组合显热固体材料和相变材料的热能储存系统的制作方法
【专利说明】组合显热固体材料和相变材料的热能储存系统
[0001] 发明目标
[0002] 本发明描述了储存和复原（recovery)热能的系统，其利用固体材料的容纳显热 形式热能的能力以及相变材料的容纳显热和相变潜热两种形式的热能的能力。在本文中， 本发明描述了使用来自外部源的热或来自过程的热，在稳定时间中给装置（箱）充热能，并 且在随后的时间中，当能源不可用于（或不足以）持续向外部系统供应热能时，使所述装置 (箱）释放热能。本发明的一个目的是在不危害储存箱的效力的情况下使储存箱的尺寸最 小化。
【背景技术】
[0003] 几十年来，由于需要更少地依赖例如化石燃料等不可再生资源来获得能量转换过 程，使用来自外部源的热能（例如，太阳能、制造过程的余热等）来产生电能或简单地在过 程中（例如，产生蒸汽、加热水等）使用所述能量已经成为重要的研究领域。
[0004] 用于得到热能的机制受到这样的限制，S卩，通常它们不是持续的过程。这些过程仅 在每天的特定数目的小时期间发生，相比之下，需求一般是持续的或简单地随着时间而不 合时宜。这就是之所以采用一些方法来提供此所需能量的原因。近年来，提出了不同的方 法来储存在外部热源可供利用期间得到的并且没有供应给耗能单元的热能。一般而言，该 用于储存热能的策略基于对箱中保护的载热介质的使用，并且所述介质储存外部源可供利 用期间所得的热能，随后将在耗能单元需要时进行使用。
[0005] 有两类可能的组件用于储存和利用得自外部源的热能，其采用两个储存箱一一热 箱和冷箱，或者仅采用一个箱（斜温层），其特征为两个限定区域一一热区和冷区。斜温层 定义为流体内的层，其中温度随着深度或高度而快速变化，并且其中存在箱中所装流体的 分层现象。
[0006] 已知，长时间维持热能储存箱（斜温层）内的分层效果有困难。这是由以下因素 所致：顶部或热区持续并入流体以及箱底部去除冷的流体，不同温度的流体层之间的传导 效果，以及所述层因流体湍流导致的混合。已经依照一些策略来促进箱内部的流体的分层。 其中一些是：标题为"Methodandapparatusforoperatinganimprovedthermocline storageunit"的专利US4523629中描述的依赖于流体密度而在热和冷界面之间漂浮的 分离膜；标题为"Singlebi-temperaturethermalstoragetankforapplicationin thesolarthermalplant"的专利US2010301062中提出的并入固定挡板；标题为"Dual thermalenergystoragetank"的专利EP2141432中提出的使用移动挡板；或者标题为 "ThermalenergystoragesystemComprisingthermoclineoptimalmanagement" 的专 利US20120118554中所述的用于监视箱中不同高度处的流体温度的方法。这些专利中的每 一个都提供了避免以下的方法，即，不同温度的流体的混合可能倾向于劣化热储存系统。标 题为"Horizontalextractionandreturnextensionsinliquidstoragetanks'，的专 利US2012104003中提出了对载热流体至储存箱的入口和出口的设计的改进，其中寻求减 少进入箱或从箱出来时的流体速度以防止流体的搅动以及随后而来的混合。
[0007] 载热介质或者用于吸收热能或吸收来自外部源的热的介质是流体物质，因此，耗 散集中在外部热源中的热。所述载热流体可为例如，水、空气或任何烃族流体（热油）、熔融 的盐（硝酸钠、硝酸钾、氯化镁等）或所述盐的混合物。后者必须具有低熔点的特征，使回 路内的材料在过程中不凝固。
[0008] 作为寻求得到具有更小尺寸的储存系统的改进的替代方案，出现了将相变材 料（PhaseChangeMaterials-PCM)并入热能储存系统中。在这些系统中，在热能的储 存/复原期间，当相变材料从固体变成液体或反之时，相变材料的潜热被利用。标题为 ^High-temperaturedirect-contactthermalenergystorageusingphase-change media"的美国专利4512388首次公开了用于高温的相变材料的使用和应用，其中提出将这 些种类的材料用于在400°F至3000°F(约205°C至1650°C)下储存热能的应用中。随 后，如在标题为"Thermalstoragesystem"的专利US20100230075中所述，描述了使用相 变材料作为储存热能的工具的应用。将这样的材料布置于箱内侧，其中浸没有一系列热交 换器，所述热交换器是用于向PCM供热或从PCM除去热的工具。提到了在该类型的组件中 交换器效率劣化的一些问题。
[0009] 如果所述材料是包封的，则可避免PCM与热交换器的直接接触。标题为"Thermal energystoragesystemComprisingencapsulatedphasechangematerial'，的专利 US2012018116中描述了基于该可选方法的建议，其还描述了执行将PCM包封于球中的方 法。其提到，当使用包封的PCM时，如何得到较高的传递面积，以促进介质与PCM之间的热 传递。
[0010] 在标题为"Encapsulatedphasechangeapparatusforthermalenergy storage"的专利US20110259544中描述了包封用于高温应用的相变材料PCM的方法，其 中描述了用于制造圆柱形的PCM盒（capsule)的技术。随后，标题为"Hightemperature thermalenergystoragesystem"的专利US20120055661 描述了用于将PCM包封于圆管内 以避免其表面上可能的缺陷或破损的创新。该方法由沿着包含PCM的管制造一系列螺旋槽 组成；这有利于盒在熔化期间变形，而没有因PCM体积变化而导致的任何损伤风险。
[0011] 发明目的
[0012] 本发明旨在使用至少一种显热固体材料和一组具有不同恪点（meltingpoint)的 并且被适当容纳的相变材料（PCM)来改进热能储存系统的设计。显热固体材料和PCM这两 类材料都直接与载热介质或载热流体接触，所述载热介质或载热流体负责在给系统充热能 期间将来自外部源的热传递至箱（PCM和固体材料），然后在释放热能期间将来自箱 固体材料）的热递送至外部系统。本发明目的的一部分是寻求尺寸比常规装置小同时不损 害其效率的装置，其中本发明做出了努力以高效地储存能量。
[0013] 提出了用于储存/复原热能的箱的新设计，其提供了沿着箱内部的至少两个区 域，所述区域由其所包含的填充材料以及其所经历的温度范围来适当区分。在箱的一端提 供了冷区，其装有一组以低熔化温度为特征的包封的PCM，或者装有显热固体材料。然后，将 布置由至少一种显热固体材料组成的中区，其分隔热区和冷区的流体。箱的另一端将装有 一组具有高熔化温度的包封的PCM或显热固体材料。最常见的构型是：箱垂直放置，底区装 有具有低熔化温度的包封的PCM，中区装有显热固体材料，并且上区装有具有高熔化温度的 包封的PCM。所述各区都由元件（网孔）限定，所述元件除了作为结构元件外，还防止PCM 盒在箱内自由移动。
[0014] 发明描述
[0015] 利用热能储存系统，所述系统使用某些材料容纳显热和相变潜热形式的能量的能 力，从而在充热能期间储存来自外部源的热（例如，太阳能或制造过程的废热，并且这些热 旨在供应例如电能产生系统、吸收制冷系统等外部系统），并在释放热能期间复原来自外部 热源的热。
[0016] 所述热能储存系统由其中装有一组形成多孔介质的材料的单一的箱或腔组成，载 热流体可循环通过所述多孔介质。这样的材料包括：至少一种适当包封的相变材料（PCM)， 并且其负责储存/复原相变或状态变化（固体_液体或反之）的潜热和显热形式的能量； 至少一种显热固体材料，其将储存/复原显热形式的能量；并且可能包括一组网格、网孔或 其他装置，其负责塑造结构，避免由于相变材料或显热固体材料的重量导致损坏，或者材料 逃脱至其他区域或逃向载热流体而损坏。所述箱具有