专利名称：一种用于再生热能的系统和方法
技术领域：
本发明一方面涉及可操作用来再生热能的能量系统。本发明另一方面涉及用于再 生热能的方法。
背景技术：
专利文献DE 10 2005 039 270 Al涉及一种将热能大量转化为机械能、存储该接 卸能并将所存储的能量转化为电能的装置和方法。膨胀本体(EB) (12)通过施加的热膨胀 并且按需要以串联或并联方式相互连接。在EB的末端，可通过加热延长并通过冷却缩短。 EB被一个装置加热。汽缸活塞系统连接至EB输出端并减小整个冲程。混合/热交换器装 置优化热的使用。该专利文献还包括一个独立权利要求，其保护一种用于操作一个系统的 方法，该方法用于通过获得热膨胀以及通过将热膨胀转化为功而产生能量。专利文献US 5,685 289涉及一种改进的热存储装置，其特别用于太阳能系统。该 装置是一个用于热能捕获和存储的双层系统，其中上层或下层用于热量提取，而另一层用 于传热。任何一层都可用作相变材料。所存储的热量可被传导至系统的外部，并可被直接 用在转化系统中，即，将热量转化成机械能或电能，或以热量的形式被转移而用于另外的应 用。专利文献US 5，838，873涉及一种利用氢吸留合金(hydrogen-occludedalloy)从 余热中回收能量的方法和设备，更具体地，涉及一种利用氢气和从氢吸留合金中散发的热 量来驱动涡轮生成电力的方法和设备。该设备包括含有氢吸留合金的第一个及第二个热交 换器、用于在第一个和第二个热交换器之间轮流引入余热流的第一个选择阀、用于在第一 个和第二个热交换器之间轮流引入冷却流体的第二个选择阀、与热交换器相连的涡轮以及 连接至涡轮的发电机。在第一个及第二个热交换器中的氢吸留合金为多种阶段的形式，其 在不同的温度释放出氢气，并且通过接触余热流而在规定的压力下产生氢气。专利文献US 8，298，685 Bl涉及一种使用贮氢合金和低热量的发电装置，该装置 进一步包括两种不同类型的贮氢合金，它们能够可逆地吸收和释放氢气并且具有不同的 热平衡氢压特性；所述两种类型的贮氢合金分别被装载在第一个确定的贮氢合金热交换器 容器(1)和第二个确定的贮氢合金热交换器容器(2)中，这两个容器彼此可通风地连接；至 少两套热生成循环，它们利用当氢气在所提供的所述第一个贮氢合金热交换器容器(1)和 第二个贮氢合金热交换器容器(2)之间移动时产生的热量；处于低温侧且在相同温度时具 有高平衡压的贮氢合金中的一个的氢化合物被至少一个温度为15°C至200°C的低质量热 源加热以释放出氢；所释放出的氢被处于高温侧且具有较低的平衡氢压的另一个贮氢合金 吸收以产生温度为80°C至500°C的热量，这高于低质量热源的温度；所述热量被传输以生 成加热介质蒸汽；通过由所述加热介质蒸汽的压力驱动的燃气涡轮来发电。在特别是上述文献公开的技术方案中以及在许多已知的能量系统中存在的问题 和缺点在于，能量系统的效率不足，并且普遍的目标是增加能量系统的效率。上述问题通过权利要求1中所述的可操作用来再生热能的能量系统来解决的。所 述能量系统包括η个能量单元(energy cell)，其中η是整数且η彡2。能量单元顺次连接。所述系统还包括连接至第一个能量单元的热源以及连接至最后一个能量单元的冷却 装置。每个能量单元包含相变材料(PCM1, ... , PCMn)，分别具有平均相变温度(PCMT1,..., PCMTn)，其中 PCMT1 > PCMT2 > ... > PCMTn。当相变材料(PCM1,. . .，PCMn)从固相变为液相 时，每个能量单元产生机械能，机械能还使得剩余热能存储在所述能量单元中，当相变材料 (PCM1,...，PCMn)从液相变为固相时，每个能量单元冷却下来。来自正在冷却的一个能量单 元的剩余热能作为输入能量被转移至下一个能量单元。所述系统还包括连接至能量单元的 控制装置，所述控制装置能被操作用来控制系统在第一相和第二相之间交替。在第一相期 间，每隔一个能量单元产生机械能，每隔一个能量单元冷却，在第二相期间正好相反。本发明的能量系统的主要优点在于，系统效率相对于已知能量系统来说被提高。另一个优点在于，系统的平均输出功率比已知能量系统高。本发明的能量系统的进一步优点在于，该能量系统是可缩放的，即，它既可被用作 非常小的系统(< low)，也可被用作非常大的系统(> 1MV)。有利地，每个能量单元包括含有所述相变材料(PCM1, PCMn)的腔室装置，并且 所述系统还包括连接至所述热源、所述冷却装置和每个所述腔室装置的传热系统。而且，有利地，每个相变材料(PCM1，. . .，PCMn)的所述相变发生在两个不同的温度 (Tal和Tbl，...，Tan和Tbn)之间，其中Tbl > Tal，并且所述平均相变温度被定义为PCMT1 = (Tal+Tbl)/2。有利地，Tal> Ta2，Tbl > Tb2，· · ·，Tblri > Tbn。而且，有利地，所述传热系统包括η个容器装置，其中每个容器装置连接至腔室装 置，并且所述传热装置还包括连接至所述热源、所述冷却装置以及它们之间的每个容器装 置的上部的第一个管道装置，和连接至所述热源、所述冷却装置以及它们之间的每个容器 装置的下部的第二个管道装置，并且所述传热系统配备有传热介质。有利地，所述传热介质是水、油、热管或其他液相或气相的合适介质。而且，有利 地，所述能量系统还包括至少一个阀装置和/或至少一个泵装置，用于在所述第一相和所 述第二相之间进行的所述交替。上述问题还通过权利要求8的用于再生热能的方法来解决。所述方法借助包括η 个能量单元的能量系统来进行，其中η是整数，且η >2。能量单元顺次连接。每个能量单 元包含相变材料(PCM1, ... , PCMn)，分别具有平均相变温度(PCMT1, ... , PCMTn)，其中PCMT1 > PCMT2 > ... > PCMTn。能量单元进行以下步骤-当相变材料(PCM1,... , PCMn)从固相变为液相时，产生机械能，机械能还使得剩 余热能(RH1, ... , RHn)存储在所述能量单元(121; ... , 12n)中；或者-当相变材料(PCM1,... , PCMn)从液相变为固相时，冷却下来；-将所述剩余热能从正在冷却的一个能量单元作为输入能量转移至下一个能量单兀。所述方法包括以下步骤-借助连接至所述能量单元的控制装置，控制所述系统在第一相和第二相之间交 替，其中在所述第一相，每隔一个能量单元产生机械能，每隔一个能量单元冷却，在第二相 期间正好相反。本发明的用于再生热能的方法的主要优点在于，方法效率相对于已知方法的效率来说被提高。另一个优点在于，本方法的平均输出功率比已知方法高。有利地，所述方法还包括以下步骤-借助连接至所述第一个能量单元的热源，将热能转移至所述第一个能量单元； 或-借助连接至所述最后一个能量单元的冷却装置，将所述剩余热能从所述最后一 个能量单元除去。而且，有利地，所述方法还包括以下步骤_借助连接至所述热源、所述冷却装置和每个所述能量单元的传热系统，在所述热 源、所述能量单元和所述冷却装置之间转移热能。有利地，所述方法还包括以下步骤-对于每个相变材料(PCM1, ... , PCMn)，在两个不同的温度(Tal和Tbl，...，Tan和 Tbn)之间进行相变，其中Tbl > Tal，并且所述平均相变温度被定义为PCMT1 = (Tal+Tbl)/2。而且，有利地，Tal> Ta2，Tbl > Tb2，· · ·，Tblri > Tbn0要注意到，本文中使用的术语“包括”被用来表示给定特征、步骤或成分的存在，但 不排除一个或多个其他特征、特性、整数、成分或它们的群体的存在。
现将参考附图描述本发明的实施方式，其中图1是本发明的可操作用来再生热能的能量系统的第一实施方式的示意图；图2是图1中所示能量系统的更详细的视图；图3是本发明的能量系统的第二实施方式的示意图；图4是本发明的能量系统的第三实施方式的示意图；图5是本发明的能量系统的第四实施方式的示意图；图6是本发明的能量系统的第五实施方式的示意图；图7是本发明的能量系统的第六实施方式的示意图；和图8是本发明的用于再生热能的方法的流程图。优选实施方式的详细描述在图1中，其显示了本发明的能量系统10的第一实施方式的示意图。能量系统 10可操作用来再生热能。在图1中，能量系统10包括三个能量单元12i-123，它们顺次连 接。每个能量单元； 122 ；123包括腔室装置20i ；202 ；203，腔室装置又包括相变材料PCM1 ； PCM2 ； PCM3 ο每个相变材料PCM1 ；PCM2 ；PCM3具有平均相变温度PCMT1 ；TCMT2 ；PCMT3,其中PCMT1 > PCMT2 > PCMT30第一个相变材料PCMl的平均相变温度被定义为PCMT1 = (Tal+Tbl)/2，其 中相变发生在两个温度Tal和Tbl之间。其他具有相应相变材料PCM2和PCM3的能量单元122 和123同样适用。当相变材料PCM1 ；PCM2 ；PCM3从固相变为液相时，每个能量单元； 122 ； 123产生机械能(如图1垂直箭头示意性所示)，剩余热能RH1 ；RH2 ；RH3被存储在能量单元
； 122 ；123中。剩余热能(例如来自正在冷却的第一个能量单元U1的RH1)被作为输入 能量转移至第二个能量单元122中。原则是每隔一个能量单元产生机械能，每隔一个能量
6单元冷却。要指出的是，Tbl > Tal，Tb2 > Ta2，且Tb3 > Ta30这是可能的，因为相变出现时的 温度由PCM化学式的控制。一个PCM的冻结温度可等于下一个PCM的熔化温度。这样，“废 热能”可被再次用作“有效热能”。在图2中，其显示图1中的能量系统10的更详细的视图。图1和图2中的相同结 构元件以相同的附图标记表示，且不再详细描述。从图2可明显看出，系统10还包括连接至 能量单元12「123的控制装置18。控制装置18可操作用来控制系统10在第一相和第二相 之间交替。在第一相期间，每隔一个能量单元(例如和123)，产生机械能，且每隔一个能 量单元(在该特殊情况下，122)冷却。在第二相期间，能量单元122产生热能，能量单元U1 和123冷却。图2中所述的能量系统10还包括连接至热源14、冷却装置16和每个腔室装 置ZO1IO3的传热系统22。如从图2清楚地看出，传热系统22用于每个腔室装置；202 ； 203的容器装置21 ；242 ；243。而且，传热系统22还包括连接至热源14、冷却装置16和它 们之间的每个容器装置24i-243的上部的第一个管道装置26lt)传热装置还包括连接至热源 14、冷却装置16和它们之间的每个容器装置24r243的下部的第二个管道装置262。而且， 在图2所示的实施方式中，能量系统10还包括以所示方式排布的十二个阀装置3(^-306，以 及两个泵装置28i和282。传热介质可为水、油、热管或其他液相或气相的合适介质。以下描述图2所述的能量系统10的功能。如前所述，功能被分为两个不同的项，
即第一相和第二相。在第一相期间，通过传热装置22将热量从热源14转移至第一个腔室装置20i，即， 转移至第一个能量单元U1，所述转移以所述第一个容器装置21包围第一个腔室装置20i 的方式进行。两个阀装置SO1打开，泵装置28i工作。同时，热量被从第二个腔室202(即第 二个能量单元122)转移至第三个腔室装置203，其中阀装置304、305打开，泵装置282工作。 所有其他阀装置，即302、303和306关闭。第一个和第三个腔室装置2(V203(即第一个和第 三个能量单元和123)通过PCM体积膨胀而产生机械能，而第二个腔室装置122收缩，即 冷却。在第二相期间，热量RH1被从第一个腔室装置20i转移至第二个腔室202，其中阀 装置302、303打开，泵装置28i工作。同时，热量RH3被从第三个腔室203转移至冷却装置 16，其中阀装置306打开，泵装置282工作。所有其他阀装置关闭。第二个腔室装置202(即 第二个能量单元122)通过PCM体积膨胀而产生机械能，而第一个及第三个腔室装置20i和 203(即第一个及第三个能量单元U1和123)收缩，即冷却。控制装置18控制能量系统10的操作在第一相和第二相之间交替。如前所述，传热介质可为水，这时传热系统22可优选以约1巴(即通常大气压) 操作，这简化了传热系统22的设计。要指出的是，具有相同种类的能量单元(即，具有相同相变材料PCM的能量单元) 可被连接在一起，并且同时进行操作。根据本发明，可有η个能量单元在第一组(或第一状 态)中，它们同时操作，可有η个能量单元在第二组中，它们也同时操作，等等。在图3中，其显示本发明的能量系统10的第二实施方式的示意图。在该实施方式 中，有两组能量单元，第一组具有四个能量单元U1，第二组具有四个能量单元122。在该实 施方式中，有两个泵装置28i和282，四个阀装置3(^302。
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在图4中，其显示本发明的能量系统10的第三实施方式的示意图。在该实施方式 中，有三组能量单元，第一组具有四个能量单元U1，第二组具有四个能量单元122，第三组 具有四个能量单元123。在该实施方式中，有两个泵装置28i和282，六个阀装置3(^-303。在图5中，其显示本发明的能量系统10的第四实施方式的示意图。在该实施方式 中，有四组能量单元，每组具有四个能量单元，即； 122 ；123 ；和124。在该具体实施方式
中，有三个泵装置28^283，八个阀装置3(^-304。在图6中，其显示本发明的能量系统10的第五实施方式的示意图。在该实施方式 中，有五组能量单元，每组具有四个能量单元，即U1 ； 122 ；123 ；124 ；和125。在该具体实施方 式中，有三个泵装置28厂283，十个阀装置30厂305。在图3-6中所示的实施方式中，泵装置的数目和阀装置的数目符合所谓的最低配
置。最低配置的原则是，泵装置的数目=[n/2]+l，阀装置的数目= nX2，其中η是组的数目。在图7中，其显示本发明的能量系统10的第六实施方式的示意图。在该实施方式 中，有三组能量单元，每组具有四个能量单元，即； 122 ；和123。在该具体实施方式
中，有 四个泵装置28!和282，24个阀装置30「303。在图7所示的实施方式中，对于泵装置的数目和阀装置的数目符合所谓的最高配 置。最高配置的原则是，泵装置的数目= n+l，阀装置的数目= nXcX2，其中η是组的数目， c是每组中能量单元的数目。要指出的是，图3-7中的实施方式仅是示例性的(每组四个能量单元)。通常的情 况是，每组有η个能量单元，η是整数，且η > 1。图7的实施方式的缺点在于阀装置的数目和泵装置的数目变得很大。另一方面， 该实施方式的优点在于，由于阀装置的位置更靠近能量单元，因此响应时间更快。这意味着 无效的“传热介质”的量更少。图8先生本发明用于再生热能的方法的流程图。该方法是借助包含η个能量单 元12i-12n的能量系统10 (参见例如图1-7)来进行的，其中η是整数，且η > 2。能量单元 12r12n顺次连接。每个能量单元121; . . .，12n包含具有平均相变温度PCMT1-PCMTn的相变 材料PCM1-PCMn，其中PCMT1 > PCMT2 >…> PCMTn。能量单元12i_12n进行以下步骤-当相变材料PCM1-PCMn从固相变为液相时，产生机械能，该机械能使得剩余热能 RH1-RHn存储在能量单元12fl2n中；或-当相变材料PCM1-PCMn从液相变为固相时，冷却；-将来自正在冷却的一个能量单元12x的剩余热能RHx作为输入能量转移至下一 个能量单元12x+1中。该方法开始于方框50。其后，该方法进行至方框52，借助连接至能量单元12i_12n 的控制装置18控制系统10处于第一相，其中每隔一个能量单元12ρ123、125...产生机械 能，每隔一个能量单元122、124、126...正在冷却。此后，方法进行至方框56，并回答是否准 备停止方法的问题。如果答案是否定的，方法继续并再次进行方框52中的步骤。但是，如 果答案是肯定的，方法在方框58处完成。根据该方法的优选实施方式，它还包括以下步骤-借助连接至第一个能量单元U1的热源14，将热能转移至第一个能量单元U1；或-借助于连接至最后一个能量单元12 的冷却装置16，将剩余能量RHn从最后一个 能量单元12 中除去。根据本方法的另一个实施方式，它还包括以下步骤借助于连接至热源14、冷却 装置16和每个能量单元12i-12n的传热系统22，在热源14、每个能量单元U1-U1^P冷却装 置16之间传递热能。根据本方法的优选实施方式，它还包括以下步骤对于每个相变材料PCM1-PCMn, 在两个不同的温度(Tal*Tbl，Tan和Tbn)进行相变，其中Tbl > Tal，并且平均相变温度被定 义为 PCMT1 = (Tal+Tbl)/2。根据本方法的另一个实施方式，它还包括以下步骤温度的选择方式为Tal > Ta2， Tbl〉Tb2，· · ·，Tb11-I〉Tbn。本发明不限于前述的实施方式。明显地，可在本发明的权利要求的范围内作出许 多不同的修改。
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权利要求
一种可操作用来再生热能的能量系统(10)，所述能量系统(10)包括n个能量单元(121，...，12n)，其中n是整数且n≥2，所述能量单元(121，...，12n)顺次连接，所述能量系统(10)还包括连接至所述第一个能量单元(121)的热源(14)和连接至所述最后一个能量单元(12n)的冷却装置(16)，每个能量单元(121，...，12n)包括具有平均相变温度(PCMT1，...，PCMTn)的相变材料(PCM1，...，PCMn)，其中PCMT1＞PCMT2＞...＞PCMTn，当相变材料(PCM1，...，PCMn)从固相变为液相时，每个能量单元(121，...，12n)产生机械能，并使得剩余热能(RH1，...，RHn)存储在所述能量单元(121，...，12n)中，当相变材料(PCM1，...，PCMn)从液相变为固相时，每个能量单元(121，...，12n)冷却，来自正在冷却的能量单元(12x)的剩余热能(RHx)作为输入能量被转移至下一个能量单元(12x)，所述能量系统(10)还包括连接至所述能量单元(121，...，12n)的控制装置(18)，所述控制装置(18)可操作用来控制所述能量系统(10)在第一相和第二相之间交替，其中在所述第一相期间，每隔一个能量单元(121，123，125，...)产生机械能，每隔一个能量单元(122，124，126，...)冷却，在所述第二相期间正好相反。
2.如权利要求1所述的可操作用来再生热能的能量系统(10)，其特征在于，每个能量 单元(121; ... , 12n)包括含有所述相变材料(PCM1, ... , PCMn)的腔室装置(201; . . .，2 On)， 并且所述能量系统(10)还包括连接至所述热源(14)、所述冷却装置(16)和每个所述腔室 装置(201； · · ·，20n)的传热系统(22)。
3.如权利要求1或2所述的可操作用来再生热能的能量系统(10)，其特征在于，每个 相变材料(PCM1,. . .，PCMn)的所述相变发生在两个不同的温度(Tal和Tbl，. . .，Tan和Tbn)之 间，其中Tbl > Tal，并且所述平均相变温度被定义为PCMT1 = (Tal+Tbl)/2。
4.如权利要求3所述的可操作用来再生热能的能量系统(10)，其特征在于，Tal> Ta2， Tbl〉Tb2，· · ·，Tb11-I〉Tbn。
5.如权利要求2-4的任何一项所述的可操作用来再生热能的能量系统(10)，当从属于 权利要求2时，其特征在于，所述传热系统(22)包括η个容器装置(241;. . .，24η)，其中每个 容器装置(241;..., 24η)连接至腔室装置(201;. . .，20η)，并且所述传热装置(22)还包括连 接至所述热源(14)、所述冷却装置(16)以及在它们之间的每个容器装置(241;...，24η)的 上部的第一个管道装置(26)，和连接至所述热源(14)、所述冷却装置(16)以及在它们之 间的每个容器装置(241;...，24n)的下部的第二个管道装置(262)，并且所述传热系统(22) 配备有传热介质。
6.如权利要求5所述的可操作用来再生热能的能量系统(10)，其特征在于，所述传热 介质是水、油、热管或其他液相或气相的合适介质。
7.如权利要求1-6的任何一项所述的可操作用来再生热能的能量系统(10)，其特征在 于，所述能量系统(10)还包括至少一个阀装置(30i)和/或至少一个泵装置(28)，所述阀 装置和所述泵装置用来进行在所述第一相和所述第二相之间的所述交替。
8.一种借助能量系统(10)再生热能的方法，其中所述能量系统(10)包括η个能量单 元(121; ...，12η)，其中η是整数且η彡2，所述能量单元(121; . . .，12η)顺次连接，每个能 量单元(121; ... , 12η)包括具有平均相变温度(PCMT1, ... , PCMTn)的相变材料(PCM1,..., PCMn)，其中PCMT1 > PCMT2 > . . . > PCMTn,所述能量单元(121; . . .，12η)进行以下步骤-当相变材料(PCM1, ... , PCMn)从固相变为液相时，产生机械能，并使得剩余热能2(RH1, ... , RHn)存储在所述能量单元(121; ... , 12n)中；或者 -当相变材料(PCM1, ... , PCMn)从液相变为固相时，冷却；_将来自正在冷却的能量单元(12x)的剩余热能(RHx)作为输入能量被转移至下一个 能量单元(12x+1)，所述方法包括以下步骤_借助于连接至所述能量单元(121; ...，12n)的控制装置(18)，控制所述能量系统 (10)在第一相和第二相之间交替，其中在所述第一相期间，每隔一个能量单元(121;123， 125，...)产生机械能，每隔一个能量单元(122，124，126，...)冷却，在所述第二相期间正好 相反。
9.如权利要求8所述的再生热能的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤_借助于连接至所述第一个能量单元(12》的热源(14)将热能传递至所述第一个能量 单元(12》；或者-借助于连接至所述最后一个能量单元(12n)的冷却装置(16)从所述最后一个能量单 元(12n)除去剩余热能(RHn)。
10.如权利要求9所述的再生热能的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤 -借助于连接至所述热源(14)、所述冷却装置(16)和每个所述能量单元(121;. . .，12n)的传热系统(22)将热能在所述热源(14)、所述能量单元(121; ...，12n)和所述冷却装置 (16)之间传递。
11.如权利要求8-10的任何一项所述的再生热能的方法，其特征在于，所述方法还包 括以下步骤-对于每个相变材料(PCM1, ... , PCMn)，在两个不同的温度(Tal和Tbl，...，Tan和Tbn) 之间进行所述相变，其中Tbl > Tal，并且所述平均相变温度被定义为PCMT1 = (Tal+Tbl)/2。
12.如权利要求11所述的再生热能的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤 -以下述方式选择所述温度Tal > Ta2，T bl〉Tb2，· · ·，Tbn-I〉Tbn0
全文摘要
本发明涉及一种借助能量系统(10)再生热能的方法，其中能量系统(10)包括n个能量单元(121，...，12n)，其中n是整数且n≥2。能量单元(121，...，12n)顺次连接，每个能量单元(121，...，12n)包括相变材料(PCM1，...，PCMn)，其中PCMT1＞PCMT2＞...＞PCMTn。能量单元(121，...，12n)进行以下步骤当相变材料(PCM1，...，PCMn)从固相变为液相时，产生机械能，并使得剩余热能(RH1，...，RHn)存储在所述能量单元(121，...，12n)中；当相变材料(PCM1，...，PCMn)从液相变为固相时，冷却；将来自正在冷却的能量单元(12x)的剩余热能(RHx)作为输入能量被转移至下一个能量单元(12x+1)，所述方法包括以下步骤借助于连接至所述能量单元(121，...，12n)的控制装置(18)，控制所述能量系统(10)在第一相和第二相之间交替，其中在所述第一相期间，每隔一个能量单元(121，123，125，...)产生机械能，每隔一个能量单元(122，124，126，...)冷却，在所述第二相期间正好相反。
文档编号F03G7/06GK101970874SQ200880128025
公开日2011年2月9日 申请日期2008年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者本特·奥斯特伦德 申请人:伊森科科技公司