们的组合形成。在一种实施例中，金属材料可为铁、铸铁、 碳钢、合金钢、不锈钢或它们的组合。在一种实施例中，热能存储本体可为由陶瓷材料形成 的陶瓷热能存储本体。在一种实施例中，陶瓷材料可为由如下组成的组中的一者：天然粘 土、合成粘土、长石、沸石、堇青石、氧化铝、氧化锆、二氧化硅、硅铝酸盐、氧化镁、氧化铁、二 氧化钛、碳化硅、水泥、硅线石、多铝红柱石、菱镁矿、铬镁矿、铬矿，以及它们的混合物。在一 种实施例中，粘土可为氧化铝和二氧化硅的混合氧化物，并可包括诸如高岭土、球土、耐火 粘土、瓷土等的材料。在某些实施例中，粘土为高塑性粘土，如球土和耐火粘土。在一种特定 实施例中，粘土可具有约11至13meq/100gm的亚甲蓝指数（"MBI"）。术语"长石"在本文 用于描述具有苏打、碳酸钾和石灰的氧化铝的硅酸盐。其他陶瓷材料（如石英、锆砂、长石 粘土、蒙脱石、霞石正长岩等）也可以少量存在。在一种实施例中，陶瓷材料可包括如下化 合物的氧化物、碳化物、氮化物和它们的混合物：锰、硅、镍、铬、钼、钴、钒、钨、铁、铝、铌、钛、 铜，和它们的任意组合。
[0069] 外部混合腔室形成部件可由用于形成热能存储本体的上述的相同材料形成。
[0070] 在一种实施例中，用于形成热能存储本体的组合物可包含氧化铁粉末组合物，所 述氧化铁粉末组合物包含在给定浓度范围内的如下主要成分：
[0071]
【权利要求】
1. 一种热能存储单元，包括： 热能存储本体，所述热能存储本体具有顶面、底面、形成从所述顶面穿过所述热能存储 本体延伸至所述底面的通道的多个穿孔、处于约10%至约35%的范围内的空隙容积；和 混合腔室形成元件。
2. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述热能存储本体具有在从约0. 5至约 3· 0范围内的比率（Dh平均/Thk平均）， 其中，是所述穿孔的平均水力直径，并且Thk^ra是处于相邻穿孔之间的平均最窄 壁厚。
3. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述热能存储本体的所述顶面具有处 于约10%至约35%的范围内的总开放面面积。
4. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述热能存储本体的所述穿孔和通道 具有均匀的截面形状。
5. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述穿孔具有处于约0.2英寸 (5.08mm)至约1.2英寸（30.48mm)的范围内的水力直径。
6. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述穿孔具有圆形形状。
7. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述穿孔布置成包括多个排在内的图 案。
8. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述穿孔布置成从所述顶面的中央延 伸至所述顶面的周缘的径向图案。
9. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述穿孔间隔开从每平方英寸 (6. 452cm2)约1个完整穿孔至约2个完整穿孔范围内的距离。
10. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述通道具有不曲折的路径。
11. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述通道具有不同于出口水力直径的 入口水力直径。
12. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述热能存储本体和混合腔室形成元 件适于装配在密闭壳内。
13. 根据权利要求9所述的热能存储单元，其中，所述热能存储本体具有匹配所述密闭 壳的内部截面的截面积。
14. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述混合腔室形成元件与所述热能存 储本体的所述顶面成一整体。
15. 根据权利要求14所述的热能存储单元，其中，所述混合腔室形成元件包括至少一 个突起，所述至少一个突起从所述热能存储本体的所述顶面向上延伸。
16. 根据权利要求15所述的热能存储单元，其中，所述至少一个突起具有处于从所述 热能存储本体的所述顶面上的所述穿孔的平均水力直径的约1倍至约1/3倍的范围内的高 度。
17. 根据权利要求16所述的热能存储单元，其中，所述至少一个突起是断续的唇缘，所 述断续的唇缘围绕所述热能存储本体的所述顶面的周缘径向地延伸。
18. 根据权利要求16所述的热能存储单元，其中，所述至少一个突起是连续的条带，所 述连续的条带沿所述热能存储本体的所述顶面的一部分并在至少两个相邻的穿孔之间延 伸。
19. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述混合腔室形成元件是能够与所述 热能存储本体的所述顶面分离开的元件。
20. 根据权利要求19所述的热能存储单元，其中，所述混合腔室形成元件是围绕所述 热能存储本体的所述顶面的周缘径向地延伸的环形本体。
21. 根据权利要求13所述的热能存储单元，其中，所述混合腔室形成元件从所述密闭 壳的内表面延伸。
22. 根据权利要求21所述的热能存储单元，其中，所述混合腔室形成元件是从所述密 闭壳的内表面延伸的支承构件。
23. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述热能存储本体是单元式构件。
24. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述热能存储本体包括装配在一起以 形成所述热能存储本体的多个部分。
25. 根据权利要求24所述的热能存储本体，其中，所述多个部分包括单个层。
26. 根据权利要求24所述的热能存储本体，其中，所述多个穿孔和通道通过在组装所 述多个部分时将所述多个部分的边缘连结在一起而形成。
27. 根据权利要求24所述的热能存储单元，其中，所述多个部分是饼状的楔形件。
28. 根据权利要求24所述的热能存储单元，其中，所述多个部分包括同心的形状。
29. 根据权利要求1所述的热能存储单元，其中，所述热能存储本体包括下列组中的 一个，该组包括天然粘土、合成粘土、长石、沸石、堇青石、氧化铝、氧化锆、二氧化硅、硅铝酸 盐、氧化镁、氧化铁、二氧化钛、碳化娃、水泥、及其混合物。
30. 根据权利要求14所述的热能存储单元，其中，所述热能存储本体包括重量百分比 为约10 %至约95%的氧化铁。
31. -种热能存储模块，包括： 密闭壳； 至少第一热能存储本体和第二热能存储本体，所述陶瓷本体中的每一个都具有顶面、 底面、形成从所述顶面延伸穿过至所述底面的通道的多个穿孔、和处于约10%至约35%的 范围内的空隙容积； 混合腔室形成元件；和 至少一个连续的混合腔室； 其中，所述第一热能存储本体和所述第二热能存储本体串联地定位使所述第一热能存 储本体的所述顶面与所述第二热能存储本体的所述底面相对， 其中，所述混合腔室形成元件设置在所述第一热能存储本体的所述顶面与所述第二热 能存储本体的所述底面之间， 其中，所述至少一个连续的混合腔室由位于所述第一热能存储本体的所述顶面与所述 第二热能存储本体的所述底面之间的所述空间限定。
32. 根据权利要求31所述的热能存储模块，其中，所述热能存储模块具有包括连续的 混合腔室在内的处于从约10%至约40%的范围内的总空隙容积。
33. 根据权利要求31所述的热能存储模块，其中，所述腔室形成元件故意将所述第一 热能存储本体的所述顶面与所述第二热能存储本体的所述底面分离开一定的距离，所述一 定的距离在从所述第一热能存储本体的所述顶面的所述穿孔的所述平均水力直径的1/3 倍至1倍范围内。
34. 根据权利要求31所述的热能存储模块，其中，所述腔室形成元件是将至少第一陶 瓷本体与第二陶瓷本体分离开的环形环。
35. 根据权利要求31所述的热能存储模块，其中，所述腔室形成元件是从所述第一热 能存储本体的所述顶面或所述第二热能存储本体的所述底面延伸的突起。
36. 根据权利要求31所述的热能存储模块，其中，每一个热能存储本体的所述多个穿 孔都是完全对齐的。
37. 根据权利要求31所述的热能存储模块，其中，所述热能存储模块还包括传热流体。
38. -种热储热系统，包括： 放置在罩壳内的多个根据权利要求33所述的热储热模块。
39. -种制造热存储单元的方法，包括下列步骤： 将陶瓷材料形成为热能存储本体； 在所述热能存储本体中形成空隙，其中，所述空隙从所述热能存储本体的第一表面穿 过所述热能存储本体延伸至所述热能存储本体的第二表面并且所述热能存储本体具有处 于10%至约35%之间的空隙容积； 将混合腔室形成元件形成或放置到所述热能存储本体的所述第一表面或所述第二表 面上。
40. 根据权利要求39所述的方法，其中，形成所述空隙的步骤包括形成包括所述本体 的所述第一表面或所述第二表面的表面积的35%或更少的空隙。
41. 根据权利要求39所述的方法，其中，形成或放置腔室形成元件的步骤包括在所述 热能存储本体的所述第一侧或所述第二侧上形成一个或多个突起。
42. 根据权利要求41所述的方法，其中，形成所述一个或多个突起的步骤包括形成高 度不大于所述空隙的所述平均水力直径的一个或多个突起。
43. 根据权利要求41所述的方法，其中，形成或放置腔室形成元件的步骤包括在所述 热能存储本体的所述第一侧或所述第二侧上形成一体的环形环。
44. 根据权利要求43所述的方法，其中，形成所述环形环的步骤包括形成高度不大于 所述空隙的所述平均水力直径的环形环。
45. -种制造储热模块的方法，包括下列步骤： 利用陶瓷材料形成两个或多个陶瓷本体； 在所述两个或多个陶瓷本体中形成空隙，其中，所述空隙从所述陶瓷本体的第一表面 穿过所述陶瓷本体延伸至所述陶瓷本体的第二表面，并且所述陶瓷本体具有在从10%到 35 %范围内的空隙容积； 将所述两个或多个陶瓷本体定位在容器内，其中，将所述两个或多个陶瓷本体定位在 所述容器内包括将腔室形成元件定位在所述两个或多个储热本体之间，使得形成连续的混 合腔室并且所述储热模块具有处于约10%至40%的范围内的空隙容积。
46. -种控制密闭壳内的传热流体的流动的方法，包括： 将所述传热流体引导穿过第一热能存储本体，所述第一热能存储本体放置在所述密闭 壳内并且具有匹配所述密闭壳的内部尺寸的截面；其中，所述传热流体流经形成通道的多 个穿孔，所述通道从所述第一热能存储本体的正面穿过所述第一热能存储本体延伸至所述 第一热能存储本体的背面； 引导所述传热流体以便收集在腔室内，所述腔室具有由所述第一热能存储本体的所述 背面的截面面积和从所述第一热能存储本体的所述背面至第二热能存储本体的所述正面 的正交距离限定的容积，所述第二热能存储本体放置在所述密闭壳内并且与所述第一热能 存储本体是大致相似的；以及 使所述传热流体流经所述第二热能存储本体， 其中，所述正交距离等于所述第一热能存储本体的所述背面的所述穿孔的平均水力直 径，以及 其中，所述第一陶瓷本体与所述第二陶瓷本体中的每一个都具有小于35%的空隙容 积。
【文档编号】F24J2/34GK104520663SQ201380041702
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年6月25日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】H·S·尼克纳夫斯, D·C·谢尔曼, T·希曼斯基 申请人:圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司