[发明专利]液体金属储热系统

说明书

背景技术

鉴于很大程度上由二氧化碳、甲烷和吸收颗粒在大气中的释放所导致的全球变暖的问题以及化石燃料的增加，使用太阳能热电用于公用事业规模的发电再次引起公众关注。使用聚焦太阳能将工作流体加热到高温以操作兰金(Rankin)循环发动机、布雷顿(Brayton)循环发动机和斯特林(Sterling)循环发动机以提供操作发电机的机械动力以用于公用事业规模的电力生产提供了对于使用化石燃料的有吸引力的替代。但是，公用事业通常要求电力生产设施在每年75％的等级上提供可配送的电力。由于太阳在年基础上的仅仅50％的时间位于地平线之上，因此有必要提供某种形式的存储以在没有太阳光时操作设备。

热能存储可以通过将能量存储为作为显热或潜热(或它们的组合)的热形式而实现。目前的太阳能收集器利用定日镜、抛物线槽或线性菲涅耳(Fresnel)反射器将太阳光聚焦在太阳能接收器上。这些接收器由聚焦太阳光加热并且利用蒸汽、油、液体盐、液体碱金属或气体作为热收集和传递流体。这种流体可以自身用作热存储介质或者热量可以被传递给另一介质以提供存储。如由Geyer in Winter等讨论的，储热可以由油罐、油和岩石、液体盐、或液体碱金属中的显热来提供。由聚焦太阳光加热的流体用于产生蒸汽，加热工作流体以用于能量转换，或者它们可以在高温下存储(或组合)。在释放出它们的热量以用于能量转换之后，冷却的流体与热流体分离地存储。这可以在分离的热罐和冷罐中实现或者通过使用温跃层的构造实现。在温跃层系统中，较冷(密度较大)流体形成底层而较热(密度较小)流体形成上层。在这些构造中的任一种中，当太阳不提供热量时，所存储的热液体可被抽吸通过热交换器以加热工作流体以用于电力生产并且随后抵达存储部的冷侧以完成循环。

可选地，熔解潜热可以用于存储热能。在储热系统中已经使用液体盐或液体碱金属，所述液体盐或液体碱金属在其熔化温度下经受相变以存储或释放热量。这种形式的热存储的优点是热量在几乎恒定的温度下释放，从而提供用于能量转换循环的最佳操作条件。使用潜热能量存储的另一优点是由于能够显著减少存储材料的量。为明确起见，存储在比热中的能量的量由比热和温度变化的乘积确定。例如，水的比热是1cal/gm，如果温度降低1℃，则一克水释放1卡路里的热量。可选地，水的熔解潜热为大约80cal/gm，使得在几乎恒定的温度下冻结或凝固一克冰所释放的能量为80卡路里的热量。由此，通过冻结一克冰来提供存储相同量的热量而需要的水的量是改变水温1℃的80倍。

在使用高温盐的潜热存储系统中，由于盐的低热导率而存在对热量流进和流出存储材料的限制。这由如下事实而进一步加剧：当热存储释放时，盐围绕承载热交换流体的管冻结，这使对流热传递停止。这减小了能够从存储系统中提取热量的速率。由此，盐的低热导率和由于盐的非流动性而导致的对流削减一起对利用这种类型的潜热存储系统构成障碍。

在太阳能发电系统的操作中另一考虑因素是工作温度。为了使聚焦式太阳能热发电系统尽可能地具有成本效率，期望的是使能量转换循环的效率最大化。这减小了设备的最昂贵部件(聚焦收集器)的成本。由于热力发动机的最大效率由其在其间工作的热库与冷库之间的温差决定，因此最理想的是在最高可能的温度下进行操作。油在高于大约400℃的温度下分解。使用盐的大多数储热系统在低于大约570℃下进行操作。没有发现有效的装置在运行高效兰金循环发动机所需的压力和温度下存储蒸汽。布雷顿或气体循环发动机使用气体作为工作流体，并且在非常高的温度和压力下存储气体也是不切实际的。布雷顿循环提供了用于发电塔集中系统的最高效率，这是由于工作温度仅由涡轮入口温度(明显超过1000℃)限制。存储高温气体不是现实的能量存储方案。

通过参引的方式并入

下述参考文献的全部内容并入本文：

1985年4月23日授予Terry D.Claar等人的名称为“High-Temperature Direct-Contact Thermal Energy Storage Using Phase-Change Media”(“使用相变介质的高温直接接触式热能存储”)的美国专利No.4,512,388；

Simensen的“Comments on the Solubility of Carbon in Molten Aluminum”(“评述碳在熔融铝中的溶解率”)，Metallurgical Transactions A，卷20A，1989年1月，191页；