组合显热固体材料和相变材料的热能储存系统

摘要

本发明涉及用于储存和复原热能的系统，其使用至少一种相变材料(固体-液体)和显热固体材料作为其介质，用于储存/复原得自外部源的相变潜热和显热形式的热。上述材料适当地容纳于包括由其所经历的温度范围来区分的至少两个区域的单一的箱中，每个区域包含不同的材料。最常见的构型由位于所述箱内的三个不同区域组成，即：所述箱上部中的热区，其封闭具有高熔化温度特征的包封的相变材料；容纳于所述箱下部的冷区，其包括具有低熔化温度的相变材料；以及包括显热固体材料的中间区。

说明书

发明目标

本发明描述了储存和复原(recovery)热能的系统，其利用固体材料的容纳显热形式热能 的能力以及相变材料的容纳显热和相变潜热两种形式的热能的能力。在本文中，本发明描述 了使用来自外部源的热或来自过程的热，在稳定时间中给装置(箱)充热能，并且在随后的 时间中，当能源不可用于(或不足以)持续向外部系统供应热能时，使所述装置(箱)释放 热能。本发明的一个目的是在不危害储存箱的效力的情况下使储存箱的尺寸最小化。

背景技术

几十年来，由于需要更少地依赖例如化石燃料等不可再生资源来获得能量转换过程，使 用来自外部源的热能(例如，太阳能、制造过程的余热等)来产生电能或简单地在过程中(例 如，产生蒸汽、加热水等)使用所述能量已经成为重要的研究领域。

用于得到热能的机制受到这样的限制，即，通常它们不是持续的过程。这些过程仅在每 天的特定数目的小时期间发生，相比之下，需求一般是持续的或简单地随着时间而不合时宜。 这就是之所以采用一些方法来提供此所需能量的原因。近年来，提出了不同的方法来储存在 外部热源可供利用期间得到的并且没有供应给耗能单元的热能。一般而言，该用于储存热能 的策略基于对箱中保护的载热介质的使用，并且所述介质储存外部源可供利用期间所得的热 能，随后将在耗能单元需要时进行使用。

有两类可能的组件用于储存和利用得自外部源的热能，其采用两个储存箱——热箱和冷 箱，或者仅采用一个箱(斜温层)，其特征为两个限定区域——热区和冷区。斜温层定义为流 体内的层，其中温度随着深度或高度而快速变化，并且其中存在箱中所装流体的分层现象。

已知，长时间维持热能储存箱(斜温层)内的分层效果有困难。这是由以下因素所致： 顶部或热区持续并入流体以及箱底部去除冷的流体，不同温度的流体层之间的传导效果，以 及所述层因流体湍流导致的混合。已经依照一些策略来促进箱内部的流体的分层。其中一些 是：标题为“Method and apparatus for operating an improved thermocline storage unit”的专利 US4523629中描述的依赖于流体密度而在热和冷界面之间漂浮的分离膜；标题为“Single  bi-temperature thermal storage tank for application in the solar thermal plant”的专利 US2010301062中提出的并入固定挡板；标题为“Dual thermal energy storage tank”的专利 EP2141432中提出的使用移动挡板；或者标题为“Thermal energy storage system Comprising  thermocline optimal management”的专利US20120118554中所述的用于监视箱中不同高度处 的流体温度的方法。这些专利中的每一个都提供了避免以下的方法，即，不同温度的流体的 混合可能倾向于劣化热储存系统。标题为“Horizontal extraction and return extensions in liquid  storage tanks”的专利US2012104003中提出了对载热流体至储存箱的入口和出口的设计的改 进，其中寻求减少进入箱或从箱出来时的流体速度以防止流体的搅动以及随后而来的混合。

载热介质或者用于吸收热能或吸收来自外部源的热的介质是流体物质，因此，耗散集中 在外部热源中的热。所述载热流体可为例如，水、空气或任何烃族流体(热油)、熔融的盐(硝 酸钠、硝酸钾、氯化镁等)或所述盐的混合物。后者必须具有低熔点的特征，使回路内的材 料在过程中不凝固。

作为寻求得到具有更小尺寸的储存系统的改进的替代方案，出现了将相变材料(Phase  Change Materials-PCM)并入热能储存系统中。在这些系统中，在热能的储存/复原期间，当 相变材料从固体变成液体或反之时，相变材料的潜热被利用。标题为“High-temperature  direct-contact thermal energy storage using phase-change media”的美国专利4512388首次公开 了用于高温的相变材料的使用和应用，其中提出将这些种类的材料用于在400°F至3000°F(约 205℃至1650℃)下储存热能的应用中。随后，如在标题为“Thermal storage system”的专利 US20100230075中所述，描述了使用相变材料作为储存热能的工具的应用。将这样的材料布 置于箱内侧，其中浸没有一系列热交换器，所述热交换器是用于向PCM供热或从PCM除去 热的工具。提到了在该类型的组件中交换器效率劣化的一些问题。

如果所述材料是包封的，则可避免PCM与热交换器的直接接触。标题为“Thermal energy  storage system Comprising encapsulated phase change material”的专利US2012018116中描述了 基于该可选方法的建议，其还描述了执行将PCM包封于球中的方法。其提到，当使用包封的 PCM时，如何得到较高的传递面积，以促进介质与PCM之间的热传递。

在标题为“Encapsulated phase change apparatus for thermal energy storage”的专利 US20110259544中描述了包封用于高温应用的相变材料PCM的方法，其中描述了用于制造圆 柱形的PCM盒(capsule)的技术。随后，标题为“High temperature thermal energy storage system” 的专利US20120055661描述了用于将PCM包封于圆管内以避免其表面上可能的缺陷或破损 的创新。该方法由沿着包含PCM的管制造一系列螺旋槽组成；这有利于盒在熔化期间变形， 而没有因PCM体积变化而导致的任何损伤风险。

发明目的

本发明旨在使用至少一种显热固体材料和一组具有不同熔点(melting point)的并且被适 当容纳的相变材料(PCM)来改进热能储存系统的设计。显热固体材料和PCM这两类材料 都直接与载热介质或载热流体接触，所述载热介质或载热流体负责在给系统充热能期间将来 自外部源的热传递至箱(PCM和固体材料)，然后在释放热能期间将来自箱(PCM和固体材 料)的热递送至外部系统。本发明目的的一部分是寻求尺寸比常规装置小同时不损害其效率 的装置，其中本发明做出了努力以高效地储存能量。

提出了用于储存/复原热能的箱的新设计，其提供了沿着箱内部的至少两个区域，所述区 域由其所包含的填充材料以及其所经历的温度范围来适当区分。在箱的一端提供了冷区，其 装有一组以低熔化温度为特征的包封的PCM，或者装有显热固体材料。然后，将布置由至少 一种显热固体材料组成的中区，其分隔热区和冷区的流体。箱的另一端将装有一组具有高熔 化温度的包封的PCM或显热固体材料。最常见的构型是：箱垂直放置，底区装有具有低熔化 温度的包封的PCM，中区装有显热固体材料，并且上区装有具有高熔化温度的包封的PCM。 所述各区都由元件(网孔)限定，所述元件除了作为结构元件外，还防止PCM盒在箱内自由 移动。

发明描述

利用热能储存系统，所述系统使用某些材料容纳显热和相变潜热形式的能量的能力，从 而在充热能期间储存来自外部源的热(例如，太阳能或制造过程的废热，并且这些热旨在供 应例如电能产生系统、吸收制冷系统等外部系统)，并在释放热能期间复原来自外部热源的热。

所述热能储存系统由其中装有一组形成多孔介质的材料的单一的箱或腔组成，载热流体 可循环通过所述多孔介质。这样的材料包括：至少一种适当包封的相变材料(PCM)，并且其 负责储存/复原相变或状态变化(固体-液体或反之)的潜热和显热形式的能量；至少一种显热 固体材料，其将储存/复原显热形式的能量；并且可能包括一组网格、网孔或其他装置，其负 责塑造结构，避免由于相变材料或显热固体材料的重量导致损坏，或者材料逃脱至其他区域 或逃向载热流体而损坏。所述箱具有至少两个入口/出口，一个在一端，并且另一个在相对端， 其中介质或载热流体通过所述入口/出口进入或离开所述腔或箱。载热流体与箱中所装的材料 直接接触，负责在充热能期间将得自外部的热能源的热传递至箱或储存系统，然后在复原或 释放热能期间将这种热中的一些传递至外部耗能系统。

斜温层热能储存箱基于这样的原理，即，在相同的腔中，热流体或较热流体倾向位于冷 温层或具有较低温度的层的上方。这种装置利用了流体密度根据温度而不同所导致的流体热 分层现象。不同方面可影响流体的分层，例如，流体流入箱的入口处或从箱流出的出口处产 生的湍流，或者流体层之间的对流-扩散，热桥的存在等，该事实降低了本文描述的热储存系 统的效率。

原则上，本发明试图利用热流体层和冷流体层分别向高区和低区定位的趋势效应。实际 上，热流体如高融化温度的PCM的入口/出口应位于箱的顶部(如果箱是垂直布置的话，图 1a、1b和1c)；而冷流体和较低融点PCM的入口/出口应位于底区。但是，在这样的构型不 可行的特定应用中，以及考虑到可能大部分能量将储存于箱内的材料(包封的显热固体材料 和PCM)中而不储存于载热流体中，可用不同的构型实施，例如水平放置箱，图1d。在后种 情况中，流体将倾向于比优选情况(通过自然对流行为)发生更大程度的混合，但是填充材 料(其为显热固体材料或PCM盒)的存在将倾向于降低所述混合。此外，如果系统充热能和 释放热能之间的死时间相对较短时，这样的混合将没有足够的时间来使箱内材料的温度均匀 化，这一般具有比流体本身(主要为PCM)更大的热传递惯性。

根据本发明，将显热固体材料布置于箱的中区，从而限定箱的热区和冷区，或隔开热区 与冷区。这种元件有助于降低由温差产生的不同流体层之间的混合效应。此外，所述固体材 料本身是储存显热形式的能量的元件。所述固体材料可选自不同材料，例如：岩石和沙的混 合物、陶瓷耐火材料、水泥、石英、等。

在热区和冷区(优选分别位于箱的上区和下区)中将布置有负责储存/传递相变潜热和显 热形式的热能的包封的相变材料(PCM)组。位于热区的PCM将具有高熔化温度，而冷区 的PCM将具有低熔化温度，在这两种情况下，所述温度都处于系统的操作温度范围内。

在本发明中，预期了处于箱一端的填充除显热固体材料以外的剩余部分的PCM构型。在 这种情况下，我们将仅具有两个不同的区：装有具有高(或低)熔化温度的PCM的热(或冷) 区，以及装有显热固体材料的另一区，中区/冷区(或中区/热区)。

如果需要，可用限制于填料限内的网孔或网格来限制不同的区，防止填料逃脱至其他区 或随载热流体逃脱至箱外，和/或充当防止其损伤的结构，所述损伤由于它们一旦不被包括时 它们所承受的重量而导致。

热能储存系统捕获和维持热的方式是利用充热能期间PCM的显热和相变潜热，以及固体 材料的显热。在载热流体与外部能量供给接触之后进行这种充热能，并且其将传递它的一些 能量。热的载热流体流过回路，并从一端进给至箱，与具有较高熔点的相变材料盒直接接触。 热流体中包含的部分能量传递至PCM盒，并且发生固-液相变。同时，载热流体继续其行程， 浸浴显热固体材料并将剩下的部分能量传递至所述显热固体材料，所述能量将以显能的形式 储存。然后，流体继续流动，并通过箱的冷区。此处你发现具有较低熔点的PCM盒，流体将 其剩余的能量传递至所述PCM盒，使所述盒中所装的PCM产生相变。将冷的载热流体引导 回外部能量源，进行加热，并继续该系统循环。作为例子，图2示出了释放热能步骤期间热 能储存系统与外部能量供给一起工作的图。还示出了需要能量的系统或耗能外部单元。可见 到，当外部耗能单元在工作时，储存系统正在充热能，并且这两种情况同时发生。

当外部能量源不可用或不足以满足需求并且需要热能供给来维持其运行时，储存系统释 放或复原储存于箱中的热能相。一种可能的方案是图3中示出的方案。在此阶段期间，系统 将部分所储存的能量——以PCM的显热和相变潜热(储存于PCM中的显能部分可为非常可 观的)的形式和固体材料的显热的形式——返还给载热流体。将传递至储存箱中的载热流体 的热或热能递送至外部耗能单元。在那里，热能被使用(例如，用于生成水蒸汽，然后将水 蒸汽引导至与发电系统连接的涡轮机)。从外部耗能单元出来的载热流体通过斜温层箱回路返 回，并将其进给至箱底部，进给回箱的冷区。

每个区中所装的PCM中的至少一种必须选择为其熔化温度包含于使用能量储存箱的过 程中的流体温度的容许范围内。即，在PCM放置在热区的箱中，所述PCM必须具有处于进 给外部能量储存系统的流体温度容许范围内的相变温度。冷区中至少一种PCM必须选择为其 熔点在返回能量源的流体温度的容许范围内。因此，实现了当位于流体出口的PCM——例如 在释放热能期间，热区的PCM——进行相变时，载热流体以接近所涉PCM的熔点温度流出； 并且因此处于外部耗能装置的可接受温度下。即，将PCM以此方式布置于末端延长了储存系 统运行至过程中将包含的可接受的温度水平的时间。

可将相变材料(PCM)包封进具有不同几何形状(例如，圆柱形、球形、复曲面状等) 的盒中，或简单地包封在空心板中。所述盒是可由不同材料制成的外壳；其中一些列出如下： 碳钢、不锈钢、铝、镍或铬镍铁合金、钛等，依据系统的运行条件来选用。所述盒的特征为， 在内侧具有由一般相变材料部分填充的自由空间。在所述相变材料中，你可发现石蜡、无机 盐、金属等。用于高温的一些相变材料列出如下：Zn、AlSi、NaK、NaNO₃、KNO₃、NaNO₃-KNO₃、 MgCl₂-NaC、MgCl₂-KCL、NaCl-KCl及其组合，每种都根据所需要的系统工作温度来使用。 限定PCM的盒——如果它是刚性的——的一个重要特征是，具有空的空间的重要性，这使得 其中包含的PCM能够在固体-液体相变期间进行膨胀。如果不考虑此空间，则在系统的整个 有效寿命中，可发生对所述盒结构的可能的损伤。

在高温的热储存系统的情况下，所采用的载热流体一般是熔化的盐、熔化的盐的混合物 或者碱金属。这种元件的主要特征是，其在系统的运行时间期间必须处于液态状态，因为其 在整个回路中必须持续流动，并且它是负责将热能从外部源传递至箱，然后从箱传递至外部 耗能单元的物质。因此，载热流体一般应当具有低熔化温度或低熔点，从而确保其维持液体 状态。

关于PCM盒的制造方法，本专利既不直接影响这些元件的不同制造机制，也不影响制造 它们的具体发明，因为本专利的目的是旨在描述能够使用显热材料和相变材料在一段时间内 储存和复原热能的发明。但是，已经查阅了技术文献(现有专利)，并且已经发现了制造盒以 容纳PCM的不同可选方案或方法。先前提到了具有不同几何构型的盒，目的是使用具有较大 表面的盒，其有利于热传递。用于得到盒的第一种可选方案包括使用在数层不同材料上的相 变材料块或体积(volume)上的连续涂覆技术。起始点是具有期望几何构型的相变材料(例 如，硝酸钠、硝酸钾、无机盐或其混合物)块或体积，其被第二材料覆盖从而构成第一壳体 (例如，基于例如以下有机聚合物的材料：羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、 聚乙烯、聚氯乙烯等)。将具有比第二材料更高的熔化温度的第三材料(例如金属，如：镍、 碳钢或不锈钢)的新涂层沉积于第一壳体上。使所得的盒在烘箱中经历加热，其中由第二材 料生成的层蒸发，在盒内留下空的空间，这个空间将被在PCM的固体-液体相变过程中发生 膨胀的PCM所占据。最后，使盒接受第四材料(例如，金属，如：镍、碳钢或不锈钢，其可 为与第三层相同的材料)的新涂层，其构成内部装有PCM的盒的最终外壳，此最终层必须具 有这样的特征，即，创造不透水的表面，使得在PCM的熔融过程中不发生泄漏或损失。第二 可选方案是用复合材料涂覆PCM块或体积，形成第一外壳；所述复合材料是金属颗粒与聚合 物的混合物(例如，氯化钠与金属颗粒、聚合物与金属颗粒、粘土与金属颗粒的混合物等)。 使所得的盒经历用第二材料(例如，金属，如：镍、碳钢或不锈钢)进行的第二涂覆，然后 是所述盒经历在烘箱中的加热，其中复合材料被烧结，得到以下结果，即，金属颗粒构成金 属涂层，并且其他材料(通常是聚合物)消失，留下自由空间，用于PCM在相变期间的膨胀。 最后，通过形成装有PCM的盒的最终外壳来进行新的第三材料(例如，金属，如：镍、碳钢 或不锈钢，其可与第二层相同)的新涂覆。第三可选方案包括使用金属在相变材料上的电沉 积技术，其中金属例如镍等通过自催化反应沉积于PCM上，得到镍外壳，在该情况下存在的 限制是，PCM必须是金属，例如锌。在后种技术中，不确保能留出用于PCM的自由空间， 这可导致在系统的整个使用循环中盒的损坏。描述用于包封PCM的最后一种可选方案不限制 其他制造盒的方法的使用，其原理较简单，并且在限定PCM膨胀所必需的自由空间时导致较 少的问题。容纳PCM的外壳由一个管件(例如，圆筒形区段的管件)构成，一端密封，并且 另一端开口，用于使后端部分或完全填充PCM，然后，通过焊接于管上的盖子来密封此末端， 得到内部装有PCM的盒。以上的制造包封的PCM的技术已经在现有技术部分中适当引用的 以前的专利中有描述。

如在该部分开头所述，在斜温层或储存箱的内部存在多种材料：PCM、显热固体材料、 载热流体以及可能包含的网格或网孔。所述材料的选择、每个所述区的尺寸、每种材料的量 (材料的质量或体积)、盒的尺寸(直径、高度、长度、厚度等)、箱的尺寸、绝缘壁的厚度 等方面，必须根据热能储存系统的工作条件和运行方案来建立。为了建立此专利所提出的发 明的尺寸，使用了数字模拟方法，利用数学模型来建立热能储存系统的热和流体动力学行为。 该数学模型由系统、得自质量、线性动量和能量守恒原理的控制方程组成。所述模型形成了 由数字方法解决的方程系统。该模型的解导致对系统运行的预测，将该预测用作此专利中描 述的本发明的尺寸标准。

在本发明的描述中，其中通过相应附图的辅助说明性地而不是限制性地描述了本发明的 不同方面，进一步的细节和特征将变得清楚。

以下是本发明的不同组件部分的清单，并且在接下来的部分(附图说明)中这些组件部 分通过数字的帮助来标出：(1)热能储存系统，(2)储存箱或斜温层，(4)热区，(5)冷区，(6)中 间区，(7)网孔或网格，(8)显热固体材料，(9)包封的PCM的盒，(10)载热流体，(11)位于箱顶 部的进给出口或排水箱，(12)位于箱底部的进给出口或排水箱，(17)外部热源(例如，太阳能 收集器，相对于CSP的热电厂中的储存系统或通过吸收的制冷系统，以及(18)外部耗能单元。

附图说明

为了补充本文所述的发明的描述，以及为了更好地理解使得本发明与众不同的特征，本 说明书包括了一组相关附图，列出如下：

图1a是基于显热和相变潜热的热能储存系统的图示。在该图中，示出了存在于箱内部的 不同区——热区(4)、冷区(5)和中区(6)——作为优选构型。在每个区中装有一定体积的不同材 料，即，由一些结构——网格或网孔(7)——限定的包封的PCM(9)和显热固体材料(8)，所述 网格或网孔(7)充当支持物并防止箱内不同材料体积的突然运动(或泄漏)。

图1b是基于显热和相变潜热的热能储存系统的图示。在该图中，示出了存在于箱内部的 不同区——热区(4)和中区/冷区(5)——作为一种可能的构型。一个区由包封的PCM(9)构成， 并且另一个区由被一些结构——网格或网孔(7)——限定的显热固体材料(8)构成，所述网格或 网孔(7)充当支持物并防止箱内不同材料体积的突然运动(或泄漏)。可使包封的PCM(9)处于 上方的热区(具有处于系统运行范围内的高熔化温度)，并且使显热固体材料(8)处于下方的 冷区中，或将具有低熔点(处于运行范围内)的PCM用于冷区，并将固体材料用于中区/热 区。最终设计取决于应用、运行条件和其他因素。

图1c是基于显热和相变潜热的热能储存系统的图示。在该图中，示出了存在于箱内部的 不同区——分成两个亚区(13)和(14)的热区、分成两个亚区(15)和(16)的冷区以及中区(6)—— 作为另一可能的构型。每个所述区中都填充有不同材料，即，由一些结构——网格或网孔(7) ——限定的包封的PCM(9)和显热固体材料(8)，所述网格或网孔(7)充当支持物并防止箱内不 同材料体积的突然运动(或泄漏)。热区填充有两种类型的PCM，每种具有不同的熔化温度， 从而构成两个亚区；以相同的方式用不同熔点的两种PCM填充冷区。

图1d是基于显热和相变潜热的热能储存系统的图示。在该图中，示出了水平布置的箱中 的存在于箱内部的不同区——热区(4)、冷区(5)和中区(6)。每个区中装有一定体积的不同材料， 即，由一些结构——网格或网孔(7)——限定的包封的PCM(9)和显热固体材料(8)，所述网格 或网孔(7)充当支持物并防止箱内不同材料的体积的突然运动(或泄漏)。

图2是耦接至外部热单元(热源)(17)的热能储存系统的图示。在这种情况下，该系统 在充能或能量储存过程中工作。

图3是耦接至在没有外部热源的阶段中需要能量的耗能单元(18)的热能储存系统的图示， 在释放/复原能量的过程中示出了其操作。

本发明的优选实施方案的描述

本发明的一个优选实施方案对应于基于箱内发现的储存PCM的显热和相变潜热形式和 固体材料的显热形式的能量的热能储存系统。所述材料分布于三个清楚限定的区中。首先储 存来自外部源的热能(例如，太阳能、来自工业过程的废热等)，然后将所述热能复原并用于 在没有外部能源的一段时间内(例如，在使用太阳能的情况下的一整夜)或当外部能源部不 够时需要它的耗能单元。

图1以图示的方式示出了热能储存系统(1)，其由其中装有用作储热介质的一系列材料的 箱或腔(2)构成。这些材料包括：

·一组其中装有相变材料的盒(9)，所述材料的特征为根据所述盒所经历的温度而改变 状态(固体-液体或反之)。所公开的发明中使用了至少两种相变材料：装在箱上部的包封于 一组盒内的具有高熔化温度或熔点的相变材料，构成热区(4)；以及装在箱底部的包封于一组 盒内的具有低熔化温度或熔点的第二相变材料，构成冷区(5)。

·位于箱的中区(6)中的显热固体材料(8)。

·如果需要可使用一系列网格或网孔(7)，其功能是结合上述每种材料，形成刚性结构， 防止盒(9)的突然运动以及箱(2)内部的显热固体材料(8)的泄漏。

·围绕安装的整个回路循环的载热介质或载热流体(10)，其为在外部热源、储存箱和外 部耗能单元之间转运热能的工具。此流体进入箱并从箱流出，在根据箱的位置(高度)而不 同的温度下浸浴每一种所述材料并与其交换热：PCM盒(9)、显热固体材料(8)和网格(7)。

箱(2)的特征是具有允许热传递流体(10)进入或流出的两个入口，一个入口(11)位于顶部， 并且另一入口(12)位于箱底部。在原理上，所述入口的设计将寻求在整个箱区段中均匀化液 流；但是，这将取决于具体的应用和设计限制。为了避免过度的热损失，用覆盖箱的壁以及 顶盖和底盖的绝缘材料(3)来使箱(2)与外界热绝缘。

所述热能储存系统分两阶段运行，第一阶段是当外部源供应热时(例如，在系统基于太 阳能的情况下，一天中没有太阳辐射的时候)对系统充热能；以及第二阶段对应于释放或复 原之前储存的热。该最后阶段发生于当外部热源不可用或当其不够并且外部耗能单元需要或 要求有能量来进行其完全运行时。图2和图3中示出了将该热能储存系统耦接至外部热单元 或热源以及耦接至外部耗能单元的情形，在所述热能储存系统中，显热材料与相变材料组合， 其中以图示的方式示出了系统运行的每个阶段。

在充热能或储存阶段，载热流体(10)与外部热源(17)交换热，其中来自外部源的热传递至 载热流体。载热流体(10)以两个方向循环地流过图2中所示的回路：第一方向直接对应于需 要热来完成过程(例如，生成涡轮-发电机系统所需要的水蒸汽以产生电)的外部耗能系统或 单元(18)；以及使载热流体流向储存箱(2)的第二路径。载热流体通过箱顶部进入热区(4)，浸 浴PCM盒的组并因热从载热流体(10)流向盒(9)而与其进行热交换，相变材料温度升高，并且 当温度到达其熔点时，材料改变状态(固体-液体)，从而实现以熔融潜热的形式储存由载热 流体传递的大部分的热能。载热流体继续在箱(2)的内部流动，直至其到达显热固体材料(8)， 也与后者进行热交换，并且后者以显热的形式储存部分由载热流体传递的热。最后，载热流 体到达箱的冷区(5)，其中载热流体在从箱流出并开始新的循环前继续与PCM盒进行热交换。

在图3的释放或复原热能阶段，载热流体(10)与外部耗能单元(18)交换热，其中所述热用 于完成过程(例如，生成水蒸汽)。当载热流体(10)离开外部耗热单元时，该流体流动至带着 较低能量水平的能量回到箱(2)。载热流体在底部进入箱，进给至箱的冷区(5)。

本发明预期了数学模型的用途，用于预测箱的尺寸、装在热区(4)中和冷区(5)中的盒(9) 的尺寸和数量；其还用于估计斜温层箱(2)中所装的每一种材料的量。

热能储存系统的第二优选实施方案对应于允许载热流体(15)进入或流出的箱(11)，入口(17) 位于顶部和入口(18)位于箱底部。所述箱仅分成两个区，即，热区(4)和中区/冷区(5)。图1b 中示出了方案。在该优选实施方案中，使用一组PCM盒(9)填充其中一个区，并使用显热固 体材料(8)来填充另一个区。

对第二优选实施方案的变体是其中低熔点的PCM(9)位于冷区(5)而中区/热区(4)装有显热 固体材料(8)的方案。

热能储存系统的第三优选实施方案对应于限制于三个区的箱(2)，即，分成两个亚区(13) 和(14)的热区，分成两个亚区(15)和(16)的冷区，以及中区(6)，图1c中示出了方案。在该优选 实施方案中，使用了不同的PCM盒组(9)，每组盒的特征为具有不同的熔化温度。这些盒组(9) 将填充每一个亚区，并且显热固体材料(8)将填充中区。用不同材料填充箱的顺序取决于温度， 因此，将具有较低熔化温度的PCM盒布置于箱的底部或冷区(16)，然后是具有比前一组更高 但是比另外两组盒更低的温度的第二组PCM盒(15)，然后布置显热固体材料(8)，然后将两组 PCM盒放置于亚区(14)和(13)中，注意将具有较高熔化温度的组放置于箱的最高部分。可能 需要包含限定每个区和亚区的网孔或筛孔，以防止盒的移动和可能的混合，此外还防止固体 材料从储存箱损失或泄漏。

热能储存系统的第四优选实施方案对应于与上述优选实施方案相比的水平设置的箱(2)， 图1d中示出了方案。所述箱分成三个区：热区(4)、冷区(5)和中区(6)，每个区都填充有不同 的材料，例如包封的PCM(9)和显热固体材料(8)。该优选实施方案的应用将取决于运行条件， 例如：充热能和释放热能的时间和温度。

说明性的实施例：

以下的说明性实施例示出了在本文描述的本发明的两个应用中得到的结果。

首先描述了相关应用的主要特征，然后描述了可能的设计和不同的结果。

所选择的说明性实施例的特点：考虑在接下来数小时的使用之前，储存热能所需要的持 续数小时的工业过程。

在该系统中积累能量的过程称为“充热能”，而能量提取称为“释放热能”。还规定了这 两个过程不应超过的温度限值(设定值温度)。即，对于其中热流体进入系统并且冷流体流出 系统的充热能过程而言，规定了不应超过的最大输出温度。类似地，对于冷流体进入系统并 且热流体流出系统的释放热能的过程而言，规定了最小输出温度。这些是出于效率原因或为 了储存系统所连接的设备的安全性而响应工业过程的要求的通常限制。

考虑以下固定参数：

·在两个过程(充热能和释放热能)中的流体输入温度。将它们分别命名为T_max和T_min。

·两个过程中流体的质量流量。在这种情况下，它们将被视为相等。

·传热流体性质。

·储存箱的尺寸。

·两个过程的温度设定值。与充热能和释放热能对应的温度设定值将分别命名为T_con,car和T_con,des。此外，在这两个过程中被视为“可接受”的温度区间是温度总范围的15％。即， 充热能过程的输入温度(最大工作温度，并且因此是释放热能过程中的最大出口温度)与释 放热能过程中的设定值温度(最小流出温度)之间的差将和释放热能过程中的入口温度与充 热能过程中的设定值温度之间的差相同。这还可写作如下：

T_max-T_con，des＝T_con，car-T_min＝0.15(T_max-T_min)＝ΔT_adm

对使用单一的固体填充材料(显热)的储存系统和包括热PCM层和冷PCM层的其他材 料的储存系统的数字模拟结果进行了比较。

假定相变材料在固定的温度下熔化，将至少两组PCM的熔点选择为处于容许的温度范围 内。换言之：

T_max＞T_PCM1＞T_con，des

T_min＞T_PCM2＞T_con，car

此处的问题在于设置各层的尺寸，从而实现最优利用(全局的和单独的)，即，实现可能 的最大量的PCM发生相变，以及可能的最大量的固体材料经历在连续的充热能和释放热能过 程之间的尽可能高的温度变化。此外，因为一般而言PCM中的显能的积累不可忽略，所以还 可期望大部分PCM经历可能的最高温度跃迁。

模拟：

用于模拟储存系统的热行为的方法是控制方程的数字模拟。使用合理的假设来简化质量 和能量的平衡方程，并且通过使用相同的储存显能的材料并改变构型和两端的PCM的熔点温 度作出了数种模拟。比较了其中仅使用填充材料(没有PCM)的系统以及其中在整个箱中使 用单一的熔点处于设定值温度之间的相变材料(PCM_ref)的系统得到的结果，即：

T_con，des＞T_PCM，ref＞T_con，car

已经从现有技术的文献中得到形成系统的不同材料的热物理性质。

此外，还假定将相变材料包封于球中，形成比率(ε＝1-V_PCM/V_cot)为34％的填充床；而显 热固体材料留下22％的空隙率，假定其由具有不同直径的颗粒构成，导致比相同直径的球形 盒的情况更高的密实性。

进行对数个连续的充热能和释放热能过程的模拟，直至达到平衡，其中在充热能过程中 储存的所有能量都在后续的释放热能过程中得到复原(周期性的平衡状态)。因此，没有将过 程之间的部分能量丢失并且分层劣化的闲置期(或待用期)纳入考虑。但是，从与在数轮后 的周期性平衡状态中储存/复原能量的最大量的意义上而言，所得的结果是有用的。此外，这 些所得的结果不依赖于在模拟开始时假定的条件，尽管其大大地影响第一循环的结果。

结果：

研究了关于上文描述说明性实施例的四种不同情况，称为情况A、B、C1和C2。采用情 况A和B作为标准参照，而情况C1和C2包含本发明自己的标准。

·情况A：完全装满显热固体材料(没有PCM)的箱。

·情况B：完全装满对照PCM的箱(PCM_ref)。将其熔化温度设置在运行温度的60％范 围内；即，T_PCM，ref＝T_min+0.60(T_max-T_min)

所述温度不在两个过程的任意过程的容许流出温度范围内(T_con，des＞T_PCM，ref＞T_con，car)。

·情况C1：混合箱型，使用两种PCM，20％的高度由PCM1覆盖，60％由显热固体材 料覆盖，并且剩余的20％由PCM2覆盖。这两种PCM的熔点是：

T_PCM1＝T_max-0.10(T_max-T_min)

T_PCM2＝T_max+0.10(T_max-T_min)

两种PCM的相变温度都处于相应过程的容许温度范围内：

T_max＞T_PCM1＞T_con，des

T_min＜T_PCM2＜T_con，car

·情况C2：混合箱型，使用四种PCM，15％的PCM1、15％的PCM3、40％的显热固体 材料、15％的PCM4以及15％的PCM2。另外两种PCM的熔化温度是：

T_PCM2＝T_max-0.20(T_max-T_min)

T_PCM4＝Ｔ_max+0.20(T_max-T_min)

新的PCM(PCM3和PCM4)的相变温度不在任何过程的容许温度范围内：

T_con，des＞T_PCM2＞T_PCM4＞T_con，car

模拟的结果如下：

上表显示了以下结果：

·储存时间：是指在到达设定值温度前的装置运行时间。其相对于情况A来表示；即， 情况B具有相对于情况A运行时间的81％的运行时间。

因为对于所做的假定而言，用于充热能和释放热能过程所花时间几乎相同，所以显示了 单一的值。较高的储存时间是对较高的储存(或递送)能量的量的良好指标，因为由于具有 相对较窄的容许温度范围，对于不同情况而言出口温度(在两个过程中)变化不大。

·由PCM+固体材料储存的能量：是指在PCM中以及在固体材料中，在充热能过程中 储存的(或在释放热能过程中递送的)能量的量。如运行时间一样，该值相对于情况A的值 来表示。

·总储存能量：由热能储存系统储存(或递送)的总能量。其包括储存于PCM+固体材 料中的能量以及储存于在每一过程后仍然处于箱中的载热流体中的能量。该值相对于情况A 的PCM+固体材料中储存的热来表述。即，情况A中的总储存能量比同样情况中PCM+固体 材料中储存的能量大17％；而在情况C1中，总储存能量等于情况A中由PCM+固体填料储 存的能量的2.89倍。

·(由PCM+固体材料储存的能量)/(PCM+固体材料中的最大可储存能量)：其等于PCM+ 固体材料中储存的能量值与填充材料的全部能力(显热和潜热)被使用时可储存能量的比率。 换言之，该值旨在表示对箱中所装的所有填充材料(PCM+显热材料)的使用效率的量度。

·(总储存能量)/(最大可储存能量)：其等于总储存能量值与箱内的所有材料的全部能力 被使用时可储存的能量的比率。与之前的值的差异是由于并入了箱中限定的传热流体中储存 的能量和可储存能量所致。该值试图表示对箱中所装的所有材料的使用效率的量度。

可观察到，在情况B中得到最差结果，即，填满了熔化温度不在任何过程(充热能或释 放热能)的容许范围内的PCM的储存箱。情况A是次差的结果，而对应于混合箱的情况C1 和C2示出了最佳结果。使用四种PCM的情况比仅包括两种的情况示出稍微较佳的结果；但 是，前者中储存材料的使用效率比后者中的低。

我们必须指出，情况C1和C2中考虑的组合物在储存能量的结果方面不一定是最优的(使 用相同的填充材料并改变每种材料占据的箱的高度)；并且所述结果显著地随着对所包括的各 材料的量的变化而变化，需要进行谨慎的研究来得到所述最优方案(还将效率和成本纳入考 虑)。在进行了一些测试后得到，此处描述的情况C1和C2被选择为最佳，而其仅仅旨在以 举例说明的方式示出本发明的可能性。

在此部分以及在整个文件中描述的热能储存系统的优选实施方案中的每一个都可耦接至 产热系统(例如，制造过程的废热)，以在一段时间(产生残余热期间的时间)内储存热，随 后复原并在与储存不对应(或部分对应)的一段时间内将其递送至同一系统，或者递送至需 要或使用热来进行过程的第二系统。该优选类型的实施方案不一定需要在高温下运行，如在 已经用作例子的使用太阳辐射能作为能源来发电的情况下。

已经充分描述了本发明的性质以及实现其的方法，应认为，不需要通过延伸说明书来使 任何本领域技术人员能够理解本发明的范围和优点。应注意，本质上，可通过在细节上与作 为例子来描述的实施方案不同的其他实施方案来实现本发明，并且这样的实施方案也将落在 始终要求的保护范围内，条件是其没有改变、更改或修饰其基本原理。