用于潛熱（相變）的蓄熱和相關(guān)的熱傳輸和交換的裝置及方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)在各種實(shí)施方式中揭示了一種在熱收集、熱傳輸、熱交換、熱存儲(chǔ)、及熱應(yīng)用系統(tǒng)之間的相變和熱交換方法。在具體實(shí)施方式中，系統(tǒng)中的熱傳輸流體/熱交換流體、蓄熱介質(zhì)、及工作介質(zhì)都是相互之間轉(zhuǎn)換溫度接近的相變材料，他們排列為降序且在一個(gè)相對(duì)較窄的溫度范圍內(nèi)通過進(jìn)行相變來執(zhí)行他們各自的功能。本發(fā)明專利技術(shù)還提供了對(duì)在熱收集、熱能存儲(chǔ)、及熱應(yīng)用設(shè)備之間的熱傳輸率、熱交換和/或充熱/放熱率任意進(jìn)行控制的方法。本發(fā)明專利技術(shù)也提供了對(duì)這種系統(tǒng)進(jìn)行控制的方法。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】用于潛熱相變的蓄熱和相關(guān)的熱傳輸和交換的裝置及方法相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求于2011年2月24日提交的USSN61/446,335、于2011年9月12日提交的USSN61/533,626、以及于2011年12月24日提交的61/570,520的權(quán)益及優(yōu)先權(quán)。上述申請(qǐng)通過引用全部結(jié)合在本文中。政府贊助的聲明(不適用)
技術(shù)介紹
能量存儲(chǔ)在能耗應(yīng)用中是相當(dāng)重要的。這些應(yīng)用包括傳統(tǒng)的和可再生的實(shí)用發(fā)電、建筑物采暖和空調(diào)、工業(yè)過程加熱等等。能量存儲(chǔ)允許核電廠和燃煤電廠從在低需求時(shí)間發(fā)電轉(zhuǎn)換為在需求高峰時(shí)間發(fā)電。滿足電網(wǎng)需求的能量存儲(chǔ)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電廠和太陽能發(fā)電廠甚至更為重要，這是因?yàn)檫@些能源的電力輸出隨時(shí)段和天氣條件而異。直流電的能量存儲(chǔ)通常使用電池。盡管人們?cè)诓粩嗯Φ厝ジ倪M(jìn)電池的科技，但是電池固有的高成本限制了將其應(yīng)用于小規(guī)模的應(yīng)急電源。水力發(fā)電和壓縮空氣存儲(chǔ)系統(tǒng)是目前的兩種方案，首先通過泵和壓縮機(jī)將電力轉(zhuǎn)換為水或空氣的勢(shì)能，然后在需要的時(shí)候再轉(zhuǎn)換回電力。然而，這些方案通常需要特殊地形和/或地質(zhì)條件，即，允許建造低產(chǎn)狀和高產(chǎn)狀水庫和/或天然的地下密封高壓氣罐的地形。這種條件很少能夠供當(dāng)?shù)氐陌l(fā)電廠的開發(fā)之用。熱能存儲(chǔ)本身是低成本的，這是因?yàn)橛懈鞣N各樣的低成本的材料可供其用。由于大多數(shù)發(fā)電廠(超過80％)通過熱力過程來發(fā)電，因此可以方便地將熱能存儲(chǔ)應(yīng)用到實(shí)用發(fā)電。熱能存儲(chǔ)對(duì)于聚光太陽能(CSP：concentratedsolarpower)發(fā)電廠也很重要。CSP的工作原理是使用聚焦鏡(例如，拋物面鏡、拋物線槽鏡、菲涅耳鏡、及其它類型的聚焦鏡)將太陽輻射聚焦到集熱器上，在集熱器處特殊涂層將光轉(zhuǎn)換為熱能。熱能將流過集熱器的熱傳輸流體(HTF：heattransferfluid)加熱到某個(gè)高溫。然后利用這種高溫的熱傳輸流體通過(多個(gè))熱交換器產(chǎn)生高壓高溫蒸汽來驅(qū)動(dòng)(多個(gè))渦輪機(jī)以發(fā)電。因此CSP發(fā)電系統(tǒng)通常用太陽太陽能加熱器/鍋爐來代替礦物燃料鍋爐或核燃料鍋爐，同時(shí)保證傳統(tǒng)的發(fā)電廠的其它部分基本不變。然而，由于云、壞天氣、日夜循環(huán)等造成的太陽輻射的“可用性”的變化，CSP發(fā)電廠需要蓄熱子系統(tǒng)來提供更恒定的電力源并使它們有資格成為基本負(fù)荷電力供應(yīng)者。因此，低成本和高效的蓄熱方案對(duì)于大規(guī)模地部署CSP發(fā)電廠以代替礦石燃料發(fā)電廠來說是非常重要的。例如，對(duì)于假定的拋物線槽式CSP發(fā)電廠，沒有蓄熱子系統(tǒng)，年運(yùn)行系數(shù)(CSP發(fā)電時(shí)間的百分比)將會(huì)是大約20％，即，每年運(yùn)行大約1760小時(shí)。然而，如果配合CSP使用蓄熱子系統(tǒng)，運(yùn)行系數(shù)能提高到超過60％或每年運(yùn)行大約5260小時(shí)。在通常的蓄熱應(yīng)用中有三種關(guān)鍵的熱介質(zhì)：熱傳輸流體(HTF)、蓄熱介質(zhì)、及工作介質(zhì)。多個(gè)熱傳輸流體(HTF's)從熱發(fā)生器或集熱器傳輸熱對(duì)蓄熱介質(zhì)充熱，或通過例如熱交換器直接對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行加熱。在某些實(shí)施方式中，蓄熱介質(zhì)從熱傳輸流體(HTF)接收熱來充熱(存儲(chǔ)熱)，之后再將熱排放回?zé)醾鬏斄黧w(例如在絕緣不良的時(shí)間)，熱傳輸流體通過熱交換器將熱傳送到工作介質(zhì)。工作介質(zhì)從熱交換器接收熱并對(duì)熱機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。熱傳輸流體通常是氣體或液體，有兩種常用的液體HTF。一種是導(dǎo)熱油，另一種是熔鹽。導(dǎo)熱油一般能維持的最高溫度是大約400℃。超過這個(gè)溫度的話，導(dǎo)熱油通常會(huì)分解。另一方面，熔鹽能維持高至大約600℃的溫度。然而，熔鹽通常必須被時(shí)刻保存在高于220℃的溫度下以防止凝固和對(duì)傳輸管道及容器造成后續(xù)的損傷。這種高溫的需求一般會(huì)導(dǎo)致更高的系統(tǒng)維護(hù)成本。對(duì)于氣體HTF來說，可以使用蒸汽，然而，高溫蒸汽是昂貴的且需要高壓。在某些實(shí)施方式中，可以使用熱空氣，但是熱空氣的熱容低且需要很高的流速才能在每單位時(shí)間傳導(dǎo)相同量的熱。為了保持這種高流速需要消耗相當(dāng)多的能量，大大降低了使用熱空氣作為熱傳輸流體(HTF)>的系統(tǒng)的總體效率。在很多系統(tǒng)中，工作介質(zhì)是液體，例如水，預(yù)先加壓到所希望的工作壓強(qiáng)，并通過熱交換器加熱到所希望的工作溫度，最終在壓強(qiáng)下被釋放而經(jīng)歷液態(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn)換。高壓水蒸汽通常進(jìn)一步被過度加熱以在到達(dá)熱機(jī)入口之前去除水滴，且在熱機(jī)入口處膨脹。在這個(gè)過程中，被加壓的分子的勢(shì)能由于膨脹轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。該動(dòng)能提供了熱機(jī)的驅(qū)動(dòng)力以進(jìn)行機(jī)械工作并最終發(fā)電。這些系統(tǒng)通常需要高溫、高壓工作介質(zhì)。例如，通常1MW的渦輪機(jī)在大約355℃的溫度下需要～2.4MPa的壓強(qiáng)來達(dá)到最高的效率。對(duì)于典型的100MW的渦輪機(jī)來說，所需要的蒸汽壓強(qiáng)和溫度增加到在大約380℃到400℃的溫度下大約10到12MPa。大型渦輪機(jī)通常能實(shí)現(xiàn)較高的從熱能向電力的轉(zhuǎn)換效率，但是為了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換效率，它們也需要在更高壓強(qiáng)和溫度下的蒸汽。基于材料吸收的熱的類型，兩種存儲(chǔ)熱能的方式包括利用顯熱存儲(chǔ)的方法和利用潛熱存儲(chǔ)的方法。顯熱存儲(chǔ)機(jī)制可基于存儲(chǔ)介質(zhì)的比熱容，通過提高或降低材料的溫度可以實(shí)現(xiàn)向存儲(chǔ)介質(zhì)充熱能和從存儲(chǔ)介質(zhì)放熱能，如下式所示：Q＝MCP(T2-T1)＝MCPΔT(等式l)，其中Q是存儲(chǔ)在蓄熱介質(zhì)中的顯熱，M是蓄熱介質(zhì)的質(zhì)量，C是蓄熱介質(zhì)的比熱容，T1和T2是開始溫度和結(jié)束溫度，ΔT是溫差。顯熱存儲(chǔ)是最普通、最簡(jiǎn)單、最成熟、應(yīng)用最廣泛的熱存儲(chǔ)方法。顯熱存儲(chǔ)可進(jìn)一步分類為四種不同的方法：1)液相顯熱存儲(chǔ)、2)固相顯熱存儲(chǔ)、3)液固混合相顯熱存儲(chǔ)以及4)加壓蒸汽顯熱存儲(chǔ)。液相顯熱蓄熱設(shè)備通常使用直接熱交換方法或者間接熱交換方法。例如，CSP太陽能集熱場(chǎng)，如拋物線槽系統(tǒng)或者線性菲涅爾鏡系統(tǒng)，通常配合作為液相顯熱蓄熱材料的熔鹽，使用導(dǎo)熱油(礦物油或合成油)作為它的HTF。這種液相顯熱存儲(chǔ)材料最常用于被稱為“主動(dòng)熱能存儲(chǔ)”系統(tǒng)，其中存儲(chǔ)材料在熱交換器和集熱器流通。在這種系統(tǒng)中熱交換器通常用于從導(dǎo)熱油向熔鹽傳輸熱能以存儲(chǔ)熱能。因此這種方法被稱為間接蓄熱。目前，大多數(shù)分布式太陽能集熱場(chǎng)(例如拋物面、拋物線槽、以及線性菲涅爾CSP)使用這種方法，它是現(xiàn)在僅有的兩種成熟的商業(yè)化熱能存儲(chǔ)方法中的一種。另一種商業(yè)化的熱能存儲(chǔ)方法被稱為直接蓄熱。提供顯熱的直接蓄熱的系統(tǒng)通常應(yīng)用兩個(gè)儲(chǔ)罐，一個(gè)用于高溫熔鹽，另一個(gè)用于低溫熔鹽。在熱能存儲(chǔ)(充熱)過程中，高溫導(dǎo)熱油(HTF)通過熱交換器向低溫熔鹽傳輸熱，低溫熔鹽從低溫容器流入或泵送到高溫容器。然后所得到的高溫熔鹽被存儲(chǔ)于高溫容器。當(dāng)無法使用太陽能時(shí)，存儲(chǔ)系統(tǒng)為了發(fā)電而放熱。放熱時(shí)，高溫鹽通過熱交換器流向或泵送到低溫容器。熱交換器傳輸熱以生成用于發(fā)電的高溫高壓蒸汽。當(dāng)大多數(shù)高溫熔鹽從高溫容器流出時(shí)該放熱過程結(jié)束。這種方式存在著很多問題。首先，它需要一些高溫特種泵在兩個(gè)容器、導(dǎo)熱油－熔鹽熱交換器和熔鹽－蒸汽發(fā)生器熱交換器之間泵送高溫強(qiáng)腐蝕的熔鹽。第二，由于熔鹽的腐蝕性它需要專門的熱交換器。最后，建造成本仍然相當(dāng)高：例如，為了大規(guī)模地部署，這種存儲(chǔ)設(shè)備的建造成本可達(dá)到大約40美元/kWh熱。在一些實(shí)施方式中，也可將熔鹽雙容器存儲(chǔ)系統(tǒng)配置為用于CSP系統(tǒng)的直接熱能存儲(chǔ)子系統(tǒng)。通常在這種實(shí)施方式中，熔鹽同時(shí)作為太陽能集熱場(chǎng)的HTF和液態(tài)顯熱蓄熱材料，即HTF和顯熱蓄熱材料成為相同材料。由于不牽涉到額外的熱交換器，這種方式有時(shí)被稱為直接熱能存儲(chǔ)。這種方式避免使用熱交換器，在過程中降低熱能損本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種相變材料的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，包括：蓄熱室，該蓄熱室容納相變蓄熱材料；熱輸入裝置，該熱輸入裝置從熱源輸送熱傳輸流體，其中所述熱輸入裝置配置為將水蒸汽形態(tài)的所述熱傳輸流體注入所述蓄熱室；以及熱輸出裝置，該熱輸出裝置將工作介質(zhì)從所述蓄熱室輸送到由所述工作介質(zhì)操作的裝置或系統(tǒng)，且提供一個(gè)或多個(gè)用于將熱從所述蓄熱室傳輸入所述工作介質(zhì)的熱交換表面，所述熱傳輸流體是液氣相變材料且相轉(zhuǎn)換溫度接近于或超過所述蓄熱材料和/或所述工作流體的相轉(zhuǎn)換溫度。

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來華專利技術(shù)】2011.02.24 US 61/446,335;2011.09.12 US 61/533,626;1.一種相變材料的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，包括：蓄熱室，該蓄熱室容納相變蓄熱材料；熱輸入裝置，該熱輸入裝置從熱源輸送熱傳輸流體，其中所述熱輸入裝置配置為將水蒸汽形態(tài)的所述熱傳輸流體注入所述蓄熱室；以及熱輸出裝置，該熱輸出裝置將工作介質(zhì)從所述蓄熱室輸送到由所述工作介質(zhì)操作的裝置或系統(tǒng)，且提供一個(gè)或多個(gè)用于將熱從所述蓄熱室傳輸入所述工作介質(zhì)的熱交換表面，所述熱傳輸流體是液氣相變材料且相轉(zhuǎn)換溫度接近且大于所述蓄熱材料和/或所述工作介質(zhì)的相轉(zhuǎn)換溫度。2.如權(quán)利要求1所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述相變蓄熱材料是液固蓄熱材料。3.如權(quán)利要求1所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述相變蓄熱材料容納于位于所述蓄熱室內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)相變材料儲(chǔ)罐內(nèi)。4.如權(quán)利要求3所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述相變蓄熱材料是選自如下的一種材料：石蠟、脂肪酸、聚乙二醇、及鹽。5.如權(quán)利要求4所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述相變蓄熱材料是鹽或鹽溶液。6.如權(quán)利要求4所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述相變蓄熱材料是無水鹽。7.如權(quán)利要求4所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述相變蓄熱材料是NaNO3。8.如權(quán)利要求4所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述相變蓄熱材料是選自以下材料中的一種或多種材料：LiNO3*3H2O、Na2SO4*10H2O、Na2CO3*10H2O、Na2HPO4*10H2O、Na2S2O3*5H2O、Na(CH3COO)*3H2O、Na2P2O4*10H5O、50％Na(CH3COO)*3H2O+50％HCONH2、Ba(OH)21*8H2O、C16-C28石蠟、C20-C33石蠟、C20-C45石蠟、C21-C50石蠟、月桂酸、十四烷酸、棕櫚酸、以及硬脂酸。9.如權(quán)利要求4所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述相變蓄熱材料是選自下表中的一種或多種材料：10.如權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，在所述熱輸出裝置中所述熱傳輸流體用作所述工作介質(zhì)。11.如權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱輸出裝置是熱交換器，該熱交換器將熱從所述熱傳輸流體傳輸?shù)剿龉ぷ鹘橘|(zhì)。12.如權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱傳輸流體是油。13.如權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱傳輸流體是選自以下材料中的一種材料：氯仿、甲醇、乙酰氯、環(huán)戊烷、丙醛、正丙胺、2,3-二甲基-1-丁烯、鄰乙基苯酚、苯甲酸乙酯、1,2,3,4-四氫化萘、正己基環(huán)戊烷、1-十二烯、Vp-1傳熱油、正十八烷、正十五烷基環(huán)戊烷、以及1-二十醇。14.如權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱傳輸流體是VP-1熱傳輸流體。15.如權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述工作介質(zhì)是水或氨溶液。16.如權(quán)利要求12所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述工作介質(zhì)是水或氨溶液。17.如權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱輸出裝置配置為將作為工作介質(zhì)的所述熱傳輸流體輸送到由該工作介質(zhì)操作的所述熱存儲(chǔ)系統(tǒng)。18.如權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱輸出裝置配置為將所述熱傳輸流體輸送到熱交換器，以將熱輸送到所述工作介質(zhì)，所述工作介質(zhì)被輸送到由該工作介質(zhì)操作的所述熱存儲(chǔ)系統(tǒng)。19.如權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱源是一個(gè)或多個(gè)太陽能熱源。20.如權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱源產(chǎn)生的熱少于所述熱傳輸流體的水蒸汽輸送的熱，導(dǎo)致從所述熱源輸出熱傳輸流體是液體和水蒸汽的混合物。21.如權(quán)利要求1～9中任意一項(xiàng)所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱源提供的熱足以將輸送到所述熱存儲(chǔ)系統(tǒng)的所述熱傳輸流體從液相變?yōu)檎羝啵蛘咚鰺岽鎯?chǔ)系統(tǒng)配置為應(yīng)用所述熱傳輸流體的蒸汽相來將熱交換器內(nèi)的熱傳輸?shù)剿鰺岽鎯?chǔ)系統(tǒng)的工作介質(zhì)。22.如權(quán)利要求21所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱存儲(chǔ)系統(tǒng)是渦輪機(jī)。23.如權(quán)利要求21所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述熱存儲(chǔ)系統(tǒng)配置為也將熱傳輸流體輸送到所述蓄熱室，所述熱傳輸流體在該蓄熱室經(jīng)歷從水蒸汽到液體的相變且將熱傳輸?shù)剿鲂顭岵牧希撔顭岵牧辖?jīng)歷從固體到液體的相變從而對(duì)所述蓄熱材料充熱。24.如權(quán)利要求23所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，通過調(diào)節(jié)閥門對(duì)充熱功率進(jìn)行調(diào)整，該閥門控制水蒸汽形式的所述熱傳輸流體進(jìn)入所述蓄熱室。25.如權(quán)利要求21所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，用液位計(jì)和/或質(zhì)量流量計(jì)測(cè)定所述熱傳輸流體的冷凝質(zhì)量流量，其中調(diào)節(jié)所述冷凝質(zhì)量流量以控制充熱率。26.如權(quán)利要求21所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，通過測(cè)量/控制所述蓄熱室內(nèi)的水蒸汽壓強(qiáng)，和/或通過測(cè)量/控制所述蓄熱材料的表面溫度來使所述熱存儲(chǔ)系統(tǒng)被配置為對(duì)充熱率進(jìn)行測(cè)量或控制。27.如權(quán)利要求26所述的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，其特征在于，所述充熱率處于計(jì)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：項(xiàng)曉東，張融，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：藍(lán)瑚科技有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：美國(guó);US