[发明专利]用于能量储存应用的地质聚合物混凝土

说明书

一种地质聚合物热能储存(TES)混凝土产品包括至少一种粘合剂；至少一种碱活化剂；具有高热导率和高热容量的至少一种细集料；以及具有高热导率和高热容量的至少一种粗集料。

技术领域

本公开涉及专门用于热能储存应用的高级地质聚合物混凝土。

背景技术

需要开发一种低成本的固体热能储存介质，其在升高的工作温度下在长期的服务时间内将保持高机械强度(例如，抗压和抗弯)、高热性能(例如热导率、比热容)。

发明内容

根据第一广泛的方面，本公开提供了一种地质聚合物热能储存(TES)混凝土产品，其包括至少一种粘合剂；至少一种碱活化剂；具有高热导率和高热容量的至少一种细集料；以及具有高热导率和高热容量的至少一种粗集料。

具体实施方式

尽管本发明易于有各种修改和替代形式，但是其具体实施例已经以示例的方式示出，并且将在下面进行详细描述。然而，应理解，其并非旨在将本发明限制为所公开的特定形式，而是相反，本发明将涵盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、等同形式和替代形式。

近年来，由于高昂的能源成本以及对减少温室气体排放的愈加关注，人们寻求开发替代资源，诸如太阳能和风能。然而，太阳能的间歇可用性导致供需之间的能量差距，即，在晴天，收集的太阳能通常超过直接使用所需的能量。因此，高效且经济的热能储存(TES)系统的设计和开发对于太阳能发电厂至关重要。风能发电厂和工业废热再利用也是如此。然而，世界上只有极少数的太阳能热电厂采用这些TES系统。^1,2,3,4

热能能够以显热、潜热和可逆化学反应热的形式被储存。当前，液体介质储存，例如熔融盐，是对于高温热储存应用公知的且在商业上采用的技术。相变材料(PCMs)属于涉及固液(熔融)转变的潜热储存介质的类别。尽管PCMs的能量密度很高，但传热设计和介质选择却是困难的。目前，硝酸盐用于公用事业规模的TES系统中。尽管硝酸盐的熔融温度相对较低，例如高达350℃，但是它们的低热导率导致缓慢的充电和放电速率。⁵在经过中等数量的冻融循环后，材料的性能劣化。

根据美国能源部(DOE)，储存热能的单位成本约为$30.00/kWh_thermal。当使用太阳能作为热源时，每千瓦时电力的成本高，约为$0.15–$0.20/kWh_electric。燃烧化石燃料的单位电力成本为$0.05–$0.06/kWh。显然，当前的技术无法与传统形式的发电竞争。作为回应，DOE已经制定了将太阳能发电的成本降低到$0.05–$0.07/kWh_electric并且实现低于$15.00/kWh_thermal的热量储存成本的目标。因此，减少储存介质的成本是实现既定目标的关键步骤。⁶

关于投资和维护成本的一个有吸引力的选择是应用固态显热储存介质。³这些固态显热储存材料的示例包括氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、砖镁砂、二氧化硅耐火砖、铸铁和石墨。^4,7作为能量储存材料的波特兰水泥(PC)基混凝土价格便宜，并且PC混凝土是唯一据报每kWh_thermal的成本为1美元的介质(https://news.uark.edu/articles/19653/researchers-develop-effective-thermal-energy-storage-system)，远低于美国能源部实现以15美元每千瓦时的成本实现热能储存的目标。德国航空航天中心于2003/2004年在德国政府资助的项目中在西班牙的阿尔梅里亚太阳能平台成功地测试了第一PC混凝土储存装置。^8,9,10,11,13通常，固态介质储存系统包括具有嵌入式热交换器的基质固体材料。在充电期间，热能从传热流体(HTF)(太阳能发电厂)或废气(燃煤发电厂)传递到储存系统。在放电时，热能从储存系统转移到水，例如用于直接产生蒸汽。¹²