CN103890322A - 用于潜热（相变）的蓄热和相关的热传输和交换的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明在各种实施方式中揭示了一种在热收集、热传输、热交换、热存储、及热应用系统之间的相变和热交换方法。在具体实施方式中，系统中的热传输流体/热交换流体、蓄热介质、及工作介质都是相互之间转换温度接近的相变材料，他们排列为降序且在一个相对较窄的温度范围内通过进行相变来执行他们各自的功能。本发明还提供了对在热收集、热能存储、及热应用设备之间的热传输率、热交换和/或充热/放热率任意进行控制的方法。本发明也提供了对这种系统进行控制的方法。

Description

用于潜热(相变)的蓄热和相关的热传输和交换的装置及方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年2月24日提交的USSN61/446,335、于2011年9月12日提交的USSN61/533,626、以及于2011年12月24日提交的61/570,520的权益及优先权。上述申请通过引用全部结合在本文中。

政府赞助的声明

（不适用）

背景技术

能量存储在能耗应用中是相当重要的。这些应用包括传统的和可再生的实用发电、建筑物采暖和空调、工业过程加热等等。能量存储允许核电厂和燃煤电厂从在低需求时间发电转换为在需求高峰时间发电。满足电网需求的能量存储对于风力发电厂和太阳能发电厂甚至更为重要，这是因为这些能源的电力输出随时段和天气条件而异。

直流电的能量存储通常使用电池。尽管人们在不断努力地去改进电池的科技，但是电池固有的高成本限制了将其应用于小规模的应急电源。水力发电和压缩空气存储系统是目前的两种方案，首先通过泵和压缩机将电力转换为水或空气的势能，然后在需要的时候再转换回电力。然而，这些方案通常需要特殊地形和/或地质条件，即，允许建造低产状和高产状水库和/或天然的地下密封高压气罐的地形。这种条件很少能够供当地的发电厂的开发之用。

热能存储本身是低成本的，这是因为有各种各样的低成本的材料可供其用。由于大多数发电厂（超过80%）通过热力过程来发电，因此可以方便地将热能存储应用到实用发电。

热能存储对于聚光太阳能（CSP：concentrated solar power）发电厂也很重要。CSP的工作原理是使用聚焦镜（例如，抛物面镜、抛物线槽镜、菲涅耳镜、及其它类型的聚焦镜）将太阳辐射聚焦到集热器上，在集热器处特殊涂层将光转换为热能。热能将流过集热器的热传输流体（HTF：heattransfer fluid）加热到某个高温。然后利用这种高温的热传输流体通过（多个）热交换器产生高压高温蒸汽来驱动（多个）涡轮机以发电。因此CSP发电系统通常用太阳太阳能加热器/锅炉来代替矿物燃料锅炉或核燃料锅炉，同时保证传统的发电厂的其它部分基本不变。

然而，由于云、坏天气、日夜循环等造成的太阳辐射的“可用性”的变化，CSP发电厂需要蓄热子系统来提供更恒定的电力源并使它们有资格成为基本负荷电力供应者。因此，低成本和高效的蓄热方案对于大规模地部署CSP发电厂以代替矿石燃料发电厂来说是非常重要的。例如，对于假定的抛物线槽式CSP发电厂，没有蓄热子系统，年运行系数（CSP发电时间的百分比）将会是大约20%，即，每年运行大约1760小时。然而，如果配合CSP使用蓄热子系统，运行系数能提高到超过60％或每年运行大约5260小时。

在通常的蓄热应用中有三种关键的热介质：热传输流体（HTF）、蓄热介质、及工作介质。多个热传输流体（HTF′s）从热发生器或集热器传输热对蓄热介质充热，或通过例如热交换器直接对工作介质进行加热。在某些实施方式中，蓄热介质从热传输流体（HTF）接收热来充热（存储热），之后再将热排放回热传输流体（例如在绝缘不良的时间），热传输流体通过热交换器将热传送到工作介质。工作介质从热交换器接收热并对热机进行驱动。

热传输流体通常是气体或液体，有两种常用的液体HTF。一种是导热油，另一种是熔盐。导热油一般能维持的最高温度是大约400℃。超过这个温度的话，导热油通常会分解。另一方面，熔盐能维持高至大约600℃的温度。然而，熔盐通常必须被时刻保存在高于220℃的温度下以防止凝固和对传输管道及容器造成后续的损伤。这种高温的需求一般会导致更高的系统维护成本。对于气体HTF来说，可以使用蒸汽，然而，高温蒸汽是昂贵的且需要高压。在某些实施方式中，可以使用热空气，但是热空气的热容低且需要很高的流速才能在每单位时间传导相同量的热。为了保持这种高流速需要消耗相当多的能量，大大降低了使用热空气作为热传输流体（HTF）>的系统的总体效率。

在很多系统中，工作介质是液体，例如水，预先加压到所希望的工作压强，并通过热交换器加热到所希望的工作温度，最终在压强下被释放而经历液态到气态的转换。高压水蒸汽通常进一步被过度加热以在到达热机入口之前去除水滴，且在热机入口处膨胀。在这个过程中，被加压的分子的势能由于膨胀转换为动能。该动能提供了热机的驱动力以进行机械工作并最终发电。这些系统通常需要高温、高压工作介质。例如，通常1MW的涡轮机在大约355℃的温度下需要～2.4MPa的压强来达到最高的效率。对于典型的100MW的涡轮机来说，所需要的蒸汽压强和温度增加到在大约380℃到400℃的温度下大约10到12MPa。大型涡轮机通常能实现较高的从热能向电力的转换效率，但是为了实现这种转换效率，它们也需要在更高压强和温度下的蒸汽。

基于材料吸收的热的类型，两种存储热能的方式包括利用显热存储的方法和利用潜热存储的方法。

显热存储机制可基于存储介质的比热容，通过提高或降低材料的温度可以实现向存储介质充热能和从存储介质放热能，如下式所示：Q=MC_P(T₂-T₁)=MC_PΔT(等式l)，其中Q是存储在蓄热介质中的显热，M是蓄热介质的质量，C是蓄热介质的比热容，T₁和T₂是开始温度和结束温度，ΔT是温差。显热存储是最普通、最简单、最成熟、应用最广泛的热存储方法。显热存储可进一步分类为四种不同的方法：1)液相显热存储、2)固相显热存储、3)液固混合相显热存储以及4)加压蒸汽显热存储。

液相显热蓄热设备通常使用直接热交换方法或者间接热交换方法。例如，CSP太阳能集热场，如抛物线槽系统或者线性菲涅尔镜系统，通常配合作为液相显热蓄热材料的熔盐，使用导热油（矿物油或合成油）作为它的HTF。这种液相显热存储材料最常用于被称为“主动热能存储”系统，其中存储材料在热交换器和集热器流通。在这种系统中热交换器通常用于从导热油向熔盐传输热能以存储热能。因此这种方法被称为间接蓄热。目前，大多数分布式太阳能集热场（例如抛物面、抛物线槽、以及线性菲涅尔CSP）使用这种方法，它是现在仅有的两种成熟的商业化热能存储方法中的一种。

另一种商业化的热能存储方法被称为直接蓄热。提供显热的直接蓄热的系统通常应用两个储罐，一个用于高温熔盐，另一个用于低温熔盐。在热能存储（充热）过程中，高温导热油（HTF）通过热交换器向低温熔盐传输热，低温熔盐从低温容器流入或泵送到高温容器。然后所得到的高温熔盐被存储于高温容器。当无法使用太阳能时，存储系统为了发电而放热。放热时，高温盐通过热交换器流向或泵送到低温容器。热交换器传输热以生成用于发电的高温高压蒸汽。当大多数高温熔盐从高温容器流出时该放热过程结束。

这种方式存在着很多问题。首先，它需要一些高温特种泵在两个容器、导热油-熔盐热交换器和熔盐-蒸汽发生器热交换器之间泵送高温强腐蚀的熔盐。第二，由于熔盐的腐蚀性它需要专门的热交换器。最后，建造成本仍然相当高：例如，为了大规模地部署，这种存储设备的建造成本可达到大约40美元/kWh热。

在一些实施方式中，也可将熔盐双容器存储系统配置为用于CSP系统的直接热能存储子系统。通常在这种实施方式中，熔盐同时作为太阳能集热场的HTF和液态显热蓄热材料，即HTF和显热蓄热材料成为相同材料。由于不牵涉到额外的热交换器，这种方式有时被称为直接热能存储。这种方式避免使用热交换器，在过程中降低热能损失。其适用于抛物线槽系统且在大约400℃-500℃的温度范围工作。这种方式的主要缺点在于为了避免对输送管道系统造成损伤，通常需要额外的加热装置和能量来将熔盐的温度维持在220°（普通熔盐的熔点）以上。对于分布式太阳能集热场来说，这显著增加了复杂程度以及输送管道的成本，包括它们的建造、维护、及服务，且降低了系统的总效率。

塔式CSP系统可使用直接液相显热热能存储系统。一个例子是位于西班牙的太阳能三型（Solar Tres）塔式CSP发电站。由于输送管道系统直立地安装于CSP塔，能容易地从管道排放液态熔盐，因此凝固的问题不像在抛物线槽式CSP系统中那么严重。另外，由于塔式CSP系统的工作温度通常显著高于抛物线槽式CSP系统，相比于槽式CSP显热蓄热方式更适用于塔式CSP。为在这种系统内获得合适的液相温度范围，使用有机盐的混合物或单相化合物。例如，位于内华达（美国）的太阳能二型（Solar Two）塔式CSP使用60％的氮化钠和40％的氮化钾作为单相化合物。这种混合物的熔点是220℃且工作范围大约是300℃-600°。20世纪90年代建于加利福尼亚的沙漠的SEGS（Solar Energy Generating Systems：太阳能生成系统）槽式系统使用Therminol VP-1（Therminol是首诺公司的注册商标），Hitech（一种53%KNO₃+7%NaNO₃+40%NaNO₂的混合物）及Hitec XL（一种45%KNO₃+48%Ca(NO₃)₂+7%NaNO₃的混合物）（Hitec是滨海化学公司的注册商标）作为直接液态显热热能存储材料。

固态显热热能存储使用低成本的材料，例如岩石、混凝土、沙子等作为蓄热介质。由于固态材料无法为了热能输送而在容器之间输送，也使用气相或液相的HTF作为存储介质和工作介质之间的热交换介质。这种类型的系统也被称为“被动热能存储”系统。在直接蒸汽生成CSP系统中，蓄热系统通常使用固态显热热能存储材料。这种蓄热材料最大的优势是成本低。然而，这种系统只用于间接热能存储方式。

来自德国航空太空中心（DLR）的塔默(Tamme)基于对砂石混凝土和玄武岩混凝土特性的研究，对将高温混凝土和铸造陶瓷作为固态显热热能存储材料进行了研究和开发，用于高温混凝土的框架是氧化铁，水泥作为填充材料。固态显热存储方法的劣势在于，在放热过程中热交换和工作温度下降，因为显热存储材料的温度随着热能（容量）的下降而下降。这种系统的另一个问题是导热率和传热效率低。而且如果将直接生成的蒸汽用于HTF，就像目前这样，这需要输送管道系统横穿整个太阳能集热场且蓄热容器必须被建造为能耐高温和高压。这极大地增加了这种蒸汽输送的成本及蓄热容器成本。另一方面，为降低这种成本，可以降低直接生成蒸汽的压强。然而这也降低了这种蒸汽驱动涡轮机的工作效率。其结果是，对这种方式已经研究了很长时间也没有重要突破。

液固态组合显热热能存储方式使用在高温下可共存的固态存储材料和热传输流体（HTFs），从而固态材料和HTF能结合在一起来提高组合蓄热系统的热容。在蓄热中使用固态材料的一个优势是在保持蓄热总量不变的同时显著降低HTF的使用，从而能降低蓄热成本（一般来说固态材料的成本远低于HTF）。为了降低双储罐液相熔盐热能存储系统的设备投资成本，对斜温层储罐存储系统进行了测试（例如桑迪亚国家实验室的2.3MWh系统）。斜温层储罐存储系统应用基于蓄热材料密度和温度之间的关系由自然温度梯度分布形成的斜温层。

当蓄热储罐的顶部（高温部）和蓄热储罐的底部（低温部）之间有温差时形成了斜温层。斜温层起到了隔热层的作用，从而使顶部的熔盐可以保持在较高的温度且底部的熔盐可以保持在较低的温度。在充热（蓄热）阶段，斜温层在向上的方向上移动。在热能释放（放热）阶段，斜温层向下移动。这样一来，输出的熔盐保持在恒温。然而，当斜温层到达储罐的顶部或到达储罐的底部时，熔盐的温度发生极大的变化。为了维持温度层梯度，需要严格控制熔盐的输入和输出，而且适当地将固态填充材料安置入层叠结构，其与非固定入口和环形壳热交换装置耦合。虽然相对于先前描述的液相显热热能存储系统，这种方式能降低35％的蓄热成本，但其与之前所记载的方式仍然有着相类似的缺点。

位于西班牙塞维利亚的太阳能发电站10（PS10：Planta Solar 10）CSP发电站在285℃和4MPa压强使用加压蒸汽来存储热能。PS10使用高压容器来存储通过高压管道从热源或集热器直接流入的加压高温水。这种蓄热方式平息了日间的太阳照射强度的波动且能向涡轮发电机提供一小时蒸汽。当加压高温水从存储容器排放时，随着压强稍微降低其经历了液-气相变。所得到的高压蒸汽能直接用于驱动蒸涡轮机。严格来说，这里存储的能量仍然提供为来自高压水的显热，而不是只存在于存储罐之外的液-气相变的潜热。然而，由于加压容器的高成本，这种方式很难大规模地部署。

工作介质通常在接近工作温度、例如热机入口的温度吸收大部分能量。这是因为大量的潜热在液气相变中被吸收，或是因为临近液体无视压强转为气相的临界点，介质的热容高。其结果是，显热存储介质需要提供所有这个温度下所需的热能。为此，显热存储介质需要按照等式1（上述）充热到更高的温度。这种关系可以用下式来表达：

Q=M_wL_wphase(T_phase)=M_HTFC_P-HTFΔT  (等式1B)

式中M_w和L_wphase是工作介质流量质量和相变潜热。按照等式1B，工作介质在其相变温度（T_phase）所需的热能比每级显热存储材料的热容高几百倍（C_wphase>100C_P-HTF）。ΔT和质量M的乘积必须接近几百，从而提供足够的热能来产生相变。这种方式需要大量热传输流体（HTF），而且也消耗能量的高体积HTF循环。这种需求对于显热存储系统提出了不少挑战。这些挑战包括：1)如果热量来自太阳能，由于热辐射和转换，传输管道和存储容器以及集热器内的热损耗将非常高而且难以控制在可接受的程度，2)其需要HTF也在这个更高的温度下工作。通常HTF的可接受工作温度限制了温度T₂且相应限制了工作介质的相变温度。工作介质的低相变温度将导致热机的低效率。

为了满足工作介质的工作温度附近的高热能需求，在工作温度下具有转变温度的相变材料可以用作蓄热介质，在相变时被吸收或释放大量潜热满足需求。而且，为了提供可存储如此大量的热量的存储介质，HTF也可以是相变材料，否则HTF通常必须适应很大的流率（大于工作介质流率100倍），或者HTF需要很高的工作温度。

潜热存储机制应用与材料的物理状态变化相关的热，例如液到气、固到液、固体结晶相转变。与转变相关的潜热与显热存储材料的潜热相比在相变中有很高的有效比热容。

在相变中吸收或释放的热量被表述为：Q=MCp(eff)δT=MLPCM（等式2），式中M是材料的质量，Cp(eff)是相变中的有效热容，δT是转变范围内的温差，LPCM是转变中PCM的潜热。潜热存储满足了工作介质在其工作温度附近的热量需求，降低了HTF和集热器要求的工作温度，因而也降低了热损耗，而且提高了热机的效率。然而，由于伴随着相变会产生极大的体积变化，难以使用液-气相变潜热存储。比如，水在0.1Mpa（一个大气压）的压强下汽化时会膨胀1600倍。因而，应用液-气相变的潜热来进行热能存储被证明是不经济的，这是因为认为需要在存储容器内有很高压强的大容器来容纳气相体积，导致热能存储密度显著降低且难以对蓄热设备进行机械结构设计。

在欧洲，13个国家提出PCM存储系统的设计，被称作DISTOR项目。在这个项目中，直接生成蒸汽或（高压水）被用作HTF，且使用石墨和PCM微囊密封化合物存储材料。涉及混合PCM的其它方法也已被提出。在早先这些提议中，HTF/WF和存储材料之间的热交换应用壳状管道热交换器，在具有固体填充材料的储槽内，HTF/WF在管道内流动且PCM围绕管道从而提升热接触。

尽管对PCM蓄热有很多研究，但仍然存在主要难点，涉及到使用固-液相变材料（PCM）作为潜热存储介质。其一是在相变过程中PCM体积变化。体积变化使机械系统设计显著变难。另一难点是维持固-液PCM和HTF之间的良好导热。存储介质，HTS和工作介质之间的热传输还没有被适当解决，其结果是，到目前为止潜热存储方法和装置还没有成功在商业应用。

发明内容

在各种实施方式中，提供了用于在集热、热传递、热交换、蓄热和热应用系统之间进行相变热交换和蓄热的方法和装置（系统）。在某些具体实施方式中，系统中的热传输流体/热交换流体、蓄热介质、及工作介质都是相变材料，它们的转变温度相互接近且降序排列（例如，HTF＞蓄热介质＞工作流体）且在一个相对狭小的温度范围内分别在相变中发挥作用。本发明提供了对集热装置、热能存储装置和热应用装置之间的传热率、热交换和/或充热/放热率随意进行控制的方法。本发明还提供了更多特别的方法，通过该方法的计算机实施的实施方式对这种系统进行控制。

在某些具体实施方式中，提供相变材料热存储系统（潜热蓄热系统）。在各种实施方式中，系统包括：蓄热室，该蓄热室容纳有相变蓄热材料；热输入装置，该热输入装置从热源输送热传输流体，且该热输出装置配置为将蒸汽形态的热传输流体注入蓄热室；以及热输出装置，该热输出装置将工作介质从蓄热室输送到由工作介质操作的装置或系统，提供了一个或多个热交换表面来将热从蓄热室传输入工作介质，该热传输流体是液-气相变材料，相变温度接近且大于蓄热材料和/或工作流体的相变温度。在某些具体实施方式中，相变蓄热材料是液-固蓄热材料。在某些具体实施方式中，在蓄热室内的一个或多个相变材料储罐内容纳有相变蓄热材料。在某些具体实施方式中，相变蓄热材料包括选自下组的材料：石蜡、脂肪酸、聚乙二醇、及盐。在某些具体实施方式中，相变蓄热材料包括无水盐。在某些具体实施方式中，相变蓄热材料包括表3和/或表4中的一种或多种材料。在某些具体实施方式中，在热输出装置中，热传输流体用作工作介质。在某些具体实施方式中，热输出装置包括热交换器，该热交换器从热传输流体向工作介质传输热。在某些具体实施方式中，热传输流体包括选自下组的材料：油和有机溶剂。在某些具体实施方式中，热传输流体包括表2中的材料。在某些具体实施方式中，工作流体包括水或氨溶液。在某些具体实施方式中，蓄热材料包括NaNO₃。在某些具体实施方式中，热传输流体包括油（例如VP-1油）。

在某些操作配置中，所述热输出装置配置为将作为工作介质的热传输流体输送到由工作介质操作的装置或系统。在某些具体实施方式中，热输出装置配置为将热传输流体输送到热交换器以将热传输到工作介质，该工作介质输送到由该工作介质操作的装置或系统。

在各种典型的实施方式中，热源包括一个或多个太阳能热源。

在某些具体实施方式中，当热源生成的热少于热传输流体的蒸汽输送的热时，导致从热源输出的热传输流体是液体和蒸汽的混合物。在某些具体实施方式中，当热源提供的热足够将工作流体从液体转变为蒸汽时，系统被配置为应用热传输流体的蒸汽相作为工作流体且输送至装置或系统，或者系统被配置为应用热传输流体的蒸汽相以将热交换器中的热传输到送至装置或系统（例如涡轮机）的工作流体。在某些具体实施方式中，系统被配置为也将热传输流体输送到蓄热室，在蓄热室热传输流体经历从蒸汽到液体的相变从而将热传输到蓄热材料，蓄热材料经历从固体到液体的相变从而被充热。在某些具体实施方式中，通过调节阀门对充热功率进行调整，所述阀门控制蒸汽形式的热传输流体进入蓄热室。在某些具体实施方式中，用液位计和/或质量流量计来测定热传输流体冷凝质量流量（q_HTF），调节q_HTF以控制充热率。在某些具体实施方式中，通过测量和/或控制蓄热室的蒸汽压、和/或测量和/或控制蓄热材料的表面温度来测量和/或控制充热率。在某些具体实施方式中，以计算机控制充热率。在某些具体实施方式中，系统可操作地与计算机连接或者包含计算机，该计算机接收选自下组的一个或多个参数：热源提供的热、来自热源的热传输流体的流率、来自热源的热传输流体的温度、蓄热室内的蒸汽压、蓄热室内的一个或多个储罐的表面温度、蓄热室内的储罐的表面温度、蓄热室内的热传输流体的蒸汽温度、离开蓄热室的热传输材料的流率、离开蓄热室的热传输材料的温度、对热传输材料的流量进行调整的一个或多个阀门的开启程度或状态。在某些具体实施方式中，计算机控制并改变选自下组的一个或多个操作配置或参数：从充热模式到放热模式或从放热模式到充热模式的阀门配置、流入蓄热室的热传输流体的流率、从蓄热室流出的热传输材料的流率、蓄热室内通过喷头的流率、与外部热传输系统耦合、及与发电系统耦合。在某些具体实施方式中，热源提供的热不足以将工作流体从液体转换为蒸汽，蓄热系统被配置为从热输出装置阀门关闭来自热源的热传输流体，热传输流体与蓄热材料接触，从而从蓄热材料向热传输流体传输热以使热传输流体实现从液体到蒸汽的相转换，其蒸汽相输送到装置或系统，或者输送到热交换器以加热输送到装置或系统（例如涡轮机）的工作流体。在某些具体实施方式中，通过调节热交换介质的质量流量来维持放热功率。在某些具体实施方式中，系统被配置为维持存储容器表面的温度和放热时间之间的线性关系。在某些具体实施方式中，用计算机控制放热率。

本发明还提供了将热源与由热源驱动的系统或装置耦合的方法。该方法通常包括：按照在此所述的将来自热源的热耦合入热存储系统（如潜热存储系统）耦合；以及从热存储系统回收热送至系统或装置，热对装置进行驱动。在某些具体实施方式中，热源提供的热足以将工作流体从液体转换为蒸汽，应用蒸汽相的热传输流体作为工作流体且输送到装置或系统，或者蒸汽相的热传输流体输送到热交换器以对输送到装置或系统的工作流体进行加热。在某些具体实施方式中，热源提供的热足以将工作流体从液体转换为蒸汽，加热的热传输流体输送入蓄热室，热传输流体在蓄热室经历从蒸汽到液体的相变且将热传输到蓄热材料，蓄热材料经历从固体到液体的相变从而对蓄热材料充热。在某些具体实施方式中，当热源提供的热不足以将工作流体从液体转换为蒸汽时，从热输出装置阀门关闭来自热源的热传输流体，热传输流体与蓄热材料接触，从而从蓄热材料向热传输流体传输热，从而对蓄热材料进行放热以使热传输流体实现从液体到蒸汽的相转换，其蒸汽相输送到装置或系统，或者输送到热交换器以对输送到装置或系统的工作流体进行加热。在某些具体实施方式中，由热源驱动的系统或装置包括涡轮机。

本发明还提供了为热传输、热交换和热转换而使用从液体到蒸汽的材料相转换进行工作、为热存储使用从固体到液体的材料相转换以及为热存储放热使用从液体到固体的材料相转换的方法。该方法通常包括：按照在此所述的将来自热源的热耦合入热存储系统（如潜热存储系统）；以及从热存储系统回收热送至系统或装置以对装置或系统进行驱动，其中通过热传输流体从液体到蒸汽的相转换将热传输入热传输流体，通过热传输流体从蒸汽到液体的相转换将热传输出热传输流体；其中通过蓄热介质从固体到液体的相转换将热输送入蓄热材料，且通过蓄热介质从液体到固体的相转换将热传输出蓄热材料。在某些具体实施方式中，热源（例如太阳能热源）足以将工作流体从液体转换为蒸汽，应用蒸汽相的热传输流体作为工作流体且输送到装置或系统，或者蒸汽相的热传输流体输送到热交换器以对输送到装置或系统的工作流体进行加热。在某些具体实施方式中，热源提供的热足以将工作流体从液体转换为蒸汽，加热的热传输流体输送入蓄热室，热传输流体在蓄热室经历从蒸汽到液体的相变且将热传输到蓄热材料，蓄热材料经历从固体到液体的相变从而对蓄热材料充热。在某些具体实施方式中，热源提供的热不足以将工作流体从液体转换为蒸汽，从热输出装置阀门关闭来自热源的热传输流体，热传输流体与蓄热材料接触，从而从蓄热材料向热传输流体传输热，从而对蓄热材料进行放热以使热传输流体实现从液体到蒸汽的相转换，其蒸汽相输送到装置或系统，或者输送到热交换器以加热输送到装置或系统（例如涡轮机）的工作流体。

在某些具体实施方式中，提供了非瞬时计算机可读介质，包括用于计算机对本文所述的相变热存储系统进行控制的指令。在某些具体实施方式中，向计算机提供了通过调节阀门对充热功率进行调整的指令，所述阀门控制蒸汽形式的热传输流体进入蓄热室。在某些具体实施方式中，提供了从液位计和/或质量流量计的数据测定热传输流体冷凝质量流量（q_HTF）的指令。在某些具体实施方式中，指令指示计算机去调节q_HTF以控制充热率。在某些具体实施方式中，对计算机提供指令以接收选自下组一个或多个参数：热源提供的热、来自热源的热传输流体的流率、来自热源的热传输流体的温度、蓄热室内的蒸汽压、蓄热室内的一个或多个储罐的表面温度、蓄热室内的储罐的表面温度、蓄热室内的热传输流体的蒸汽温度、离开蓄热室的热传输材料的流率、离开蓄热室的热传输材料的温度、对热传输材料的流量进行调整的一个或多个阀门的开启程度或状态。在某些具体实施方式中，对计算机提供指令以控制并改变选自下组的一个或多个操作配置或参数：从充热模式到放热模式或从放热模式到充热模式的阀门配置、流入蓄热室的热传输流体的流率、从蓄热室流出的热传输材料的流率、蓄热室内通过喷头的流率、与外部热传输系统耦合、及与发电系统耦合。在某些具体实施方式中，提供指令以检测何时热源提供的热足以将工作介质从液体转换为蒸汽，和/或提供导致计算机对蓄热系统进行配置的指令，从而蒸汽相的热传输流体被应用为工作流体且输送到装置或系统，或者蒸汽相的热传输流体输送到热交换器以对输送到装置或系统的工作流体进行加热。在某些具体实施方式中，提供指令以检测何时热源提供的热不足以将工作流体从液体转换为水蒸汽，和/或提供导致计算机对蓄热系统进行配置的指令，从而从热输出装置阀门关闭来自热源的热传输流体，热传输流体与蓄热材料接触，从而从蓄热材料向热传输流体传输热以使热传输流体实现从液体到蒸汽的相转换，其蒸汽相输送到装置或系统，或者输送到热交换器以对输送到装置或系统的工作流体进行加热。在某些具体实施方式中，指令致使计算机通过测量蓄热材料储罐的表面温度来和/或室内的蒸汽压来确定充热率或放热率。在某些具体实施方式中，指令致使计算机通过调节热交换介质的质量流量来维持放热功率。在某些具体实施方式中，指令致使计算机维持存储容器表面的温度和放热时间之间的线性关系。在某些具体实施方式中，计算机可读介质包括选自下组的介质：磁性介质、光学介质、闪存及可编程逻辑装置。在某些具体实施方式中，计算机可读介质配置于可操作地连接于相变热存储系统的计算机系统或计算机内。

附图说明

图1示出与本文所述的发明的某些方面一致的用作说明的系统的框图。

图2示出在充热过程中位于第二容器内的蓄热介质。

图3示出蓄热室内壁温和HTF蒸汽的饱和温度之间的关系。

图4示出在放热过程中位于容器内的蓄热介质。

图5示出在放热过程中壁温与时间的关系。

图6A、6B、6C示意性地示出本文所述系统的太阳能发电站应用的各种实施方式。

图7示意性地示出本文所述的方法和装置中使用的一个计算机。

图8是示出处理器/控制器、及由处理器控制器接收的各种输入、执行的功能、产生的输出之间的关系的示意图。如所示，该处理器能基于一个或多个输入对设备的各种操作特性进行控制。

实施方式

在各种实施方式中，提供了为有效的热存储、热交换、及热转换应用相变材料进行工作的系统和方法。特别是，本文所述的某些创新与将相变材料（PCM）应用为蓄热材料和/或热传输/热交换介质相关。另外，本发明还提供了控制这种系统的特殊方法，尤其是这种方法的计算机实施方式。

在本发明的各种实施方式方面，例如在以下一些实施方式中所阐述的那些，可与使蒸发-浓缩热交换结构与相变潜热能量存储装置一体化、使用液-气相变材料作为热传输/交换介质和使用固-液相变材料作为热能存储介质的系统和方法相关。

在某些具体实施方式中，提供控制这种系统和优化热输入/输出/传输的方法。由于参照的是特殊的系统和实施方式，可知在此所述的本发明并不限于这些具体的例子。

在某些用作说明的实施方式中，PCM热传输/转换及蓄热设备可能包括下述组件：主容器（例如蓄热室）；输入热传输装置，将热传输流体（HTF）及其热输送入容器（蓄热室）；输出热传输装置，将工作介质及其热能输送出容器（蓄热室）和/或输送到以储存的/传输的热进行驱动的系统或装置（例如涡轮机）；及至少一种类型的固-液蓄热材料相变材料（PCM）。在某些具体实施方式中，在主容器（蓄热）中的一个或多个第二储罐/容器内装入固-液蓄热材料作为蓄热介质。

在各种实施方式中，热传输流体包括相变温度接近及大于工作流体所需的相变的液-气相变材料（PCM）。在典型的实施方式中，系统被配置为当提供足够的热给HTF（即充热条件）时，HTF可以蒸汽进入主容器且对存储介质充热。HTF经历从蒸汽到液体的相变且将热传输到蓄热材料，蓄热材料经历从固体到液体的相变。

当无法得到足够的热输入时，系统放出存储的热来向附属的系统或装置（例如涡轮机）提供额外的运行时间。当对蓄热材料放热时，输入口（用于HTF从热源、例如太阳能热源进入主容器）被关闭。用于液-气PCM HTF的循环/喷淋系统启动以从存储介质（经历从液体到固体的相转换）放热且将能量传输到工作介质。在各种实施方式中，HTF可作为工作介质，在其它实施方式中，HTF通过热交换器将热传输到工作介质，然后工作介质对附属的系统或装置（例如涡轮机）进行驱动。在各种实施方式中，实施用于输入HTF、循环HTF及输出工作介质的流量控制系统和质量流量计来维持想要的充热率和放热率。

图1示出了用作说明的蓄热系统100的操作流程。如图所示，该系统包括：包括蓄热室（HSC）114的热交换器/存储设备；热输入装置110，该热输入装置110将从热源或集热器112（例如太阳能热源）输出热传输流体（HTF）并通过阀门装置146将蒸汽形态的HTF 153注入蓄热室114。相变蓄热介质（例如固-液PCM）126位于室内，任选地配置一个或多个储罐127、热输出装置、及热交换系统，热交换系统包括室156、阀门155、及喷淋/喷头134，喷淋/喷头134将热交换介质/流体119送至蓄热介质126和/或将热转换介质喷淋到蓄热介质（或容纳蓄热介质的储罐）之上。在充热形式中，蒸汽形态的HTF可能接触蓄热介质126的表面且冷凝于此，通过从蒸汽到液体的相变将潜热从蒸汽形态的HTF送至蓄热介质。热输出装置可以具有热输出装置表面122，热输出装置表面122穿过并暴露在蓄热室114内。蒸汽形态的HTF也可能接触这些输出装置表面且冷凝于此传热。冷凝成液体形态的HTF可从室输出重新循环152回热源或集热器112，例如热存储罐。

在各种实施方式中，热输出装置是热装置系统的一部分，也可包括输出表面122、工作介质/工作流体147本身、用于热工作介质/工作流体的出口管151、任选的存储罐142、及用于将冷却后的工作流体循环回到室114内的回流管150。如上所述，在各种实施方式中，热交换系统156/155/134将热交换介质/流体送至蓄热材料126的表面。热交换系统也可能包括一个或多个存储罐156、130以及各种阀门155和其它流量控制元件132。系统100也可能包括计算/处理和控制元件，例如任选的数据获取或处理部件144和计算机中端145、GUI和其它用户交互元件等等。在各种实施方式中，系统100也可以包括在整个公开内容中所阐述的多种其它阀门和相互连接，包括例如，将HTF系统与相邻的/关联的热传输系统、例如在另一这种系统中的热存储罐143耦合的阀门140。在某些具体实施方式中，热输出系统可与存储室分开，作为独立地室而存在。在这种情况下，热输出室可以通过任选的阀门（在图中未示出）与存储室分开。在充热过程中，该阀门可关闭。

为了示出在所提出的蓄热设备中如何在PCM材料冲入和/或放出热能，考虑下述的物理参数和公式：

s–相界的位置，单位-米；

R–含有PCM的圆筒的半径，单位-米；

T_w–PCM容器的壁温，℃；

T_m-PCM的熔化温度，℃；

T_i-PCM的初始温度，℃；

T_s–热传输介质的冷凝温度；

t-时间，s；

ρ_l-液态PCM的密度，吨/m³；

ρ_s-固态PCM的密度，吨/m³；

L_pcm–在熔化温度（熔化热）下PCM的潜热，kWh/吨；

L_w-在相转换温度g下工作介质的潜热，kWh/吨；

L_HTF-在相转换温度g下热传输介质的潜热，kWh/吨；

l–PCM容器的长度，m；

c_l-在液态PCM的比热，kWh/(吨K)；

c_s-在固态PCM的比热，kWh/(吨K)；

λ_l-在液态PCM的热导率，W/(m K)；

λ_s-在固态PCM的热导率，W/(m K)；

dE–在时间dt内PCM吸收或释放的能量，kWh；

dE/dt-在单位时间内PCM吸收或释放的能量，kW；

C–恒定充热功率，kW；

D-恒定放热功率，kW；

q_HTF–单位时间内热传输流体的流量质量；

q_wm-单位时间内工作介质的流量质量；以及

x–在子系统输出的热传输介质的蒸汽到液体的转换率。

图2提供了装入圆筒状的容器（储罐）的相变材料（例如蓄热PCM）的原理图。在各种实施方式中该（储罐）（通常多个这种容器）位于蓄热室内。该蓄热材料，例如固-液相变材料PCM，在冲入热能之前处于固相。在充热能的过程中，固体蓄热材料吸收输送的热能，例如当HTF153冷凝于储罐罐壁表面增加了罐壁的表面温度和存储于储罐内的相变材料的温度，直到蓄热材料达到其相变点（显热吸收过程）时，吸收热传输流体（HTF）的潜热。在相转变温度，蓄热材料吸收来自HTF153的潜热且熔化。PCM的液-固相界s（t）的改变（位于室内）如以下公式所示：

$s\left(t\right)=R-\sqrt{\frac{2{\mathrm{\λ}}_l(T_w-T_m)t}{{\mathrm{\ρ}}_l[L+c_s(T_m-T_i)]}}---\left(1\right)$

如果PCM的初始温度（Ti）是T_m，等式（1）可简化为

$s\left(t\right)=R-\sqrt{\frac{2{\mathrm{\λ}}_l(T_w-T_m)t}{{\mathrm{\ρ}}_{l}L}}---\left(2\right)$

按照图2，在时间范围dt内的能量变化可表示为

$\mathrm{dE}=2\mathrm{\πs}\·(-\mathrm{ds})\·l\·{\mathrm{\ρ}}_l\·L$

$=[-\mathrm{\πl}2{\mathrm{\λ}}_1(T_w-T_m)+\mathrm{\πl}\sqrt{2{\mathrm{\λ}}_1}R\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{l}L}\sqrt{(T_w-T_m)}\frac{1}{\sqrt{t}}]\mathrm{dt}---\left(3\right)$

由于

是一个很大的量，因此第一项远远小于第二项，可被忽略。当能量变化率（充热功率）随时间变化维持在常数C（这在大多数应用中是所需要的）时，我们得出如下关系：

$\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}\≈\sqrt{2{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\ρ}}_{l}L}\mathrm{R\πl}\sqrt{(T_w-T_m)}\frac{1}{\sqrt{t}}=C---\left(4\right)$

当充热功率是常数C时，壁温T_w遵从下述关系：

$T_w-T_m={\left(\frac{C}{R\sqrt{2{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\ρ}}_{l}L}\mathrm{\πl}}\right)}^{2}t={\left(\frac{C}{\mathrm{\π}\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_{l}L{\mathrm{\λ}}_1}\mathrm{Rl}}\right)}^{2}t=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{R}^2{C}^2}{2{\left({\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{\π}{R}^{2}l\right)}^{2}L{\mathrm{\λ}}_1}t---\left(5\right)$

PCM的质量是

m_PCM＝ρ_lπR²l  (6)

从而

$T_w-T_m=\frac{{\mathrm{\ρ}}_l{R}^2{C}^2}{2L{\mathrm{\λ}}_1{m}_{\mathrm{PCM}}^2}t---\left(7\right)$

如图3所示，热传输流体（HTF）蒸汽153将其潜热传输到蓄热PCM126，其冷凝于容器的壁表面，壁温大约等于蒸汽的冷凝温度（Ts）。可由控制蒸汽120的压强（Ps）的阀门146控制壁温（Tw），相应的冷凝温度Ts＝水蒸汽的f（Ps），f是单值函数。因此，按照等式（7），如果蓄热功率是具有斜率[ρ_lR²C²/(2Lλ_lm² _PCM)]的常数C，Ts随时间线性变化。Ts_max定义为在时间tc内保持充热功率常数C的最大冷凝温度。

冷凝温度通常与饱和气压具有一对一的关系：

T_s＝f(P_s)在阀门146进入存储容器之前进来的水汽压高于P_s-max。充热功率常数C等于HTF的冷凝功率（通过容器壁释放到PCM的潜热的速率）：

C＝q_HTFL_HTF式中，q_HTF是冷凝质量流量，L_HTF是热传输流体（HTF）的潜热。为了保持充热功率恒定，一个阀门146可以变动以将q_HTFL_HTF维持为常数。该过程可用带有反馈控制逻辑的计算机实现。如果知道不同温度下L_HTF的值，就可以知道所需的q_HTF。在各种实施方式中，可用液位计158和质量流量计157测量q_HTF的值。也可以测量室内蒸汽变化过程或者PCM容器的表面温度来确保当控制阀门146时图3中温度与的时间的线性关系。该工序也可由计算机反馈控制逻辑/电路来实现。

在某些具体实施方式中，室内蓄热材料（PCM）放热的过程可以通过将液相热传输流体（HTF）喷淋到蓄热PCM容器的表面上来实现。如图3所示，HTF与热表面接触而蒸发，凝固时从熔化的PCM释放潜热，对热传输流体进行加热而相转换为蒸汽相。蓄热材料（PCM）的液固相界s（t）相变的改变（变化）如以下公式所述：

$s\left(t\right)=R-\sqrt{\frac{2{\mathrm{\λ}}_s(T_m-T_w)t}{{\mathrm{\ρ}}_s[L+c_l(T_m-T_i)]}}---\left(10\right)$

此外，如果希望能量变化（充热功率）作为时间的函数而恒定，得到：

$\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}\≈R\sqrt{2{\mathrm{\λ}}_s{\mathrm{\ρ}}_{s}L}\mathrm{\πl}\sqrt{(T_m-T_w)}\frac{1}{\sqrt{t}}=D---\left(11\right)$

壁温将遵循以下的关系：

$T_m-T_w=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s{R}^2{D}^2}{2L{\mathrm{\λ}}_s{m}_{\mathrm{PCM}}^2}t---\left(12\right)$

斜率为rR²D²/(2Lλ_sm²)，因此壁温应该是：

$T_w=T_m-\frac{{\mathrm{\ρ}}_s{R}^2{D}^2}{2L{\mathrm{\λ}}_s{m}_{\mathrm{PCM}}^2}t---\left(13\right)$

在放热过程中，阀门146通常关闭。放热功率D等于HTF的冷凝功率：

D＝q_wmL_wm  (14)

式中，q_wm是用流量计159测量的工作介质的质量流量，L_wm是工作介质的潜热。可调节由流量控制元件132所控制的热交换介质的质量流量来维持放热功率。在某些具体实施方式中，该过程可通过带有反馈控制逻辑的计算机实现。类似地，也可以直接测量PCM容器的表面温度或者室内的蒸汽压来确保容器表面的温度与放热时间的线性关系。在各种实施方式中，该工序也可由带有反馈控制逻辑的计算机实现。

下面是示例对带有恒定的输入和输出的能量流、即向PCM材料充热能和从PCM材料放热能的蓄热设备进行控制的实施例。使用NaNO₃作为相变蓄热材料。表1列出了相关的物理参数。

表1 NaNO₃蓄热相变材料（PCM）的相关物理参数

λs	λl	L	cl	ρl	ρs
						W/mK	W/mK	kWh/吨	kWh/吨K	吨/m3	吨/m3
0.5	0.5	50.5	0.5	1.95	2.26

考虑这样一个实例，在220℃温度下1吨水的潜热是516.11kWh，在一个小时内存储在蓄热设备内。壁温的充热斜率是

我们可以按照下述公式计算在220℃温度下存储1吨水的潜热、即516.11kWh的PCM的质量：

如果我们为PCM选择圆筒形容器的半径为0.025米，在充热率为516.11kW，在一个小时后，充热应该结束。充热斜率可如下进行计算：

然而，如果更多的相变材料用于存储更多的热能从而在相同的充热率下延长了充热时间，可以显著降低充热过程中的温度变化率。例如，在同样的516kW的充热率下，使用5倍的PCM，即51吨NaNO₃材料，充热斜率将会是：

在5个小时后，PCM包装钢管壁和PCM材料中心之间的温差为：

|T_m-T_w|=2.32℃/h×5h=11.5℃

放热过程中的温度变化斜率非常相似。另外，在516kW的放热率下使用51吨NaNO₃材料，PCM包装钢管壁的温度变化斜率为：

在5个小时后，所述温差将为：

T_m-T_w=2.7℃/h×5h=13.5℃

因此，对于相同的充热/放热率，在保持相同的充热或放热率的通时通过提高蓄热容量和总充热/放热时间，不但可以在装置中存储更多的热能，还可以降低对HTF蒸汽（接近于PCM包装钢管壁温）和PCM相变温度之间的温差的需求。该实施例也说明了尽管可以使用多个存储容器来满足大的热存储容量需求，但在整个太阳能集热/充热和放热时间内它们应尽可能多地并行使用，从而降低斜率且将进行适当的充热和放热的温差需求最小化。总的来说，使用上述方法可控制热传输介质的气相温度从而任意调节充热或放热率。

以下将叙述这种系统为何也能适应基于由太阳能变化所带来的入射热能变化和来自各种需求的热能变化的，在某一范围内的不同的充热和放热率。在大多数情况下，可将热传输介质的气相当作理想气体。根据理想气体定律

PV=nRT  （16）

其中P是压强，V是体积，n是理想气体的摩尔数，R是大气常数，T是理想气体温度。这种关系表明对于给定体积的蓄热室，室内气相的温度和压强具有一对一的关系。对于给定的蓄热系统，使用作为蓄热介质的上述相变材料和上述的充热和放热过程模型，能简单地控制和平衡充热和放热过程。

作为实施例，考虑下述情况：输入热能来自太阳能集热场。入射能率（充热率）取决于太阳辐射的强度。当太阳辐射的强度提高时，更多热能被收集且被传送到蓄热室。如果该充热率高于上述等式（15）测定的蓄热室内固有的充热率，即在储存室内气相温度T_g=T_w和PCM相变温度T_m之间的温差、PCM包装（例如钢管）的总表面积、液相时PCM的密度、PCM液相的导热系数、潜热、及总PCM材料，气相压强将增大，导致气相温度T增大。这种温差的增大会导致更高的充热率，直到当蓄热室内的气相压强稳定时建立新的平衡。类似地，当太阳辐射密度降低时，更少热能被收集且被传送到蓄热室。在这种情况下，温差会降低，导致缓慢的充热率知道蓄热室内的压强稳定。

类似地，在放热过程中，只要保持将足够的液相HTF喷淋到包装PCM材料上从而在存储室内产生HTF蒸汽，根据所需的热能的量，气相HTF的压强增大或减少，从而气相HTF的温度也增大或减少。因此，气相HTF和用于蒸汽形成（例如朗肯循环中的水预热和水蒸发）的热交换器之间的热交换温差也会按照需求进行变化，直到在蓄热室内到达新的平衡。

图6A和6B示出用于相变蓄热和相关的热传输和交换的系统和方法的另一具体实施方式。以下对该系统如何运作进行说明。机械泵638从低温HTF储罐620的底部抽出热传输流体（HTF）。HTF流过阀门608且进入包括面板（601至604）的太阳能电池板632，HTF在此被加热且通常在太阳能电池板子系统（例如包括太阳能集热器602至604，和任选的601）中部分汽化，从而HTF既包括气相也包括液相。气相和液相的HTF进入气液分离器623，分离为高温液相和气体。另一个泵618将高温液相HTF泵送入高温HTF储罐621，同时气相HTF进入蒸汽发生器625，此时截留阀612和613关闭且截留阀615打开。在蒸汽发生器热交换器625内，当将HTF的潜热传送到工作流体（在大多数情况下是水）时，HTF冷凝成液相，以将液相的工作流体转换为蒸汽。在蒸汽发生器625内冷凝的HTF流入高温HTF储罐621。储罐621内的液相HTF可以输送入预热器627，从而加热工作流体温度到其饱和温度，在其成为蒸汽之前给予其饱和气压。从预热器627输出的HTF进入低温HTF储罐620，准备进行下一次循环。

或者，当截留阀612和615关闭且截留阀613打开时，来自气-液分离器623的气相HTF进入蓄热容器624。气相HTF在PCM材料的表面（例如容纳液相蓄热材料的储罐626的表面）冷凝以释放其潜热。根据等式（5）至（7）对蓄热相变材料（PCM）充热。如上所述，因热动力学蓄热储罐内的HTF的压强和温度将自身调节直到达到平衡。在充热过程中，PCM的温度可被监控。最初，在到达其固相转变温度之前，PCM的温度将作为时间的函数线性增长，因为这是显热充热过程。当PCM的温度达到其相变温度时，蓄热PCM的温度保持恒定直到所有材料改变相态，这就是相变充热过程。当PCM的温度再次增高时，这表示实质上所有相变存储材料都已经改变相态（例如从固态变为液态）且相变充热过程已经结束。此时，截留阀613通常关闭。然后来自气-液分离器623的气相HTF可以输送回到蒸汽发生器625，例如通过如上所述地关闭阀门612和613且打开阀门615。或者来自气-液分离器623的气相HTF也可输送入与存储室624并排的另一个蓄热室（在此未示出）。储罐624顶部的泄压阀614是防止储罐624内超压的安全设备。

在蓄热室（储罐624）内的蓄热相变材料（PCM）充热之后，当需要时（例如日照低时）准备释放（放）热。在放热过程中，泵619将HTF从储罐622泵送到蓄热室（储罐624）。HTF可通过喷淋设备634被喷淋到蓄热材料（或容纳蓄热材料的储罐）上。在某些具体实施方式中，喷淋设备624被配置为提供降膜热传输穿过蓄热材料（或储罐626）的表面。当HTF接触到PCM（例如PCM储罐626）的表面时，小水珠被加热并蒸发。在储罐624内的压强达到预定程度后，阀门612打开同时阀门613关闭。如果因为有云或者是晚上而太阳辐射密度低，以致不能从气-液分离器623提供气相HTF，截留阀615也关闭。否则，阀门615可以打开，从而太阳能电池板和蓄热储罐都向蒸汽发生器625提供HTF蒸汽。在放热过程中，当储罐622内的HTF液面下降到预定的液面（较低的标记）时，泵609将HTF从储罐620泵送入储罐622，直到储罐622内HTF液面回升到预定的液面（较高的标记），关闭泵609。在蒸汽发生器热交换器625内，HTF冷凝成液相同时将其潜热发送到工作流体（例如水），以从液相转换为蒸汽相（例如蒸汽）。冷凝后的HTF流入高温HTF储罐621。储罐621内的液相HTF流入预热器627以加热工作流体温度到其饱和温度，在其成为蒸汽之前提供其饱和压强。来自预热器627的输出HTF进入低温HTF储罐620，准备进行下一次循环。放热过程持续到当泵619停止且阀门612关闭时PCM温度开始下降为止。

热交换器（蒸汽发生器）625生成的蒸汽可被输送到任选的过热器653及设备，例如涡轮机628，任选地操作发电机629。来自涡轮机628的蒸汽可以通过任选的冷凝器630和任选的脱气器631回收且通过泵617输送到预热器627。

在某些具体实施方式中，PCM材料的显热也能于较低的温度下应用，例如对工作流体进行预热，在夜晚对HTF进行保暖以防止其在太阳能场内成为固体，和/或很多其他低温热应用。在这种情况下，可以继续进行喷淋和汽化过程，直到HTF的温度下降到储罐624内无法生成足够HTF蒸汽的低程度为止。

如图6A和6B所示，输入热源是蒸汽形态的热传输流体（HTF）。HTF将来自热源，例如太阳能集热器阵列的热进行传输，如图所示。在某些具体实施方式中，太阳能集热器601到604形成串联的太阳能集热器电池板的子系统632，太阳能电池阵可由多个子系统并联而成，以在所需的温度范围内传送HTF，例如图6C所示。在各种实施方式中，子系统被设计为在预定的最大太阳辐射密度，子系统的总转换太阳能要少于子系统中在固定的质量流率下HTF蒸汽所携带的热：

$E_{\max }\≤\frac{L_{\mathrm{HTF}}{m}_{\mathrm{HTF}}}{\mathrm{\η}\left(T_1\right)\mathrm{NA}}$

式中，E_max是给定的最大直接辐射（DNI）水平，N是相转换区域内的子系统中集热器电池板的数量，A是各电池板的有效集热器面积，η（T₁）是在HTF相转换温度T₁下各电池板的太阳能到热的转换效率。其结果是，在串联的子系统末端输出热传输流体（HTF）总是液体和蒸汽的混合物，即在子系统输出中，蒸汽对于热传输介质的总质量的质量比率x将总是小于1。

当可用日照（太阳能）小于预定的最大太阳辐射密度时，如果不改变m_HTF，比率x将会降低，同时饱和蒸气温度将保持在相同的温度。这种HTF蒸汽直接生成的特点防止了当太阳辐射由于相转换的特性和比例x的宽泛范围而发生波动时热传输介质过热且碳化。为了更高效的操作，可以在保持比率x不变的同时相应地控制质量流量m_HTF。在系统操作中，如果太阳辐射水平足够高，太阳能电池板可以提供足够的热能从而在蒸涡轮机所需要的温度和流率下生成蒸汽，截留阀613和615通常打开以启动蒸涡轮机的操作。该过程可以进行，当进行该过程时，HTF相变温度T₁仅比热交换器蒸汽发生器的蒸汽发生温度高约10℃到20℃，高于。这是因为在在蒸汽发生器热交换器内气相HTF冷凝的过程中，热传输过程的效率高。

太阳辐射水平进一步增加，太阳能电池板的额外的HTF蒸汽发生将促使T₁增加到高于T_m的温度，热能和充热过程将会开始。在达到新的热动平衡之前，饱和蒸汽温度将随着充热率的上升而上升。因此，不需要控制充热温度和充热率。当辐照水平低，例如太阳能电池板无法提供足够的热能以使蒸涡轮机生成所需要的蒸汽时，关闭阀门613且打开阀门612，同时蓄热储罐在放热模式下进行工作。在这种情况下，太阳能电池板和热能存储罐都为蒸汽发生器热交换器提供HTF蒸汽，确保蒸涡轮机有足够的进入蒸汽。将如上所述进行放热过程。在夜晚或其他没有太阳辐射的时间段，阀门613和615关闭且阀门612打开，蓄热储罐在其放热模式下进行操作。生成的HTF蒸汽将通过蒸汽发生器625生成所需的蒸汽。

采用这种为热传输、存储、及工作介质应用相转换潜热的方法，太阳能集热器和存储装置的平均操作温度大大低于使用显热传输和存储方法的系统的平均操作温度。其结果是，本文所述的方法和装置的效率要大大高于为热传输、和/或存储、和/或工作介质应用显热的系统的效率。

很多材料可以在本文所述的方法和系统中用作热传输流体（HTF）、相变蓄热材料、及工作流体。

如上所述，在某些具体实施方式中，想要利用具有等于或略微高于相变蓄热材料和/或工作流体的工作（转换）温度的转换温度（例如液体到气体的转换温度）的热传输流体。此外，热传输流体和蓄热介质在各种实施方式中都是相变材料（例如用于HTF的液体/气体PCM，和用于蓄热材料的固体/液体PCM）。

合适的热传输流体（HTFs）包括，但并不限于，例如水、各种天然油或合成油、离子流体等等。示例性的HTF材料包括，但并不限于，具有大温度跨度的液体，例如水、合成油、离子流体等等，可用作热能输入的HTF。工作流体（WFs）可以是水，但也可以是氨水、有机溶剂和具有所需特性的很多其他液体的选择，通常用作热能输出。在表2中示出这种流体的例子。

表2 示例性的热传输流体和/或工作流体和/或流体、以及热交换媒体

合适的工作流体包括，但并不限于，例如水、氨水、多种有机溶剂等材料。

示例性的适用于热存储材料的固/液相变材料包括，但并不限于石蜡、脂肪酸、聚乙二醇（或其他长链醇）、及盐（例如无水盐）。基于所需的转换温度和有效热容来选择相变蓄热材料。

具有相对低的转换温度且被认为适用于热存储材料的示例性的固/液相变材料包括，但并不限于表3中所示出的那些。

表3 示例性的用于蓄热介质的低温相变材料

（ClimSel是瑞典Climator公司的注册商标）

在各种实施方式中，蓄热材料优选为更高（高）温相变材料。被认为适用于热存储材料（蓄热材料）的示例性的高温相变材料包括，但并不限于表4中所示出的那些。

表4 示例性的适用于蓄热的更高温相变材料

进一步地，固液相PCM存储材料可以是具有所需转换温度和有效热容的无机和有机PCM材料中的众多选择。这种PCM的例子，在表3中示出用于低相转换温度的情况，在表4中示出用于高相转换温度的情况。如上所述，在某些优选的实施方式中，固-液PCM通常被装于第二容器/储罐内，具有所需的形状和尺寸。在某些具体实施方式中，这些储罐放置于主容器的分层架上。

图7提供用于本文所述的设备和方法中的计算机系统的简化说明。如图6所示，在某些具体实施方式中，计算组件可集成于标准的计算机体系结构或计算机系统770。如图所示，硬件可以包括一个或多个处理器（CPU（s））773、内存772、持续性存储器779（例如硬盘驱动器、光学存储器、闪存等等）、用于图形用户界面（GUI）的硬件776，通过本地总线或接口775连在一起。计算机组件可以进一步包括附加的硬件组件（未图示）。

在各种实施方式中，系统770可以包括，例如，个人电脑和工作站。处理器773可以是，例如微处理器，例如英特尔公司（加州圣克拉拉）生产的志强

英特尔酷睿2代

奔腾双核酷睿

赛扬

英特尔凌动

英特尔奔腾酷睿I3

酷睿I5或酷睿I7

微处理器。内存772可包括，例如随机访问内存（RAM）、只读内存（ROM）、虚拟内存、或其他任意的处理器773可访问的工作存储介质或媒介。持久性存储器779可以包括硬盘、软盘、光盘或磁光盘、闪存/固态驱动器、或其他任意的持续性介质。用户界面（例如GUI）776有利于用户和系统770之间进行交流。在示例性的实施方式中，其硬件可以包括视觉显示器777和一个或多个选择器/输入设备（鼠标、键盘等）778。通过视觉显示器777，系统770可以将图形、文本、及数字输出传送给用户。系统7790可以从选择器设备778接收输入，该输入表明用户对特殊的窗口、菜单、菜单选项的选择。视觉显示器777可以包括，例如阴极射线管（CRT）或平板显示器屏幕，或例如虚拟现实显示器那样的头戴式显示器。选择器设备778可以是，例如，二维定位设备，例如鼠标、轨迹球、触控板、光笔、控制杆或其他。或者或此外，选择器设备778可以包括键盘，例如带功能键和光标控制键的字母数字键盘。

系统770的软件可以包括操作系统780和应用程序781。系统770的软件可以进一步包括另外的应用程序（未示出）。操作系统780可以是，例如微软（R）的WIN7操作系统、安卓操作系统、linux或linux的变种、苹果IOS

JAVA系统等等。或者，操作系统是专门用于本文描述的潜热蓄热系统的操作。应用程序781是与操作系统和系统770体系结构兼容的任意程序。本领域技术人员会了解到在各种不同的的实施方式中，范围广泛的硬件和软件的配置可以支持本发明的系统和方法。

系统770可以通过I/O控制器771可操作地连接于压强传感器，和/或温度传感器，和/或流率计，和/或流体液面计，和/或阀门控制器。压强传感器和温度传感器可以向系统770提供室内的压强信息，同时如果存在温度传感器，它可以提供蓄热介质的表面温度信息。控制器提供信息给设备以调教室内的压强。在某些具体实施方式中，压强和/或温度传感器可以集成入控制器系统从而提供集成的控制器子系统。控制器、传感器和/或集成的控制器子系统不需要直接连接于计算机组件770，但可以通过有线或无线连接或通过互联网或局域网来远程操作。

可以在计算机可执行指令、例如计算机、计算机组件等所执行的程序模块的一般上下文中表述本文描述的控制方法。一般地，程序模块可能包括执行特殊任务或实施特殊抽象数据类型的例行程序、程序、对象、组件、数据结构等等。在某些具体实施方式中，本文描述控制方法也可以在由通过通讯网络连接的远程处理装置所进行任务的分布式计算机环境下执行。在分布式计算机环境下，程序模块可以设于包括内存存储设备的本地和远程计算机存储介质内。

计算机组件/环境770也可能包括一种或多种类型计算机可读介质。计算机可读介质可以是常驻于计算机组件/环境770的、可被计算机组件/环境770联合的、或可被计算机组件/环境770获取的任意可用介质。作为例子而不是限定，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括在用于存储信息（例如计算机可读指令、数据结构、程序模块、或其他数据）的任意方法或技术中实行的易失和非易失的、可移动和不可移动的介质。

计算机存储介质包括，但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储技术、CD-ROM、数字多功能光盘（DVD）或其他光学存储、磁带、磁盘存储或其他磁存储设备、或可以用于存储所需信息且可以被计算机组件访问的任何其他介质。通信介质可能包括计算机可读指令、数据结构、程序模块、或其他包含所述功能的数据。进一步地，通信介质可能包括有线介质，例如有线网络或有线直结通信；和无线介质，例如声音、RF、红外线和其他无线介质。上述介质的任意组合也包括在计算机可读介质的范围之内。

在各种实施方式中，仔细考虑包含有使计算机系统按照本文描述的任意方法和/或操作配置对本文描述的潜热蓄热系统进行操作的指令的计算机可读介质。

在本说明书中，术语组件、模块、设备等等可指代以多种方式实行的任意类型的逻辑或功能过程或块。例如，各种不同块的功能可相互组合为任意其他一些模块。各模块可以作为存储于实体存储器（例如随机访问内存、只读内存、CD-ROM存储器、硬盘驱动器）的被中央处理单元所读取以实行本发明所述功能的软件程序来执行。在各种实施方式中，模块可以包括通过传输到通用计算机或经由传输载波到达处理/图形硬件的程序指令。此外，模块可作为实行本发明包含的功能的硬件逻辑电路来执行。最后，模块可以使用特殊用途指令（SIMD指令）、现场可编程逻辑阵列或提供所需水平的性能和成本的任意混合方式来执行。

图8是示出在一个示例性的实施方式中，处理器/控制器和各种处理器控制器接收的输入、实施的功能、提供的输出之间的关系的示意图。如所示，处理器可基于一个或多个输入对装置的各种不同的操作特性进行控制。

这种可控操作参数的例子是允许热转换流体进入蓄热室的阀门的开启和关闭的时间安排。如上所述，对蓄热室内压强的调整可以改变热存储系统的充热/放热率。

如本文所揭示的，本发明的各种不同的实施方式和特征可通过计算机硬件、软件和/或固件来实行。例如，本文揭示的系统和方法可包含在多种不同的方式中，包括，例如数据处理器，如计算机，其还包括数据库、数字电路、固件、软件、或它们的组合。进一步地，尽管在一些所揭示的实施方式中描述了组件，如软件，但与本发明一致的系统和方法可用硬件、软件和/或固件的任意组合来实行。而且，上面提到的特征和本发明的其他方面和原理可在多种环境下实行。这种环境和相关的应用可为了实施多种本发明的过程和操作而特别构建，或者可包括通过代码选择性地启动或重新配置的通用计算机或计算平台以提供需要的功能。本文揭示的过程（方法）本质上与任何特殊计算机、网络、体系结构、环境、或其他装置没有关联，可通过硬件、软件和/或固件的合适组合来执行。例如，各种不同的通用机器可与按照本发明的教导所编写的程序一起使用，或者为构建特别的装置或系统来实施所需的方法和技术，它可能更为方便。

本文描述的方法和系统的方面，例如逻辑，可作为任意多种不同的电路中的功能编程来执行，包括可编程逻辑器件(“PLDs”)，例如现场可编程门阵列（FPGAs）、可编程阵列逻辑（PAL）设备、电可编程逻辑和存储器设备和基于标准单元的设备、以及应用特殊集成电路。一些示意性的但并非限制性的执行本发明方面的其他可能性包括：存储设备、具有存储器的微控制器（例如EEPROM），嵌入式微处理器、固件、软件等等。此外，本发明方面可以包含在微处理器内，该微处理器具有基于软件的电路模拟、离散逻辑（时序和组合）、定制设备、模糊（神经）逻辑、量子设备、及任意上述设备类型的混合。基础设备技术可用很多种组件形式来提供，例如像互补金属氧化物半导体（CMOS）那样的金氧半场效晶体管（MOSFET）技术、像发射极耦合逻辑（ECL）那样的双极技术、聚合物技术（例如含硅共轭聚合物和金属共轭聚合物-金属结构）、模拟和数字的混合等等。

应当注意到，本文所揭示的各种不同的逻辑和/或功能可以根据它们的行为、寄存器传输、逻辑组件、和/或其他特性，使用任意数量的硬件、固件、和/或作为各种机器可读或计算机可读介质所包含的数据和/或指令的组合来实现。计算机可读介质（其中可以包含这种格式化数据和/或指令）包括，但不限于各种不同形式的非易失性存储介质（例如光、磁或半导体存储介质）和用于通过无线、光、或有线信号介质或它们的任意组合来传输这种格式化数据和/或指令的载波。通过载波来传输这种格式化数据和/或指令的例子，包括但不限于，在互联网和/或其他计算机网络上通过一种或多种数据传输协议（例如HTTP、FTP、SMTP等等）进行传输（上传、下载、Email等等）。

应理解，本文所述的实施例和实施方式只是用于举例说明，显然本领域的技术人员可以做出各种修改或变化，均包含在本申请的思想和范围以及所附的权利要求的范围之内。使用本文提供的启示，本领域的技术人员可得到很多其它蓄热、热交换和热传输系统的配置。本文引用的所有公开出版物、专利、专利申请通过引用全部被合并在本文中。

Claims (57)

1.一种相变材料的热存储系统，其特征在于，包括：

蓄热室，该蓄热室容纳相变蓄热材料；

热输入装置，该热输入装置从热源输送热传输流体，其中所述热输入装置配置为将水蒸汽形态的所述热传输流体注入所述蓄热室；以及

热输出装置，该热输出装置将工作介质从所述蓄热室输送到由所述工作介质操作的装置或系统，且提供一个或多个用于将热从所述蓄热室传输入所述工作介质的热交换表面，

所述热传输流体是液气相变材料且相转换温度接近于或超过所述蓄热材料和/或所述工作流体的相转换温度。

2.如权利要求1所述的热存储系统，其特征在于，

所述相变蓄热材料是液固蓄热材料。

3.如权利要求1或2所述的热存储系统，其特征在于，

所述相变蓄热材料容纳于位于所述蓄热室内的一个或多个相变材料储罐内。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

所述相变蓄热材料包括选自如下的一种材料：石蜡、脂肪酸、聚乙二醇、及盐。

5.如权利要求4所述的热存储系统，其特征在于，所述相变蓄热材料包括盐或盐溶液。

6.如权利要求4所述的热存储系统，其特征在于，

所述相变蓄热材料包括无水盐。

7.如权利要求4所述的热存储系统，其特征在于，

所述相变蓄热材料包括表3和/或表4中的一种或多种材料。

8.如权利要求1～7中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

在所述热输出装置中所述热传输流体用作所述工作介质。

9.如权利要求1～7中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

所述热输出装置包括热交换器，该热交换器将热从所述热传输流体传输到所述工作介质。

10.如权利要求1～9中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

所述热传输流体包括选自如下的一种材料：油和有机溶剂。

11.如权利要求10所述的热存储系统，其特征在于，

所述热传输流体包括表2中的一种材料。

12.如权利要求10所述的热存储系统，其特征在于，

所述热传输流体包括油。

13.如权利要求10所述的热存储系统，其特征在于，

所述热传输流体包括VP-1。

14.如权利要求1～13中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

所述工作流体包括水或氨溶液。

15.如权利要求1～14中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

所述蓄热材料包括NaNO₃。

16.如权利要求1～15中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

所述热输出装置配置为将作为工作介质的所述热传输流体输送到由该工作介质操作的所述装置或系统。

17.如权利要求1～16中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

所述热输出装置配置为将所述热传输流体输送到热交换器，以将热输送到所述工作介质，所述工作介质被输送到由该工作介质操作的所述装置或系统。

18.如权利要求1～17中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

所述热源包括一个或多个太阳能热源。

19.如权利要求1～18中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

所述热源产生的热少于所述热传输流体的水蒸汽输送的热，导致从所述热源输出热传输流体是液体和水蒸汽的混合物。

20.如权利要求1～19中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

所述热源提供的热足以将所述工作流体从液体变为水蒸汽，所述系统配置为应用所述热传输流体的蒸汽相作为工作流体且输送到所述装置或系统，或者所述系统配置为应用所述热传输流体的蒸汽相来将热交换器内的热传输到输送到所述装置或系统的工作流体。

21.如权利要求20所述的热存储系统，其特征在于，

所述装置或系统包括涡轮机。

22.如权利要求20或21所述的热存储系统，其特征在于，

所述系统配置为也将热传输流体输送到所述蓄热室，所述热传输流体在该蓄热室经历从水蒸汽到液体的相变且将热传输到所述蓄热材料，该蓄热材料经历从固体到液体的相变从而对所述蓄热材料充热。

23.如权利要求20～22中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

通过调节阀门对充热功率进行调整，该阀门控制水蒸汽形式的所述热传输流体进入所述蓄热室。

24.如权利要求20～23中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

用液位计和/或质量流量计测定所述热传输流体冷凝质量流量（q_HTF），其中调节所述q_HTF以控制充热率。

25.如权利要求20～24中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

通过测量/控制所述蓄热室内的水蒸汽压强，和/或通过测量/控制所述蓄热材料的表面温度来对充热率进行测量和/或控制。

26.如权利要求20～25中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

所述充热率处于计算机的控制之下。

27.如权利要求26所述的热存储系统，其特征在于，

所述系统可操作地连接到或包含计算机，该计算机接收选自如下的一个或多个参数：热源提供的热、来自热源的热传输流体的流率、来自热源的热传输流体的温度、蓄热室内的水汽压、蓄热室内的一个或多个储罐的表面温度、蓄热室内的储罐的表面温度、蓄热室内的热传输流体的蒸汽温度、离开蓄热室的热传输材料的流率、离开蓄热室的热传输材料的温度、一个或多个调节热传输材料流量的阀门的开启程度或状态。

28.如权利要求26或27所述的热存储系统，其特征在于，

所述计算机控制并改变选自如下的一个或多个操作配置或参数：从充热模式到放热模式或从放热模式到充热模式的阀门配置、流入蓄热室的热传输流体的流率、从蓄热室流出的热传输材料的流率、通过蓄热室内喷头的流率、与外部热传输系统耦合、及与发电系统耦合。

29.如权利要求1～28中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

所述热源提供的热不足以将所述工作流体从液体转换为水蒸汽，所述蓄热系统配置为从热输出装置阀门关闭来自热源的热传输流体，热传输流体与所述蓄热材料接触，从而从所述蓄热材料向所述热传输流体传输热，以使所述热传输流体实现从液体到水蒸汽的相转换，热传输流体的蒸汽相输送到所述装置或系统，或者输送到热交换器以对输送到所述装置或系统的工作流体进行加热。

30.如权利要求29所述的热存储系统，其特征在于，

所述装置或系统包括涡轮机。

31.如权利要求29或30所述的热存储系统，其特征在于，

通过调节热交换介质的质量流量来维持放热功率。

32.如权利要求29～31中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

通过测量蓄热材料容器的表面温度，和/或室内的水汽压来维持放热功率。

33.如权利要求32所述的热存储系统，其特征在于，

维持存储容器的表面温度和放热时间之间的线性关系。

34.如权利要求29～33中任意一项所述的热存储系统，其特征在于，

放热率处于计算机的控制之下。

35.一种将热源耦合于待由该热源驱动的系统或装置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将热从所述热源耦合入如权利要求1～34中任意一项所述的热存储系统；以及

从所述热存储系统回收热送至所述系统或装置，所述热对所述装置进行驱动。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，

所述热源提供的热足以将所述工作流体从液体变为水蒸汽时，所述热传输流体的蒸汽相用作工作流体且输送到所述装置或系统，或者所述热传输流体的蒸汽相输送到热交换器来对输送到所述装置或系统的工作流体进行加热。

37.如权利要求35或36所述的方法，其特征在于，

所述热源提供的热足以将所述工作流体从液体变为水蒸汽时，加热的热传输流体输送到所述蓄热室，所述热传输流体在该蓄热室经历从水蒸汽到液体的相变且将热传输到所述蓄热材料，该蓄热材料经历从固体到液体的相变从而对所述蓄热材料充热。

38.如权利要求35～37中任意一项所述的方法，其特征在于，

所述热源提供的热不足以将所述工作流体从液体转换为水蒸汽时，从热输出装置阀门关闭来自热源的热传输流体，热传输流体与蓄热材料接触，从而从蓄热材料向所述热传输流体传输热，从而对所述蓄热材料放热以实现所述热传输流体从液体到水蒸汽的相转换，热传输流体的蒸汽相传输到所述装置或系统，或者传输到热交换器以对传输到所述装置或系统的工作流体进行加热。

39.如权利要求35～38中任意一项所述的方法，其特征在于，

所述热源所驱动的系统或装置包括涡轮机。

40.一种为热传输、热交换、热转换而使用从液体到水蒸汽的材料相转换进行工作、为热存储使用从固体到液体的材料相转换、为热存储放热使用从液体到固体的材料相转换的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将热从热源耦合入如权利要求1～34中任意一项所述的热存储系统；以及

从所述热存储系统回收热送至所述系统或装置从而对所述装置或系统进行驱动，

通过所述蓄热介质的从固体到液体的相转换将热传输入所述蓄热材料，且通过所述蓄热介质的从液体到固体的相转换从所述蓄热材料传输出热。

41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，

所述热源提供的热足以将所述工作流体从液体变为水蒸汽时，所述热传输流体的蒸汽相作为工作流体且输送到所述装置或系统，或者所述热传输流体的蒸汽相输送到热交换器来对输送到所述装置或系统的工作流体进行加热。

42.如权利要求40或41所述的方法，其特征在于，

所述热源提供的热足以将所述工作流体从液体变为水蒸汽时，加热的热传输流体输送入所述蓄热室，所述热传输流体在该蓄热室经历从水蒸汽到液体的相变且将热传输到所述蓄热材料，该蓄热材料经历从固体到液体的相变从而对所述蓄热材料充热。

43.如权利要求40～42中任意一项所述的方法，其特征在于，

所述热源提供的热不足以将所述工作流体从液体转换为水蒸汽时，从热输出装置阀门关闭来自热源的热传输流体，热传输流体与所述蓄热材料接触，从而从蓄热材料向所述热传输流体传输热来对所述蓄热材料放热，以使所述热传输流体实现的从液体到水蒸汽的相转换，热传输流体的蒸汽相输送到所述装置或系统，或者输送到热交换器以对输送到所述装置或系统的工作流体进行加热。

44.如权利要求40～43中任意一项所述的方法，其特征在于，

所述热源所驱动的系统或装置包括涡轮机。

45.一种非瞬时性计算机可读介质，其特征在于，包括：

用于计算机对如权利要求1～34中任意一项所述的热存储系统相变进行控制的指令。

46.如权利要求45所述的计算机可读介质，其特征在于，

所述指令提供给所述计算机从而通过调节阀门对充热功率进行调整，该阀门控制水蒸汽形式的热传输流体进入所述蓄热室。

47.如权利要求45或46所述的计算机可读介质，其特征在于，

提供所述指令用于使用来自液位计和/或质量流量计的数据来测定热传输流体冷凝质量流量（q_HTF）。

48.如权利要求47所述的计算机可读介质，其特征在于，

所述指令指导所述计算机从而调节所述q_HTF以控制充热率。

49.如权利要求45～48中任意一项所述的计算机可读介质，其特征在于，

为所述计算机提供指令以接收选自如下的一个或多个参数：热源提供的热、来自热源的热传输流体的流率、来自热源的热传输流体的温度、蓄热室内的水汽压、蓄热室内的一个或多个储罐的表面温度、蓄热室内的储罐的表面温度、蓄热室内的热传输流体的蒸汽温度、离开蓄热室的热传输材料的流率、离开蓄热室的热传输材料的温度、对热传输材料的流量进行调整的一个或多个阀门的开启程度或状态。

50.如权利要求45～49中任意一项所述的计算机可读介质，其特征在于，

所述指令提供给所述计算机从而控制并改变选自如下的一个或多个操作配置或参数：从充热模式到放热模式或从放热模式到充热模式的阀门配置、流入蓄热室的热传输流体的流率、从蓄热室流出的热传输材料的流率、通过蓄热室内喷头的流率、与外部热传输系统耦合、及与发电系统耦合。

51.如权利要求45～50中任意一项所述的计算机可读介质，其特征在于，

当所述计算机测定所述热源提供的热足以将所述工作流体从液体变为水蒸汽时，所述指令使所述计算机对蓄热系统进行配置从而利用所述热传输流体的蒸汽相作为工作流体且输送到所述装置或系统，或者所述热传输流体的蒸汽相输送到热交换器来对输送到所述装置或系统的工作流体进行加热。

52.如权利要求45～50中任意一项所述的计算机可读介质，其特征在于，

当所述计算机测定所述热源提供的热不足以将所述工作流体从液体转换为水蒸汽时，所述指令使所述计算机对蓄热系统进行配置，以使从热输出装置阀门关闭来自热源的热传输流体，热传输流体与蓄热材料接触，从而从蓄热材料向所述热传输流体传输热以使所述热传输流体实现从液体到水蒸汽的相转换，热传输流体的蒸汽相输送到所述装置或系统，或者输送到热交换器以对输送到所述装置或系统的工作流体进行加热。

53.如权利要求45～52中任意一项所述的计算机可读介质，其特征在于，

所述指令使所述计算机通过测量蓄热材料容器的表面温度和/或室内的水汽压来测定充热或放热率。

54.如权利要求45～53中任意一项所述的计算机可读介质，其特征在于，

所述指令使所述计算机通过调节热交换介质的质量流量来维持放热功率。

55.如权利要求54所述的计算机可读介质，其特征在于，

所述指令使所述计算机维持存储容器表面的温度和放热时间之间的线性关系。

56.如权利要求45～55中任意一项所述的计算机可读介质，其特征在于，

所述计算机可读介质包括选自如下的一种介质：磁性媒体、光学媒体、闪存、及可编程逻辑装置。

57.如权利要求45～55中任意一项所述的计算机可读介质，其特征在于，

所述计算机可读介质配置于可操作地连接于相变热存储系统的计算机系统或计算机内。

Images