[发明专利]包括具有相变材料的能量存储装置的能量处理系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种能量处理系统，该能量处理系统能够利用能量存储装置吸收并临时存储热能并且还能够从能量存储装置提取热能。

背景技术

来自各种类型的替代能源(诸如，风涡轮机、太阳能发电厂和波能发电厂)的电力的生产不是连续的。生产可能依赖于环境参数，诸如例如风速(针对风涡轮机)、隔热(针对太阳能发电厂)以及波高和方向(针对波能发电厂)。经常在能量生产和能量需求之间几乎没有或者没有相关性。

解决不相关的电力生产和电力需求的问题的一种已知方案是临时存储已生产但还不需要的能量，并在存在大量需求时释放存储的能量。在过去，已提出临时存储能量的许多不同的方法。提出的方法是例如(a)机械能存储方法，例如抽水存储、压缩空气存储和飞轮，(b)化学能存储方法，例如电化学电池和有机分子存储，(c)磁能存储，和(d)热能存储。

关于热能存储，需要注意的是，水具有高热容，这原则上能够允许使用水作为热存储材料或热存储介质的高效的热存储。然而，除非使用精致压力容器，否则水中的热容存储的最大温度局限于100℃(100摄氏度)。由于对于大容量存储而言压力容器的成本将会过高，所以作为热存储材料的水的使用局限于100℃的最大温度。然而，为了提供按需操作以便释放存储的热能的热力机(例如，汽轮发电机)的任何有用的热力学效率，100℃的最大温度太低。因此，水的高热容的益处不能实际用于高容量能量存储。

替换热存储介质包括固体和熔盐。固体可被加热到能够导致相关热力机的良好热力学效率的高温。然而，固体通常具有低热容，并且这导致高容量要求并且导致低能量密度。熔盐通常具有比固体高的热容，并且它们具有另外的益处，即当处于液相时，它们能够被抽运，由此促进具有大功率热交换器的低损耗存储罐的布置。然而，熔盐具有这样的缺点：它们在远高于400℃的温度通常不稳定，由此限制相关热力机的热力学效率。它们还具有这样的缺点：由于晶体盐的低导热性，初始熔化和意外的凝固的再熔化是非常难的。

固体的低能量密度的问题的一种解决方案是使用在相关工作温度经受相变的材料。存储在在热存储周期的温度范围内(即，在包括存储材料温度从Ti(对应于最小开始或初始温度)到Tf(对应于最大结束或最后温度)的增加的能量存储过程期间)未经受相变的材料中的热量或（respectively）热能Q能够由下面的方程(1)计算：

          (1)

由此，m是热存储材料的质量并且Cp(T)是热存储材料的比热容，根据热力学的基础知识，比热容是温度T的函数。

假如热存储材料的比热容并不显著依赖于温度，则这导致温度的增加和存储的热量之间的线性关系。对于在热存储周期期间经受相变的材料或介质而言，当材料分别熔化或凝固时，吸收或释放另外的能量。熔化和凝固过程发生在基本恒定的温度，如图9中所示。这种材料称为相变材料(PCM)。

图9示出当PCM经受从固体到液体的相变和反向或从液体到固体的相变时热量如何被PCM吸收或释放。具体地讲，当在温度Ti开始于固相时，PCM的温度首先随着热量输入h的量近似线性地增加。当温度达到熔化温度Tm时，温度暂时保持恒定，直至已吸收熔解热或熔化热△hm并且所有PCM已变为液体。此后，液体PCM的温度再次随着更多的热量输入h的量线性地增加。需要提及的是，与固相相比，对于液相，梯度dT/dh是不同的。由此，梯度dT/dh对应于固体或液体PCM的比热容。

为了热存储目的，优选地，采用包括高熔化热的PCM材料。由此，通过相变(即，当PCM从固体变为液体以及反向从液体变为固体时)提供另外的能量存储容量。对于PCM从Ti到Tf的温度增加(其中PCM的熔化温度Tm处于Ti和Tf之间)，存储在PCM中的热量Q能够由下面的方程(2)计算：

          (2)

由此，m再一次是PCM的质量，Cps(T)和Cpl(T)是分别是固体PCM和液体PCM的比热容，并且△h是PCM的潜热或熔化热。