[发明专利]用于相变材料的光学方法

说明书

描述了一种用于测量容器(16)内部的相变材料(14)的相态的设备，该设备包括设置在容器(16)内部的至少一个光纤(18)、发射以波长λ耦合到至少一个光纤(18)的第一端部的光的光源(10)、用于在至少一个光纤(18)的第二端部处测量光在输出处的量的光学测量装置(20)，所述光纤(18)包括围绕芯部的包层，其中，至少一个光纤(18)包括移除了包层的多个部段(12)，使得在这些部段(12)处，芯部与容器(16)内部的相变材料(14)直接接触，并且其中芯部在波长λ下的折射率高于相变材料(14)在第一相中的折射率并低于相变材料在第二相中的折射率。

技术领域

本发明涉及用于热能储存器的方法和系统的领域并且涉及用于测量储存在包含相变材料的热能储存器中的热能的量的方法和设备的领域，还涉及用于这样的热能储存器的控制器。

背景技术

相变材料(PCM)是一类潜热储存材料，其能够在相变的过程中储存和释放大量能量。一种这样的相变是熔化和冻结。其它的相变可以是从固体到气体的升华，或从液体到气体、即沸腾。PCM通常每单位体积比更常用的储水箱多储存5至14倍热量。因此，PCM材料是特别有吸引力的，因为它们提供了高密度能量储存并且在较窄的温度范围能储存热量。

当考虑到用于空间加热或准备生活热水时，有机PCM(诸如石蜡)不仅提供了合适的温度范围，而且提供了高熔化热、化学稳定性，没有健康问题等。缺点是，它们在其固态下导热性较差，并且它们例如由于在获得可靠的相变点中所涉及的成本而常常是昂贵的。

PCM储藏箱固有地比常用的水缓冲系统更昂贵。找到这样的PCM箱的节约成本的设计会是有利的。

Fischer、Ulrich R.、Maschke、Ulrich、Schneider、Jürgen的文献《用于确定PCM-石蜡储存器的热载荷程度的测量方法的发展(Entwicklung eines Messverfahrens zurBestimmung des thermischen Beladungsgrades von PCM-Paraffin-Speichern)》，来自BTU，应用物理学/热物理学教席(Lehrstuhl Angewandte Physik/Thermophysik),科特布斯，汉诺威(Cottbus,Hannover)；2008讨论了用于测量PCM石蜡的相态的若干方法。方法包括基于光耦合器的光学方法。尽管在确定热缓冲件的相态时使用PCM的光学特性会比仅温度测量更精确，但是在文献中所描述的光耦合器仅提供了一种非常局部的测量，即，在几毫米的区域中。因此，为了获得完整的缓冲器的精确值，会需要很多测量，这意味着在包括PCM材料的容器内部必须在各个位置处设置许多光耦合器。多个光耦合器以及它们相关的缆线和密封的馈通必须安装在热储存容器内部，增加了设计的复杂性并且因此提高了成本，增加了泄漏的可能性并且增加了进行任何测量的复杂性。

美国专利5,311,274描述了一种光学折射计。其提供了一种单独测量，并且用于测量工艺流体的折射率。已知的设备并不试图精确测量透射光强度以便确定液体的折射率。相反地，测量一参数，光纤的包层和芯部的折射率两者均取决于该参数。最小透射光功率强度视作端点。

这些解决方案在较大的热缓冲器中要求许多离散的传感器，并且因此需要巨大的努力以从这些传感器读取数值从而获得平均值。

有效并且高效地使用PCM类型的储存箱要求对可获得的能量、即，容器的充能状态(SoC)的可靠估计。在这方面，PCM的使用关联有若干问题。由于低导热性，诸如熔化和冻结过程之类的相变过程在整个容器中并不会均匀地发生。此外，如果在这些相态之间存在体积的变化，则其可能导致压力引起的局部腔体，进一步妨碍均匀性。基于有限数量的传感器的充能状态估计是不精确的，它们无法考虑到这一随机性。一些方法已试着通过将压力与熔化的PCM/固体的PCM的比率联系起来以利用这一体积差，但是它们也无法记录局部腔体。

发明内容

本发明的各实施例提供了详细的储存箱设计，以及创新的且精确的用于确定能量含量的方法，即，限制要包括的系统冗余的量。