CN103998889B - 热能存储装置 - Google Patents

Abstract

一种热能存储装置，包括：热吸收材料块以及多个蓄热元件，蓄热元件包括存储在密封容器中的相变材料；其中，每个蓄热元件与热吸收材料块相热接触。

Description

热能存储装置

技术领域

本发明涉及一种热能存储装置。

背景技术

最近几年，有一种使人们不再使用化石燃料作为能量来源的推动力。朝通常称之为清洁能源，即使用太阳能和风能作为提供有用能源，的动向已具有明显的发展。

太阳能实质上最大的缺陷在于：在一天的某些时间，太阳不能提供利用必要的光流到利用太阳能的各种设备。同样的，风力涡轮机及其类似只有当具有充足的风力来驱动它们时，才是有效的。

从源处的，中断和易变的能源供应使其，在许多方面，是不可靠的以及不经济的。

另外，在某些时候，太阳的光线是十分的过量的，使得产生的热量和能量作为过供应而耗散，而不是通过太阳能设备而被使用。

先前的解决上述问题的尝试是用硅准金属材料作为在材料内的存储热能的方式，以供后续的例如，当太阳能输入不再可能的时候，在晚上或者恶劣的天气下使用。在太阳能活跃的峰值的时候，硅准金属材料在其经历从固态到液态的相变的时候能够吸收热能。

硅准金属材料部分为其从液态到固态相变时的膨胀特性所表征，对于其它的大多数材料来说，材料会收缩。

存储在硅准金属材料中的热能能够通过电设备，例如斯特林热机等转换成电和/或机械作用，从而在太阳不活跃的时候提供电源。

硅准金属材料的一个不利之处是其在相变吸收和释放热而膨胀和收缩的时候，需要显著地关注和理解其物理转换。硅准金属材料的膨胀和收缩在其被放置的外壳上产生明显的积聚压力。例如，如果硅锭形式的硅准金属材料被直接放置与耐火吸热材料例如石墨相接处，在其经历相变到达液体形式时，硅准金属将被石墨吸热。如果在其被插入到耐火材料之前，硅准金属被存储在单独的外壳中，它们经历相变时，硅准金属锭的连续压力将集聚和消失，这能导致外壳的开裂。

当锭被存储在单独的容器中时，硅准金属锭的外壳需要能够有效的传热，在硅准金属材料相变的时候释放热到周围的石墨。

PCT申请PCT/AU2010/001035（公布为WO2011/017767），该申请的全部内容在此通过引用并入其中，其试图通过提供细长陶瓷罐形式的外壳来解决这些问题。该细长罐包括一个压力分散的平底船（punt）和一系列的开设在其端部的凹槽，该一系列的凹槽起散热器作用。在PCT/AU2010/001035中描述的热能存储装置中，一系列的这些容器被用于存储硅准金属，并交错排列堆积了一系列的烧结石墨棒。虽然，已经发现，在这种排列中，罐容易破裂，特别是在凹槽区域。

本发明的目的在于克服或者减轻上述困难，或者至少提供有用的替换。

发明内容

本发明的一方面，提供了一种热能存储装置，包括：

吸热材料制成的块，以及

多个储热元件，所述储热元件包括存储在密闭容器中的相变材料；

其中，每个蓄热元件与吸热材料制成的块热接触。

在其中一个实施例中，热吸收材料制成的块包括蓄热区，所述蓄热区形成多个第一孔，储热元件安置在所述第一孔的相应中的一个。

热吸收材料可以为可加工材料。在一个实施例中，热吸收材料为烧结的石墨。

在本发明的一个实施例中，所述多个第一孔之间具有预设的间隔。所述确定的长度是可选择的，以实现在存储区的最优热传递。

热能存储装置可进一步包括一个或者多个与蓄热区相接触的加热元件。该一个或者多个热元件可安置在所述蓄热区的多个第二孔中。

优选的，加热元件为电加热元件。加热元件是可单独控制的，以向蓄热区的不同区域提供不同量的热。该装置可进一步包括一个或者多个温度传感器，该温度传感器与储热区的不同区域中的每一个相关联。

该装置可进一步包括用于从储热元件提取热的装置，该提取热的装置包括与热吸收材料制成的块关联的闭合循环热机。该闭合循环热机可能是卡诺循环热机。

如本文所用，卡洛循环热机指任何根据工作气体的膨胀和压缩而工作的闭合循环热机。卡洛循环热机的例子包括斯特林热机和布雷顿热机。

在一个实施例中，闭合循环热机为斯特林热机，其能够通过芯连接蓄热区。

本发明的实施例中的优选的相变材料包括硅准金属或共晶，过共晶硅组合物或亚共晶硅组合物。

在另一方面，本发明提供装相变材料的密封容器，包括：

一个基本上为圆柱形的侧壁，第一端和第二端；

其中，侧壁具有沿从第一端到第二端的长度增长的厚度，

因此，经历相变，相变材料优选地向第一端的方向上膨胀。

该侧壁优选包括碳化硅。优选的，侧壁由粒子尺寸分布范围为8美国标准筛目到-200美国标准筛目的粒子组成。在优选的实施例中，侧壁包括不少于90%的碳化硅。

密封容器的实施例可有利的与本专利的热能存储装置的实施例一起使用。

在另一个方面，本发明提供了一种制造用于装相变材料的密封容器，该密封容器包括主体，该主体包括碳化硅，该方法包括：

粘结碳化硅颗粒和粘合剂；以及

根据包括预定的持续时间和温度的步骤的干燥基准加热窑中的粒子；

其中，预设的持续时间是足够的以形成密封容器的主体中的粒子之间的结合。

在进一步的方面，本发明提供存储热能的方法，包括：

提供热吸收材料制成的块；以及

放置多个与所述块热接触的蓄热元件；

其中，蓄热元件包括存储在密封容器中的相变材料。

相变材料可包括硅准金属或共晶，过共晶或亚共晶硅组合物。密封容器可包括碳化硅。

优选的，本方法包括嵌入蓄热元件到所述块中。例如，所述方法包括通过在吸热材料中形成多个孔以收容一个或者多个蓄热元件。在加热区可提供多个加热元件。

在一个实施例中，加热元件是可单独控制的以向储热区的不同区域提供不同量的热。

在一个实施例中，所述方法进一步包括保持相变材料的熔化部分在1%至99%之间。

附图说明

通过非限制性的实施例以及参考附图，将对本发明优选的实施例进行描述，其中：

图1示出了一实施例中的热能存储装置；

图2是用于与图1中的热能存储装置一起使用的密封容器的截面图；

图3是沿图2中剖面线A-A的截面图；

图4示出了用于与图1中的蓄热装置一起使用的热芯；

图5是图4中的热芯的主视图；

图6是沿图5中的剖面线C-C的截面图；

图7示出了另一个热能存储装置；

图8是图7中的装置的俯视图；

图9是沿图8中的剖面线B-B的截面图；以及

图10示出了记录在密封容器测试期间的温度对应时间曲线。

具体实施方式

首先参照图1，热能存储装置10包括吸热材料制成的块12。吸热材料制成的块12是具有多个形成于其中的孔14的连续热吸收材料块。

如本专利所用的，术语“连续的（contiguous）”指材料的单个块（single mass），不论是固体或者多孔介质，其中，物质内的任意两点可被连续的路径连接。

一个或者多个蓄热元件位于每个孔14内，每个蓄热元件与热吸收材料制成的块12相热接触。包括蓄热元件的吸热材料制成的块12的区域在此被称为蓄热区。

每个蓄热元件包括相变材料，在本实施例中为存储在密封容器中的硅准金属（silicon metalloid。密封容器优选的与孔14形成过盈配合。

在温度为1410℃时，硅准金属具有潜蓄热容量大约为497W/kg。在某些情况下，除了利用硅准金属之外，还可以有利地利用具有低热容以及低相改变温度的共晶（或亚共晶或过共晶）硅组合物。例如，具有Al:Si比例为1:12的共晶Al-Si合金，其具有较低的相转变温度为580℃，同时还具有相对较大的蓄热能力，大约为200W/kg。

吸热材料是可机加工的材料，特别为烧结石墨，其包括粘结剂和浸渍在其中的其它材料。孔14由现有技术中的精密镗孔形成在块12。为了实现块12内的最优传热，需要选择孔14的相对位置。考虑烧结石墨和蓄热元件中的热膨胀系数，并采用现有的方法来最优化孔14之间的距离。例如，通过使用有限元方法，如结合ANSYS建模软件（ANSYS,Inc.,Canonsburg,Pennsylvania）中的多物理场仿真模块，可计算储热区中的块12的传热特性。

在本实施例中使用烧结的石墨，本领域的技术人员应当理解，其它的吸热材料也是可以的，只要它们具有合适的热传导率并且可被加工以适应密封容器的形状。

当然，例如通过提供一个或者多个太阳能聚集器来将太阳光聚集到一个或者多个位置的块12上可允许吸热材料制成的块12直接被太阳能加热。然而，在与储热元件相邻的预设区域提供电加热元件20对块12的加热需要进行更大的控制。

电加热元件20被收容在块12中的多个第二孔中。优选的，电加热元件20在多个第二孔中的相应的孔中形成过盈配合。加热元件20被放置在相邻的孔14之间的间隙中。多个第二孔也是通过精密镗孔形成。

目前已经发现，将储热元件安装到吸热材料制成的单个块中，例如通过上述的精密镗孔，能够避免与先前方法相关的断裂的问题。特别的，在加热相和冷却相中，块结构不会遇到专利PCT/AU2010/001035中描述的设置中的石墨棒和相关的密封容器所经历的偏移（shifting）。应当理解，偏移会在密封容器上产生应力，从而导致断裂。偏移会导致比本实施例中所获得的传热特性更差的传热特性，因为偏移导致在储热元件和周围的石墨之间形成空气间隙。

在热能存储元件10的操作的过程中，电能通过外置的电源被施加到电加热元件20。例如，电流可以是来自光伏阵列直流电流或者来自风涡轮机的交流电流。当电流流过加热元件20时，将导致电阻加热周围的石墨。热将通过密封容器的壁传输到蓄热元件的相变材料，该壁与石墨块相接触。硅准金属（或者例如共晶硅组合物）吸收显热直到温度其温度到达熔化温度，在该熔化温度进一步输入到硅准金属的热量被存储为熔化潜热。当外部的能源（太阳能或者风能）不再可得到时，或者外部的能源降低到需要维持在熔化温度之上的加热元件的核温度的等级时，硅准金属凝固。存储的热量然后释放到周围的石墨。

加热元件20优选的由碳化硅构成，并且可以按照现有的方式连接到电流源，例如可以通过铜线缆连接。

为了能够提取热量来进行机械和/或者电气工作，装置10可通过芯（wick）200连接到卡诺循环热机，诸如斯特林热机或布雷顿发动机。芯200与块12进行热接触。当蓄热区的温度高于热机的头的温度时，热量从蓄热区经过芯200由热传导传输过来。

芯200，更详细的见图4至图6，包括多个通孔210和一个盲孔212。这些孔被提供以允许斯特林热机的头上的对应凸部的正面位置（positive location）机械的连接到该头和芯200，以保证斯特林热机和芯200（以及块12）之间合适的热接触。

芯200优选的由与块12相同的材料构成，或者与块12的材料具有相同的或者非常相近的热传导率的至少一种材料组成。在本实施例中，芯200可由可机械加工的烧结石墨构成，该可机械加工的烧结石墨可具有与块12中的烧结石墨相同的级别。

虽然芯200在图1和图4至6中为分离元件，应当理解，位置孔210和212可直接在块12的表面原位（in situ）加工。分离的芯200在一些环境中可有利的提供具有增加的模块化程度的系统。

加热元件20可单独控制以提供不同量的热到材料12的连续区的不同区域。该不同的区域中的每个可具有与之相关的一个或者多个温度传感器。每个传感器的温度读出可以与控制系统（图未示）相通信，控制系统使用该读出调节流向各自的加热元件20的电流，从而调节加热的自由度。例如，如果温度读出显示连续区12的一些区域的温度在硅材料（或者其它的相变材料）的相转变温度之上，而其它区域在该温度之下，流向各自区域的电流可相应的调节，因此，每个区域具有在相转变温度之上的温度。通过与各自区域相关的蓄热元件，这提供了更有效的能量存储。

如图2和图3所示，密封容器100具有大致为圆柱形的侧壁，该侧壁具有圆柱形的外表面102和锥形内表面104。密封容器100可被盖106密封，例如，通过使用耐火水泥密封。内表面104从密封容器100的第一端107到其第二端108向内逐渐变窄，因此，侧壁的厚度沿从侧壁的第一端107到第二端108的长度方向上增加。

当相变材料被存储在密封容器100中，并且经历从液态到固态相变时而膨胀（反之亦然），由于侧壁在第二端108具有相对较大的厚度，该材料优选地向第一端107的方向膨胀。

碳化硅制成的密封容器100可被用于存储硅准金属或者共晶硅组分，合适的碳化硅组合物和制造容器100的方法将在下面描述。

我们已经发现，锥角的范围大致上在1.2度到3.2度之间，更优选的在1.33度到2.92度之间，上述范围的锥角适合碳化硅制造的密封容器，该容器可用于装硅准金属硅组合物或者共晶硅组合物（或过共晶硅组合物或亚共晶硅组合物）硅组合物。

如图7至图9所示，这些图中示出了另一实施例中的热能存储装置400，其包括烧结石墨的连续块402。该块402被夹在绝缘材料的上层441和下层442之间。层441和层442可根据装置400的顶和底的操作温度使用不同的绝缘材料。

块402包括多个蓄热区412，每个储热区412具有多个形成于其中的孔414。如图9所示，每个孔414收容图2和图3所示类型的一对碳化硅密封容器100，一个放置在另一个的顶部。每个密封容器100包括硅准金属，其能够用作上述的蓄热元件。

每个蓄热区412与图1中的蓄热区12的设置相似，并且包括多个可关联到上述温度传感器的加热元件20。进一步的，每个蓄热区412与芯430进行热接触，以连接斯特林热机450的头，以用于从系统中提取存储的热。

密封容器的制造

使用防火级的具有不少于98%的碳化硅含量和铁含量（Fe₂O₃形式）不超过0.2%的碳化硅颗粒开始制造密封容器。颗粒的粒度是从8美国标准筛目（US mesh）逐渐下降到约-200美国标准筛目。颗粒的尺寸大致的遵循正态或者近似正态分布，虽然也可使用现有技术中的其它的非均匀的颗粒尺寸分布。

一种陶瓷氧化物粘合剂随后被加入到根据现有的方法混合的碳化硅颗粒、粘结剂和碳化硅的混合物中。使用的粘合剂Al₂O₃，其按重量比为4%加入到混合物中。当然，也可以使用其它的陶瓷氧化物粘合剂或甚至非氧化物粘合剂，例如氮化硅。应当理解，粘合剂的比例可适当的调整。进一步的，碳化硅可自相粘（self-bind），因此，在某些情况中，可以省略粘合剂。

碳化硅和粘合剂的混合物随后被压制以形成如图2所示的具有锥形内表面的圆柱。

压印的圆柱随后被放置在窑中，并根据窑干燥基准（kiln firing schedule）进行烧制，该干燥基准具有表1所示的预定的持续时间和温度（目标设定点）的步骤（段）顺序。

表1：窑干燥基准

段#

1

2

3

4

5

6

7

8

目标设定点

100C

300C

500C

800C

950C

1100C

1425C

1425C

段时间

30分钟

1.5小时

30分钟

1小时

1.5小时

1.5小时

1小时

2小时

段#

9

10

11

12

13

14

15

16

目标设定点

900C

650C

25C

段时间

45分钟

45分钟

1小时

表1所示的特别的干燥基准被发现适合于形成贯穿烧结的碳化硅圆柱体的主体的陶瓷粘合剂。应当理解，可根据考虑下述变量改变干燥基准，这些因素包括：使用的特定的粘合剂、出现的粘合剂的比例，碳化硅颗粒的分布等等。特别的，当调整目标设定点和持续时间时应当小心，因此粘合剂的含水量应当保持在利于形成陶瓷粘合剂的水平。如果窑温度上升的太快，粘合剂中的水将很快被烧干，从而影响形成的圆柱的强度。

密封容器的测试

根据上述的步骤制造两个碳化硅密封容器。18kg的硅准金属锭被放置在每个容器中，这些容器随后在燃气工业炉内的碳化硅马弗炉内被压实。这些容器通过使用与容器材料具有相同的组分的耐火泥，并借助于磷酸盐粘合剂来密封。我们已经从进一步的测试发现，磷酸盐粘合剂可以省略，同时也可以达到满意的效果。

一种R型热偶被放置在烧结的石墨中，用以监视核的温度。

一旦被放置在窑内，容器被用氩气清理，盖安装到容器上。随后，启动窑点火程序以将窑的温度提高达到1410度，即硅准金属的熔化温度。点火程序中的最大窑温为1480度。

窑温度和核温度的时间函数如图10所示。窑温曲线502被画成为虚线，核温曲线602为实线。

窑被点火后，其温度迅速上升至峰值温度1480度（见503）。因为硅准金属吸收的能量为显热，核温度也以相同的速率上升（见603），并一直加热到硅准金属的熔化温度1410度。窑温度随后保持在1480度（见504）。核温度保持在1410度（见604），显示温度作为潜热而被吸收。上述步骤继续，直到核温度开始605以再次上升，显示硅准金属100%的熔化比例已经达到。

窑随后在曲线505处冷却，在曲线处506再次点火直到目标温度1480度。作为冷却的结果，核温度下降606并随后作为增加的窑温的结果再次上升至1410度，显示回到硅准金属吸收的显热。核温度保持在1410度（见607），而窑温保持在1480度（见507）。核温最终再次上升（见608），再次显示达到了100%的熔化率。

加热和冷却的多个周期以与上述相似的方式完成。密封容器随后被从马弗炉中取出，并且检查。已经发现重复的加热和冷却后，容器并没有损坏。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

除非上下文清楚地要求，否则，贯穿本说明和权利要求，用语“包括”及其变形将被理解为以包含性的意义来解释而不是排他性或穷尽性的意义，即，其含义为“包括，但不限于”。

Claims (14)

1.一种热能存储装置，包括：

吸热材料制成的块，所述块是可机械加工的烧结石墨制成的连续块，以及

多个蓄热元件，所述蓄热元件包括存储在密封容器中的相变材料；

其中，每个蓄热元件与所述吸热材料制成的块热接触，每一蓄热元件位于形成在块中的相应第一孔内；

其中，存储所述相变材料的所述密封容器包括圆筒形的侧壁，第一端，和第二端；其中所述侧壁的厚度沿其长度方向从所述第一端到所述第二端逐渐增加，从而使得在经历相变时，所述相变材料优先在所述第一端的方向上膨胀。

2.如权利要求1所述的热能存储装置，其特征在于，所述吸热材料制成的块包括蓄热区，所述蓄热区形成有多个第一孔。

3.如权利要求2所述的热能存储装置，其特征在于，所述多个第一孔之间具有预设间隔。

4.如权利要求3所述的热能存储装置，其特征在于，所述预设间隔的值被选择成以最优化在所述蓄热区中的热传递。

5.如权利要求2所述的热能存储装置，其特征在于，进一步包括与所述蓄热区热接触的一个或者多个加热元件。

6.如权利要求5所述的热能存储装置，其特征在于，所述一个或者多个加热元件被放置在所述蓄热区的多个第二孔中。

7.如权利要求5所述的热能存储装置，其特征在于，所述加热元件为电加热元件。

8.如权利要求5所述的热能存储装置，其特征在于，所述加热元件是单独可控制的，以提供不同量的热到所述蓄热区的不同区域。

9.如权利要求8所述的热能存储装置，其特征在于，进一步包括与所述蓄热区的每一不同区域相关联的一个或者多个温度传感器。

10.如权利要求2所述的热能存储装置，其特征在于，进一步包括从所述蓄热元件提取热量的装置。

11.如权利要求10所述的热能存储装置，其特征在于，所述提取热量的装置是连接到所述蓄热区的闭合循环热机。

12.如权利要求11所述的热能存储装置，其特征在于，所述闭合循环热机是卡诺循环热机。

13.如权利要求12所述的热能存储装置，其特征在于，所述闭合循环热机为斯特林热机，所述斯特林热机通过一个芯连接到蓄热区。

14.如上述任一项权利要求所述的热能存储装置，其特征在于，所述相变材料包括硅准金属或者共晶硅组合物、过共晶硅组合物或亚共晶硅组合物。