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热能储存装置

阅读:110发布:2020-12-03

专利汇可以提供热能储存装置专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 热能 储存(“TES”)装置,所述热能储存装置包括容纳连续体积的TES介质的容器、输入部、输出部和连接到输入部和/或输出部的多个热能输送构件。输入部从热 能源 接收热能。接收到的热能通过一个或多个热能输送构件被输送到输出部和/或TES介质以用于储存。热能输送构件中的连接到输出部的一个或多个将储存的热能从TES介质输送到输出部。输出部连接到外部装置,例如斯特林 发动机 ,并被构造成将热能传送到外部装置。可选地,热能输送构件中的连接到输入部和输出部的 选定 的热能输送构件可以与TES介质绝热。,下面是热能储存装置专利的具体信息内容。

1.一种热能储存装置,包括:
热能输入部;
热能输出部;
热能储存介质;
第一内部室,所述第一内部室连接所述热能输入部和所述热能输出部,并且在所述热能输入部与所述热能输出部之间的连续体积内容纳所述热能储存介质;
至少一个第一热能输送构件,所述至少一个第一热能输送构件从所述热能输出部延伸到容纳在所述第一内部室内的所述热能储存介质中,所述至少一个第一热能输送构件被构造成将热能从所述热能输出部输送到所述热能储存介质中;以及
至少一个第二热能输送构件,所述至少一个第二热能输送构件在所述热能输入部与所述热能输出部之间延伸,并且被构造成将热能从所述热能输入部直接输送到所述热能输出部。
2.根据权利要求1所述的热能储存装置,其中,至少一个第二热能输送构件与所述热能储存介质绝热,以限制热能从所述至少一个第二热能输送构件传递至所述热能储存介质。
3.根据权利要求2所述的热能储存装置,还包括:
第二内部室,所述第二内部室与所述第一内部室相邻且与所述热能储存介质隔离,所述至少一个第二热能输送构件位于所述第二内部室内并从而与所述热能储存介质绝热。
4.根据权利要求3所述的热能储存装置,还包括设置在所述第二内部室内的绝热体。
5.根据权利要求2所述的热能储存装置,其中:
所述至少一个第一热能输送构件包括多个第一热管,所述多个第一热管中的每一个都容纳工作流体,容纳在所述多个第一热管中的每一个中的工作流体与容纳在所述多个第一热管中的其它第一热管中的工作流体隔离;
所述至少一个第二热能输送构件包括多个第二热管,所述多个第二热管中的每一个都容纳工作流体,容纳在所述多个第二热管中的每一个中的工作流体与容纳在所述多个第二热管中的其它第二热管中的工作流体隔离;
所述热能输出部包括容纳工作流体的输出热管,所述输出热管的工作流体与容纳在所述多个第一热管中的工作流体和容纳在所述多个第二热管中的工作流体隔离;以及所述热能输入部包括容纳工作流体的输入热管,所述输入热管的工作流体与容纳在所述多个第二热管中的工作流体隔离。
6.根据权利要求5所述的热能储存装置,其中:
所述多个第二热管中的每一个的第一端部延伸到所述输入热管中;
所述多个第二热管中的每一个的第二端部延伸到所述输出热管中;以及
所述多个第一热管中的每一个的第一端部延伸到所述输出热管中。
7.根据权利要求1所述的热能储存装置,其中,所述热能输出部包括具有端部的第一热管,所述至少一个第二热能输送构件构造成将热能输送到所述第一热管的所述端部,并且所述至少一个第二热能输送构件构造成输送热能远离所述第一热管的所述端部。
8.根据权利要求7所述的热能储存装置,其中,所述热能输入部包括具有端部的第二热管,所述至少一个第一热能输送构件被构造成输送热能远离所述第二热管的所述端部。
9.根据权利要求8所述的热能储存装置,其中:
所述第一热管的所述端部具有第一温度
所述第二热管的所述端部具有第二温度;
所述至少一个第一热能输送构件被构造成将热能从所述第一热管的所述端部输送到所述热能储存介质的具有小于所述第一温度的温度的部分中;
所述至少一个第一热能输送构件进一步被构造成将热能从所述热能储存介质的具有大于所述第一温度的温度的部分输送到所述第一热管的所述端部;以及
所述至少一个第二热能输送构件被构造成在所述第二温度大于所述第一温度时,将热能从所述第二热管的所述端部直接输送到所述第一热管的所述端部。
10.根据权利要求1所述的热能储存装置,其中,所述热能储存介质包括低能量状态、饱和状态和高能量状态,所述热能储存介质在处于所述低能量状态下时为固相,在处于所述饱和状态下时为固相和液相的混合物,而在处于所述高能量状态下时为液相。
11.根据权利要求1所述的热能储存装置,其中,所述至少一个第一热能输送构件包括布置在所述第一内部室内的多个热管。
12.根据权利要求1所述的热能储存装置,所述热能储存装置与太阳能集热器一起使用,其中,所述热能输入部被构造成从所述太阳能集热器接收热能并将接收到的热能传送到所述至少一个第二热能输送构件。
13.根据权利要求1所述的热能储存装置,所述热能储存装置与燃烧室一起使用,其中,所述热能输入部被构造成从所述燃烧室接收热能并将接收到的热能传送到所述至少一个第二热能输送构件。
14.根据权利要求1所述的热能储存装置,所述热能储存装置与包括热能接收部的斯特林发动机一起使用,其中,所述热能输出部被构造成将热能传送到所述斯特林发动机的所述热能接收部。
15.一种与外部设备一起使用的热能储存装置,所述热能储存装置包括:
第一工作流体;
热量接收组件,所述热量接收组件包括热量输入部、热量输出部和所述第一工作流体的第一部分,所述热量输入部被构造成接收热能并将所述热能传送到所述第一工作流体的第一部分;
第二工作流体;
热量传输组件,所述热量传输组件包括热量输入部、热量输出部和所述第二工作流体的第一部分,所述热量传输组件与所述热量接收组件分隔开;
热能储存介质,所述热能储存介质被定位在所述热量接收组件和所述热量传输组件之间;
多个第一热能输送构件,所述多个第一热能输送构件从所述热量接收组件的所述热量输出部延伸到所述热能储存介质中,所述热量接收组件的所述热量输出部被构造成从所述第一工作流体的第一部分接收热能并将所述热能传送到所述多个第一热能输送构件,所述多个第一热能输送构件被构造成将热能从所述热量接收组件的所述热量输出部输送到所述热能储存介质;和
多个第二热能输送构件,所述多个第二热能输送构件从所述热量传输组件的所述热量输入部延伸到所述热能储存介质中,所述多个第二热能输送构件被构造成将热能从所述热能储存介质输送到所述热量传输组件的所述热量输入部,所述热量传输组件的所述热量输入部被构造成接收热能并将所述热能传送到所述第二工作流体的第一部分,所述热量传输组件的所述热量输出部被构造成从所述第二工作流体的第一部分接收热能并将接收到的热能传送到所述外部设备。
16.根据权利要求15所述的热能储存装置,其中,所述热能储存介质包括低能量状态、饱和状态和高能量状态,所述热能储存介质在处于所述低能量状态下时为固相,在处于所述饱和状态下时为固相和液相的混合物,而在处于所述高能量状态下时为液相。
17.根据权利要求15所述的热能储存装置,其中:
所述多个第一热能输送构件中的每一个都包括内部通道,所述内部通道容纳所述第一工作流体的第二部分并具有与所述热量接收组件的所述第一工作流体的第一部分连通的开口端部,所述开口端部被构造成允许所述第一工作流体在所述内部通道与所述热量接收组件之间流动;以及
所述多个第一热能输送构件被构造成至少部分地通过允许所述第一工作流体在所述热量接收组件与所述多个第一热能输送构件的内部通道之间流动,将热能从所述热量接收组件的所述热量输出部输送到所述热能储存介质。
18.根据权利要求15所述的热能储存装置,其中:
所述多个第二热能输送构件中的每一个都包括内部通道,所述内部通道容纳所述第二工作流体的第二部分并具有与所述热量传输组件的所述第二工作流体的第一部分连通的开口端部,所述开口端部被构造成允许所述第二工作流体在所述内部通道与所述热量传输组件之间流动;以及
所述多个第二热能输送构件被构造成至少部分地通过允许所述第二工作流体在所述多个第二热能输送构件的内部通道与所述热量传输组件之间流动,将热能从所述热能储存介质输送到所述热量传输组件的所述热量输入部。
19.根据权利要求15所述的热能储存装置,其中:
所述多个第一热能输送构件包括多个第一同心布置的圆柱形构件;
所述多个第二热能输送构件包括多个第二同心布置的圆柱形构件;
所述多个第一同心布置的圆柱形构件与所述多个第二同心布置的圆柱形构件同心;以及
所述多个第一同心布置的圆柱形构件与所述多个第二同心布置的圆柱形构件成交错图案布置在所述热能储存介质内。
20.根据权利要求15所述的热能储存装置,所述热能储存装置与外部装置一起使用,所述外部装置包括具有加热器头部的斯特林发动机,其中,所述热量传输组件的所述热量输出部包括所述斯特林发动机的所述加热器头部。
21.一种电热系统,包括:
热能储存装置,所述热能储存装置包括储存连续体积的热能储存介质的容器、热能输入部、与所述热能输入部分隔开的热能输出部以及多个热能输送构件,所述多个热能输送构件中的每一个从所述热能输入部和所述热能输出部中的至少一个延伸到所述热能储存介质中;
太阳能收集组件,所述太阳能收集组件被构造成收集太阳产生的热能,并将收集到的热能传送到所述热能储存装置的所述热能输入部;和
热能驱动的发电装置,所述热能驱动的发电装置连接到所述热能储存装置的所述热能输出部,并且被构造成从所述热能储存装置的所述热能输出部接收热能并由接收到的热能产生电
所述多个热能输送构件的第一部分被构造成将热能从所述热能输入部传送到所述热能储存介质以进行储存,所述多个热能输送构件的第二部分被构造成将所述热能储存介质储存的热能从所述热能储存介质传送到所述热能储存装置的所述热能输出部。
22.根据权利要求21所述的电热系统,其中,所述热能储存介质包括低能量状态、饱和状态和高能量状态,所述热能储存介质在处于所述低能量状态下时为固相,在处于所述饱和状态下时为固相和液相的混合物,而在处于所述高能量状态下时为液相。
23.根据权利要求21所述的电热系统,其中,所述多个热能输送构件的所述第一部分不同于所述多个热能输送构件的所述第二部分。
24.根据权利要求21所述的电热系统,其中,所述多个热能输送构件的第三部分被构造成将热能从所述热能输入部直接传送到所述热能输出部。
25.一种与燃料和外部装置一起使用的热能产生及储存装置,所述装置包括:
被构造成储存热能的连续体积的热能存储介质,所述热能存储介质具有第一部分和不同于所述第一部分的第二部分;
容器,所述容器容纳所述热能存储介质的所述第二部分;
燃烧组件,所述燃烧组件连接到所述容器并容纳所述热能存储介质的第一部分,所述燃烧组件包括定位在所述热能存储介质的第一部分内的燃烧室,所述燃烧室被构造成使所述燃料燃烧以产生热能和被加热的燃烧产物;
多个热能输送构件,所述多个热能输送构件中的每一个都具有第一输送部分和第二输送部分,所述第一输送部分在所述热能存储介质的第一部分中沿着所述燃烧室延伸,所述第一输送部分被构造成接收所述燃烧室产生的热能的一部分并将该热能输送到所述第二输送部分,所述第二输送部分延伸到所述热能存储介质的所述第二部分中、并且被构造成将所述第二输送部分接收到的热能的一部分输送到所述热能存储介质的第二部分以进行储存;和
热能输出部,所述热能输出部连接到所述容器,并且被构造成提取由所述热能存储介质的第二部分储存的热能并将该提取的热能输出到所述外部装置。
26.根据权利要求25所述的热能产生及储存装置,其中,所述热能储存介质包括低能量状态、饱和状态和高能量状态,所述热能储存介质在处于所述低能量状态下时为固相,在处于所述饱和状态下时为固相和液相的混合物,而在处于所述高能量状态下时为液相。
27.根据权利要求25所述的热能产生及储存装置,其中,所述燃烧组件还包括多个排出通道,所述多个排出通道被构造成将所述燃烧室产生的被加热的燃烧产物引导到所述燃烧组件外部,所述多个排出通道进一步被构造成将热能从所述被加热的燃烧产物传导到所述热能存储介质的第一部分。
28.根据权利要求27所述的热能产生及储存装置,其中,所述多个排出通道中的每一个都包括分支部分。
29.根据权利要求27所述的热能产生及储存装置,其中,所述燃烧组件包括绕着所述热能存储介质的第一部分设置的周边部分,并且所述多个排出通道被构造成与所述热能存储介质的第一部分的与所述燃烧室相邻的区域相比,将更多的热能传导到所述热能存储介质的第一部分的与所述燃烧组件的所述周边部分相邻的区域。
30.根据权利要求27所述的热能产生及储存装置,其中,所述多个热能输送构件的所述第一输送部分在所述多个排出通道的相邻部分之间延伸,接收由所述多个排出通道传导到所述热能存储介质的第一部分的热能的一部分,并将接收到的热能输送到所述第二输送部分,所述第二输送部分将所述热能输送到所述热能存储介质的第二部分以进行储存。
31.根据权利要求25所述的热能产生及储存装置,其中:
所述燃烧室还包括至少一个出口,所述被加热的燃烧产物通过所述至少一个出口从所述燃烧室中排出;
所述燃烧组件还包括外表面以及从所述外表面向内延伸到所述热能存储介质的第一部分中的多个分支排出通道;
所述分支排出通道中的每一个都包括连接到多个分支区段的第一区段;
所述第一区段与所述燃烧室的所述至少一个出口相邻,并且被构造成从所述至少一个出口接收所述被加热的燃烧产物,所述第一区段进一步被构造成将接收到的所述被加热的燃烧产物的至少一部分引导到所述多个分支区段中;
所述第一区段、和所述多个分支区段中的每一个都包括形成在所述外表面中的排出孔,所述被加热的燃烧产物通过所述排出孔从所述分支排出通道中排出;以及所述多个分支排出通道进一步被构造成将热能从所述被加热的燃烧产物传导到所述热能存储介质的第一部分。
32.根据权利要求31所述的热能产生及储存装置,其中,所述分支排出通道的所述多个分支区段中的每一个被构造成将基本上相同量的热能从所述燃烧产物传导到所述热能存储介质的第一部分。
33.根据权利要求31所述的热能产生及储存装置,其中,所述分支排出通道的所述第一区段中的每一个被构造成将基本上等量的接收到的所述被加热的燃烧产物引导到所述多个分支区段中。
34.根据权利要求25所述的热能产生及储存装置,其中:
所述燃烧室还包括至少一个出口,所述被加热的燃烧产物通过所述至少一个出口从所述燃烧室中排出;以及
所述燃烧组件还包括外表面以及从所述外表面向内延伸到所述热能存储介质的第一部分中的多个分支排出通道,所述多个分支排出通道中的每一个进一步从所述燃烧室径向向外延伸;
所述多个分支排出通道中的每一个都包括连接到多个分支区段的第一区段以及从所述外表面延伸到所述第一区段和所述多个分支区段中的沟槽构件;
所述第一区段与所述燃烧室的所述至少一个出口相邻,并且被构造成从所述至少一个出口接收所述被加热的燃烧产物,所述第一区段进一步被构造成将接收到的所述被加热的燃烧产物的径向引导到所述多个分支区段中;
所述第一区段和所述多个分支区段中的每一个都包括形成在所述外表面中的多个排出孔,所述被加热的燃烧产物通过所述排出孔从所述分支排出通道中排出;
在所述第一区段和所述多个分支区段内,所述沟槽构件包括与所述排出孔中的每一个对准的沟槽;
所述沟槽被构造成限制所述被加热的燃烧产物通过所述第一区段和所述多个分支区段并从所述排出孔排出的流动;以及
所述多个分支排出通道进一步被构造成将热能从所述被加热的燃烧产物传导到所述热能存储介质的第一部分。
35.根据权利要求25所述的热能产生及储存装置,其中:
所述容器包括内表面;
所述多个热能输送构件中的每一个都连接到所述内表面并被构造成将热能传导到所述内表面;
所述热能输出部还包括与所述容器的所述内表面相邻的蒸汽室;
所述蒸汽室包括工作流体和外表面;以及
所述工作流体被构造成收集通过所述多个导体传导到所述内表面的热能,并且基本上均匀地将收集到的热能分布到所述蒸汽室的所述外表面。
36.根据权利要求35所述的热能产生及储存装置,其中,所述蒸汽室的所述外表面包括斯特林发动机的加热器头部。
37.一种与外部装置和热能储存装置一起使用的方法,所述外部装置包括输入部和可操作用于控制所述输入部的操作温度的温度控制部,所述热能储存装置包括热能储存介质和第一热能输送组件,所述第一热能输送组件连接到所述外部装置的所述输入部并延伸到所述热能储存介质的具有介质温度的部分中,所述第一热能输送组件被构造成将热能从较高温度区输送到较低温度区,所述方法包括以下步骤:
在第一时间处,调节所述外部装置的所述温度控制部,以将所述外部装置的所述输入部的操作温度设定到第一温度,所述第一温度小于所述热能储存介质的、所述第一热能输送组件延伸到其中的所述部分的所述介质温度,从而使所述第一热能输送组件将热能从所述热能储存介质的所述部分输送到所述外部装置的所述输入部;和
在不同于所述第一时间的第二时间处,调节所述外部装置的所述温度控制部,以将所述外部装置的所述输入部的操作温度设定到第二温度,所述第二温度大于所述热能储存介质的、所述第一热能输送组件延伸到其中的所述部分的所述介质温度,从而使所述第一热能输送组件将热能从所述外部装置的所述输入部输送到所述热能储存介质的所述部分以进行储存。
38.一种与外部装置和热能储存装置一起使用的方法,所述外部装置包括输入部和可操作用于控制所述输入部的操作温度的温度控制部,所述热能储存装置包括能够传导地连接到所述外部装置的所述输入部的热能输出部、热能储存介质和第一热能输送组件,所述第一热能输送组件连接到所述热能输出部并延伸到所述热能储存介质的具有介质温度的部分中,所述第一热能输送组件被构造成将热能从较高温度区输送到较低温度区,所述方法包括以下步骤:
在第一时间处,调节所述外部装置的所述温度控制部,以将所述外部装置的所述输入部的操作温度设定到第一温度,所述第一温度小于所述热能储存介质的、所述第一热能输送组件延伸到其中的所述部分的所述介质温度,从而通过传导将所述热能输出部的第二温度调节成小于所述介质温度,并使所述第一热能输送组件将热能从所述热能储存介质的所述部分输送到所述热能输出部,所述热能输出部将所述热能传导到所述外部装置;和在不同于所述第一时间的第二时间处,调节所述外部装置的所述温度控制部,以将所述外部装置的所述输入部的操作温度设定到第三温度,所述第三温度大于所述热能储存介质的、所述第一热能输送组件延伸到其中的所述部分的所述介质温度,从而通过传导将所述热能输出部的第四温度调节成大于所述介质温度,并使所述第一热能输送组件将热能从所述热能输出部输送到所述热能储存介质的所述部分以进行储存。
39.一种与外部装置和热能储存装置一起使用的方法,所述外部装置包括输入部和可操作用于控制所述输入部操作温度的温度控制部,所述热能储存装置包括能够传导地连接到所述外部装置的所述输入部的热能输出部、热能储存介质和第一热能输送组件,所述第一热能输送组件连接到所述热能输出部并延伸到所述热能储存介质的具有介质温度的部分中,所述第一热能输送组件被构造成将热能从较高温度区输送到较低温度区,所述方法包括以下步骤:
监测储存在所述热能储存介质中的热能的量;
对储存在所述热能储存介质中的热能的量与预定阈值量进行比较;
当储存在所述热能储存介质中的热能的量大于所述预定阈值量时,调节所述外部装置的所述温度控制部,以将所述外部装置的所述输入部的操作温度设定到第一温度,所述第一温度小于所述热能储存介质的、所述第一热能输送组件延伸到其中的所述部分的所述介质温度,从而使所述第一热能输送组件将热能从所述热能储存介质的所述部分输送到所述外部装置的所述输入部;和
当储存在所述热能储存介质中的热能的量小于所述预定阈值量时,调节所述外部装置的所述温度控制部,以将所述外部装置的所述输入部的操作温度设定到第二温度,所述第二温度大于所述热能储存介质的、所述第一热能输送组件延伸到其中的所述部分的所述介质温度,从而使所述第一热能输送组件将热能从所述外部装置的所述输入部输送到所述热能储存介质的所述部分以进行储存。
40.根据权利要求39所述的方法,还包括以下步骤:
确定使所述外部装置运转预定时间段所需的热能的量;和
根据所述预定时间段确定所述预定阈值量。
41.一种与热能源和热能接收装置一起使用的热能储存装置,所述热能储存装置包括:
热能储存介质;
热能输入部,所述热能输入部被构造成从所述热能源接收热能;
热能输出部,所述热能输出部被构造成将热能输送到所述热能接收装置;
用于将热能从所述热能输入部和所述热能输出部中的至少一个输送到所述热能储存介质以进行储存的用于输送热能的装置;
用于从所述热能储存介质提取储存的热能的用于提取存储的热能的装置;和容器,所述容器被构造成容纳为连续体积的所述热能储存介质,所述用于输送热能的装置和所述用于提取储存的热能的装置都被容纳在所述容器内并定位成与所述热能储存介质直接接触
42.根据权利要求41所述的热能储存装置,其中,在所述热能储存装置的操作期间,所述热能储存介质经历凝固熔化循环,所述热能储存装置还包括:
一个或多个第一温度传感器,所述第一温度传感器定位在所述热能储存介质中的所述热能储存介质最后熔化的位置处;和
一个或多个第二温度传感器,所述第二温度传感器定位在所述热能储存介质中的所述热能储存介质最后凝固的位置处。
43.根据权利要求42所述的热能储存装置,还包括:
用于根据从所述一个或多个第一和第二温度传感器接收的信息确定所述热能储存介质的状态的装置。
44.根据权利要求41所述的热能储存装置,还包括:
用于确定储存在所述热能储存介质中的热能的量的装置。
45.根据权利要求44所述的热能储存装置,其中,所述用于确定储存在所述热能储存介质中的热能的量的装置包括:
与所述热能输入部相邻的一个或多个第一温度传感器;和
与所述热能输出部相邻的一个或多个第二温度传感器。
46.根据权利要求41所述的热能储存装置,还包括:
用于将热能从所述热能输入部输送到所述热能输出部的装置。
47.根据权利要求46所述的热能储存装置,其中,所述用于将热能从所述热能输入部输送到所述热能输出部的装置与所述热能储存介质绝热,以限制热能至所述热能储存介质的传导。
48.根据权利要求46所述的热能储存装置,其中,所述用于将热能从所述热能输入部输送到所述热能输出部的装置将热能传导到所述热能储存介质。
49.根据权利要求41所述的热能储存装置,所述热能储存装置与第二热能源一起使用,所述热能储存装置还包括:
第二热能输入部,所述第二热能输入部被构造成从所述第二热能源接收热能;和用于将热能从所述第二热能输入部输送到所述热能输出部和所述热能储存介质中的至少一个以进行储存的装置。
50.一种与热能储存装置一起使用的方法,所述热能储存装置被构造成以输入速率接收热能,以储存速率将热能储存在热能存储介质中,并且以输出速率输出热能,所述方法包括以下步骤:
监测所述热能储存装置在一定时间段内接收到的热能的量;
监测所述热能储存装置在相同的时间段内输出的热能的量;
根据所述热能储存装置在所述时间段内接收到的热能的量和所述热能储存装置在所述时间段内输出的热能的量,确定在所述时间段内储存在所述热能储存介质中的热能的量;
对在所述时间段内储存在所述热能储存介质中的热能的量与预定阈值量进行比较;
当在所述时间段内储存在所述热能储存介质中的热能的量大于所述预定阈值量时,增加所述热能储存装置的输出速率和减小所述热能储存装置的储存速率;和当在所述时间段内储存在所述热能储存介质中的热能的量小于所述预定阈值量时,减小所述热能储存装置的输出速率和增加所述热能储存装置的储存速率。

说明书全文

热能储存装置

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请主张于2008年7月10日提出申请的美国临时专利申请第61/079,787号的权益,该申请在此整体并入本文供参考。
[0003] 关于联邦政府发起的研究或开发的声明
[0004] 这里描述的发明是在与海军部合同第N00014-07-M-0409号联合发起研究与开发下做出,并且可以由美国政府或供美国政府用于政府目的进行制造和使用而不需要支付任何专利使用费。

技术领域

[0005] 本发明总体涉及热能储存装置。

背景技术

[0006] 首先说明授予名为罗伯特斯特林的苏格兰牧师的1816专利中的斯特林发动机斯特林循环的很多变型在接下来的整个世纪期间得到实现并应用于诸如从矿山抽吸和给船提供动的应用。斯特林发动机甚至用作早期的Searscatalogs中可获得的以油作为燃料供给的冷却扇。所有这些应用随后由于电动机内燃机(“IC”)的出现而被取代。
[0007] 在菲力普在二十世纪四十年代开始将现代的材料和热力学分析应用到斯特林循环之前,所有斯特林机器都是利用大气压力下的空气进行操作。使用处于显著增加的填充压力下的氦或氢工作流体能够较大地提高效率和比功率。菲力普、其专利受让人以及其它人研发的对斯特林发动机和冷却器做出的许多改进是为了用于大范围的应用中,但是除了几个低温冷却器应用之外,没有有效的商业化。主要原因是由于所有运动学的斯特林机器中的滑动密封而造成对固有寿命和可靠性的限制(其中活塞和移位器(displacer)的运动受到传统的曲柄轴和相关机构的限制)以及高成本,高成本是由于没有利用全面的制造和组装设计(“DFMA”)实现发动机从样机到发动机的大批量生产。
[0008] 典型的斯特林发动机包括加温热交换器和冷却热交换器。热量在高温Th供应给加温热交换器并在低温Tc从冷却热交换器排放到环境中。位于加温热交换器与冷却热交换器之间的回热热交换器(regenerator heat exchanger)储存热能和将热能输送至循环的不同部分。在双活塞阿尔法配置中,两个活塞运动之间的相位差用于通过在膨胀相位(或阶段)(两个活塞之间的容积增加)期间在热区域中具有大部分气体并且在压缩相位(或阶段)(两个活塞之间的容积减小)期间在冷区域中具有大部分气体来从循环提取净功。由于从使热气体膨胀输出的循环功大于通过压缩冷气体而输入的负循环功,因此净正循环功被施加到活塞。与活塞运动相关联的惯性使发动机通过压缩工作阶段。由于作用在自由活塞上的共振动力无法获得能够使正功输出的相位关系,因此单动式阿尔法发动机仅可以作为运动学机器。
[0009] 贝它斯特林发动机配置和伽玛斯特林发动机配置都采用单个动力活塞,但是增加移位活塞(displacer piston)以使工作气体在热端与冷端之间往复运动。移位运动不会改变总循环容积(除了在由移位驱动杆的物理直径产生的二阶水平下的情况),但是使气体往复运动通过热交换器使得大部分气体在热区与冷区之间交替,在循环工作气体内产生压力波。施加到动力活塞的该压力波产生净循环功,从而使活塞往复运动。贝它发动机配置和伽玛发动机配置可以作为运动学发动机或自由活塞式发动机。自由活塞式发动机利用容易装载的移位器(使气体仅往复运动通过热交换器)和费劲地装载的动力活塞(从发动机循环获得功)的不同共振动态,以便使系统共振协调,从而获得活塞运动与移位器运动之间的适当的冲程和相位关系。贝它发动机配置与伽玛发动机配置之间的不同在于贝它发动机配置、移位器和动力活塞被限制到相同的直径,因此它们可以在相同的气缸内往复运动。相反,伽玛发动机配置提供活塞和移位器在分开的气缸中更多的设计灵活性。这些发动机本身为单动式。
[0010] 传统的动态斯特林发动机通过机械联动装置从斯特林循环提取动力。所述斯特林发动机的构造复杂且昂贵,并且需要加润滑油曲轴箱、活塞及杆密封件以及轴承,从而限制性能和极限寿命。功率输出在运动学设计方面难以改变,所述运动学设计通常通过抽吸氦或氢工作流体在发动机与贮藏器之间往复运动以改变发动机中的平均工作压力的复杂系统来实现。相反,自由活塞式斯特林发动机(“FPSE”),例如可从德克萨斯州的休斯顿的Infinia公司购得的发动机,包括独立安装的移位器和直接连接到线性交流发电机的动力活塞,所述移位器和动力活塞实际上都使用不需要润滑剂的无限寿命的挠曲轴承和间隙密封件。动力(或功率)可以在很宽的输出水平范围内改变,同时通过使用发动机调节电子设备以改变端电压并因此改变活塞行程来保持高效率。自由活塞式斯特林发动机可以被构造成具有简单的机械结构,从而输送高效率、低维护或无需维护的产品。
[0011] 如以上所说明,斯特林发动机由热能提供动力。为了连续运转,斯特林发动机通常需要在其热端处连续供应热能。热能用于保持热端的高温Th。然而,一些热能源不是连续的。例如,太阳能是间断的。进一步地,一些热能源可以供应比操作斯特林发动机所需的能量更多的能量。因此,存在对构造成通过斯特林发动机或其它热能消耗装置储存热能以供随后使用的装置的需求。正如将从以下详细说明和附图中清楚呈现,本申请提供该优点及其它优点。

附图说明

[0012] 图1是显示热能储存(“TES”)装置的示例性实施例的示意图;
[0013] 图2是显示图1的TES装置的第一可选实施例的示意图;
[0014] 图3是显示包含图1的TES装置的电热系统的示意图;
[0015] 图4是用于组装在图3的电热系统中的图1的TES装置的第二可选实施例的侧横截面图;
[0016] 图5是用于组装在图3的电热系统中的图1的TES装置的第三可选实施例的部分立体剖视图;
[0017] 图6是显示与用于槽的典型的现有技术的液体盐存储系统相比较的三个TES介质的总能量存储容量的图表;
[0018] 图7是KF/NaF二元系统的相位图;
[0019] 图8是构造成与外部热能源一起使用的图1的TES装置的第四可选实施例的立体剖视图;
[0020] 图9是构造成与外部热能源一起使用的图1的TES装置的第五可选实施例的立体剖视图;
[0021] 图10是构造成与外部热能源一起使用的图1的TES装置的第六可选实施例的立体剖视图;
[0022] 图11是构造成与外部热能源一起使用的图1的TES装置的第七可选实施例的立体剖视图;
[0023] 图12是构造成与内部热能源一起使用的图1的TES装置的第八可选实施例的断开的立体剖视图;
[0024] 图13是包含图12的TES装置的驱动系统的部分立体剖视图;
[0025] 图14是图13的省略TES介质、斯特林发动机和燃料箱的放大图;
[0026] 图15是构造成与内部热能源一起使用的图1的TES装置的第九可选实施例的立体剖视图;
[0027] 图16是构造成与内部热能源一起使用的图1的TES装置的第十可选实施例的立体剖视图;
[0028] 图17是图16的TES装置的燃烧器部件的放大立体剖视图;
[0029] 图18是构造成与内部热能源一起使用的图1的TES装置的第十一可选实施例的立体剖视图;
[0030] 图19是图18的TES装置的燃烧器部件的放大立体剖视图;
[0031] 图20是显示构造成与内部热能源一起使用的图1的TES装置的第十二可选实施例的示意图;
[0032] 图21提供三个图表,所述三个图表显示模型结果:最高的图表示出了TES介质110随时间变化的温度;中间图表示出了内部燃烧室内随时间变化的燃烧温度;以及最低的图表示出了从内部燃烧室排出的燃烧产物(“返回(Return)”)的温度和通过回收(recuperation)(“回收器”)获得的进入的燃料和化剂的温度随时间的变化;
[0033] 图22提供从显示通过TES装置的功率通量的模型获得的两个图表;
[0034] 图23提供两个图表,所述两个图表显示模型结果:最高的图表显示来自TES介质的能量积聚和提取,最低的图表显示瞬变的JP10燃料消耗;
[0035] 图24是作为用于包含具有不同导热率的散热片的TES装置的实施例的稀释剂(dilutent)的百分比的函数的燃烧器效率的图表;
[0036] 图25是作为包含不同数量热管的TES装置的实施例的燃烧功率的函数的燃烧效率的图表;
[0037] 图26是根据连接到TES装置的热能输出部的斯特林发动机的加热器头部的温度来控制TES装置中的热能储存的方法的方框图
[0038] 图27是包括与图3的电热系统一起使用的温度传感器的接收板的立体图;以及[0039] 图28是通过改变连接TES装置的热能输出部的斯特林发动机的发动机冲程来控制图1的TES装置中的热能储存的方法的方框图。

具体实施方式

[0040] 概要
[0041] 本申请提供一种热能储存(“TES”)及输送装置,所述装置用于储存热能源产生的热能并将所述热能输送到不同的物理位置。储存的热能可以稍后由诸如热能驱动的功率产生装置或者需要热能的任何其它装置(例如,斯特林发动机或汽轮机)的接收结构或装置使用。TES装置可以描述为:热能被提供给接收结构或装置之前由热能源提供的热能的缓冲装置。因此,TES装置可以用于通过热能驱动的功率产生装置在热能的生成与热能的消耗之间引入延迟时段。可选地,TES装置可以被构造成将热能提供到热能驱动的功率产生装置而不需要引入延迟。正如以下将说明,TES装置可以适于与各种热能源以及各种接收结构或装置(包括各种热能驱动的功率产生装置)一起使用。
[0042] 图1提供显示示例性TES装置10的方框图。TES装置10包括限定容纳TES介质110(下面会详细说明)的密封内室100的容器90。根据TES介质110储存的热能的量,容纳在内室中的TES介质可以为固体或液体。容器90被构造成经受TES介质的反复的冻融循环。容器90具有热能输入部102和热能输出部104。
[0043] 热能输入部102和热能输出部104每一个都被构造成通过至少一个热传递模式(例如,传导和/或对流)输送热量。作为非限制性实例,热能输入部102和/或热能输出部104可以具体化为简单的导体。可选地,热能输入部102和/或热能输出部104可以具体化为热管(如下所述)或类似结构。
[0044] 热能(如箭头“A1”所示)被从热能源130输送到TES介质110的热能输入部102。热能源130可以在容器90的内室100外,或者可选地,容纳在内室100内。热能源130可以使用任何适当的热源来实现。
[0045] 传送到热能输入部102的热能(如箭头“A1”所示)加热容纳在内室100内的TES介质110。TES装置10包括构造成通过至少一个热传递模式(例如,传导和/或对流)传递热量的一个或多个传热构件或装置140。作为非限制性实例,传热装置140可以具体化为简单的导体(例如,热传导材料)。
[0046] 可选地,传热装置140可以具体化为一个或多个传统热管。热管将来自较热位置的热能传递到较冷位置。热管可以被构造成甚至在较热位置与较冷位置之间存在小温差时也能够执行该功能。热管在较热位置处具有热界面,并且热管在较冷位置处具有冷界面。热管还具有液体不能透过的内部空间(例如,通道或室),所述液体不能透过的内部空间装有由具有高导热性的材料构造的外侧壁限定的工作流体。工作流体在具有接近或低于工作流体的蒸汽压力的部分真空下被装入所述内部空间中。因此,在所述内部空间内,一部分工作流体为液相,一部分工作流体为气相。换句话说,工作流体处于包括饱和液体和饱和蒸汽的饱和相。
[0047] 在所述内部空间内,热能通过称为两相对流的过程被从热界面传送到冷界面。具体地,在热管内,工作流体在热界面处蒸发而形成饱和蒸汽。热管的使工作流体蒸发的一部分可以称为蒸发器。蒸发的工作流体作为气体朝向冷界面流动,随即所述工作流体凝结回液体。热管的使工作流体凝结的部分可以称为冷凝器。液体工作流体接着返回到热界面。作为实例,热管的内部空间可以包括毛细作用芯(wick),所述毛细作用芯通过毛细作用使液体工作流体移动返回到热界面,随即工作流体可以再次蒸发。可选地,重力或某些其它力可以用于使液体工作流体返回到热界面,随即工作流体可以再次蒸发。因此,在所述内部空间内,工作流体在气相与液相之间以及在热界面与冷界面之间反复循环。
[0048] 热管不需要具有任何特定的形状。例如,热管可以具有细长的挤压形状(例如,中空的圆柱形形状)、非细长形状(例如,中空的盘状)和类似形状。本领域的技术人员将会理解,热管可以沿着单一方向或多个方向输送热能。在沿多个方向输送热能的实施方式中,当较热位置和/或较冷位置处的温度改变时,热界面和冷界面可以改变在热管上的物理位置。因此,热能流动通过热管的方向可以响应较热位置和/或较冷位置处的温度改变而改变。
[0049] 除了通过两相对流传递热能之外,热管还可以通过热传导传递热能。例如,如上所述,热管的内部空间由热传导材料构造而成的外侧壁限定。外侧壁将热能传导到周围介质(例如,TES介质110)和/或结构(例如,热能输出部104)。
[0050] 传热装置140被显示为设置在TES介质110内的热管140A、140B、140C、140D和140E。热管140A--140E将储存在TES介质中的热能传送到容器90的热能输出部104。热管140A--140E可以构造成用于将热能从TES介质110输送到热能输出部104并将热能从热能输出部104输送到TES介质110。换句话说,热管140A--140E可以提供双向的热能流。
热能流动的方向可以根据热能输出部104和TES介质110中的哪一个较热来确定。如果热能输出部104比TES介质110热,则热管140A--140E将热能从热能输出部104输送到TES介质110。另一方面,如果TES介质110比热能输出部104热,则热管140A--140E将热能从TES介质110输送到热能输出部104。可选地,热管140A--140E可以被构造成仅在单一流动方向上将热能从TES介质110输送到热能输出部104。
[0051] 可选的传导散热片(例如,连接到传热装置810B的图8中显示的散热片836)可以连接到传热装置140或与传热装置140相互作用。在特定的情况下,所述传导散热片可以改善TES装置10的性能。热管140A--140E和/或TES装置10的其它部件可以包括适当的绝热,以便对于所需目的影响热传递。热管140A--140E可以构造成用于提供可变的热能传递,使得TES装置10内的热能的流动可以根据热能的需求进行修改
[0052] TES装置10可以包括传感器“HF1”、“HF2”和“HF3”。传感器“HF1”、“HF2”和“HF3”定位在当从TES介质提取热能时TES介质最后凝固的位置。传感器“HF1”、“HF2”和“HF3”还定位在当所述热能储存在TES介质中时TES介质最后熔化的位置。当容器90具有大致的圆柱形形状时,一个或多个传感器“HF1”在内部室100内布置在与热能输入部102相邻的位置,一个或多个传感器“HF2”在内部室100内布置在与热能输出部104相邻的位置,一个或多个传感器“HF3”沿着所述内部室的在热能输入部102与热能输出部104之间延伸的中心轴线布置在内部室100内。传感器“HF1”、“HF2”和“HF3”构造用于测量温度信息并传送该信息。当TES介质110的最后区域将要凝固或凝固、或者TES介质的最后区域将要熔化或熔化时,可以测量TES介质110的温度并确定TES介质的能量含量。
[0053] 尽管图1中没有显示,但传热装置140中的一个或多个可以连接到热能输入部102,并构造成将热能从热能输入部102传递到TES介质110。作为非限制性实例,热管140A--140E可以从热能输入部102延伸到TES介质110中。在这种实施例中,热管140A--140E可以被构造成将热能从热能输入部102输送到TES介质110,以及将热能从TES介质110输送到热能输入部102。换句话说,热管140A--140E可以提供双向的热能流。如以上说明,热能流动的方向可以根据热能输入部102和TES介质110中的哪一个较热来确定。
如果热能输入部102比TES介质110热,则热管140A--140E将热能从热能输入部102输送到TES介质110。另一方面,如果TES介质110比热能输入部102热,则热管140A--140E将热能从TES介质110输送到热能输入部102。可选地,热管140A--140E可以被构造成仅在单一流动方向上输送热能,即,将热能从热能输入部102输送到TES介质110。
[0054] 作为另一个可选实施例,传热装置140中的一个或多个可以连接在热能输入部102与热能输出部104之间。作为非限制性实例,热管140A--140E可以从热能输入部102延伸到热能输出部104。热管140A--140E可以被构造成将热能直接从热能输入部102输送到热能输出部104,以及将热能直接从热能输出部104输送到热能输入部102。换句话说,热管140A--140E可以提供双向的热能流。如以上所说明,热能流动的方向可以根据热能输入部102和热能输出部104中的哪一个较热来确定。如果热能输入部102比热能输出部104热,则热管140A--140E将热能从热能输入部102输送到热能输出部104。另一方面,如果热能输出部104比热能输入部102热,则热管140A--140E将热能从热能输出部104输送到热能输入部102。可选地,热管140A--140E可以构造成仅在单一流动方向上输送热能,即,将热能从热能输入部102输送到热能输出部104。
[0055] 在热管140A--140E连接在热能输入部102与热能输出部104之间的实施例中,热管140A--140E可以经过TES介质110,或者可以与TES介质110绝热。如果热管140A--140E经过TES介质110,则由传热装置140输送的热能的至少一部分可以被传送到TES介质110并进行储存。如果热管140A--140E被构造成提供双向的热能流,可以根据热能输入部102、热能输出部104和TES介质110中的哪一个较热来确定热能流动的方向。如果热能输入部102比热能输出部104和TES介质热,则热管140A--140E将通过TES介质110将热能从热能输入部102输送到热能输出部104。另一方面,如果热能输出部104比热能输入部102和TES介质110热,则热管140A--140E将通过TES介质110将热能从热能输出部104输送到热能输入部102。可选地,如果TES介质110比热能输入部102和热能输出部104都热,则热管140A--140E将热能从TES介质110输送到热能输出部104和热能输入部102。
[0056] 可选地,绝热体(未示出)可以用于使传热装置140绝热并限制从传热装置140传送到TES介质110的热能量。
[0057] 热能输出部104包括具有向内与外表面160分隔开的内表面145的热量传输组件150。热量传输组件150可以具体化为蒸汽室、热管和类似装置。热量传输组件150包括至少部分地限定在分隔开的内表面145与外表面160之间的液体不能透过的内室165。诸如钠、氦、水、锌、铟、、酒精、甲醇、水、蒸汽、空气和类似物质的两相混合物或工作流体167容纳在内室165内。在内室165内,热量传输组件150可以非常类似于传统的热管凝结工作流体167以及通过毛细作用带走工作流体167(如上所述)。
[0058] 如上所述,一个或多个传热装置140固定到内表面145并被构造成将热能从TES介质110传送到热量传输组件150的内表面145。在特定的实施例中,热管140A--140E与热量传输组件150的热工作流体167两相流体连通。内表面145由来自传热装置140和/或TES介质110的热能加热。加热的内表面145加热热量传输组件150的内室165内的工作流体167。接着,加热的工作流体167加热热量传输组件150的外表面160。通过传热装置140和/或TES介质110传送到热量传输组件150的内表面145的热能在热量传输组件150的内室165内相互混合,以便沿着外表面160生成相对均匀的温度和热通量。
[0059] 热能(如箭头“A2”所示)被从外表面160传送到接收结构或装置170,例如热能驱动的功率产生装置。因此,热量传输组件150的外表面160为热交换面。接收结构或装置170可以包括需要热能的任何适当的装置。与TES装置10一起使用的适当的接收结构或装置的非限制性实例包括发动机、斯特林发动机、发电机、热交换器和类似装置。
[0060] 在可选的实施例(未示出)中,热传输组件150可以从容器90的热能输出部104中省略。在这种实施例中,热能输出部104可以包括内部室100的外表面的至少一部分,所述外表面用作热交换面。传热装置140中的一个或多个被固定到内部室100的外表面的所述部分,并将热能从TES介质110传送到内部室100的外表面的所述部分。接收结构或装置170可以连接到内部室100的外表面的所述部分并被构造成从所述部分接收热能。
[0061] 在热能源130在内部室100外的实施例中,内部室100可以包括热接收外表面180。在这种实施例中,热量传输组件150的外表面160和热量接收外表面180都是热交换面。热量传输组件150的外表面160可以以适于实现容器90与接收结构或装置170之间的界面(interface)的任何方式构造而成。类似地,热量接收外表面180可以以适于实现容器90与热能源130之间的界面(interface)的任何方式构造而成。例如,这些表面中的一个或两个可以被构造成具有散热片、热交换器、使用液体的热交换器、传导装置和类似装置。进一步地,这些表面中的一个或两个可以包括传热装置140中的一个或多个的一部分。
[0062] 在如下所述的具体实施例中,热量传输组件150的外表面基本上为平面。在这种实施例中,热量传输组件150的基本上为平面的外表面160可以被构造成连接到斯特林发动机的基本上为平面或基本上平坦的加热器头部。
[0063] TES装置10可以特征化为将热能从第一位置或区域(例如,热能源130)传送到第二区域(例如,接收结构或装置170)。进一步地,如上所述,由于热能的传送可以通过TES介质110延迟,因此根据所述实施细节,TES装置10的具体实施例在热能在第一区域与第二区域之间传送时可以用于缓冲热能。TES装置10可以用作需要将热通量从非均匀第一区域均匀地施加到第二区域的任何系统中的热容(thermal capacitor)。
[0064] 作为非限制性实例,TES装置10可以被构造成执行一个或多个以下功能:
[0065] ●将热能从热能输入部102穿过容纳TES介质110的内部室100传送到热能输出部104;
[0066] ●将热能从热能输入部102传送到TES介质110以进行储存;
[0067] ●使热能缓冲以减少热能进入TES装置10和/或热能排出TES装置10时传热速率的变化量;
[0068] ●将热能从TES装置10中传送出去,使得热量传输组件150的外表面160理想地等温;
[0069] ●消除热量传输组件150的外表面中的局部高温区(还称作热点);
[0070] ●使提供到接收结构或装置170的热传递平稳;
[0071] ●将热能从热能输入部102仅传送到TES介质110;以及
[0072] ●控制热能从TES介质110和/或热能输入部102传送到热能输出部104的速率。
[0073] 接收结构或装置170可以具体化为构造成将热能转换成机械动力、气压动力、液压动力、电力和类似动力的原动机。通常,原动机将具有最高效率的温度范围。由于TES装置10在TES介质110处于饱和的状态下可以操作,因此可以在期望的温度下理想地等温地将潜热传输到原动机。如果理想的是提取储存在TES介质110中的热能以用于原动机,则一旦建立适当的温度梯度就还可以使用显热交换。
[0074] 热能源130可以具体化为单一热源或多个单独的热源。例如,TES装置10可以构造成与诸如辐射太阳能或太阳能的单一热源一起使用。可选地,TES装置10可以构造成与包括太阳能和由燃烧产生的热量的多模式热源一起使用。热能源130可以使用地热能或任何其它等级热量源单独地或以组合形式来执行功能。通过本领域的技术人员应用本教导,TES装置10的几何结构可以改变以容纳任何热能源或者需要热传递的接收结构或装置。
[0075] TES介质
[0076] TES介质110为相变物质(“PCM”)。使用TES装置10中的相变TES介质110的熔化潜热,相对于使用单相TES介质的TES装置可以改进比重和体积。因此,TES装置可以组装到集成的源/TES/接收器(sink)模(例如,图3中显示的电热系统300)。在源/TES/接收器模块中,所述源是指包括太阳、燃烧或废热流的能量输入;接收器是指包括工业过程热量、水加热和热力发动机(例如,斯特林发动机)的能量提取。
[0077] 存在许多具有用作TES介质110的吸引力的特性的精盐和低共熔盐(eutectic salt),大多数为金属卤化物。TES介质110的选择依赖于使所述TES介质的熔点匹配应用,即,散热器处所需的,温度范围。TES装置10可以被构造成在排热的凝固阶段期间提供几乎等温的热传递。另外,根据散热器的可接受的操作温度范围,可以从在接近两相TES介质110的熔融温度下在其液相和固相从两相TES介质110提取显热。TES装置10可以用作需要从非均匀源将热通量均匀地施加到接收器的任何系统中的热容。
[0078] TES介质110用于两个功能。首先,TES介质用作热能输入部102与热能输出部104之间的热传递介质。其次,TES介质110储存热能,并且当热能输入部102不从热能源
130接收热能时将该储存的热能提供到热能输出部104。使用的TES介质110可以具有高熔融温度和高熔化潜热。例如,可以使用低共熔盐。作为非限制性实例,可以使用LiF/NaF/MgF2、LiF/NaF、NaF/NaCl和类似物质的混合物。这些混合物具有相对较高的熔解热和大约
1200℉的熔融温度。
[0079] 当上述的TES介质适于该应用时,存在可用于获得高能量存储的代用材料。例如,可以使用Li、LiOH、LiH、LiF/CaF2、LiF、NaF、CaF2和MgF2。
[0080] 具体的设备是构造成使得接收结构或装置170在大约1800℉到大约900℉的温度范围内进行操作。例如,斯特林发动机可以被构造成在该温度范围内有效地运转。在这种设备中,氢化锂(“LiH”)由于其比(熔化)能和在大约1800℉到大约900℉的指定温度范围上可获得的能量而可以成为理想的材料。LiH的熔化热几乎为LiF/NaF/MgF2低共熔物的熔化热的三倍。此外,LiH的高热容在大约1800℉到大约900℉的温度范围内给LiH提供特别高的显热增加。
[0081] 上述的TES介质基于体积被更好地平衡且略微等效。对于表现出合理的熔融温度的TES介质,LiF由于对于在熔解期间以及在大约1800℉到大约900℉的温度范围内的能量密度都为最好的执行材料而表现得很突出。在这种情况下,LiH由于其低密度而使每单位体积的熔化热不是最佳执行者中的一个,但是LiH又由于其高热容而在大约1800℉到大约900℉的温度范围内仍然能够提供第二好的能量密度。LiFNaF/MgF2共熔率在这种情况下相当好,从而提供与LiH几乎相同的性能。然而,根据实施细节,诸如LiH或LiF的单一化合物可以更容易地制备和实现。
[0082] 在本领域中已知LiF/NaF/MgF2低共熔物的熔化热和熔融温度的不同值:一个基于由德克萨斯州的休斯顿的Infinia公司(“Infinia”)提供的热化学特性数据;另一个由广泛的NASA研究提供。所述热化学特性数据提供略微较好的TES性能。然而,相信用于获得这些特性的低共熔物的化学成分相同。
[0083] 如果容器90的内部室100具有大约0.545ft3的容积。下面的表格A1列出材料的重量和可从包括LiH、LiF和LiF/NaF/MgF2低共熔物的各种TES介质获得的能量。如表A1中所示,通过使用LiH与LiF/NaF/MgF2低共熔物相比可以将重量减少50lb而不会明显的改变能量存储。
[0084]
[0085] 表A1
[0086] 表A2和A3在下面列出适于用作TES介质110的材料的其它特性。
[0087]
[0088] 表A2
[0089]
[0090] 表A3
[0091] 氟化盐(例如,LiF、NaF和MgF2)在大多数环境中都能够相当安全地使用和操纵。这些材料本身正如其高熔融温度所表明是稳定的。所述材料不易燃,不会爆炸且在环境状态下具有低反应性。所述材料中的一些被认为是中等危害健康和/或缓和的毒药,并因此在使用时需要合理量的个人防护(例如,护目镜、手套、实验室工作服、防毒面具或通风罩)。氟化盐可以刺激皮肤和通风孔且不能吃(尽管NaF在某些牙膏品牌中是非常少的配料)。
[0092] 表A4在下面通过大多数的MSDS列表总结给予LiF、NaF、MgF2和LiH的全国防火协会(“NFPA”)和有害物质识别系统(“HMIS”)等级。每一个评级系统在三个特定等级中提供0-4分数,并且“0”大致表示没有特别的危险而“4”用于严重的或非常危险的潜在性。
[0093]
[0094] 表A4
[0095] 根据表A4,氟化盐整体呈现相当低的危险性。进一步地,氟化盐在室温下的运输和大致处理看起来不会引起任何特别的危险或测量。许多与氟化盐(1-2等级)相关联的潜在的健康危险是由于氟化盐被用作/处理成细粉末。粉末由于其高表面积(并因此由于其反应性)以及可以容易地吸入和/或咽下而通常具有较高的危险性。然而,TES介质110不可能为粉末形式。TES介质110作为蓄热或传热材料在用作连续的固体或液体物质时可以非常有效。
[0096] 这些材料的另一个常见的警告是在诸如非常高的温度(促进分解)或在高温下暴露到水中的情况下可能释放氟化氢氢氟酸或氟气。然而,如果TES介质110储存在无水的密封容器/器皿中并保持低于几乎极端(>2500℉)的的温度,这种情况不会发生,正如这里说明的在TES装置(例如,tES装置10)中使用TES介质110的情况。然而,不重要的是,TES介质110在用于防止上述的气体形成之前被完全干燥。自然地,容器90的腐蚀应该是有限的并保持到最小。
[0097] LiH可能是上述的用作TES介质110中的最有害的物质。这是由于LiH与水的高反应性,从而造成产生高度易燃的氢气以及高度刺激的氢氧化锂(LiOH)和氧化锂(Li2O)固体。然而,LiH本身非常稳定,并且除非加热到1800℉以上(其中LiH分解成Li金属和H2气体),否则将不会分解。尽管如此,所述分解反应不会放热,从而需要持续地能量输入以维持该分解反应。要注意的是在上述的表A4中,LiH被给出覆盖0到4的范围的NFPA可燃性等级。这依赖于报告源(reporting source)。显然一些供应商/制造者仅考虑材料本身是否易燃(LiH不易燃),或者材料潜在的水反应副产物(氢)是否易燃(氢易燃)。这种不一致性显然在MSDS数据分析中会导致一些混乱。
[0098] 同样,对于LiH为3的危害健康等级是由于为LiOH和Li2O的水反应产物,这是两种对皮肤和通风孔非常刺激且具有腐蚀性的物质。
[0099] ARL在实验测试中和限制的TES研究中都已经使用LiH作为氢生成材料。在两个方案中,LiH在固体和熔融状态下反复使用而未发生事故。主要的预防措施是在处理LiH时采用,所述预防措施包括保持LiH远离水或潮湿的周围空气,并且避免了LiH粉尘的产生。典型地,LiH在蒸汽厂的氩保护气氛的手套式操作箱内被处理/传送。当这不切实可行时,在打开的LiH容器的上方保持吹氩除气,并且在处理时佩带防毒面具和防护手套。
[0100] TES介质和材料典型地在高温且长持续时间的应用中使用。因此,TES介质和材料的保护壳的腐蚀状态和耐用性必然是关键问题。尽管数据远远不够完整,但是NASA和Infinia做出的研究显示出常见的奥氏体不锈相当好地支持熔融的氟化盐,正如镍基因康镍合金性和哈司特镍合金。这些金属中的铬成分表现出最易损坏,这是因为能够预见到CrF2和CrF3化合物与其它金属氟化物相比以较高的平衡浓度形成。如已经提到,NASA研究还显示了在将盐装填到密封容器中前从盐中去除残余水的重要性。这降低了在高温下生成氟化氢的可能性,氟化氢是对包括金属的几乎所有的材料非常容易反应的材料。
[0101] 由ARL执行的LiH研究仅在316不锈钢容器中进行。尽管熔融状态下的总暴露时间相对短(几个小时),但容器从未显示表面降解或变稀薄的任何视觉信号。容器90可以由诸如304不锈钢、316不锈钢和类似材料的不锈钢制成。然而,用于构造容器90的材料应该被适当地分析腐蚀性和应力开裂。
[0102] 碱金属卤化盐和低熔共晶盐在用作TES装置10中的TES介质110时提供许多优点。这种盐具有高熔化潜热和良好的显热性能,从而产生很高的能量存储密度。碱金属卤化盐和低熔共晶盐相对有利地相互合作,可以通过数千的熔化/凝固循环操作而不需要降解,并且在传统的不锈钢容器上产生可忽略的腐蚀侵蚀。根据所述实施细节,通过以高传热速率加热和重新熔化TES介质110还可以使TES装置10比传统的电化学电池更快速地“再充电”。
[0103] 设计TES系统(例如,TES装置10)时的挑战是提供从热能源130到TES介质110(例如,盐)的有效热传递和提供从TES介质110到接收结构或装置170的有效热传递,同时保持TES装置10处于均匀温度并在加热过程和热传输过程期间避免大的温度梯度。产生该挑战的TES介质110的特性是其在处于固相时相对低的导热性以及在与液相相比时的固相的高密度。例如,固相可以比液相的密度大大约20%-25%。
[0104] 当液相TES介质110(例如,盐)通过接收结构或装置170被冷却时,液体TES介质相对于固体TES介质的质量分数将在通过传热装置140中的一个或多个最佳地热连接到接收结构或装置170的区域中开始变化。对于具体的实施例,之前的分析已经显示出TES介质110应该距离传热装置140中的一个不多于1英寸到2英寸。已经显示出热管(例如,热管140A--140E)提供足够的热传输能力,以有效地将TES介质110连接到接收结构或装置170。通过包括可选的传导散热片可以改进该热传输能力。
[0105] 固体TES介质110在固定温度下的熔化潜热远远大于在特定的温度范围(例如,大约1800℉到大约900℉)内从液体TES介质获取的显热。相同的原理通过TES系统用于现有技术。如果使用接近接收结构或装置170的最高效率温度的熔点,则TES装置10大部分时间都在接近最佳的状态下对接收结构或装置170进行操作。TES装置10可以用作对于热能输出部104可以保持相对恒定的热通量的热能缓冲器。通过该相对恒定的热通量可以防止不期望的“热点”。
[0106] TES介质110可以根据接收结构或装置170的所需操作条件来选择。例如,可以根据其中使用TES介质的TES装置的具体实施例来选择TES介质110。
[0107] 为盐或低熔共晶盐的形式的典型TES介质具有低导热性。这在TES装置10的操作期间造成实施困难,这是因为TES介质110作为块状材料被储存在容器90的内部室100内。对于显热传递和潜热传递,现有技术的热能输送结构的设置在将热量均匀地传送到块状的TES介质110中以及将热量从块状的TES介质110中均匀地传送出来方面可能是没有效果的。该问题由于通过在改变状态时经历体积变化的TES介质而可能更复杂。典型的是TES介质的体积变化在30%范围内。
[0108] 许多TES介质的不良导热性、由相变所引起的体积变化、用于从TES介质增加或提取热量的装置以及存在于固体或品质低劣的TES介质中的空隙,在包括热能输送结构的现有技术的TES装置中已经产生挑战和不良的热传递及综合性能。一些现有技术的装置,例如在1992年5月19日授予Baker等人的美国专利第5,113,659号中记载的装置,已经尝试通过将TES介质存储在小单元中或者通过绕着热能输送结构设置金属罐克服这些问题。然而,该方法还具有缺陷。例如,所述结构不允许可察觉量的热容或存储。此外,中间金属罐的引入由于接触电阻和对流损失不利地影响了到介质的热传递。
[0109] 在稳定状态操作期间,传热装置140(例如,热管140A--140E)每一个都可以理想地视为是等温的。根据传热装置140的所述结构和布置,这可以允许均匀的热传递至储存在容器90的内部室100中的块状TES介质110,以用于增加或提取潜热或显热的目的。为了进行均匀的热传递,传热装置140(例如,热管140A--140E)可以被构造成在特定的操作模式期间减少或消除TES介质110中固体的存在。
[0110] 在特定的情况下,理想的是TES介质110经历完整的相变。为了使TES介质110从固体转变成液体,显热首先被传送到TES介质110中。接着,潜热被传送到TES介质110中。可选地,液体TES介质110可以通过增加更多的显热而被进一步加热。因此,为了将热能储存在TES介质110中,可能必须使所有TES介质或一部分TES介质从固体转变为液体。
[0111] 为了获取存在于TES介质110中的所有热能,可能必须使TES介质110从液体转变成固体。这将需要从TES介质110传送潜热,以引起从液体变为固体的相变。接着,如果存在适当的温度梯度,可以从TES介质110获取剩余的显热。本领域的普通人员将会理解,在获取潜热之前,液体介质110可以储存一些显热。当在这种情况下时,介质为单相液体并且不饱和。在提取潜热之前,可以从单相液体TES介质110传送显热。
[0112] 以下将说明TES装置10的一些示例性实施例。
[0113] 混合模式的实施例
[0114] 图2示出了构造成与具体化为第一热能源208和第二热能源210的热能源130一起使用的TES装置200。在图1和图2中,相同的附图标记已经用于表示相同的结构。显示的TES装置200被构造成以混合模式操作。作为非限制性实例,第一和第二热能源208和210每一个都可以具体化为太阳能源、燃烧器、地热源、为高等级热量的任何其它来源或类似来源。通过本领域的普通技术人员应用本教导,TES装置10的几何结构可以改变,以容纳任何热能源或者需要热传递的接收结构或装置。
[0115] 在TES装置200中,热能被从第一和第二热能源208和210沿不同的方向(由箭头“A1”和“A3”分别表示)传送到TES介质110。如果热能源210位于内部室100外,则热能源210可以通过热交换面220将热能传送到TES介质110。作为非限制性实例,不同的热能源可以用于沿着不同的平面、轴线或方向将热能添加到TES装置200。需要时可以控制从热能源208和/或热能源210传送到TES装置200中的热能的量。在图2中,接收结构或装置170被显示为原动机230。
[0116] 太阳能电热系统实施例
[0117] 转到图3,TES装置10可以被构造成接收热能和将所述热能发送到任何适当的热负荷。例如,由太阳280产生的热能可以供应给TES装置10的热能输入部102。TES装置10的热能输入部102可以连接到、汽轮机、三联产机器(tri-generation machine)和类似设备。可选地,TES装置10的热能输入部102可以连接到被构造成从热能生成机械功率以用于各种目的的装置。
[0118] 转到图3,TES装置10可以与电热系统300一体形成。为了使说明简单,在图1和图3中,相同的附图标记已经用于表示相同的结构。基于太阳能的电热系统的理想特征包括能够以可发送方式提供电力并在乌密布的短时和非白昼时间期间能够提供电力。由于TES装置10能够储存热能以供稍后使用并能够以预定的速率提供该储存热能,因此TES装置可以用于帮助获得电热系统300中的这些理想特征。
[0119] 电热系统300包括加热模块312和电源模块314。在所述的实施例中,加热模块312具体化为斯特林发动机315,所述斯特林发动机可以被构造成有效地提取储存在TES介质110中的能量。加热模块312还可以直接从热能输入部102和/或从一个或多个外部热能源(未示出)接收热能。
[0120] 斯特林发动机通过在不同温度交替地压缩和膨胀固定量的工作流体或其它气体(即,氢气、氦气和空气)将热量或热能转换成机械功率。热能在高温Th下被供应给斯特林发动机315的加热热交换器部分或加热器头部315A,并且在低温Tc下从冷却热交换器部分315B排放到环境中。工作流体通常在斯特林发动机315的较冷部315C中被压缩并在较热部315D中膨胀,从而导致热量向功的净转化。斯特林发动机的功能和部件在本领域中是公知的且不会进一步详细地说明。
[0121] 为了将机械运动转换成电力,斯特林发动机315可以连接到电源模块314或者与电源模块314一体形成。例如,斯特林发动机315可以包括移位器316和与动力活塞320流体连通的工作流体318,所述动力活塞是电源模块314的一部分。电源模块314的动力活塞320可以通过连接到动子324的轴323连接到传统的线性电动系统322。线性电动系统322进一步包括定子326和与所述定子配对的输电线328以供应或接收电力。动子324相对于定子326的运动产生电流,所述电流可以由配对的输电线328运送,以便给一个或多个外部电气装置330提供动力。本领域中已知几种可选的斯特林发动机结构,并且本公开内容不局限于与斯特林发动机的任何特定的实施例一起使用。
[0122] 一旦斯特林发动机315起动,就可以通过控制发动机的输出实现控制。例如,正如图3中所示,斯特林发动机315正在输出交流电(“AC”)。斯特林发动机315可以通过控制其AC输出来进行控制。对于Infinia的自由活塞式斯特林发动机,发动机冲程对于施加到加热器头部315A的任何固定的传热速率与加热器头部315A的温度成反比关系。冲程是指活塞或移位器的线性运动的峰值-峰值幅度。因此,冲程是指动子324相对于定子326的线性运动的峰值-峰值幅度。这通常在平均位置附近出现。由于发动机冲程在整流输入处与电压的大小直接相关联,因此可以控制加热器头部315A的温度。因此,通过控制动子324相对于定子326的运动可以控制加热器头部315A的温度。
[0123] 电热系统300包括构造成感测温度信息的一个或多个传感器327A、327B和/或327C,从所述温度信息可以确定热通量。传感器327A、327B和/或327C被定位在将热能输送到TES装置10或从TES装置接收热能的位置处。
[0124] 传感器327A在充分冷却的位置或安全区(即,提供高传感器可靠性的区域)中放置在斯特林发动机315的加热器头部315A上,可以用于提供到冲程调节器或控制器329的反馈。可选地,传感器327A可以放置在热量传输组件150的外表面160上。传感器327A收集提供代表加热器头部温度的温度信息。斯特林发动机315的卡诺效率在加热器头部315A的温度增加时增加。如果可用于加热器头部315A的热能保持不变,则当冲程增加时,加热器头部315A的温度下降或降低。另一方面,如果可用于加热器头部315A的热能保持不变,则当冲程减小时,加热器头部315A的温度增加。
[0125] 传感器327A将温度信息传送到控制器329,控制器329利用所述温度信息确定冲程设置。控制器329可以确定对于给定操作参数最佳的冲程设置。控制器329连接到动子324并构造用于确定所述动子的冲程,从而确定加热器头部315A的温度。
[0126] 斯特林发动机315的加热器头部315A连接到TES装置10的热量传输组件150的外表面160。热量传输组件150的外表面160将热能传送到斯特林发动机315的加热器头部315A,从而驱动移位器316和动力活塞320并在输电线328中产生电流。
[0127] 电热系统300包括聚光器340,例如,使太阳能集中到吸收器350上的抛物柱面反射器或反射镜。聚光器340可以安装在底架/支架360上并由跟踪传动装置362定位。作为非限制性实例,聚光器340可以为Infinia售出的改进的或未改进的3kW太阳能盘。吸收器350可以为TES装置10的热能输入部102的部件。例如,吸收器350可以为TES装置10的热量接收外表面180。可选地,吸收器350可以为构造用于将吸收的太阳能传送到TES装置10的热能输入部102的另外结构。
[0128] 可选地,电热系统300可以包括与TES装置10的热能输入部102相邻的太阳能热接收器370,所述太阳能热接收器被构造成从聚光器340接收辐射太阳能。接收器370可以包括其中具有孔洞374的接收板373,所述接收板被构造成减少集中到吸收器350上的太阳能的损失。如上所述,吸收器350可以为TES装置10的热量接收外表面180。可选地,吸收器350可以为接收器370的部件。作为非限制性实例,电热系统300可以通过改进由Infinia出售的3kW商业上可购得的碟式斯特林集中太阳能(“CSP”)系统被构造成将TES装置10组装到接收器370与斯特林发动机315之间。
[0129] 参照图26,提供可以通过控制器329(参见图3)执行的方法2600。在第一方框2610处,传感器327A(参见图3)感测来自斯特林发动机315(参见图3)的加热器头部315A的温度信息,并将所述温度信息传送到控制器329(参见图3)。在判定方框2620处,控制器
329根据从传感器327A接收的温度信息判定加热器头部315A是否过热。
[0130] 如果加热器头部315A过热,则判定方框2620中的判定为“是”,并且在方框2630处,控制器329引导斯特林发动机315以增加所述斯特林发动机的冲程,从而冷却加热器头部315A。随后,加热器头部315A将冷却TES装置10的热能输出部104。
[0131] 在判定方框2640处,判定热能输出部104的新的较冷温度是否小于TES介质110的温度。如果热能输出部104的新的较冷温度小于容器90的内部室100内的TES介质110的温度,则判定方框2640中的判定为“是”,并且在方框2650处,传热装置140将储存的热能从TES介质110输送到热能输出部104。随后,热能输出部104将所述接收到的热能传送到加热器头部315A。因此,加热器头部315A接收到预先储存在TES介质110中的热能。接着,方法2600返回到方框2610。
[0132] 如果热能输出部104的新的较冷温度不低于容器90的内部室100内的TES介质110的温度,则判定方框2640中的判定为“否”,并且方法2600前进到判定方框2655。
[0133] 在判定方框2655处,判定热能输出部104的新的较冷温度是否高于TES介质110的温度。如果热能输出部104的新的较冷温度高于容器90的内部室100内的TES介质110的温度,则判定方框2655中的判定为“是”,并且在方框2660处,传热装置140将储存的热能从热能输出部104输送到TES介质110以进行储存。这将冷却热能输出部104,并且使加热器头部315A将热能传送到热能输出部104,从而冷却加热器头部315A。接着,方法2600返回到方框2610。
[0134] 如果热能输出部104的新的较冷温度不高于容器90的内部室100内的TES介质110的温度,则判定方框2655中的判定为“否”,并且方法2600返回到方框2610。
[0135] 如果加热器头部315A没有过热,则判定方框2620中的判定为“否”,并且方法2600前进到判定方框2675。在判定方框2675处,控制器329根据从传感器327A接收的温度信息判定加热器头部315A是否过冷
[0136] 如果加热器头部315A过冷,则判定方框2675中的判定为“是”,并且在方框2680处,控制器329引导斯特林发动机315以减小所述斯特林发动机的冲程,从而加热加热器头部315A。随后,加热器头部315A将加热TES装置10的热能输出部104。
[0137] 在判定方框2685处,判定热能输出部104的新的较热温度是否高于TES介质110的温度。如果热能输出部104的新的较热温度高于容器90的内部室100内的TES介质110的温度,则判定方框2685中的判定为“是”,并且在方框2688处,传热装置140将热能从热能输出部104输送到TES介质110,从而进行储存。这将冷却热能输出部104,并且使加热器头部315A将热能传送到热能输出部104,从而冷却加热器头部315A。接着,方法2600返回到方框2610。
[0138] 如果热能输出部104的新的较热温度不高于容器90的内部室100内的TES介质110的温度,则判定方框2685中的判定为“否”,并且方法2600前进到判定方框2690。
[0139] 在判定方框2690处,判定热能输出部104的新的较热温度是否低于TES介质110的温度。如果热能输出部104的新的较热温度低于容器90的内部室100内的TES介质110的温度,则判定方框2690中的判定为“是”,并且在方框2695处,传热装置140将储存的热能从TES介质110输送到热能输出部104。随后,热能输出部104将所述热能传送到加热器头部315A。因此,加热器头部315A接收到预先储存在TES介质110中的热能。接着,方法2600返回到方框2610。
[0140] 如果热能输出部104的新的较热温度不低于容器90的内部室100内的TES介质110的温度,则判定方框2690中的判定为“否”,并且方法2600返回到方框2610。
[0141] 如果加热器头部315A没有过冷,则判定方框2675中的判定为“否”,并且方法2600返回到方框2610。可以周期性地或以随机间隔执行方框2610中执行的感测。
[0142] 返回到图3,传感器327B可以在足够冷的位置或安全区(即,提供高传感器可靠性的区域)中放置在TES装置10的热量接收表面180上。在显示的实施例中,传感器327B被定位在吸收器350上。在这种实施例中,传感器327B可以被构造成利用吸收器350的传导性。
[0143] 参照图27,可选地,传感器327C可以放置在接收板373上,并且用于测量进入TES装置10的热能输入部102的热能的热通量。如上所述,传感器327A被放置在斯特林发动机315的加热器头部315A上或热量传输组件150的外表面160上。因此,传感器327A与327B之间测量的热通量的差值可以用于计算随着时间的过去储存在TES介质110中的热能。进一步地,传感器327C与327B之间测量的热通量的差值可以用于计算随着时间的过去储存在TES介质110中的热能。换句话说,通过监测热量进入热能输入部102的输入速率与热量退出热能输出部104的输出速率的差值,控制器329可以确定TES介质110储存的热能的量。
[0144] 通量传感器利用测量温度转换热通量。这用于建立热梯度以测量热传递。对于特定的实施例,传感器327A、327B和327C可以被定位成使得所述传感器不会超温度操作。虽然已经显示了传感器327A、327B和327C的示例性位置,但通过本领域的技术人员应用到本教导可以确定可选的位置,所述位置也适于确定到TES装置10中的热传递速率与从TES装置10出来的热传递速率的差值,并且这种实施例也在本教导的范围内。
[0145] 进一步地,如以上所说明,TES装置10包括传感器“HF1”、“HF2”和“HF3”,所述传感器感测容器90的内部室100内的温度信息。传感器“HF1”、“HF2”和“HF3”可以连接到控制器329,并且被构造成将温度信息传送到控制器329。传感器“HF1”、“HF2”、“HF3”、327A、327B和/或327C可以通过有线和/或无线连接以通信方式连接到控制器329。
[0146] 如上所述,当TES介质110的最后区域凝固或TES介质的最后区域熔化时,可以测量TES介质110的温度并确定TES介质的能量含量。这些时间点可以用作图28中显示的方法2800的开始时间。方法2800可以通过控制器329(参见图3)执行。
[0147] 在第一方框2810处,传感器327A、327B和/或327C感测温度信息并将该温度信息传送到控制器329(参见图3)。控制器329监测该温度信息,并且在方框2820中使用所述温度信息计算储存在TES装置10中的热能的量。
[0148] 在方框2830中,传感器“HF1”、“HF2”和“HF3”感测容器90的内部室100内的温度信息,将该温度信息传送到控制器329(参见图3),并且控制器329使用该温度信息来确定容器90(参见图3)内的TES介质110的温度。
[0149] 在判定方框2840处,控制器329判定储存在TES装置110中的热能的量(在方框2820中计算出的热能的量)是否超过预定阈值。如果储存在TES装置110中的热能的量超过所述预定阈值,则判定方框2840中的判定在方框2850中为“是”,控制器329引导斯特林发动机315增加其冲程,以便使加热器头部315A冷却到低于TES介质110的温度(在方框
2830中确定的温度)。随后,加热器头部315A将冷却TES装置10的热能输出部104。
[0150] 接着,在方框2860中,传热装置140将来自TES介质110的储存的热能输送到热能输出部104。随后,热能输出部104将所述热能传送到加热器头部315A。因此,加热器头部315A接收到预先储存在TES介质110中的热能。然后,方法2800返回到方框2810。
[0151] 如果储存在TES装置110中的热能的量小于预定阈值,则判定方框2840中的判定为“否”,并且在方框2870中,控制器329引导斯特林发动机315减小其冲程,以便将加热器头部315A加热到超出TES介质110的温度(方框2830中确定的温度)。随后,加热器头部315A将加热TES装置10的热能输出部104。接着,传热装置140将热能从热能输出部104输送到TES介质110,以进行储存。然后,方法2800返回到方框2810。
[0152] 所述预定阈值可以至少部分地基于斯特林发动机315运转预定时间段所需的热能的量。例如,预定阈值可以设定成等于斯特林发动机315运转预定的时间量(例如,2小时、3小时、4小时、6小时等)所需的热能的量。
[0153] 图4显示可以与如上所述的电热系统300一体形成的TES装置400的实施例。为了使说明简单,相同的附图标记在图3和图4中已经用于表示相同的结构。TES装置400中使用的TES介质110可以包括具有在大约600℃到大约700℃的范围内的高熔点的一个或多个稳定的TES盐,以便在操作温度的宽范围内通过利用熔化潜热和显热容量使能量存储密度最大化。为了防止TES介质110凝固,TES装置400被构造成不具有泵、或附加的热负荷并且在没有泵、阀或附加的热负荷的情况下操作。
[0154] TES装置400的热能输入部102包括热量接收组件404。在显示的实施例中,热量接收组件404包括吸收器350和向内与吸收器分隔开的内壁406。热量接收组件404可以包括内室407,所述内室容纳工作流体408,例如钠、氦、水银、锌、铟、氨、酒精、甲醇、水、蒸汽、空气和类似流体。本领域的技术人员将会理解,热量接收组件404的内室407可以包括毛细作用芯结构,所述毛细作用芯结构提供与传统热管中的毛细作用芯提供的功能(如上所述)基本上相同的功能。在该特定的实施例中,热量接收组件404用作传统热管。热量接收组件404可以具体化为热管、蒸汽室和类似装置。可选地,热量接收组件404可以被构造成仅通过传导传送热能。
[0155] TES装置400包括两个单独组的环状或圆柱形外壳状的传热装置410A和410B。第一组传热装置410A以交替排列方式与第二组传热装置410B交错设置。第一组传热装置
410A与第二组传热装置410B分隔开且TES介质110设置在第一组传热装置410A与第二组传热装置410B之间。然而,在可选的实施例中,单一组的圆柱形外壳状的传热装置(未示出)可以将热能输入部102直接连接到热能输出部104。
[0156] 第一组传热装置410A从TES装置400的热能输入部102延伸到TES介质110中但未到达热能输出部104。通过聚光器340(参见图3)集中在吸收器350上的太阳辐射流通过第一组传热装置410A被输送到TES介质110中,所述第一组传热装置410A显示为多个同心布置的环形热管412A至412D。环状热管412A至412D中的每一个都具有限定在分隔开的第一导热环形侧壁416与第二导热环形侧壁418之间的内通道414。内通道414中的每一个都具有与热量接收组件404的内室407连通的开口端部420。因此,工作流体408可以在第一组传热装置410A的内通道414和热量接收组件404的内室407内以及在第一组传热装置410A的内通道414与热量接收组件404的内室407之间移动。
[0157] TES装置400的热能输出部104包括与热量传输组件150(参见图1)基本上相同的热量传输组件450。热量传输组件450具有向内与外表面460分隔开的内表面451。在显示的实施例中,外表面460为与外表面160(参见图1)基本上相似的热交换面。热量传输组件450可以具体化为蒸汽室、热管和类似装置。热量传输组件450包括液体不能透过的内室465,所述内室至少部分地限定在分隔开的内表面451与外表面460之间。两相化合物或工作流体467,例如钠、氦、水银、锌、铟、氨、酒精、甲醇、水、蒸汽、空气和类似流体,容纳在内室465内。在内室465内,热量传输组件450可以更类似于传统热管(如上所述)使工作流体467凝结并通过毛细作用带走工作流体467。然而,在可选的实施例(未示出)中,热量传输组件450可以被构造成仅通过传导传送热能。
[0158] 第二组传热装置410B从TES装置400的热能输出部104延伸到TES介质110中但未到达热能输入部102。第二组传热装置410显示为多个同心布置的环形热管432A至432C。环形热管432A至432C中的每一个都具有限定在分隔开的第一导热环形侧壁436与第二导热环形侧壁438之间的内通道434。内通道414中的每一个都具有与TES装置400的热能输出部104的热量传输组件450的内室465连通的开口端部440。因此,工作流体
467可以在第二组传热装置410B的内通道434和热量传输组件450的内室465内以及在第二组传热装置410B的内通道434与热量传输组件450的内室465之间移动。
[0159] 在所述的实施例中,热量传输组件450的外表面460包括斯特林发动机315(参见图3)的加热器头部315A的一部分。由于在近似等温的情况下发生工作流体467的凝结,该结构可以提供加热器头部315A的均匀加热。如果到斯特林发动机的热传递发生在斯特林发动机的峰值循环温度(例如,大约600℃至大约700℃)下而不是发生在不一致的温度范围内,则均匀加热可以提高斯特林发动机315的系统效率。进一步地,整个加热器头部315A可以被加热到峰值容许金属温度而非较低的加权平均温度。这具有减小由于热梯度造成的局部热应力的增加的有益效果。加热器头部315A可以包括可到达电热系统300(参见图3)外的环形凸缘470。凸缘470可以用于获得显著的效率增加:从外部加热加热器头部
315A的背面。这可以减小热源(即,TES装置10)与发动机工作流体(未示出)之间的温度下降,这是因为(根据实施细节)加热器头部315A的大部分可以从两侧而非仅从一侧进行加热。上述因素中的任何一个因素都可以增加加热器头部315A内的最高平均气体温度,从而将增加卡诺效率并因此增加斯特林发动机315(参见图3)的实际运行效率。
[0160] 加热器头部315A可以被焊接或硬焊到TES装置400,因此在结构上可以由斯特林发动机315支撑TES装置400的重量。加热器头部315A可以包括可以焊接到TES装置400的容器90的硬焊边缘或焊接边缘472。换句话说,在所述的实施例中,TES装置400的热能输出部104与斯特林发动机315(参见图3)的加热器头部315A一体形成。然而,这并不是必要的。
[0161] 图5显示TES装置500的实施例,其中热量传输组件450的外表面460和斯特林发动机315(参见图3)的加热器头部315A实施为单独的部件。为了使说明简单,相同的附图标记已经用于表示图4和图5的相同部件。容器90的热能输出部104可以采用本领域所公知的任何方法连接到斯特林发动机315的加热器头部315A。例如,热量传输组件450的外表面460可以焊接或用螺栓固定到斯特林发动机315的加热器头部315A。在该实施例中,热量传输组件450的外表面460基本上为平面。斯特林发动机315的加热器头部315A也基本上为平面或基本上平坦。然而,在可选的实施例中,例如图3中显示的TES装置10,热量传输组件150的外表面160可以凹入而与斯特林发动机315的加热器头部315A接合,其中所述加热器头部被显示出具有凸起形状。
[0162] 返回到图4,如上所述,加热模块312(参见图3)和电源模块314(参见图3)可以具有在大约600℃至大约700℃的范围内的操作温度。在这些实施例中,TES装置400可以被构造成与TES介质110一起使用,所述TES介质在大约600℃至大约700℃的范围内经历熔化-凝固循环,从而利用TES介质110的潜热存储并避免任何复杂的抽吸回路或凝固/维护问题。热量可以根据需要通过第二组传热装置410B从TES介质110输送到加热器头部315A以用于产生电力。
[0163] TES装置400可以被构造成提供高性能储热系统,所述高性能储热系统成功地将热量输送到相变TES介质110以及从相变TES介质110输送热量,使得可以在宽温度范围内储存熔化潜热和显热。TES装置400可以被构造成根据需要提供几个小时的斯特林发动机运转。TES装置400可以构造成使得将商业上可获得的3kW Infinia太阳能热量驱动器的尺寸和重量仅增加所需的量。电热系统300(参见图3)可以被构造成在乌云密布的短时过程期间运转,并在日落之后提供可发送的动力持续四到七个小时。
[0164] 斯特林发动机315(参见图3)在一部分白天期间可以以低输出或在停止模式下运转,以将一些热能从使斯特林发动机315运转转向作为替代来加热TES介质110。例如,如果在日光之后需要四个小时的运转时间,则相当于正常的斯特林发动机315四个小时的热量可以从使发动机运转转向加热TES介质110。
[0165] 可选地,可以增加聚光器340的热容量以增加供应给TES装置400的热能的量。供应给TES装置400的热能的量可以足够用于提供TES介质110中的充分热能,并且同时提供充分的热能以使斯特林发动机315在白天以最大输出运转。例如,假定标准的10小时白天运行时间,以由Infinia出售的太阳能盘来实现的聚光器340的有效面积可以增加40%,以提供充分的热能供发动机运转和TES存储同时使用。有效面积的这种增加可以通过将太阳能盘的直径从其当前的大约4.8m直径增加到新的大约5.7m直径来实现。
[0166] TES介质110可以采用对环境有利的盐以及容器90内的钠或金属中的任意一种的少量金属的组合来进行实现,其中所述盐在操作温度下经历相变。所述盐可以包括大约为10到1000磅的量的KF/NaF和/或NaF/NaCl的低共熔混合物。这些盐在TES装置400的使用期限内可以密封在容器90内。如果容器90中出现裂纹,所述盐不起反应,但是在内部被消耗的情况下可以发生氟化物中毒。将要采取适当的预防措施以确保该暴露最小化。虽然为金属形式的钠和钾被认为是非常容易反应的,但是TES装置400可以被构造成使用少量的(例如,大约30克)这种物质以实现热传递。
[0167] 返回图3,为了获得由电热系统300(例如独立的CSP系统)中的TES装置10提供的最大操作效益,使用与用于不具有TES装置10的斯特林发动机315的运转相比较大的浓缩,以收集使斯特林发动机315(例如,3千瓦的斯特林发动机)在白天运转、以及使发动机的运转时间扩大而超过白昼时间的热能。电热系统300的功率输出可以通过采用非标准尺寸的聚光器340(例如,盘)来增加,以便收集在夜间或多云的时段期间可以转变成电力的热能。根据所述实施细节,该功率生成的增加量可以大于包括TES的主要费用,因此增加了电热系统的资产值。
[0168] 如上所述,TES装置10可以构造成不需要抽吸(或泵送)TES介质110的抽吸回路。在这些实施例中,TES装置10不会遇到与现有技术的集聚槽和电力塔电热系统相关的相同的维护问题。多个电热系统300可以排列成阵列(未示出)。例如,两个到数千个电热系统300可以聚集成阵列(未示出)。由于TES装置10不包括任何泵或不会抽吸任何流体,因此与高温泵和凝固回路相关联的问题将不会使排列中的多个电热系统300变得不能操作。如果出现问题,仅是阵列中一个电热系统300出现问题,而其余的电热系统会继续操作。因此,如果阵列中只有一个电热系统300变得不工作,则不工作的电热系统对于所述阵列的整体功率产生几乎不具有影响。
[0169] 在斯特林发动机315的加热器头部315A上保持集中的太阳能的光学精度可能是昂贵的,这是因为加热器头部需要被均匀地加热以避免导致热应力的热点。通过将TES装置10组装到加热器头部315A与接收器370之间,加热器头部315A与接收器370分离,从而允许接收器370和/或吸收器350处的太阳辐射流更多地变化,而不会在加热器头部315A上造成热应力。进一步地,TES装置10储存热量并将所述热量均匀地传送到斯特林发动机315的加热器头部315A。这相对于现有技术的电热系统降低了聚光器340的光学精度要求,并且可以降低与聚光器340、底架/支架360、跟踪传动装置362、加热器头部315A以及电热系统300的各种其它子系统相关的成本。
[0170] 因为加热器头部315A可以被TES装置10均匀地加热,因此整个电热系统300与现有技术的电热系统相比可以以较高的热通量运转。在没有TES装置10的情况下,斯特林发动机的加热器头部可以特征化为以平均温度进行操作,但沿着加热器头部315A的一些点将为大约500℃,而其它点将为大约650℃。因此,如果尝试增加平均温度至大约650℃,则加热器头部315A的一些部分将热于650℃。所述部分被称为“热点”。如果热点被最小化,则整个加热器头部315A的温度可以保持在均匀温度(例如,大约650℃),从而可以增加功率输出和效率。作为非限制性实例,与将TES装置10组装在电热系统300中的效果相关的初始计算已经确定整个系统的成本降低20%。
[0171] 太阳能TES典型地与槽式TES系统和中央接收器式TES系统相关联。槽式TES系统通过广泛地改变开发阶段包括几种候选方法。采用热罐和暖罐中的原生矿物油传热流体(HTF)的LUZ SEGS I槽在1985年和1999年之间提供3个小时的白天的直接能源存储能力。在九十年代后期,10-MWSolar 2中心接收器式系统表现出熔融TES的可行性。这些及大多数其它直接和间接的太阳能TES系统使用以液态储存的显热容量,由于典型的15-20%的太阳能转换成电效率而相对效率差,需要复杂的泵吸系统,并且典型地需要具有为几十MW或数百MW工厂规模的大的设备以便在经济上可行。熔融盐系统应该避免盐的凝固。当TES内的部件需要维护或出现故障时,应该在没有任何冻结的情况下关闭整个系统。通过利用熔化潜热提供能量存储密度很大的增加的相变材料典型地仅用于空间加热和水加热应用中的低温储存。
[0172] 相反,电热系统300使用PCM(TES介质110),PCM紧密地与斯特林发动机315和太阳能吸收器350(以及可选地和接收器370)一体形成。TES装置10的容器90可以被气密密封和无需维护。TES装置10可以特征化为无源的热传输系统,所述系统不需要绝热泵、配件或用于输送热流体的其它部件。TES装置10不受到环境温度水平或熔化-凝固循环的影响。电热系统300可以被组装成一排相同的电热系统300。在这种排列中,形成的任何问题将仅影响单个电热系统300。
[0173] 在TES装置中使用熔化潜热相对于单相TES系统能够极大地改进比重和比容,并且能够在实际上使用一体式接收器/TES/发动机模块。图6提供三个候选的TES介质的总储能量与用于槽的典型的现有技术的液体盐存储系统中的能量储存的量化比较。在大约700℃至大约750℃的范围内,在从对于Infinia的3kW发动机为250℃的最小功能运行温度到其最高运行温度的范围内绘制以W-hr/l为单位的储存能量。
[0174] 锂盐通常具有最佳的能量储存密度,但也相对非常昂贵。因此,说明非锂的NaF/NaCl替代材料以用于比较。虽然所述NaF/NaCl替代材料仅提供LiH的总容积存储容量的大约一半,但是NaF/NaCl替代材料还提供为西班牙ENEA的“高温”推进槽TES测试回路中使用的液相NaNO3/KNO3盐的容积存储容量大约五倍的容积存储容量,其中盐桶在270℃和550℃下操作。存在许多具有可以用于实现TES介质110的有吸引力的特性的纯的且低共熔的盐,多数为碱金属卤化物。
[0175] 图7中描绘的KF/NaF相平衡为典型的且图示的低共熔二元盐的主要特性。纯KF在856℃下熔化,而纯NaF在990℃下熔化。当所述盐混合时,熔点降低,从而在40Mol%KF和60Mol%NaF的低共熔点下达到为大约710℃的最小值。对于非低共熔混合物,当固体混合物温度增加时,在温度达到大约710℃时将形成一些低共熔液体,但一些物质将保持为固体直到其达到与给定的摩尔份数相对应的图7中的上部曲线的温度为止。如果所述混合物为适当的共晶比,则所有熔化将发生在精确的710℃。这导致在低共熔熔融温度下使用熔化潜热的扩展操作,但如图6中所示通过在宽温度范围上操作获取来自显热容量的相当量的能量。转换效率将随着温度下降而减小,但3kW发动机将持续产生有用的kWh能量直到降至至少250℃。对于Infinia的3kW斯特林发动机接口,有利的是选择具有在大约600℃到大约700℃范围内的熔点的TES介质,使得相变期间的扩展操作接近最高效率。根据从TES介质110到加热器头部315A的温度下降以及被均匀加热时加热器头部315A的最高温度,可以选择具有基本上超出700℃的熔点的TES介质。
[0176] 实施挑战包括熔化期间的低TES介质导热性和大的体积膨胀。通过太阳能跟踪系统的可变定位,对于容器的所有方向在容器90的所有区域中都应该可获得往返于TES介质110的热传递,且传热装置140(例如,图4中显示的第一和第二组传热装置410A和410B)与TES介质110之间的充分的传热面积用于保持充分的TES介质界面。然而,图4中显示的第一和第二组传热装置410A和410B可以用于有效地保持合理的温度下降。
[0177] TES装置10、接收器370、聚光器340和系统300的其它部件的尺寸可以根据操作参数来确定,所述操作参数例如为斯特林发动机315在热能源130(参见图1)已经停止向TES介质供应热能之后将要靠从TES介质110获取的动力运转的持续时间。例如,电热系统300可以构造成使用一个小时、两个小时、三个小时、四个小时等。作为非限制性实例,对于使用一个小时的情况,TES装置10可以从加热器头部315A轴向向外延伸大约7英寸并具有大约10英寸的直径。作为另一个非限制性实例,对于使用四个小时的情况,TES装置10可以从加热器头部315A轴向向外延伸大约11英寸并具有大约16英寸的直径。
[0178] 与外部热能源一起使用的实施例
[0179] 如上所述与电热系统300(参见图3)一起使用的TES装置400(参见图4)和TES装置500(参见图5)可以特征化为与外部热能源(例如,图3中显示的太阳能集热器340)一起使用的TES装置。图8-11还提供了构造成与外部热能源(例如,图3中显示的太阳能集热器、地热热能源、任何足够高的等级的热源和类似热源)一起使用的TES装置。进一步地,通过本领域的技术人员的应用可以将图8-11中显示的TES装置组装到图3中显示的电热系统300中。
[0180] 图8显示了TES装置800。为了使说明简单,相同的附图标记在图1和图8中已经用于表示相同的结构。TES装置800中使用的TES介质110(参见图1)可以包括适合用于TES装置400(参见图4)中的如上所述的任何TES介质。为了防止TES介质110凝固,TES装置800可以构造成不具有泵、阀或附加的热负荷以及在不具有泵、阀或附加的热负荷的情况下操作。可选的绝热构件802可以设置在容器90外部附近。
[0181] TES装置800的热能输入部102包括:热量接收组件804,所述热量接收组件包括热能输入部102的热量接收外表面180;从热量接收外表面180向内分隔开的内壁806;和内室807,所述内室至少部分地限定在热量接收外表面180与内壁806之间。热量接收组件804可以具体化为蒸汽室、热管和类似装置。热量接收组件804的内室807可以容纳工作流体808,例如钠、氦、水银、锌、铟、氨、酒精、甲醇、水、蒸汽、空气和类似物质。本领域的技术人员将会理解,热量接收组件804的内室807可以包含提供基本上与传统热管中的毛细作用芯提供的功能相同的功能的毛细作用芯结构(如上所述)。在该具体实施例中,热量接收组件804用作在具有传导或没有传导的情况下通过两相转换传递热能的传统热管。在特定的实施例中,输入能量部102可以仅通过传导输送热能。
[0182] TES装置800包括分开的两组传热装置810A和810B。第一组传热装置810A与第二组传热装置810B分隔开,并且TES介质110设置在第一组传热装置810A与第二组传热装置810B之间。第一组传热装置810A在内部室100内分布在第二组传热装置810B之间。
[0183] 第一组传热装置810A从热量接收组件804的内壁806延伸到容纳TES介质110的内部室100中,但未到达热能输出部104。传送到热能输入部102的热量接收组件804的热能通过第一组传热装置810A被输送到TES介质110中,所述第一组传热装置被显示为多个细长的圆柱形热管812。热管812中的每一个都具有内通道814,并且在特定的实施例中可以包含多个径向向外延伸的传导散热片816。在特定的实施例中,可以以时钟角度定向可选的散热片,从而将提供往返于TES介质的最佳热传递。内通道814中的每一个的封闭端部820邻接热量接收组件804的内壁806。因此,工作流体808可以在热量接收组件804内而不是在第一组传热装置810A的内通道814内移动。在特定的实施例中,第一组传热装置810A可以与热量接收组件804的内室807流体连通。在特定的实施例中,第一组传热装置810A可以与热量接收组件804传导连通。
[0184] TES装置800的热能输出部104包括与热量传输组件150(参见图1)基本上相同的热量传输组件850。热量传输组件850具有向内与外表面860分隔开的内表面851。在显示的实施例中,外表面860为与外表面160(参见图1)基本上相似的热交换面。热量传输组件850可以具体化为蒸汽室、热管和类似装置。热量传输组件850包括液体不能透过的内室865,所述内室至少部分地限定在分隔开的内表面851与外表面860之间。两相化合物或工作流体867,例如钠、氦、水银、锌、铟、氨、酒精、甲醇、水、蒸汽、空气和类似流体,容纳在内室865内。在内室865内,热量传输组件850可以更类似于传统热管(如上所述)使工作流体867凝结并通过毛细作用带走工作流体867。然而,在可选的实施例(未示出)中,热量传输组件850可以被构造成仅通过传导传送热能。
[0185] 第二组传热装置810B从热能输出部104的热量传输组件850的内表面145延伸到用于容纳TES介质110的内部室100中,但未到达热能输入部102。第二组传热装置810B被显示为多个细长的圆柱形热管832。热管832中的每一个都具有内通道834和多个径向向外延伸的散热片836。内通道834中的每一个的封闭端部840邻接热量传输组件850的内表面851。因此,工作流体867可以在热量传输组件850内而不是在第二组传热装置810B的内通道834内移动。在特定的实施例中,第二组传热装置810B可以与热量传输组件850的内室865流体连通。在特定的实施例中,第二组传热装置810B可以与热量传输组件850传导连通。
[0186] 图9显示了TES装置900。为了使说明简单,相同的附图标记在图1和图9中已经用于表示相同的结构。TES装置900中使用的TES介质110(参见图1)可以包括适合用于TES装置400(参见图4)中的如上所述的任何TES介质。TES装置900可以构造成不具有泵、阀或附加的热负荷以及在不具有泵、阀或附加的热负荷的情况下操作。可选的绝热构件902可以设置在容器90外部附近。绝热构件902可以由适于构造图8中显示和如上所述的绝热构件802的任何材料构造而成。
[0187] TES装置900的热能输入部102包括热量接收组件904,所述热量接收组件包括热能输入部102的热量接收外表面180、向内与热量接收外表面180分隔开的内壁906以及至少部分地限定在热量接收外表面180与内壁906之间的内室907。热量接收组件904可以具体化为蒸汽室、热管和类似装置。热量接收组件904可以容纳工作流体908,例如钠、氦、水银、锌、铟、氨、酒精、甲醇、水、蒸汽、空气和类似流体。本领域的技术人员将会理解,热量接收组件904的内室907的内部可以包含毛细作用芯结构,所述毛细作用芯结构提供与传统热管中的毛细作用芯提供的功能(如上所述)基本上相同的功能。在该具体实施例中,热量接收组件904用作传统热管。
[0188] TES装置900的热能输出部104包括与热量传输组件150(参见图1)基本上相同的热量传输组件950。热量传输组件950具有向内与外表面960分隔开的内表面951。在所述的实施例中,外表面960为与外表面160(参见图1)基本上相似的热交换面。热量传输组件950可以具体化为蒸汽室、热管和类似装置。热量传输组件950包括液体不能透过的内室965,所述内室至少部分地限定在分隔开的内表面951与外表面960之间。两相化合物或工作流体967,例如钠、氦、水银、锌、铟、氨、酒精、甲醇、水、蒸汽、空气和类似流体,容纳在内室965内。在内室965内,热量传输组件950可以更类似于传统热管(如上所述)使工作流体967凝结并通过毛细作用带走工作流体967。然而,在可选的实施例(未示出)中,热量传输组件950可以被构造成仅通过传导传送热能。
[0189] TES装置900包括单个组分隔开的传热装置910,所述传热装置分布在容纳TES介质110(参见图1)的内部室100内。传热装置910中的每一个在热能输入部102与热能输出部104之间延伸。在所述的实施例中,传热装置910从热量接收组件904的内壁906穿过内部室100延伸到热能输出部104的热量传输组件950的内表面951。
[0190] 传热装置910被显示为多个细长的圆柱形热管912。热管912中的每一个都具有内通道914和多个径向向外延伸的散热片916。内通道914中的每一个的第一封闭端部920邻接热量传输组件904的内壁906,而内通道914中的每一个的第二封闭端部922邻接热量传输组件950的内表面951。因此,工作流体908可以在热量传输组件904内而不是在传热装置910的内通道914内移动,并且工作流体967可以在热量传输组件950内而不是在传热装置910的内通道914内移动。在特定的实施例中,传热装置910可以与热量接收组件904的内室907和/或热量传输组件950的内室965流体连通。在特定的实施例中,传热装置910可以与热量接收组件904和/或热量传输组件950传导连通。
[0191] 图10显示了TES装置1000,所述TES装置被构造成在一部分热能被输送到TES介质110(参见图1)以用于储存之前将热能提供到热能输出部104。为了使说明简单,相同的附图标记在图1和图10中已经用于表示相同的结构。TES装置1000中使用的TES介质110(参见图1)可以包括适合用于TES装置400(参见图4)中的如上所述的任何TES介质。
TES装置1000可以构造成不具有泵、阀或附加的热负荷以及在不具有泵、阀或附加的热负荷的情况下操作。
[0192] TES装置1000的容器90的内部室100包括由周边部分“P1”包围的中央部分“C1”。容器90包括沿着内部室100的周边部分“P1”延伸的环形内部绝热通道1002。内部绝热通道1002通过连续的侧壁或分隔件1005可以与内部室100的其余部分分离。TES介质
110(参见图1)容纳在内部室100的中央部分“C1”内而不是在内部绝热通道1002内。可选地,内部绝热通道1002可以填充有绝热材料1003,例如空气、绝热陶瓷和类似材料。
[0193] TES装置1000的热能输入部102包括热量接收组件1004,所述热量接收组件包括热能输入部102的热量接收外表面180、向内与热量接收外表面180分隔开的内壁1006以及至少部分地限定在热量接收外表面180与内壁1006之间的内室1007。热量接收组件1004可以具体化为蒸汽室、热管和类似装置。热量接收组件1004可以容纳工作流体1008,例如钠、氦、水银、锌、铟、氨、酒精、甲醇、水、蒸汽、空气和类似流体。本领域的技术人员将会理解,热量接收组件1004的内室1007可以包含毛细作用芯结构,所述毛细作用芯结构提供与传统热管中的毛细作用芯提供的功能(如上所述)基本上相同的功能。在该具体实施例中,热量接收组件1004用作传统热管。
[0194] TES装置1000包括第一组分隔开的传热装置1010A和第二组分隔开的传热装置1010B。第一和第二组传热装置1010A和1010B中的每一个彼此分隔开并分布在内部室100内。第一和第二组传热装置1010A和1010B可以彼此分隔开并分布在内部室100内,以使往返于TES介质110的热传递最优化。第一组传热装置1010A位于内部绝热通道1002内,而第二组传热装置1010B位于内部绝热通道1002外。
[0195] TES装置1000的热能输出部104包括与热量传输组件150(参见图1)基本上相同的热量传输组件1050。热量传输组件1050具有向内与外表面1060分隔开的内表面1051。在所述的实施例中,外表面1060为与外表面160(参见图1)基本上相似的热交换面。热量传输组件1050可以具体化为蒸汽室、热管和类似装置。热量传输组件1050包括液体不能透过的内室1065,所述内室至少部分地限定在分隔开的内表面1051与外表面1060之间。两相化合物或工作流体1067,例如钠、氦、水银、锌、铟、氨、酒精、甲醇、水、蒸汽、空气和类似流体,容纳在内室1065内。在内室1065内,热量传输组件1050可以更类似于传统热管(如上所述)使工作流体1067凝结并通过毛细作用带走工作流体1067。然而,在可选的实施例(未示出)中,热量传输组件1050可以被构造成仅通过传导传送热能。
[0196] 第一组分隔开的传热装置1010A中的每一个在热能输入部102与热能输出部104之间延伸。在所述的实施例中,第一组分隔开的传热装置1010A从热量接收组件1004的内壁1006穿过内部室100的绝热内部通道1002延伸到热能输出部104的热量传输组件1050的内表面1051。绝热内部通道1002限制可以从第一组分隔开的传热装置1010A传送到内部室100的中央部分“C1”内的TES介质110(参见图1)的热能的量。由于传送到TES介质110(参见图1)的热能的量受到限制,因此由热能输入部102接收到的更多热能可以通过第一组传热装置1010A直接传送到热能输出部104。
[0197] 第一组传热装置1010A被显示为多个细长的圆柱形热管1012。热管1012中的每一个都具有内通道1014。内通道1014中的每一个的第一封闭端部1020穿过热量接收组件1004的内壁1006,以将内通道1014中的每一个的第一封闭端部1020的至少一部分1020A设置在热量接收组件1004的内室1007内。内通道1014中的每一个的第二封闭端部1022穿过热量传输组件1050的内表面1051,以将内通道1014中的每一个的第二封闭端部1022的至少一部分1022A设置在热量传输组件1050的内室1065内。因此,工作流体1008可以在热量接收组件1004的内室1007内而不是在第一组传热装置1010A的内通道1014内移动,并且工作流体1067可以在热量传输组件1050的内室1065内而不是在第一组传热装置
1010A的内通道1014内移动。
[0198] 第二组传热装置1010B从热能输出部104的热量传输组件1050的内表面1051延伸到容纳TES介质110的内部室100的中央部分“C1”中,但未到达热能输入部102的热量接收组件1004的内壁1006。第二组传热装置1010B在绝热内部通道1002外分布在内部室100的中央部分“C1”内。第二组传热装置1010B可以分布在内部室100的中央部分“C1”内,从而使TES模块1000的性能最佳。
[0199] 第二组传热装置1010B被显示为多个细长的圆柱形热管1032。热管1032中的每一个都具有内通道1034。可选地,热管1032可以包括多个径向向外延伸的散热片(未示出)。内通道1034中的每一个的封闭端部1040穿过热量传输组件1050的内表面1051,而将内通道1034中的每一个的封闭端部1040的至少部分1040A设置在热量传输组件1050的内室1065内。因此,工作流体1067可以在热量传输组件1050内而不是在第二组传热装置1010B的内通道1034内移动。
[0200] 在热能已经通过第一组传热装置1010A输送到热能输出部104之后,第二组传热装置1010B将没有被例如为斯特林发动机315(参见图3)的接收结构或装置170(参见图1)使用的热能的一部分输送到TES介质110(参见图1),以进行储存。依此方式,由热能输入部102接收到的热能可以立即输送到热能输出部104以供立即使用,并且该热能的一部分被输送回TES介质110(参见图1)以供将来使用。
[0201] 图11显示了TES装置1100,所述TES装置被构造成在一部分热能被输送到TES介质110(参见图1)以用于储存之前将热能提供到热能输出部104。为了使说明简单,相同的附图标记在图1和图11中已经用于表示相同的结构。TES装置1100中使用的TES介质110(参见图1)可以包括适合用于TES装置400(参见图4)中的如上所述的任何TES介质。
TES装置1100可以构造成不具有泵、阀或附加的热负荷以及在不具有泵、阀或附加的热负荷的情况下操作。
[0202] TES装置1100的容器90的内部室100包括由周边部分“P2”包围的中央部分“C2”。容器90包括位于其中央部分“C2”中的内部绝热通道1102。TES介质110(参见图1)被容纳在内部室100的在内部绝热通道1102外的部分1103内。可选地,内部绝热通道1102可以填充有绝热材料1101,例如空气、绝热陶瓷和类似材料。内部绝热通道1102可以通过连续的侧壁或分隔件1105与内部室100的部分1103隔离。
[0203] TES装置1100的热能输入部102包括:热量接收组件1104,所述热量接收组件包括热能输入部102的热量接收外表面180;向内与热量接收外表面180分隔开的内壁1106;和至少部分地限定在热量接收外表面180与内壁1106之间的内室1107。热量接收组件
1104可以具体化为蒸汽室、热管和类似装置。热量接收组件1104的内室1107可以容纳工作流体1108,例如钠、氦、水银、锌、铟、氨、酒精、甲醇、水、蒸汽、空气和类似物质。本领域的技术人员将会理解,热量接收组件1104的内室1107可以包含毛细作用芯结构,所述毛细作用芯结构提供与传统热管(如上所述)中的毛细作用芯所提供的功能基本上相同的功能。
在该特定的实施例中,热量接收组件1004用作传统热管。TES装置1100包括第一组分隔开的传热装置1110A和第二组分隔开的传热装置1110B。第一和第二组传热装置1110A和
1110B中的每一个彼此分隔开并分布在内部室100内。第一和第二组传热装置1110A和
1110B的传热装置可以彼此分隔开并分布在内部室100内,以使往返于TES介质的热传递最优化。第一组传热装置1110A位于内部绝热通道1102内,而第二组传热装置1110B位于内部绝热通道1102外。
[0204] TES装置1100的热能输出部104包括与热量传输组件150(参见图1)基本上相同的热量传输组件1150。热量传输组件1150具有向内与外表面1160分隔开的内表面1151。在所述的实施例中,外表面1160为与外表面160(参见图1)基本上相似的热交换面。热量传输组件1150可以具体化为蒸汽室、热管和类似装置。热量传输组件1150包括液体不能透过的内室1165,所述内室至少部分地限定在分隔开的内表面1151与外表面1160之间。两相化合物或工作流体1167,例如钠、氦、水银、锌、铟、氨、酒精、甲醇、水、蒸汽、空气和类似流体,容纳在内室1165内。在内室1165内,热量传输组件1150可以更类似于传统热管(如上所述)使工作流体1167凝结并通过毛细作用带走工作流体1167。然而,在可选的实施例(未示出)中,热量传输组件1150可以被构造成仅通过传导传送热能。
[0205] 第一组分隔开的传热装置1110A中的每一个在热能输入部102与热能输出部104之间延伸。在所述的实施例中,第一组分隔开的传热装置1110A从热量接收组件1004的内壁1106穿过内部室100的绝热内部通道1102延伸到热能输出部104的热量传输组件1150的内表面1151。绝热内部通道1102限制可以从第一组分隔开的传热装置1110A传送到内部室100的部分1103内的TES介质110(参见图1)的热能的量。由于传送到TES介质110(参见图1)的热能的量受到限制,因此由热能输入部102接收到的更多热能可以通过第一组传热装置1110A直接传送到热能输出部104。
[0206] 第一组传热装置1110A被显示为多个细长的圆柱形热管1112。热管1112中的每一个都具有内通道1114。内通道1114中的每一个的第一封闭端部1120穿过热量接收组件1104的内壁1106,而至少将内通道1114中的每一个的第一封闭端部1120的部分1120A设置在热量接收组件1104内。内通道1114中的每一个的第二封闭端部1122穿过热量传输组件1150的内表面1151,而至少将内通道1114中的每一个的第二封闭端部1122的部分
1122A设置在热量传输组件1150内。因此,工作流体1108可以在热量接收组件1104的内室1107内而不是在第一组传热装置1110A的内通道1114内移动,并且工作流体1167可以在热量传输组件1150的内室1165内而不是在第一组传热装置1110A的内通道1114内移动。
[0207] 第二组传热装置1110B从热能输出部104的热量传输组件1150的内表面1151延伸到容纳TES介质110的内部室100的部分1103中,但未到达热能输入部102的热量接收组件1104的内壁1106。第二组传热装置1110B被分布在内部室100的在绝热内部通道1102外的部分1103内。
[0208] 第二组传热装置1110B被显示为多个细长的圆柱形热管1132。热管1132中的每一个都具有内通道1134。可选地,热管1132可以包括多个径向向外延伸的散热片(未示出)。内通道1134中的每一个的封闭端部1140穿过热量传输组件1150的内表面1151,而至少将内通道1134中的每一个的封闭端部1140的部分1140A设置在热量传输组件1150内。因此,工作流体1167可以在热量传输组件1150内而不是在第二组传热装置1110B的内通道1134内移动。
[0209] 在热能已经通过第一组传热装置1110A输送到热能输出部104之后,第二组传热装置1110B将没有被例如为斯特林发动机315(参见图3)的接收结构或装置170(参见图1)使用的热能的一部分输送到TES介质110(参见图1),以进行储存。依此方式,由热能输入部102接收到的热能可以立即输送到热能输出部104以供立即使用,并且该热能的一部分被输送回TES介质110(参见图1)以供将来使用。
[0210] 因此,图10和图11中显示的TES装置1000和1100分别被构造成将热量传送到接收结构或装置170(参见图1)而不需要首先将热能储存在TES介质110(参见图1)中,或者可选地,当热能被提供给接收结构或装置170时,仅将限定量的热能储存在TES介质110中。例如,TES装置1000和1100可以被构造成仅储存超过接收结构或装置170(例如,图3中显示的斯特林发动机315)运转所需量的热能。在这种实施例中,仅有限量的热能被传送到TES介质110(参见图1)。这种实施例可以特征化为双模式,这是因为所述实施例具有(1)将热能储存在TES介质110中和(2)将热能输送到热能输出部分104的能力。TES装置1000和1100可以构造为厂内密封的、无需维护的模块。
[0211] 内燃烧器实施例
[0212] 图12-20显示与诸如燃烧器的内部热能源一起使用的TES装置的实施例。图12提供具有TES部件1210(所述TES部件可以可选地与加热器头部315A一体形成)和燃烧器部件1212的TES装置1200的实施例的等视轴剖视图。在该实施例中,热能输入部102包括燃烧器部件1212,所述燃烧器部件提供将由TES介质110(参见图1)储存的热能。TES部件1210提取储存在TES介质110(参见图1)中的热能,以及通过热能输出部104将提取的热能提供给接收结构或装置170(参见图1)。
[0213] TES部件1210具有限定构造用于储存TES介质110(参见图1)的中空内部区1222的壳体1220。为了提供TES部件1210内的结构的较好视图,已经从图12省略了TES介质110,但在图13中可以看到。壳体1220具有大致为圆柱形的外形。然而,这不是必要条件,其中壳体1220具有诸如方形、矩形、六边形和类似形状的不同外形的实施例也在本公开内容的范围内。作为非限制性实例,壳体1220可以具有大约15英寸的直径“D”和大约15英寸的长度“L”。
[0214] 壳体1220具有被构造成容纳燃烧器部件1212的开口端部1226,所述燃烧器部件可以固定在所述开口端部中。作为非限制性实例,燃烧器部件1212可以利用本领域所公知的传统的金属粘合技术非可移除地固定到壳体1220。燃烧器部件1212延伸到构造用于储存TES介质110(参见图1)的中空内部区1222中。壳体1220可以具体化为外圆柱形外壳,所述外圆柱形外壳在其开口端部1226处具有与燃烧器部件1212对接的焊接边缘(未示出)。
[0215] 壳体1220具有与开口端部1226相对的封闭端部1228。执行与热量传输组件150(参见图1)相同的功能的热量传输组件1230形成在壳体1220的封闭端部1228中。热量传输组件1230可以具体化为蒸汽室、热管和类似装置。可选地,热量接收组件1230可以被构造成仅通过传导传送热能。
[0216] 在所示的实施例中,热量传输组件1230已经具体化为热管。热量传输组件1230包括与外侧壁1234分隔开的内侧壁1232,并且所述内侧壁与所述外侧壁之间至少部分地限定内室1235。在该实施例中,热能输出部104包括热量传输组件1230以及所述热量传输组件的内侧壁1232和外侧壁1234。内侧壁1232具有与壳体1220相邻的周边部分1233。可选地,内侧壁1232包括多个分隔开的通孔1240。外侧壁1234可以包括加热器头部315A。
[0217] 外侧壁1234可以包括环绕加热器头部315A设置的环形过渡构件。壳体1220可以焊接或硬焊到内侧壁1232的周边部分1233和环形过渡构件。可选的加热器头部315A和/或环形过渡构件可以包括焊接边缘(未示出),所述焊接边缘可以用于焊接连接至其的壳体1220。内侧壁1232和可选的外侧壁1234包括一个或多个填充口1236。
[0218] TES部件1210包括显示为从内侧壁1232朝向燃烧器部件1212延伸并延伸到TES介质110(参见图1)中的中空圆柱形热管1260的多个传热装置1258。在其中内侧壁1232包括多个分隔开的通孔1240的实施例中,多个热管1260中的每一个可以在通孔1240中的一个处终止。多个热管1260可以堵塞通孔1240,从而防止TES介质110穿过通孔1240进入热量传输组件1230。热管1260在内侧壁1232的通孔1240处终止。
[0219] TES介质110(参见图1)在中空内部区1222内密封在壳体1220、燃烧器部件1212(所述燃烧器部件封闭壳体1220的开口端部1226)和热量传输组件1230的内侧壁
1232之间。
[0220] 诸如接收结构或装置170(参见图1)的外部装置可以连接到热量传输组件1230以从所述热量传输组件接收热能,所述外部装置可以包括斯特林发动机315(参见图3)。正如以上关于其它实施例的说明,斯特林发动机315(参见图3)的加热器头部315A可以与热量传输组件1230的外表面1234一体形成。可选地,加热器头部315A和热量传输组件1230的外表面1234可以为连接在一起以在所述加热器头部与所述外表面之间进行热传递的单独的部件。
[0221] 以下将说明燃烧器部件1212。如上所述,燃烧器部件1212设置在壳体1220的开口端部1226内,并延伸到构造用于储存TES介质110(参见图1)的中空内部区1222中。
[0222] 燃烧器部件1212包括被构造成设置在所述燃烧器部件内并至少部分地被TES介质110(参见图1)包围的内部燃烧室1280。内部燃烧室1280具有一个或多个入口1282,燃料和氧气的混合物通过所述入口进入内部燃烧室1280。作为非限制性实例,内部燃烧室1280可以具有大致为圆柱形的形状。作为另一个非限制性实例,内部燃烧室1280可以具有大约2英寸的直径和大约6英寸的长度。内部燃烧室1280具有一个或多个出口1284,燃烧产物通过所述出口离开内部燃烧室。
[0223] 为了引导燃烧产物远离内部燃烧室1280,燃烧器部件1212包括多个第一流动通道1290和一个或多个环形排出通道(例如,内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B),所述环形排出通道设置在TES部件1210的壳体1220的中空内部区1222内并延伸通过TES介质110(参见图1)。在所述的实施例中,多个第一流动通道1290远离内部燃烧室1280径向延伸。环形排出通道1294A和1294B中的每一个都环绕内部燃烧室1280布置并与内部燃烧室1280分隔开。在图12中显示的实施例中,燃烧器部件1212包括内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B。然而,包括单个环形排出通道或多于两个的环形排出通道的实施例也在本教导的范围内。
[0224] 作为非限制性实例,内环形排出通道1294A可以距离内部燃烧室1280的中心大约7英寸,而外环形排出通道1294B可以距离内部燃烧室的中心大约12英寸。内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B具有排出孔1296A和1296B,燃烧产物可以分别通过排出孔1296A和1296B从TES装置1200的燃烧器部件1212排出。
[0225] 显示的燃烧器部件1212还包括多个第二流动通道1300,所述多个第二流动通道使内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B相互连接。多个第二流动通道1300设置在TES部件(或子组件)1210的壳体1220的中空内部区1222内并延伸通过TES介质110(参见图1)。多个第一和第二流动通道1290和1300每一个都具有导热侧壁“S1”。内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B每一个被限定在一对分隔开的导热侧壁“S2”和“S3”之间。导热侧壁“S1”、“S2”和“S3”与储存在壳体1220的中空内部区1222内的TES介质110(参见图1)直接接触。
[0226] 燃烧产物沿着径向或环形的燃烧气体流动路径流动通过TES装置1200的TES部件1210通过出口1284从内部燃烧室1280排出。具体地,多个第一流动通道1290中的每一个将内部燃烧室1280的出口1284连接到内环形排出通道1294A。多个第一径向延伸的流动通道1290远离内部燃烧室1280径向向外输送所述燃烧产物到内环形排出通道1294A中。该方法可以被构造成提供极好的传热特性,从而通过最宽的公差和简单的一体化可以以简单的方式制造而成。在所述的实施例中,多个第一流动通道1290具体化为一排矩形横截面导管。多个第一流动通道1290的总横截面面积可以近似等于内部燃烧室1280的横截面面积。
[0227] 径向向外流动通过多个第一流动通道1290的一部分燃烧产物流动到内环形排出通道1294A中,并通过排出孔1296A从内环形排出通道排出。其余的燃烧产物继续径向向外通过多个第二流动通道1300,进入并穿过外环形排出通道1294B,并且通过排出孔1296B从内环形排出通道排出。
[0228] 多个第一和第二流动通道1290和1300可以构造成使得内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B内的在与多个第二流动通道1300相邻处的压力基本上相等。例如,在所述的实施例中,燃烧器部件1212包括为多个第一流动通道1290的数量两倍的多个第二流动通道1300。多个第二流动通道1300中的每一个具有与多个第一流动通道1290中的每一个相同的横截面面积。该布置使内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B内的在与多个第二流动通道1300相邻处的压力基本上相等。
[0229] 内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B的平均结合横截面流动面积可以基本上等于内部燃烧室1280的横截面面积。内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B中的每一个都可以逐渐变窄成为在排出孔1296A和1296B附近较大。例如,内、外环形排出通道1294A和1294B在与多个第二流动通道1300相邻处可以具有大约0.10英寸的最大宽度,而内、外环形排出通道1294A和1294B分别在排出孔1296A和1296B处可以每一个都具有大约0.02英寸的最小宽度。燃烧产物在大约1500K(1227C)的温度下进入内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B中的每一个,并在大约1000K(727℃)的温度下通过排出孔1296A和1296B从燃烧器部件1212排出。换热效能近似与内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B的宽度成反比例。通过使内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B逐渐变窄,当驱动所述热传递的温差降低时,内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B的侧壁“S2”和“S3”可以沿着其燃烧气体流动路径的一部分具有近似均匀的温度和热通量。
[0230] 显示的燃烧器部件1212包括三个垫圈形平圆盘部分1270A、1270B和1270C。圆盘部分1270A封闭内部燃烧室1280与内排出孔1296A之间的空间。圆盘部分1270B封闭内排出孔1296A与外排出孔1296B之间的空间。圆盘部分1270C封闭外排出孔1296B与外圆柱形壳体1220之间的空间。燃烧器部件1212可以主要由能够单独地简单安装的金属板部件构造而成。这种部件可以硬焊或焊接在一起以制造坚固的燃烧器部件1212。如上所述,壳体1220可以包括位于其开口端部1226处的焊接边缘(未示出),所述焊接边缘可以沿着所述开口端部的周边焊接或硬焊到圆盘部分1270C。
[0231] 使TES介质110(参见图1)熔化和过热的热流起源于在燃烧产物从内部燃烧室1280排出并穿过内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B时燃烧产物的流动。多个第一和第二流动通道1294A和1294B的侧壁“S2”和“S3”由燃烧产物的流动被加热,并将该侧壁获得的热能的至少一部分传送到TES介质110(参见图1)。
[0232] 横过侧壁“S2”和“S3”的热传递加热TES介质110(参见图1)的相邻区域并使所述相邻区域熔化。在没有其它传热装置的情况下,TES介质110(参见图1)的这些区域将变得过热,而热量传输组件1230(和可选的加热器头部315A)和邻近的TES介质区域将保持相对较冷。通过布置在TES部件1210内的热管1260可以防止这种不期望的情况。在所述的实施例中,热管1260具有大致管状形状,所述管状形状具有圆的横截面形状。然而,这不是必要条件。
[0233] 在所述的实施例中,热管1260每一个都延伸到燃烧器部件1212中,并具有终止在燃烧器部件1212内的封闭端部1320。当内部燃烧室1280操作时(即,在加热循环期间),与燃烧器部件1212相邻的TES介质110(参见图1)中的热管1260的封闭端部1320将热量从该区域传送到热量传输组件1230,并且还将热量传送到TES介质110(参见图1)的远离燃烧器部件1212的部分。当内部燃烧室1280不操作时(例如,在冷却循环期间),热管1260中的每一个的整个长度可以将热量从TES介质110(参见图1)传送到热量传输组件
1230。
[0234] 在所述的实施例中,热管1260被布置成同心环图案,所述同心环包括第一环“R1A”和第二环“R2A”,所述第一环在内部燃烧室1280与内环形排出通道1294A之间延伸到燃烧器部件1212中,所述第二环在内环形排出通道1294A与外环形排出通道1294B之间延伸到燃烧器部件1212中。因此,环“R1A”和“R2A”中的每一个与内部燃烧室1280、内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B中的至少一个相邻,并从内部燃烧室1280、内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B中的至少一个接收热能。
[0235] 作为非限制性实例,第一环“R1A”可以包括在距离壳体1220的中心大约4.5英寸处以大约45度间隔定位的八个热管1260,第二环“R2A”可以包括在距离壳体1220的中心大约9.5英寸处以大约22.5度间隔定位的16个热管。可选的第三环(未示出)可以包括在距离壳体1220的中心大约13.5英寸处以大约18度间隔定位的20个热管。这些间距被选择成提供大约两英寸的TES介质110(参见图1)内的热管1260之间的中央间距(on-center spacing)。该间距确保了TES介质110(参见图1)没有任何部分距离最近的热管1260(即,散热位置)远远超过一英寸。
[0236] 然而请注意,在壳体1220中央1260附近向内部燃烧室1280内不提供该间距。该中央区域的例外是不会引起问题,这是因为当TES介质110(参见图1)围绕热管1260凝固且其体积缩小时,所述中央区域中的任何残余液体将通过重力作用到靠近热管1260的区域。如果所述中央区域在加热或冷却期间将出现问题,则可以增加从内部燃烧室1280或与内部燃烧室1280相邻的位置延伸通过TES介质至热量传输组件1230的热管(未示出)。
[0237] 当构造TES装置1200时,在热量传输组件1230的外表面1234固定在壳体1220的封闭端1228内部之前,TES介质110(见图1),其可以是固态盐,插入到TES部件1210的中空内部区域1222内。在图示的实施例中,TES介质110(见图1)通过填充口1236倒入中空内部区域1220内部。测量质量的固态TES介质(以及可选地,如果确实需要,诸如颗粒的吸气剂材料)通过填充口1236倒入直到中空内部区域1222完全填充了TES介质。基于液态盐对固态盐的已知密度比以及选择的体积安全限度,测量质量的盐被移除以适应因为熔化而引起的体积变化。此后,填充口1236被完全清洁,并且填充塞子1238固定到填充口1236内部以密封TES部件1210的中空内部区域1222。然后,填充塞子1238将TES介质110(见图1)捕获在中空内部区域1222的内部。在非限制性示例中,填充塞子1238可以通过将其焊接在填充口1236内而固定在填充口1236内部。之后,加热器头部315A可以焊接到热量传输组件1230的外表面1234的环形过渡构件。
[0238] 可选地,适当热量的热管工作流体1242(例如,钠)可以通过填充口(未示出)添加到环形过渡构件中。接着,通过将塞子(未示出)插入填充口中密封填充口(未示出)。塞子可以利用适于将塞子1238固定在填充口1236中的任何方法固定在填充口内。
[0239] 理想的是将热管毛细作用芯(未示出)添加到与热管工作流体接触的部件。热管毛细作用芯(未示出)可以通过滚花过程形成在热管1260的内部中。热管毛细作用芯可以包括添加到其它部件的滤网或微粒毛细作用材料。
[0240] 通过热源(例如,氢化合物/氧气燃烧器)与斯特林发动机的热端之间密切的热连通可以提高斯特林发动机(例如,图3中显示的斯特林发动机315)的效率。使几乎恒定的温度保持在认为最佳的值的能力也很重要。燃烧器部件1212可以用作持续或间断的热源,以保持TES介质110(参见图1)的两相恒温状态。
[0241] 作为非限制性实例,TES装置1200可以组装到水下潜航器中并用于给所述运载工具提供动力。在这种实施例中,内部燃烧室1280可以被构造成燃烧JP5、JP8、JP10和类似物。美国海军对诸如JP5、JP8或JP10的关键类燃料的使用很有兴趣,这是因为所述燃料可以用于在与简单的氧存储/生成装置一起使用时的非常大的范围的移动或用于潜水送气管的潜力。这尤其是用于使用诸如燃料电池或斯特林发动机的高效能量转换器时的情况。额外益处在于所述运载工具可以到达水面附近,以便使燃烧器部件1212在较低的排出压力(并因此以较高的效率)下运行以热“填充”TES介质110(参见图1),所述TES介质可以接着用于在运载工具在水下时提供恒温的封闭热源。还可以使燃烧器部件1212在运载工具位于水面时运行以填充TES介质110(参见图1),并因此消除对所述运载工具上承载的氧化剂的需求。
[0242] 图13和图14提供对可以用于给诸如水下潜航器的运载工具提供动力的驱动系统1400的说明。驱动系统1400包括连接到燃料箱1410和氧气筒1412的TES装置1200。燃料箱1410绕着斯特林发动机315的加热器头部315A设置。图13示出了嵌入TES介质110内的内部燃烧室1280。内部燃烧室1280从燃料箱1410接收燃料并从氧气筒1412接收氧气,并且使所述燃料和所述氧气燃烧以产生传送到TES介质110供储存的热能。热管1280将储存的热能输送到加热器头部315A,加热器头部315A处的热能给斯特林发动机315提供动力。
[0243] 图15为与燃烧器一起使用的TES装置1500的可选实施例。TES装置1500具有TES部件1510和燃烧器部件1512。在该实施例中,热能输入部102包括提供将由TES介质110(参见图1)储存的热能的燃烧器部件1512。TES部件1510提取TES介质110(参见图
1)中储存的热能,并通过热能输出部104将提取的热能提供给接收结构或装置170(参见图
1)。
[0244] TES部件1210具有限定构造用于储存TES介质110(参见图1)的中空内部区域1522的壳体1520。为了提供TES部件1510内的结构的较好视图,已经从图15中省略了TES介质110。壳体1520具有大致为圆柱形的外形。然而,这不是必要条件,其中壳体1520具有诸如方形、矩形、六边形和类似形状的不同外形的实施例也在本公开内容的范围内。
[0245] 壳体1520可以与壳体1220(参见图12)基本上相似,并且可以以如上所述的适于将燃烧器部件1212(参见图12)连接到壳体1220(参见图12)的任何方式连接到燃烧器部件1512。燃烧器部件1512延伸到构造用于储存TES介质110(参见图1)的中空内部区域1522中。
[0246] TES部件1510还包括以与热量传输组件1230(参见图12)基本上相似的方式操作的热量传输组件1530。诸如接收结构或装置170(参见图1)的可以包括斯特林发动机315(参见图3)的外部装置可以连接到热量传输组件1530,以便从所述热量传输组件接收热能。在所述的实施例中,热量传输组件1530没有与斯特林发动机315(参见图3)的加热器头部315A(参见图4)一体形成。然而,其中热量传输组件1530与斯特林发动机315(参见图3)的加热器头部315A(参见图4)一体形成的实施例在本教导的保护范围内。
[0247] 热量传输组件1530被限定在分隔开的内侧壁1532与外侧壁1534之间。在该实施例中,热能输出部104包括热量传输组件1530及其内侧壁1532和外侧壁1534。内侧壁1532和可选的外侧壁1534包括一个或多个与填充口1236(参见图12)基本上相似的填充口(未示出)。可选地,内侧壁1532包括多个分隔开的通孔1540。可选的套环1542可以绕着每一个通孔1540设置。
[0248] TES介质110(参见图1)被密封在壳体1520、燃烧器部件1512和热量传输组件1530的内侧壁1532之间的中空内部区域1522内。TES部件1510包括多个传热装置1558,所述传热装置被显示为从内侧壁1532朝向燃烧器部件1512延伸并延伸到TES介质110(参见图1)中的中空圆柱形热管1560。在内侧壁1532包括多个分隔开的通孔1540的实施例中,多个热管1560中的每一个可以延伸到通孔1540中的一个中或者在通孔1540中的一个处终止。在所述的实施例中,热管1560容纳在套环1542内,并且每一个热管都部分地延伸到热量传输组件1530中。因此,热管1560堵塞通孔1240并防止TES介质110通过通孔
1540进入热量传输组件1530。
[0249] 燃烧器部件1512包括被构造成设置在TES介质110(参见图1)内并至少部分地被TES介质110包围的内部燃烧室1580。内部燃烧室1580可以基本上与内部燃烧室1280(参见图12)相同。内部燃烧室1580具有一个或多个入口1582,燃料和氧气通过所述入口进入内部燃烧室1580。内部燃烧室1580还具有一个或多个出口1584,燃烧产物通过所述出口从内部燃烧室中排出。
[0250] 为了引导燃烧产物远离内部燃烧室1580,燃烧器部件1212具有多个流动通道1590和一个或多个环形排出通道(例如,环形排出通道1594),所述环形排出通道设置在TES部件1510的壳体1520的中空内部区域1522内并延伸通过TES介质110(参见图1)。
在所述的实施例中,流动通道1590沿径向远离内部燃烧室1580延伸。环形排出通道1594环绕内部燃烧室1580布置并与所述内部燃烧室分隔开。环形排出通道1594具有排出孔
1596,燃烧产物可以通过所述排出孔从TES装置1500的燃烧器部件1512中排出。在图15中显示的实施例中,燃烧器部件1512仅包括环形排出通道1594。然而,包括两个或多个环形排出通道的实施例也在本教导的保护范围内。
[0251] 流动通道1590与TES装置1200(参见图12)的第一流动通道1290基本上相似。同样,环形排出通道1594可以与TES装置1200的内环形排出通道1294A(参见图12)基本上相似。然而,环形排出通道1594被构造成远离内部燃烧室1580输送所有燃烧产物而不是仅输送一部分燃烧产物。进一步地,与内环形排出通道1294A不同,环形排出通道1594没有连接到第二组流动通道。环形排出通道1594被限定在一对分隔开的导热侧壁“S4”和“S5”之间。导热侧壁“S4”和“S5”与储存在壳体1520的中空内部区域1522内的TES介质
110(参见图1)直接接触。
[0252] 流动通道1590将内部燃烧室1580的出口1584连接到环形排出通道1594。径向延伸的流动通道1590将燃烧产物远离内部燃烧室1580径向向外输送到环形排出通道1594中。燃烧产物移动通过环形排出通道1594,并通过排出孔1596从环形排出通道中排出。当燃烧产物移动通过环形排出通道1594时,所述燃烧产物加热导热侧壁“S4”和“S5”。
[0253] 燃烧器部件1512包括环形热管1598,所述环形热管具有一对分隔开的导热侧壁“S6”和“S7”。侧壁“S7”与环形排出通道1594的侧壁“S4”相邻。侧壁“S7”可以与侧壁“S4”分隔开或者与侧壁“S4”面对面接合。侧壁“S7”从侧壁“S4”接收热能并将该热能输送到TES介质110(参见图1)中。在所述的实施例中,环形热管1598从环形排出通道1594朝向热量传输组件1530延伸,但不会接触热量传输组件1530。在可选的实施例(未显示)中,环形热管1598可以与热量传输组件1530接触并被构造成将热能输送到所述热量传输组件。
[0254] 热管1560每一个都从热量传输组件1530延伸到流动通道1590之间的燃烧器部件1512中,并且每一个热管1560都具有在燃烧器部件1612内终止的封闭端部1600。当内部燃烧室1580操作时(即,在热循环期间),与燃烧器部件1512相邻的热管1560的封闭端部1600将热量从内部燃烧室1580传送到热量传输组件1530。当内部燃烧室1580没有操作时(例如,在冷却循环期间),热管1560中的每一个的整个长度可以将热量从TES介质110(参见图1)传送到热量传输组件1530。
[0255] 在所述的实施例中,热管1560被布置成同心环图案,所述同心环包括第一环“R1B”和第二环“R2B”,所述第一环在内部燃烧室1580与环形热管1598之间延伸到燃烧器部件1512中,所述第二环在环形热管1598与壳体1520之间延伸到燃烧器部件1512中。第一环“R1B”的热管1560在流动通道1590之间延伸,因此,环“R1B”和“R2B”中的每一个与内部燃烧室1280、环形排出通道1594、环形热管1598和流动通道1590中的至少一个相邻,并从内部燃烧室1280、环形排出通道1594、环形热管1598和流动通道1590中的至少一个接收热能。
[0256] 工作流体(未示出)可以设置在热管1560和/或环形排出通道1594内。理想的是将热管毛细作用芯(未示出)添加到与热管工作流体接触的部件。热管毛细作用芯(未示出)可以通过滚花过程形成在热管1560的内部中。热管毛细作用芯可以包括添加到其它部件的滤网或微粒状毛细作用材料。
[0257] 图16示出了与燃烧器一起使用的TES装置1700的可选实施例。TES装置1700具有TES部件1710和燃烧器部件1712。在该实施例中,热能输入部102包括提供将由TES介质110(参见图1)储存的热能的燃烧器部件1712。TES部件1710提取TES介质110(参见图1)中储存的热能,并通过热能输出部104将提取的热能提供给接收结构或装置170(参见图1)。
[0258] TES部件1710具有限定构造用于储存TES介质110(参见图1)的中空内部区域1722的壳体1720。为了提供TES部件1510内的结构的较好视图,已经从图17中省略了TES介质110。壳体1720具有大致圆柱形的外形。然而,这不是必要条件,其中壳体1720具有诸如方形、矩形、六边形和类似形状的不同外形的实施例也在本公开内容的保护范围内。
[0259] 壳体1720具有开口端部1726,燃烧器部件1712连接到所述开口端部。开口端部1726包括焊接边缘1727,燃烧器部件1712包括相对应的焊接边缘1728。燃烧器部件1712可以通过将焊接边缘1728焊接到焊接边缘1727连接到壳体1720。
[0260] TES部件1710包括以与热量传输组件1230(参见图12)基本上相似的方式操作的热量传输组件1730。诸如接收结构或装置170(参见图1)的可以包括斯特林发动机315(参见图3)的外部装置可以连接到热量传输组件1730,以便从所述热量传输组件接收热能。在所述的实施例中,热量传输组件1730没有与斯特林发动机315(参见图3)的加热器头部315A(参见图4)一体形成。然而,其中热量传输组件1730与斯特林发动机315(参见图3)的加热器头部315A(参见图4)一体形成的实施例在本教导的保护范围内。
[0261] 热量传输组件1730被限定在分隔开的内侧壁1732与外侧壁1734之间。在该实施例中,热能输出部104包括热量传输组件1730及其内侧壁1732和外侧壁1734。内侧壁1732和可选的外侧壁1734包括分别与填充口1236(参见图12)基本上相似的一个或多个填充口1735(未示出)。可选地,内侧壁1732包括多个分隔开的通孔1740。可选的套环
1742可以绕着每一个通孔1740设置。
[0262] TES介质110(参见图1)被密封在壳体1720、燃烧器部件1712和热量传输组件1730的内侧壁1732之间的中空内部区域1722内。TES部件1710包括多个传热装置1758,所述传热装置被显示为从内侧壁1732朝向燃烧器部件1712延伸并延伸到TES介质110(参见图1)中的中空圆柱形热管1760。在内侧壁1732包括多个分隔开的通孔1740的实施例中,多个热管1760中的每一个可以延伸到通孔1740中的一个中或者在通孔1740中的一个处终止。在所述的实施例中,热管1760容纳在套环1742内。因此,热管1760堵塞通孔
1740并防止TES介质110通过通孔1740进入热量传输组件1730。
[0263] 转到图17,燃烧器部件1712具有通过多个分支通道1734分为多个中空区域1732的部分中空的内部1730。分支通道1734可以具体化为分形热交换器(fractal heatex changer)。中空区域1732每一个被构造成储存额外量的TES介质110(参见图1)。
[0264] 分支通道1734中的每一个都具有基本上线性的第一部分1734A、分支部分1734B、基本上线性的第二分支部分1734C和基本上线性的第三分支部分1734D。分支部分1734B将基本上线性的第一部分1734A连接到基本上线性的第二和第三部分1734C和1734D。
[0265] 中空区域1732被限定在基本上线性的第二和第三分支部分1734C和1734D之间以及相邻的分支通道1734之间。基本上线性的第一部分1734A、基本上线性的第二分支部分1734C和基本上线性的第三分支部分1734D中的每一个都具有形成在燃烧器部件1712的外部1738中的排出孔1736。
[0266] 燃烧器部件1512包括被构造成设置在TES介质110(参见图1)内并至少部分地被TES介质110包围的内部燃烧室1780。内部燃烧室1780可以基本上与内部燃烧室1780(参见图12)相同。内部燃烧室1780具有一个或多个入口1782,燃料和氧气通过所述入口进入内部燃烧室1780。内部燃烧室1780还具有一个或多个出口1784,燃烧产物通过所述出口从内部燃烧室中排出。
[0267] 分支通道1734被构造成引导所有的燃烧产物远离内部燃烧室1780。基本上线性的第一部分1734A每一个将内部燃烧室1780的出口1784中的一个连接到分支部分1734B。燃烧产物从出口1784流动到基本上线性的第一部分1734A中。出口1784和/或分支通道
1734可以构造成使得等量的燃烧产物流入每一个分支通道1734。燃烧产物中的至少一部分朝向燃烧器部件1712的外部1738流动通过基本上线性的第一部分1734A中的每一个,并通过基本上线性的第一部分1734A的排出孔1736从燃烧器部件1512中排出。
[0268] 分支部分1734B将基本上线性的第一部分1734A连接到基本上线性的第二和第三分支部分1734C和1734D。剩余的燃烧产物从基本上线性的第一部分1734A中的每一个流动到连接到所述基本上线性的第一部分的分支部分1734B中。接着,所述剩余的燃烧产物从分支部分1734B流动到基本上线性的第二和第三分支部分1734C和1734D中。分支通道1734可以构造成使得等量的燃烧产物流入基本上线性的第二和第三分支部分1734C和1734D中的每一个。最后,所述剩余的燃烧产物朝向燃烧器部件1712的外部1738流动通过基本上线性的第二和第三分支部分1734C和1734D,并通过基本上线性的第二和第三分支部分1734C和1734D从燃烧器部件1512中排出。
[0269] 因此,分支通道1734可以特征化为引导燃烧产物径向向外远离内部燃烧室1780并离开排出孔1736。所述燃烧产物在流动通过分支通道1734时加热中空区域1732中的TES介质110(参见图1)。
[0270] 分支通道1734中的每一个可以被构造成将基本上相同量的热能从燃烧产物传导到TES介质110中。基本上线性的第二和第三分支部分1734C和1734D可以被构造成将基本上相同量的热能从燃烧产物传导到TES介质110。基本上线性的第一部分1734A、基本上线性的第二分支部分1734C和基本上线性的第三分支部分1734D可以具体化为构造用于将基本上相同量的热能从燃烧产物输送到TES介质110的平衡热交换器。进一步地,基本上线性的第一部分1734A、基本上线性的第二分支部分1734C和基本上线性的第三分支部分1734D可以被构造成将更多的热能提供到TES介质110的位于靠近容器90的周边部分处的部分,在其处,TES介质110的体积增加。
[0271] 热管1760每一个都从热量传输组件1730延伸到燃烧器部件1712的中空区域1732中。每一个热管1760都具有在燃烧器部件1712的中空区域1732中的一个内终止的封闭端部1790。当内部燃烧室1780操作时(即,在热循环期间),与燃烧器部件1712相邻的热管1760的封闭端部1790将热量从内部燃烧室1780传送到热量传输组件1730。当内部燃烧室1780没有操作时(例如,在冷却循环期间),热管1760中的每一个的整个长度可以将热量从TES介质110(参见图1)传送到热量传输组件1730。
[0272] 工作流体(未示出)可以设置在热管1760内。理想的是将热管毛细作用芯(未示出)添加到与热管工作流体接触的部件。热管毛细作用芯(未示出)可以通过滚花过程形成在热管1760的内部中。热管毛细作用芯可以包括添加到其它部件的滤网或微粒状毛细作用材料。
[0273] 图18和图19显示了与燃烧器一起使用的TES装置的可选实施例。TES装置1800包括连接到TES部件1710的燃烧器部件1812。TES装置1800与TES装置1700(参见图16和图17)基本上相似。然而,燃烧器部件1812对于分支通道1734的内部和所述分支通道的排出孔1736不同于TES装置1700的燃烧器部件1712。为了使说明简单,相同的附图标记已经在图16-19中用于表示相同的部件。
[0274] 在燃烧器部件1812中,分支通道1734中的每一个都包括基本上线性的第一部分1734A、分支部分1734B、基本上线性的第二分支部分1734C和基本上线性的第三分支部分
1734D。分支部分1734B将基本上线性的第一部分1734A连接到基本上线性的第二和第三分支部分1734C和1734D。中空区域1732被限定在基本上线性的第二和第三分支部分1734C和1734D之间以及相邻的分支通道1734之间。基本上线性的第一部分1734A、基本上线性的第二分支部分1734C和基本上线性的第三分支部分1734D中的每一个都具有形成在燃烧器部件1812的外部1822中的多个排出孔1820。
[0275] 在基本上线性的第一部分1734A的至少一部分、基本上线性的第二分支部分1734C和基本上线性的第三分支部分1734D内,每一个分支通道1734可以包括与多个排出孔1820相邻的填充构件1830,所述填充构件至少部分地填充分支通道的内部。显示的填充构件1830包括与每一个排出孔1820对准的沟槽1832,以提供远离内部燃烧室1780的出口
1784并朝向燃烧器部件1812的外部1822的供燃烧产物用的流动路径。
[0276] 与填充构件1830相邻的分支通道1734中的每一个的一部分1840允许燃烧产物从内部燃烧室1780的出口1784中的一个径向流动到基本上线性的第一部分1734A中,从基本上线性的第一部分1734A径向流动到分支部分1734B中,然后从分支部分1734B径向流动到基本上线性的第二和第三分支部分1734C和1734D中。
[0277] 沟槽1832可以被构造成限制燃烧产物从燃烧器部件1812向外的流动。进一步地,排出孔1820的尺寸可以用于控制燃烧产物自燃烧器部件1812的流动。在所述的实施例中,排出孔1820的尺寸在径向上随着远离内部燃烧室1780而增加。
[0278] 模型结果
[0279] 图20示出了具有嵌入TES介质110内的内部燃烧室2010的TES装置2000。TES介质110和内部燃烧室2010都设置在TES介质储存罐2015内。内部燃烧室2010具有入口2012,内部燃烧室2010通过所述入口接收氧气和JP燃料。内部燃烧室2010使氧气和JP燃料燃烧而生成燃烧产物。由燃烧产物组成的稀释剂也添加到入口2012处。在该实施例中,燃烧器的气流被反向以允许燃烧产物通过轴向位置处的入口2012从内部燃烧室2010中排出,其中氧气和JP燃料通过所述入口进入内部燃烧室2010。
[0280] TES装置2000包括与如上所述的热量传输组件150(参见图1)基本上相似的热量传输组件2030。传送到热量传输组件2030的热量可以被提供到外部装置,例如斯特林发动机315(参见图4)的加热器加热部分315A(参见图4)。可选地,斯特林发动机315(参见图4)的加热器加热部分315A(参见图4)可以与热量传输组件2030一体形成。
[0281] TES装置2000包括多个热管2040,所述多个热管从热量传输组件2030通过TES介质110延伸。热管2040中的每一个都可以具有朝向内部燃烧室2010延伸的至少一个散热片2020。热管2040和散热片2020被跨过燃烧器边界(例如,跨过内部燃烧室2010的侧壁)传送到TES介质110的热能加热。散热片2020可以接触内部燃烧室2010以便由内部燃烧室直接加热。
[0282] TES装置2000还包括一个或多个热管2042,所述热管在热量传输组件2030与内部燃烧室2010之间延伸并将热能从内部燃烧室2010直接输送到热量传输组件2030。散热片2050从热管2042延伸到TES介质110中。热能通过散热片2050被从热管2042传送到TES介质110中。
[0283] 已经开发出两种类型的模型以模拟TES装置2000的性能。在两种模型中,模拟的TES介质110为低共熔盐存储介质。第一模型为利用MatLab Simulink环境产生的一阶模型。该模型将内部燃烧室2010分裂成三个主要部分:燃烧部分、混合部分和流回部分,并且使用集总参数模型用于TES介质110。该模型可以用于评估内部燃烧室2010的效果和TES尺寸;传热散热片和/或热管的数量尺寸和热性能;不同的TES介质的热力学特性;以及关于燃烧器效率的燃烧器功率和热充(thermal charge up)所需的时间。
[0284] 第二模型采用内部燃烧室2010和TES介质110的有限体积表达式,并使用CFD将化学反应与到TES介质110的相变性能的内部燃烧室2010的热传递相结合。该模型可以用于评价燃烧器设计的特定要素以及内部燃烧室2010、斯特林发动机散热片以及热管2040和2042的特定设置,以确保从内部燃烧室2010至TES介质110并因此至斯特林热端(例如,图4中显示的加热器头部315A)的均匀体积能量的传递。
[0285] 以下为用于模拟TES介质110的体积瞬态特性:
[0286] VTESρTES d hTES/dt=AStirling hStir_TES(TStirling-TTES)+
[0287] ∑hComb_Stage{AComb_Stage(TStage-TTES)+ (1)[0288] NFins AFins ηFins(TStage-TTES)}
[0289] 其中散热片热效率(“ηFin”)通过以下表达式模拟:
[0290] ηFin=[(hFin PFin)/(kFin AFin)1/2LFin]-1tanh[(hFin PFin)/
[0291] (kFin AFin)1/2 LFin] (2)[0292] TES介质的温度通过以下表达式与热相关联:
[0293] 如果hTES<=CP_TES(TMP_TES-TRef)
[0294] 则TTES=hTES/CP_TES+TRef
[0295] 如果CP_TES(TMP_TES-TRef)<hTES<CP_TES(TMP_TES-TRef)+hFG_TES (3)[0296] 则TTES=TMP_TES
[0297] 如果CP_TES(TMP_TES-TRef)+hFG_TES<=hTES
[0298] 则TTES=(hTES-hFG_TES)/CP_TES+TRef
[0299] 能量被直接从内部燃烧室2010和散热片2020传送到TES介质110。如上所述,内部燃烧室2010被分解为三个虚拟部分;燃烧部分、混合部分和回流通道部分。燃烧部分包括由于化学反应产生的能量增加,混合部分说明由用于冷却的重复利用的燃烧产物的增加引起的温度下降。回流部分是指指定设计数量的反向流通道,所述反向流通道重新将燃烧产物从TES介质110中引导出来。术语“热敏元件”(“TE”)是指与每一个部分相关联的固体燃烧器壳体并通过以下方程式热模拟:
[0300] VTEρTECP_TE d TTE/dt=AC_Int hC_TE(TC-TTE)+hComb_Stage{AComb_Stage(TTES[0301] -TTE)+NFins AFinsηFins(TTES-TTE)} (4)[0302] 燃烧气体温度由稳流第一能量平衡定律获得。由于假设与气体温度的改变相关的时标相对于燃烧器壁或TES介质110的时标非常快,因此不使用瞬变公式。使用以下方程式用于燃烧区部分:
[0303] mO2 CP_O2(TIN_O2-TRef)+mHC[CP_HC(TIN_HC-TRef)+HRxn]+mD CP_D
[0304] (TIN_D-TRef)=mH2O CP_H2O(TC-TRef)+mCO2 CP_CO2(TC-TRef)+mD CP_D[0305] (TC-TRef)+AC_Int hC_Int(TC-TTE)+AC_Int hRad(TRad-TTE) (5)[0306] 其中hRAD=σε(TTE+TRad)(TTE2+TRad2) (6)[0307] 斯特林发动机热源的CFD模型通过CFD代码CFDS-FLOW3D来实现。该代码已经由ARL广泛使用超过15年,并且已经在ARL处进行修改以模拟诸如JP5、JP8和JP10的烃类燃料的燃烧;以及执行熔化和凝固模拟。CFDS-FLOW3D已经用于当前应用,以便通过附加的燃烧器中的碳氢化合物/氧气的燃烧模拟相变TES存储介质的加热。所述模型包括化学反应、通过内部燃烧室2010至TES介质110的相配的热传递(conjugate heat transfer)、TES介质中的相变以及扩大的表面热传递子模型。所述模型以瞬变模式运行,使得储存在TES介质110中的能量的量随时间增加。
[0308] 内部燃烧室2010和TES介质110的性能的模型结果显示在图21-25中。在图21-25中,使用的TES介质110为LiF/NaF/MgF2低共熔物。LiF/NaF/MgF2低共熔物具有以下特性:
[0309] 熔点 966K
[0310] 熔化热 690kJ/kg
[0311] 密度 2600kg/m3
[0312] 导热率 11.3W/mK
[0313] 比热 1.549kJ/kgK
[0314] 图21显示了TES装置2000(参见图20)在感兴趣的各种温度下的性能。图21包括三个图表。最高的图表示出了TES介质110(参见图20)随着时间变化的温度,中间图表示出了内部燃烧室2010(参见图20)内的随着时间变化的燃烧温度。最底部的图表示出了随着时间变化的从内部燃烧室2010(参见图20)排出的燃烧产物(“返回”)的温度以及通过回收(“回收器”)获得的进入的燃料和氧化剂的温度。
[0315] 处于燃烧温度的曲线的平稳段2110表示内部燃烧室2010(参见图20)操作或“启动”并加热TES介质110的时段。自动调温器模型结合到所述模型中。对于这些计算,当TES介质的温度下降到低于TES介质110的点/熔点10K时,内部燃烧室2010(参见图20)被“启动”,而当所述温度为超出TES介质110的冰点/熔点10K时,所述内部燃烧器被“关闭”。该逻辑产生TES温度中的尖头信号2120。
[0316] 图22显示了流过TES装置2000的功率。在如上所述的状态下,内部燃烧室2010(参见图20)间歇地产生60kW的功率(曲线的平稳段2210),所述功率可以用于从图中显示的斯特林发动机315(假设热力学效率为40%)产生3kW功率(直线2220)的标称稳流。
[0317] 图23的顶部显示来自TES介质110(参见图20)的能量聚集和提取,图23的底部显示瞬时的JP10燃料消耗。
[0318] 图24和图25显示了一阶模型执行设计评估的能力。图24显示了依赖于用作稀释剂的重复利用的燃烧产物的量的总燃烧效率。对于最大效率,理想的是燃烧室2010在可能的最大温度下运行。这要求通过增加稀释剂的要求来缓和,以防止内部燃烧室2010(以及可能地防止TES装置2000的其它部件)熔化或形成其它热损伤。
[0319] 图24还显示了效率随着传热面(例如,散热片2020)的导热率的增加而增加的方式。标准基线的传导率(即,相对的散热片传导率=1)为的传导率。标准基线的1/10数值(即,相对的散热片传导率=0.1)适用于不锈钢,并且显示了效率的大幅度下降。通过使用热管(例如,热管2040和/或2042)可以获得使有效的导热率以10-100的因数增加。当对于以10倍增加的传导率(即,相对的散热片传导率=10)观察到效率的提高时,对于以100倍增加的传导率(即,相对的散热片传导率=100)的曲线指示出开始产生减少的“投资收益”的传导率的改进。
[0320] 图25显示依赖于内部燃烧室2010的运转功率的总燃烧效率。如果需要TES介质110的快速热充,则需要较高的功率水平,而如果内部燃烧室2010持续运行,则采用较低水平(等于通过斯特林发动机315获取的水平)。图25中的结果的重要性在于,该结果显示出对于特定的燃烧器设计/几何结构可以预测的清晰的最佳运转功率。如果对于内部燃烧室2010功率水平过高,则在从内部燃烧室2010中排出的燃烧产物流中存在过量的热能。如果功率水平过低,则能量没有有效地传送至TES介质110。
[0321] 图25的结果还显示出当连接到内部燃烧室2010的热管的数量增加时获得较高的效率。然而,与图24所指示的情况类似的告诫在这里也适用;在增加热管数量的一些点处产生不切实际的小的效率增加。最佳功率水平的位置大小随着将能量传送到TES介质110的效率的减小也表现出减小。
[0322] 还使用氢化锂(“LiH”)作为TES介质110来进行计算。该材料是由于其优越的能量储存性质,特别是其基于质量的大熔化热和比热而被选定。LiH具有以下特性:
[0323] 熔点 962.2K
[0324] 熔化热 2842kJ/kg
[0325] 密度 820kg/m3
[0326] 导热率 1.38W/m/K
[0327] 比热 2.562kJ/kg/K
[0328] 因此,LiH的熔点大约为962K,所述熔点略微低于LiF/NaF/MgF2低共熔物的大约为966K的熔点。LiH的比热和熔化潜热分别以4.3和4.1因数超过LiF/NaFMgF2低共熔物的比热和熔化潜热。虽然LiH的能量密度(在大约960K与大约1240K之间)仅为LiF/NaF/MgF2低共熔物的能量密度的1.03倍,但LiH的能量密度也较大。LiH相对于LiF/NaF/MgF2低共熔物的主要益处在于其低密度。LiH和LiF/NaF/MgF2的固体/熔融比重分别为0.82/0.55和2.8/2.0。对于LiH系统压舱要求(ballasting requirement)并不严格。温度和功率通量特性指示出LiH介质相对于LiF/NaF/MgF2低共熔物提供增加20%的持续时间(对于运载工具为行程的增加)。
[0329] 先前的计算是使用保持TES介质110处于两相状态的自动调温控制器来做出的。如果TES介质110被加热到很好地进入其液态的温度,则将获得额外的能量。为了采用该操作方法,斯特林发动机315(参见图3)可以使用控制器(未示出),以将热量输入限制到与从两相TES介质接收到的热量基本上相似。在所述模型中,由于LiH的沸点温度为1245K,因此当TES介质110的温度达到1240K时,控制器(未示出)改变为关掉内部燃烧室2010。
由于LiH相对低的沸点,该组合的潜热及显热系统的温度和提供动力性能表现出分别相对于LiF/NaF/MgF2低共熔物和LiH介质范围增加47%和24%。
[0330] LiF/NaF/MgF2低共熔物的沸点不是公知的,但是被假定为近似等于1950K(基于LiF的沸点)。由于存在损坏内部燃烧室2010、传热面(例如,散热片2020)和TES介质储存罐2015的危险,因此将TES介质110加热到该温度附近是不恰当的。如果TES介质110的最大温度被限制在大约1600K,则相对于两相低共熔系的范围的增加近似等于43%(仍然小于采用LiH观察到的范围的增加)。
[0331] 在所述模型中,内部燃烧室2010的直径为1英寸且长4英寸。燃烧产物通过与图12中显示的通道(例如,多个第一流动通道1290、多个第二流动通道1300、内环形排出通道1294A和外环形排出通道1294B)相似的排出管道从内部燃烧室2010排出。在内部燃烧室2010的头部(即,面对热量传输组件2030的部分)处,燃烧产物通过四个管道(未示出)返回(即,离开TES装置2000),所述四个管道大约为0.5英寸高且具有40度的圆周宽度。因此,燃烧气体的总移动长度大约为8英寸。进入气流在485F的温度下由50lbm/小时的JP8喷气燃料、172lbm/小时的氧气以及1240lbm/小时的燃烧产物组成。燃烧室压力为450psi。这些流动条件用于产生64kW的标称燃烧器功率且7.5kW的功率被传送到斯特林热端(例如,图4中显示的加热器头部315A)。燃烧器壁由不锈钢构造而成。
[0332] 返回到图20,在TES介质储存罐2015内,TES介质110具有大约10英寸的直径并延伸经过内部燃烧室2010的头部大约12英寸。TES介质110通过横过内部燃烧室2010的壁的热传递并通过热管2042被加热,所述热管具有大约0.4英寸的直径并沿着TES介质110的中心延伸。热管2042假设为极好的导体,并且所述热管的温度达到内部燃烧室2010的头部处的燃烧产物的温度。为了进一步地增强热传递,八个散热片2050从热管2042延伸出至TES介质110的外边缘。散热片2050假设为由铜制成。从散热片2050到TES介质
110的热传递使用由Incropera和Dewitt提出的经典的一维传热理论来计算。
[0333] 当TES介质110为LiF-NaF-MgF2时,TES介质初始处于900K的均匀温度下作为初始条件。因此,假定TES介质110已经预先地经历许多加热/冷却循环来开始分析。TES介质110迅速达到熔融温度,但熔化过程由于所述熔化热而很缓慢。当TES介质110处于其熔点下时,由内部燃烧室2010增加的能量被TES介质110的从固体到液体的相变所吸收。因此,当TES介质熔化时,TES介质110的熔融体积增加,而固体体积减小。
[0334] 执行对释放由LiF-NaF-MgF2低共熔物储存的能量以使斯特林发动机315(参见图3)运转的分析。对于这部分分析,假设内部燃烧室2010不操作并因此使得在此期间热量不会被添加到TES介质110。LiF-NaF-MgF2的初始条件为在1100K下是相同的,使得TES介质
110完全熔化。假设在这点上,低共熔部分的头部(与内部燃烧室2010相邻)处的温度为
900K,并且在LiF-NaF-MgF2低共熔物与所述头部之间发生热传递。
[0335] 通过位于LiF-NaF-MgF2低共熔物的外半径处的八个热管2040进行热传递。热管2040在固体TES介质110内沿着TES介质储存罐2015的整个长度延伸。铜散热片2020从每一个热管2040朝向TES介质110的中心延伸(或者延伸到内部燃烧室2010的不锈钢壁)。假设每一个热管2040都为极好的导体,并且所述热管沿着TES介质110的整个长度的温度假设为800K。从液体到固体的相变从TES介质110释放储存的热能。
[0336] 当TES介质110为LiH时,几何结构和燃烧器的流量与LiF-NaF-MgF2低共熔物分析中采用的几何结构和燃烧器的流量相同。假定TES介质110(即,LiH)的初始条件为在900K的均匀温度下。能量释放分析如对于LiF-NaF-MgF2低共熔物所进行的。虽然基于体积的能量储存对于所述两种材料大致相同,但是要注意的是LiH的导热率比LiF-NaF-MgF2低共熔物使用的导热率几乎低两个因数。这可以使得连接到加热管2040的散热片2020不太有效地将能量从TES介质110中传导出来,并且将趋向于减小从TES介质提取热量的速率。这导致较低的冷却速率。
[0337] 已经说明了具有各种数量和结构的用于将热能输送到TES介质110及从TES介质110输送热能的热能传热装置的示例性的TES装置10、200、400、500、800、900、1000、1100、
1200、1500、1700、1800和2000。如以上所述,这些传热装置可以具体化为中空管、细长圆筒、形成在一对侧壁之间的环形通道、径向向外延伸的通道和类似装置。进一步地,所述各种传热装置可以包括传导散热片以增加形成传热装置与TES介质110之间的界面的表面积的量。
[0338] 如以上所述,TES介质110位于相对较大的容器(例如,容器90)内。因此,穿过容器内部的传热装置有助于确保TES介质110没有任何部分远离热能传热装置超过预定距离(例如,大约1-2英寸)。该布置有助于确保热能(1)有效地分布在块状TES介质110内,以及(2)有效地从块状TES介质110提取热能。本领域的技术人员会理解,除了在此明确呈现的装置之外的传热装置的可选结构也可以用于获得该结果,并因此在本教导的保护范围内。
[0339] 进一步地,在所有的示例性实施例中,除了TES装置200之外,已经显示出热能输入部和热能输出部位于TES装置的相对的端部处。这些TES装置中有许多已经显示为具有细长的圆柱形容器。在这些实施例中,已经说明了传热装置在TES装置的相对端部之间基本上线性延伸,以限定沿着细长的圆柱形容器的纵向轴线的热能流动方向。本领域的技术人员将会理解,传热装置可以构造成使得不会沿着所述纵向轴线轴向传送热能。例如,本领域的技术人员通过应用到本教导,TES装置可以构造用于至TES介质中或从TES介质出来的非轴向热传递。传热装置的这种非对称结构可以根据需要设置或定向在热能输入部与热能输出部之间。另外,TES装置的容器的整体形状可以根据系统需要改变。虽然已经显示了圆柱形结构,但也可以使用其它挤压形状,例如方形、矩形、三角形、椭圆形、梯形或任何其它封闭的圆周。
[0340] 示例性的TES装置10、200、400、500、800、900、1000、1100、1200、1500、1700、1800和2000也已经说明为在其热能输出部处具有热量传输组件(例如,热量传输组件150)。在特定的实施例中,热量传输组件包括也可以在传热装置的至少一部分的内部中循环的工作流体。通过结合在热能传送到外部设备之前将热能传送到热量传输组件的单独传热装置的单独热能贡献,热量传输组件有助于减少TES装置的热能输出部处的热点和温度梯度。本领域的技术人员会理解,除这里明确呈现的热量传输组件以外的热量传输组件的可选结构也可以用于获得该结果,并因此在本教导的保护范围内。
[0341] 上述的实施例说明了容纳在不同的其它部件内或与不同的其它部件相连接的不同部件。将会理解的是,这种说明性结构仅为示例性,而事实上可以采用获得相同功能的许多其它结构。在概念性含义下,获得相同功能的部件的任何布置有效地“相关联”,使得获得需要的功能。因此,在此组合以获得特定的功能的任意两个部件可以被视为相互“关联”,使得获得需要的功能而不用考虑结构或中间部件。同样地,如此关联的任意两个部件还可以视为相互“可操作地连接”或“可操作地连结”以获得需要的功能。
[0342] 虽然已经显示和说明了本发明的具体实施例,但对本领域的技术人员将显而易见的是根据这里的教导可以在不背离本发明及其较宽的方面根据需要做出改变和修改,因此,所附的权利要求在其保护范围内包含在本发明的真实精神和保护范围内的所有这种改变和修改。此外,将会理解的是,本发明仅由所附的权利要求限定。本领域的技术人员将会理解,总的来说,这里使用的术语,尤其是所附的权利要求(例如,所附的权利要求的主体)中使用的术语大致表示“开放式”术语(例如,术语“包括”应该解释为“包括但不限于”,术语“具有”应该解释为“至少具有”等等)。本领域的技术人员将会进一步理解,如果想要特定数量的引入权利要求陈述,则这种目的将明确记载在权利要求中,并且没有这种目的则不存在这种描述。例如,为了有助于理解,以下所附的权利要求可以包含用于引入权利要求陈述的引导措词“至少一个”和“一个或多个”的使用。然而,即使在相同的权利要求包括引导措词“一个或多个”或“至少”以及不定冠词,例如“一”(例如,“一”应该典型地被理解为表示“至少一个”或“一个或多个”)时,这种措词的使用将不会被理解为暗示引入不定冠词“一”的权利要求陈述将含有这种引入权利要求陈述的任何特定的权利要求限制到仅含有一个这种陈述的发明;这也适用于使用用于引入权利要求陈述的定冠词。另外,即使明确记载了特定数量的引入的权利要求陈述,本领域的技术人员也将会认识到,这种陈述通常应该被理解为至少表示所述的数量(例如,没有其它修改的“两个列举”的较少列举通常表示至少两个陈述或两个或更多个陈述)。
[0343] 因此,本发明除了所附权利要求之外不受到任何限制。
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