CN108351182A - 包括在太阳能增强材料回收中用于能量存储/释放的相变和/或反应材料，以及相关的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

所公开的技术包括将太阳能转换成热能并传送用于在过程中使用的热。典型的方法包括将太阳能传递至工作流体，并将能量从工作流体转移至安置在加热井内的加热元件。加热井包含热能存储物质(TESS)。控制器控制与TESS热连通的加热元件。在一些实施方式中，TESS释放并吸收作为潜热的热，这减少了加热井与加热井周围地层之间热交换中的温度变化。在这样的实施方式中，TESS安置在加热元件和加热井的外套管之间。除加热井之外，所公开的技术可应用于涉及热传送的其他过程。

Description

包括在太阳能增强材料回收中用于能量存储/释放的相变和/ 或反应材料，以及相关的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年11月13日提交的美国临时申请第62/255,247的优先权，其通过引用并入本文中。
技术领域
本发明技术通常涉及用于太阳能提高石油采收率的相变和/或反应材料以及相关的系统和方法。
背景技术
蒸馏是一种包括加热油页岩的不断发展的工业方法。油页岩是含有油母岩质(kerogen)的细粒沉积岩。作为蒸馏过程的一部分，油母岩质可在地上或地下进行加热。在高温下，油页岩中的油母岩质发生化学反应并转化为烃气体和液体。烃气体和液体是蒸馏过程中具有价值的产物。
用于蒸馏的系统和方法可在非原位或原位下进行。在非原位过程中，在油页岩开采后，油页岩通常在地面上的容器中进行加热及处理。在原位过程中，油页岩通常在地下进行加热，加热过程的产物通过生产井来提取。对于非原位和原位蒸馏过程来说，两者都需要大量的热能。非原位蒸馏过程通常需要所得气体和油中所含热能的约25％，而原位蒸馏过程通常需要所得气体和油中所含热能的约50％。
图1提供了根据现有技术的原位蒸馏过程的概况。加热井1010a-b将多年的热量传送至含油母岩质(kerogen-bearing)的地层1020a-b(统称为“地层”)。加热井1010a-b可将地层1020a-b加热第一段时间(例如，几年)。加热之后，生产井1030将转化/释放的烃产物传送至地面。虽然图1中未示出，但可以使用垂直井和水平井。加热井中的热源可以为电能(位于井中的电加热元件，由地面处的发电机提供电能)或直热(在井内循环的传热液体或气体，由地面上的设备进行加热)。而且，虽然图1中未示出，但是加热井1010a-b最初可以将地层加热数年，并在一段时间后，加热井1010a-b可转化为生产井。
原位过程面临与加热地层1020a-b相关的一些挑战。例如，非均匀地加热地层1020a-b的加热井可能导致不良的反应，包括过度的焦化或所产生的烃分子的平均质量的不良偏移。不一致的空间热通量(spatial heat flux)可能导致“冷点”和“热点”，其中在“冷点”处转化反应未完成，在“热点”处由于过热而发生不良反应。类似地，产生时变热通量(time-varying heat flux)的能源可能会导致较慢的加热时间，这会延迟或减少烃的产生和/或导致断断续续的不良反应。
在加热井中使用加热元件面临若干挑战。例如，如图2所示，电加热元件2010可具有沿着元件的长度而变化的电阻。电加热元件2010可在加热井1010a内扭曲、转动或弯曲。沿着电加热元件2010的长度的变化电阻以及加热元件中的变形可能引发不均匀加热，进而导致热点(hot spots)。此外，避免热点对于用于原位过程的电加热元件的设计提出了特别的挑战。大多数用作电导体的金属合金随着温度升高呈现出增大的电阻。例如，当局部较高的热能值在加热井中产生热点时，这些热点可能由于增大的电阻而引发进一步的热不均匀性，并因此导致更大的局部热损耗。然而，这个缺点并不限于电加热器。许多类型的加热元件例如流体加热元件(例如，导管(conduit)内的加热的工作流体)也可能因为流体轴承导管(fluid-bearing conduit)与井筒之间不断变化的热接触而产生热点和冷点。
与蒸馏过程相关联的另一个挑战是确定具有成本效益并且不会对环境有害的能源。图3中示出了一个典型的太阳能系统。太阳能系统3000包括将入射的太阳能辐射集中到相应的接收器3010(例如，具有工作流体的管道)上的多个太阳能收集器3020。太阳能收集器3020具有高度反射的(例如，镜像的)表面，该表面将入射的太阳能辐射重新引导并聚焦到接收器3010上。接收器3010接收被加压的且被引导至和通过接收器3010的流体(例如，来自源3030的水)。水转化为蒸汽，其用于直接加热油层，或转化为用于石油采收和/或其他过程的电能。如图3所示，接收器3010和太阳能收集器3020可排列成行。在特定的实施方式中，这些行以大致东-西构型进行排列，使得太阳能收集器3020通常面向赤道。太阳能系统3000可包括驱动器(未示出)以改变太阳能收集器3020的角度，以适应太阳的每日或季节差异。
继续参考图3，太阳能收集器3020和接收器3010可容纳在外壳3040中。外壳3040可包括壁和顶部，该壁和顶部可提供受保护的内部区域与外部区域之间的边界。特别地，外壳3040可保护太阳能收集器3020免受可能存在于外部区域中的风、灰尘、污物(dirt)、污染物(contaminants)和/或其他潜在地破坏性的或模糊的环境元素的影响。同时，外壳3040可包括透射表面，例如，在外壳3040的壁和/或顶部处，以允许太阳能辐射进入内部区域及太阳能收集器3020。例如，在特定的实施方式中，外壳3040的绝大多数表面区域(包括壁和顶部)由玻璃或其他合适的透射和/或透明材料(例如，塑料或聚合物)制造而成。
尽管太阳能可具有成本效益并且不会对环境有害，但其作为能量源却面临挑战。例如，太阳能并不是在任何时候都是可用的，并且可能因地区、时间、天气和季节而改变。而且，尽管以上参考图1-3所描述的布置适合于从油页岩回收燃料并收集太阳能，以用于石油采收过程(oil recovery processes)，但发明人已经确定了可显著改进系统及方法性能的若干技术，如下面进一步详细讨论的。在阅读以下具体实施例后，现有或之前系统的其他限制对于本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
图1是根据现有技术配置的原位蒸馏过程的部分示意性等轴测图。
图2是图1中所示的原位蒸馏过程中所使用的加热井的一部分的横截面图。
图3是根据现有技术用于收集太阳能的太阳能收集器的部分示意性等轴测图。
图4是示出环境的部分示意性框图，在该环境中本技术的实施方式进行操作以对加热井加热。
图5A-5C示出了根据本技术的实施方式的包含用于加热地层的热能存储物质的加热井的部分示意性横截面侧视图。
图6A-6C示出了根据本技术的实施方式配置的加热井的部分示意性横截面俯视图。
图7A是根据本技术的实施方式配置的具有热能存储物质的加热井的部分示意性横截面侧视图。
图7B示出了图7A中所示的加热井的相应温度曲线(temperature profile)。
图8A是根据本技术的实施方式的具有经历化学反应的热能存储物质的加热井的部分示意性横截面俯视图。
图8B示出了图8A中所示的加热井的相应温度曲线(temperature profile)。
图9是示出根据本技术的实施方式配置的系统的模拟结果的图。
具体实施例
本技术通常涉及通过将热能存储物质(TESS)插入热传送系统(例如，加热井)中并使用热传送系统来加热TESS而获得的相对等温加热过程。尽管将热输入TESS的速率可能变化很大(例如，由于太阳能的可用性的变化)，该过程可继续在等温条件下将热传送给地层。
本技术还涉及非等温加热过程。在非等温实施方式中，热传送系统可包括在一定温度范围内熔化的TESS，例如熔盐。大多数熔盐由无机盐的混合物制备而成，其固体溶液构成在一定温度范围内，而不是单一温度下，熔化的新材料。这可能是相当窄的温度范围，尤其是在低共熔混合物的情况下。然而，例如，如果混合物不完全是低共熔混合物，或者如果存在污染物或降解，或者如果加热速度快，则会存在熔化开始和结束的范围。熔化温度范围可以是小的(例如，1-2摄氏度)或大的(例如，大于2摄氏度)。由Judith C.Gomez的题目为“High-Temperature Phase Change Materials(PCM)Candidates for Thermal EnergyStorage(TES)Applications”的报告中公开了更多的细节，其可在http：//www.nrel.gov/docs/fyllosti/51446.pdf上获得，并通过引用并入本文中。
无论相变是在单一温度下发生还是在某一温度范围内(例如，在有限的范围内)发生，材料改变相的事实都会减少该过程的温度变化，并因此预期会减少热点或其他热变化的存在。因此，如本文所使用的，术语“至少一个温度”包括单一温度和一定范围的温度。
TESS(在本文中也称为热存储物质或能量存储物质)可包括相变材料和/或经历化学反应的材料。相变通常包括在正常操作期间从一相变化为另一相(例如，液体变成固体或反之亦然)的化学物质。在经历相变的TESS的一个示例中，原位蒸馏过程中的加热井至少部分地填充有TESS，该TESS具有匹配或接近用于加热加热井周围地层所期望温度的熔化温度。在这样的示例中，TESS可位于加热井的套管(casing)和加热元件之间。当TESS加热至其熔化温度时，使加热元件附近的TESS熔化成液体TESS，TESS的外固体层通过加热井的套管将热传送至地层。
TESS可释放和吸收作为潜热的热，其与TESS的固体/液体状态的变化相关联。例如，在太阳能可用的白天，由太阳能驱动的加热元件可提供足够的热量，以完全熔化TESS。当TESS熔化时，TESS的固相和液相可通过以相对等温的方式的传导和对流将热传输至地层中。如果TESS在加热时完全熔化，液体TESS可根据加热元件和地层温度之间的温度梯度将热从加热井传输至地层中。当太阳下山或夜晚开始时，由于太阳能的减少，加热元件可开始冷却，并且TESS可开始凝固。在一些实施方式中，TESS还可释放并吸收与TESS的温度变化相关联的作为显热的热(例如，在TESS已经改变相之后)。
在另一个示例中，基于其化学反应性质来选择TESS。化学反应通常是将一种化学物质转化为另一种化学物质的过程。化学反应可在单一温度或在一定温度范围内发生。例如，可以选择TESS，因为其化学反应或转变温度(或化学反应或转变温度范围)匹配或接近期望的输入温度。在这样的示例中，如果TESS被加热至其化学反应或转变温度(例如，吸热和放热反应速率达到平衡的温度，或者将TESS转变为另一化学物质的正向反应和逆向反应达到平衡的温度)，至少在包含TESS的加热井的外边界处可以实现大致等温条件(或者，例如，大致窄的温度范围条件)。
太阳能可用于加热TESS。在一些实施方式中，光伏(PV)电池单元(cell)可收集太阳能并产生电(例如，电流)，以给包含TESS的位于加热井中的电加热元件供电。PV电池单元可连接至能调节流过电加热元件的电流的控制器(例如，计算机)。以这种方式，控制器可控制加热井内TESS的温度。在一些实施方式中，在控制器的控制下，处理单元改变或调节传递至电加热元件的电功率电功率。
在其他实施方式中，太阳能收集器可以收集和聚集太阳能，以加热工作流体(例如，熔盐溶液)。工作流体可连接至控制器，该控制器可通过包含TESS的加热井来调节工作流体的流动。工作流体可容纳在加热井内的导管中。以这种方式，控制器可以控制加热井内TESS的温度。在一些实施方式中，在控制器的控制下，处理单元改变(例如，加热)传递至加热元件的工作流体。
在其他实施方式中，太阳能和另一能源联合使用以加热包含TESS的加热井中的加热元件。例如，除了太阳能之外或代替太阳能来加热加热元件，典型的热传送系统可以使用电力、核能或来自燃烧的能量(例如，天然气、石油和/或煤燃烧)。例如，当太阳能可用时(例如，在白天)，热传送系统可使用太阳能，并且当太阳能不可用时(例如，在夜间)，热传送系统可使用替代能源(例如，电能)。在一些实施方式中，热传送系统能以另一种形式存储太阳能，例如，存储在热能存储罐中的熔盐或其它材料中，并且稍后使用该能量来加热地层。在一些实施方式中，管理员可基于若干因素，例如能源的成本、能源的可用性以及能源如何适合特定过程，来确定使用哪个能源。在其他实施方式中，选择过程是自动的。
可以几种方式中的一种或多种将TESS传送至加热井中。在一些实施方式中，TESS最初可作为散体颗粒(bulk solid)进入井中。在其他实施方式中，TESS可以气态悬浮液被运送至井中。在更进一步的实施方式中，TESS可以液体溶液或其他液体形式传送至加热井。TESS可具有几种合适的形式和组成。
在一些实施方式中，TESS可以是均质的，而在另一些实施方式中，TESS是非均质的。例如，TESS可以是固体和液体的混合物，并且可以改变液体浓度以增加或降低TESS的粘度。作为另一个示例，TESS可以是气体和液体的混合物，并且气体可以扩散到液体中，这可导致某些选定的化学性质。在稍后参考图5A详细描述的示例中，例如，经加压的流动空气可用于将精细颗粒化的固体TESS材料携带至井中，其中由加热元件提供的热会引发在期望位置处的熔化和积聚。在一些实施方式中，TESS可封装在载体结构中，例如丸粒(pellet)、球或保护物质的其他“壳”结构。合适的密封剂包括在目标操作温度下耐用的有机化合物、陶瓷、碳固体以及其他材料。在一些实施方式中，TESS可以是盐与稳定剂化学品的组合。
一个或多个加热元件(其在TESS安置在井中之后加热TESS)可与其他加热元件串联或并联设置。例如，许多平行的加热元件可以沿着加热井的长度进行分布。在这样的示例中，加热元件可以具有不同电阻的“区域”(例如，一个加热元件可以在井的一部分中具有高电阻，并且在井的另一部分中具有低电阻；另一个加热元件可在加热井的中部具有高电阻，而在其它地方具有低电阻)。控制器可以启动和/或停用一个或多个加热元件，以改变电力负载。控制器可以增加或减少提供给一特定加热元件或多个元件的功率，以改变电力负载。由于控制器可以改变电力负载并且由于收集和使用太阳能是可变的过程(例如，所接收的太阳能的量根据一天中的时间、季节和/或天气而变化)，因此控制器可通过调节电力负载以适应太阳能的可用性(例如，将PV电池单元电力输出匹配到对于电力传送最佳的电力负载)来增加加热过程的效率(例如，优化或最大化效率)。
为了利用TESS的热性能，将足够量的TESS放置在加热元件和待加热区域之间。多少被认为是足够量的TESS可取决于几个因素。在一些实施方式中，足够量的TESS基于加热系统的物理和化学性质。例如，足够量的TESS可基于用于加热井的导管的传热系数、蒸馏过程的期望温度(例如，250摄氏度)、加热井的尺寸和形状、地层的传热系数、和/或额外的特性(例如，TESS在其固态和液态下的传热系数和/或加热元件的热导率)。因此，足够量的TESS是在热传送系统中使用时，至少基于上述因素引起对目标过程进行期望加热的TESS的质量或体积。
本技术的方面在几个领域中的一个或多个领域中改进了现有技术。首先，所公开的系统和方法可以减少地层内的热点、冷点和/或过高的温度。其次，使用太阳能可以降低环境和财务成本。第三，将太阳能与TESS组合使用可允许源能量的变化，同时保持加热井中接近等温和/或均匀的热通量条件。第四，这些系统可与其他形式的能源相结合，例如天然气和电力(来自任何合适的源，包括水力发电及核源)，以创建一个更有效且环保的生产环境。第五，由于太阳能可以从太阳能收集器传送至井内的加热元件，因此该系统可减少热交换器和绝热存储器的使用，并且井可起到热交换器的作用。第六，在加热元件和加热井的结构(例如，壁)之间安置TESS可使处于液相或固相的TESS中的化学和热传递性能影响(例如，调节)热传递过程。典型的过程包括加热井和相邻地层之间的热传递，和/或工业过程中的热传递。
下面参考被配置用于原位石油采收的系统来描述所公开的技术的几个实施方式的具体细节。然而，本技术可用于其他过程(例如化学过程、再循环过程、加热过程、太阳能过程和/或生物质过程)。其他实施方式还可以包括垂直加热井、多边加热井或非原位蒸馏过程容器，其中加热单元在过程容器内部或外部。此外，虽然以下公开内容阐述了本公开技术的不同方面的若干实施方式，但本技术的若干其他实施方式可具有与本部分中所描述的那些不同的配置和/或组件。因此，目前公开的技术可具有其他实施方式，该其他实施方式具有额外元件和/或不具有以下参考图4-9所描述的若干元件。
说明性环境
图4是示出在环境中操作以加热地层4090中加热井4010的系统4000的部分示意性框图。系统4000可包括具有太阳能收集器4007的第一能源4041。在一些实施方式中，太阳能收集器4007包括多个太阳能聚光器4017，该太阳能聚光器将来自太阳4005的入射太阳能辐射集中(例如，通过诸如镜子的反射表面)到运送工作流体的对应的接收器4018上。接收器4018(例如，导管(conduit)或管道(pipe))可具有入口4019和出口4016，其中入口4019或出口4016能够使工作流体流动。在一些实施方式中，太阳能收集器4007是收集太阳能辐射的平板PV电池单元4015。在一些实施方式中，系统4000可具有多个太阳能收集器4007，其中一些太阳能收集器包括太阳能聚光器，该太阳能聚光器具有运送工作流体的相应的接收器，而其它太阳能收集器包括PV电池单元。
系统4000还包括在加热井4010内部的TESS4015。在一些实施方式中，加热井4010安置在表面下，并称为“地下”加热井。加热井4010可包括加热元件4020。加热元件4020可以“至少部分地”安置在加热井4010内部，其中至少部分地定义为在加热井4020内部具有完整的加热元件4020或仅具有加热元件4020的一部分。加热元件4020可连接至处理单元4040。在控制器4030的指示下，处理单元4040将热引导至加热井4010。
处理单元4040还可以连接至第二能源4042，该第二能源4042补充(supplement)或补足(complement)由第一能源4041提供的热量。当加热元件4020运送工作流体时，其也可具有出口4070，并且出口4070可耦合至再循环单元4080(例如，在处理之后将来自出口4070的热传递流(heat transfer flow)返回至处理单元4040的热交换器或单元)。在其他实施方式中，系统4000具有多个太阳能收集器4007、处理单元4040、第二能源4042和/或加热井4010。
在控制器4030的指示下，处理单元4040可以控制由第一能源4041和第二能源4042提供的能量的量经由加热元件4020(其可以运送加热流体或电流)到达加热井4010。处理单元4040可包括热交换器或多个热交换器的组合。处理单元4040可包括处理和/或动力设备(例如，处理设备、管道和/或电线的系统/网络、内部蒸汽发生设备、监控站、功率调节器、电压转换器、逆变器、整流器等)。在一些实施方式中，通过阀门、泵和包含工作流体的导管的网络，处理单元4040可以控制工作流体流过加热井，并且再循环工作流体通过太阳能收集器以再加热工作流体。处理单元4040可使用如下所述的控制器4030来运行连续循环(例如，控制工作流体流入加热井，流出加热井进入太阳能收集器或加热区域，然后返回至加热井)。在一些实施方式中，处理单元4040可包括或连接至存储工作流体(例如，熔盐的溶液)的储罐。处理单元4040可配置为加热储罐并控制工作流体流入和流出储罐(例如，从储罐进入加热井或流出加热井)。
系统4000可包括接收输入“I”(例如，请求和/或传感器数据)并且传送输出“O”(例如，指令)的用于控制处理单元4040和/或其他系统组件的控制器4030。在一些实施方式中，控制器4030可用于调节引导至加热井4010中加热元件4020的加热流体的流动。控制器4030可直接调节流体流动或通过沿着到加热元件4020的流动路径安置的阀系统来调节流体流动。当加热元件4020是电驱动加热器时，控制器4030可通过增加提供给加热元件的电流和/或电压来调节加热元件的温度。在一些实施方式中，控制器4030包括一个计算设备或多个计算设备。
在一些实施方式中，控制器4030被配置为控制加热元件4020的温度。例如，控制器4030可以调节加热的工作流体的流动或电加热元件中的电流/电压，以调节加热元件的温度在特定温度的0.5至10摄氏度内。在一些实施方式中，控制器4030还可以将加热元件的温度调节到特定温度的5、10、15或20摄氏度内。特定温度可称为“目标温度”。目标温度可以是TESS的相变温度(例如，熔点或熔化温度范围)、预定温度(例如，保持区域在100摄氏度或接近100摄氏度的要求)、化学反应温度(例如，基于阿伦尼乌斯方程(Arrhenius′s equation)和平衡常数)和/或取决于过程环境的变量(例如，基于来自温度传感器的反馈信号)的温度。另外，控制器4030可将加热元件的温度调节为处于或接近某一温度范围，例如TESS的熔化温度范围。
另外，在一些实施方式中，控制器4030控制直接从太阳能收集器4007到加热井4010的工作流体的流动，其中工作流体的流动绕过处理单元4040。类似地，在具有作为太阳能收集器4007的PV电池单元的一些实施方式中，控制器4030控制电力直接从PV电池单元传输至加热井4010，并绕过处理单元4040。另外，控制器4030还可以通过绕过处理单元4040控制电力直接从第二能源4042传输至加热井4010。绕过处理单元4040的一个优点是降低处理单元4040的维修及操作成本。
系统4000可包括一个或多个第二能源4042。在一些实施方式中，第二能源4042可以从燃烧过程(例如，燃烧煤或油)产生热能，其被传送至处理单元4040。在一些实施方式中，第二能源4042可以产生电力或向处理单元4040传送电力。例如，处理单元4040附近的电力设备可以产生电能并将电能发送至处理单元4040。在其他实施方式中，若干其他能源(未示出)或能源的组合可以将能量引导至处理单元4040。第二能源可包括风能、电网能量(例如电能)、天然气、蒸汽和/或另一种类型的非太阳能能量。
另外，在一些实施方式中，处理单元4040和/或控制器4030可以接收与第二能源4042的成本和可用性有关的信息。例如，第二能源4042可以从电网传送非峰值电能，其中非峰值电能比峰值电能便宜。处理单元4040和/或控制器4030可使用该接收到的成本及可用性信息以节能的方式来降低(例如，优化)成本并增加(例如，优化)提供至系统或系统组件(例如，加热井)的电力。
在一些实施方式中，处理单元4040可包括管道和/或循环的网络。例如，处理单元4040可具有或连接至管道的一个循环(例如，第一循环)以用于加热通过太阳能收集器4007进行传送的工作流体。处理单元4040可包括具有热传递流体的另一循环(例如，第二循环)，并且处理单元4040可使用一个或多个热交换器将热从一个循环传递至另一个循环(例如，从工作流体到热传递流体)。在一些实施方式中，热传递流体可传送至加热井4010。在其他实施方式中，热传递流体可用于产生电力。
系统4000还可以包括温度传感器4095。温度传感器4095可用于测量加热元件4020的温度、TESS 4015的温度、入口和出口4070的温度、和/或区域(例如，加热元件4020附近的地层4090的区域)的温度。温度传感器4095可将温度测量信息传送至控制器4030、处理单元4040、和/或用于监视系统4000的计算机。在一些实施方式中，系统4000没有在加热井中的温度传感器，这是因为井深(例如，超过25米)并且以稳定的速率对井延长加热一段时间。在其他实施方式中，加热井或地层的温度可基于提供至加热井的工作流体的入口和/或出口温度或用于为电加热元件供电的功率的量来进行估算。可使用其他变量或输入来估算地层或加热井的温度，包括加热井附近地层中的材料的估算浓度和密度以及进入加热井的热量。
系统4000还可以包括电池4044。电池4044可用于存储从太阳能收集器4007和/或第二能源4042接收的能量。例如，PV电池单元可耦合至电池，并且电池可存储电力。在一些实施方式中，在控制器4030的指示下，处理单元4040可使蓄电池来对加热元件进行加热。用于加热的电池电力的量可依据太阳能和/或第二能源的可用性以及使用电池电力的相对成本。在一些实施方式中，控制器4030直接与电池连接，以向加热元件4010供电。
热能存储物质(TESS)
TESS 4015的选择可基于围绕加热井4010的地层4090的期望输入温度。例如，在原位过程中，TESS 4015可具有接近于将地层中的油母岩质转化为烃和液体所需的期望温度的熔化温度。在这样的实施方式中，用于加热井的原位过程条件在大约400℃-450℃下操作(而非原位蒸馏加热井在500℃下操作)。
其他因素可影响针对位于加热井4010中的TESS 4015的特性的选择。例如，可选择TESS 4015为低成本、易于获得、在其使用中所遇到的可能的温度范围内的不期望化学反应的低可能性、低毒性、经过数十年的日相变化和温度波动的高度稳定、对用于井建造的材料的腐蚀作用低、基于和井建造的材料相接触而受到污染或降解的有限可能性、和/或在凝固时有限的尺寸变化。其他考虑因素包括TESS 4015在其固体和液体状态下的传热系数以及暴露于水、石油和/或其他烃时的性能、其他热导率(例如，加热元件的热导率和/或井套管的热导率)、与传热介质的化学兼容性、以及物质变化的相(尤其是气体逸出和吸收)。其他考虑因素可包括TESS材料的热容量以及TESS材料的熔解热(the heat of fusion)，其通常是与TESS从固体到液体的相变相关联的热。
用于TESS 4015合适的材料的典型示例包括低共熔混合物、盐水合物、有机和无机材料。TESS 4015可以是具有单一熔化温度或熔化温度范围的物质(例如，具有熔化温度范围的固溶体(a solid solution))。在一些实施方式中，TESS 4015可以是三元氯化物低共熔混合物(NaCl(例如，具有396℃的熔点)-KCl-MgCl2)、三元碳酸盐低共熔混合物(Li2CO3)(例如，具有大约400℃的熔点)-K2CO3-Na2CO3)、三元氟化物盐(FLiNaK)以及碳酸盐/硫酸盐低共熔混合物(Li2CO3(例如，具有大约500℃的熔点)，Na2SO4)。材料的潜在环境影响(例如，其毒性)通常是在选择过程中所采用的几个因素之一。其他典型因素包括材料的成本和可用性、材料的碳酸盐成分(由于碳酸盐在较高温度下分解)以及周围地层的地质化学，其会影响与TESS的化学兼容性。表1包括其他示例TESS材料和相关的化学性质。
表1示例TESS和相关的化学性质
图5A-5C示出了根据本技术的多个实施方式的包含TESS 4015并用于加热地层的加热井的部分示意性横截面侧视图。在图5A中，加热元件4020包括加热井4010内的管道。管道可包含由处理单元4040(图4)进行加热的流体。该流体可流过加热井4010并经由TESS4015将热传导至地层4090。在一些实施方式中，TESS 4015具有与所期望的过程输入温度(例如，地层要加热到的目标温度)相匹配的熔化温度。以这种方式，尽管由加热元件4020传送的宽范围的瞬时热通量水平(wide-ranging instantaneous heat flux levels)，但系统在加热井4010的外边界处实现了大致等温的条件。
图5A示出了运送加热流体的单个导管。在其他实施方式中，加热井4010可包括多个导管(例如，管道)。在一些实施方式中，加热井4010可包含多个平行安置的导管。每个导管的直径可变化，用以增加或减少从导管进入TESS 4015而随后达到地层4090的热传递速率。另外，在一些实施方式中，控制器4030(图4)配置为单独控制通过不同导管的加热流体的流速(flow rate)。例如，控制器4030可相对于加热井的内部部分上的管道中的加热流体的流速，增加加热井的外部部分上的管道中的加热流体的流速。多个导管的一个优点是它们可以为热交换提供更多的表面积，并因此提供更高的热传递速率。相反，更多的导管可能更加昂贵，并且相应地，使用单个导管作为加热元件可能更加便宜，同时尽管以较低的速率，其仍然足以加热地层。
图5B示出了具有电加热元件4020的加热井4010的一个实施方式。例如，如下所述并且在图6A-6C中更为详细显示的，加热元件4020可将TESS 4015加热至TESS熔化温度。如图5B所示，固体TESS 4015a(斜纹剖面线(diagonal hatching)示出的)开始熔化，形成液体TESS 4015b(比固体TESS 4015b的斜纹剖面更密的斜纹剖面线示出的)。加热元件4020可将加热井4010的温度保持在接近固体TESS 4015a的熔化温度。固体TESS 4015a和液体TESS4015b的量可随着加热元件4020的温度的增加或降低以及到周围地层4090的热损失或从周围地层4090获取的热而变化。通常，加热元件4020可以将加热井4010的温度保持在接近(例如，在2℃-3℃以内)固体TESS 4015a的熔点。如果加热井4010的温度接近熔点，则加热井4010在热传递过程期间通常可以保持等温。特别地，随着热使得加热元件4020附近的固体TESS 4015a熔化，液体TESS 4015b可将热传递至离加热元件4020更远的固体TESS 4015a。加热井4010的外壁通过传导加热，并且外壁加热地层4090。在一些实施方式中，加热元件4020可提供足够的热来熔化所有的固体TESS 4015a，并且加热元件4020可以继续加热液体TESS 4015b。在这样的实施方式中，液体TESS 4015b将从加热元件4020获得显热，并且温度会升高。至少在一些实施方式中，预计保持至少一些固体TESS 4015a(例如，邻近地层4090)以在固体TESS 4015a与地层4090之间的界面处保持等温热传递条件是有益的。
用于太阳能能源的加热元件的配置
在一些实施方式中，PV电池单元(也称为“太阳能收集器”)可用于收集太阳能并输出电力。PV电池单元的最大功率点(MPP)(例如，PV电池单元输出最大功率的点)可随着环境条件而变化。例如，MPP可随着PV电池单元的温度(例如，随着温度升高而增加PV电池单元的电阻)和/或负载电阻(例如，连接至PV电池单元的一个加热元件或多个加热元件的电阻)而变化。尽管用于计算MPP的方法有多种(例如，MPP跟踪算法和/或电流-电压图/曲线)，为了接近或达到MPP以改变环境条件，系统应对PV电池单元采用适当的电阻(例如，负载)。
图5C中示出了用于在PV电池单元的MPP附近或在PV电池单元的MPP处来操作PV电池单元的一个实施方式。图5C示出了具有平行布置的加热元件4020的加热井4010。加热元件4020可具有不同的电阻区5010a-c。控制器4030可使用控制电路(例如，开关或编程指令)来连接和/或断开单独的加热元件4020和/或增加或减少提供到加热元件4020的功率。例如，当可用的太阳光的量减少时，控制器4030和处理单元4040可以增加从非太阳能能源提供给加热元件4020的电压或电流。此外，控制器4030可基于连接的负载(例如，连接的加热元件4020的数量或在加热元件4020中检测到的电阻)来计算增加(例如，优化)来自PV电池单元或PV电池组的功率输出的负载。控制器4030可使用若干种方法来计算MPP，并且这些方法可在该计算中使用以下因素：功率(辐照度水平)、电压(温度)、波动(云)，电流-电压曲线(例如，V-I曲线的形状和微分)、开路电压和短路电流(例如，用于理想PV电池单元的开路电压和短路电流)以及现场测量(例如，实际输出电压)与理论值之间的关系。作为另一个示例，处理单元4040和/或控制器4030可在早上(由于较少的阳光)与一些加热元件4020断开连接，并在中午(由于更多的阳光)与一些加热元件4020进行连接，以提供与可用功率相称的电阻。
图6A-6C示出了根据本技术的实施方式配置的加热井的横截面图。通常，由于阳光的可用性，太阳能能以时变速率向加热元件4020提供能量(例如，经由图4和/或图5C中所示的处理单元4040和控制器4030)。传送至加热元件4020的热将固体TESS 4015a加热至其熔化温度，并以大致等温过程将固体TESS 4015a熔化为液体TESS 4015b。由于热传递继续进行，即使在靠近加热元件4020的固体TESS 4015a熔化之后，该邻近材料将离加热元件4020更远的固体TESS 4015a材料加热至熔化温度。以这种方式，在太阳能可用期间，熔化过程从加热元件4020径向向外进行。熔化的TESS通过传导和对流向外传热，允许来自加热元件4020的高热通量向外传送。因此，热从加热井4010的外边界向外流动进入周围地层4090。
在一些实施方式中，加热元件4020包括传送加热流体的管道，并且在其他实施方式中，加热元件4020包括传送电流的导电材料(例如，金属合金线)。从图6A开始，在典型的基于流体的示例中，加热元件4020包括加热井4010内的管道，并且管道包含具有适于加热周围地层4090的粘度和冰点温度的工作流体。在一些实施方式中，加热元件4020可位于加热井4010的中心并且可以将热6000(由粗箭头表示并且与热通量“q1”相关联)引导至加热井4010的外壁6010。加热井4010的外壁6010可由套管(例如，金属、复合金属和/或热处理塑料套管)形成。在一些实施方式中，外壁6010包括翅片、挡板或锯齿状边缘构造，例如，以促进热传递至地层4090。可基于所期望的热传递性质以及地层条件来选择外壁6010。在图6A-6C中，T0表示加热元件4020的温度，T1表示加热元件4020和外壁6010之间的液体TESS的温度，T2表示加热元件4020和外壁6010之间的固体TESS的温度，T3表示周围地层的温度。
在图6A中，固体TESS 4015a由比图6B中液体TESS 4015b的斜纹剖面线的密度低的斜纹剖面线来表示。图6B示出了当固体TESS 4015a熔化而形成液体TESS 4015b时发生的情况。响应于处理单元4040/控制器4030(图4和/或图5C)增加通过加热元件4020的电流或加热流体的流量而发生熔化。此外，处理单元能以几种方式增加或减少加热元件4020的温度，以调节固体TESS 4015a熔化的速率。例如，如果加热元件4020是或包括电加热元件，则处理单元4040和/或控制器4030可以增加或减少引导至加热元件的电流的流量或电压。如果加热元件是或包括传送工作流体的管道，则处理单元/控制器可以增加或减少工作流体的流量和/或工作流体的温度。在一些实施方式中，处理单元4040控制通过加热元件4020的流体的流量和温度。随着加热元件4020的温度升高，固体TESS4015a加热并在其达到熔化温度(T1)时开始熔化。当固体TESS 4015a熔化时，加热元件4020和外壁6010之间的空间包含固体TESS 4015a和液体TESS 4015b，如图6B所示。在一些实施方式中，处理单元4040操作加热元件4020以保持加热元件4020(T0)的温度接近固体TESS 4015a(T1)的熔化温度，其可作为熔解热来吸收热。固体TESS 4015a与液体TESS 4015b之比可依据所选择的加热元件及其性质(例如传导、电阻、位置等)而变化。
如图6C所示，加热元件4020已将大部分固体TESS 4015a加热至其熔化温度。取决于以下因素：包括由加热元件4020提供的热6000的量，以及围绕加热井4010的地层4090的温度T3，液体TESS 4015b占据的体积将会增大或缩小。例如，如果处理单元4040(图4)使用太阳能将热提供至加热元件4020，然后在夜间小时期间，如果没有其他能量提供至加热元件4020，则液体TESS 4015b的体积将会缩小。处理单元4040可使用替代能源，诸如天然气，来增加液体TESS 4015b的体积以用于向地层4090的连续热传递。在其他实施方式中，液体TESS 4015b的体积可减小，但不会减小到使整个TESS 4015的体积变成固体的点。当液体TESS 4015b固化时，它将热释放到地层4090。一旦TESS完全变成固体TESS 4015a，它开始从地层4090吸热(没有进一步加热)，这就是为什么希望至少保留一些液体形式的TESS。
在稳定状态下，T0可以略高于T1以抵消由于从加热元件4020到液体TESS 4015b的传导而产生的热损失。在稳定状态下，因为T1＝T2并且加热元件4020提供几乎恒定的热通量，所以进入地层中的热传递保持等温。一般而言，只要加热井4010中存在足够的余热使得一部分液体TESS 4015b保持为液相并且一部分固体TESS 4015a处于固相，则加热井4010在大致等温条件下将热传送至蒸馏过程(例如，将热传导至地层4090中)。
通常，固体TESS 4015a的热阻率和固化的TESS层的厚度可以是进入地层4090的热传递速率的因素。例如，在一些实施方式中，TESS 4015的相对低的热导率(thermalconductivity)可通过混合介质床(可能包括高温液体)来解决，将化学反应物包封在高热导率固体介质的基质内，和/或采用高传导性“散热片(fins)”来扩大加热元件4020的表面积或其他热传导-增强(conductive heat transfer-enhancing)特性。
加热井4010内部的固体和液体TESS 4015a-b的存在可提供若干优点中的一个或多个。例如，围绕加热元件4020的液体TESS 4015b的存在产生进入固体TESS 4015a的均匀传热系数θhm，这可以减少或消除与电加热地层相关的“热点”形成的可能性。如上所述，θhm的均匀性可允许生产者/操作者在构建电加热元件时，通过减少或去除低热阻率材料的要求来选择成本较低的材料。此外，熔化固体TESS 4015a可显著增加每单位介质的总能量存储量(kJ/kg)，而不需要通过显热以实现类似能量存储所需的高温。结果，可以提高太阳能集热器的净热效率(net thermal efficiency)，这是因为能量可在接近蒸馏过程温度的温度下有效地进行收集。换句话说，传送至加热元件4020的工作流体的温度和TESS 4015的相变温度可以接近蒸馏过程温度，以减少由于大温差而引起的热效率低下。
图7A-7B示出了根据本技术的实施方式的加热井4010的横截面图和相应的温度曲线。如上所述，T0对应于加热元件4020的温度，T1对应于加热元件4020与外壁6010之间的液体TESS 4015b的温度，T2对应于加热元件4020与外壁6010之间的固体TESS 4015a的温度，并且T3对应于周围地层4090的温度。热7000由粗箭头和相关热通量标记“q2”来表示，其表示从周围地层4090到加热井4010的热通量。在一些实施方式中，热通量q2是最小值、负值或零，因为加热井4010正在加热周围较冷的地层4090。在稳定状态下，地层4090以与加热元件4020加热固体TESS 4015a和液体TESS 4015b的速率相等的速率来冷却外壁6010。
在图7B中，x轴表示从加热元件4020的中心(例如，传送工作流体的管道的中心或电加热器的中心)到地层4090中的距离。如图7B中所示，在每个转变处的温度下降可归因于每个材料边界处的低的热传递效率(例如，将热从加热元件4020传递到液体TESS 4015b)。
加热井中化学反应热能存储物质
图8A示出了具有TESS 4015的加热井4010的部分示意性横截面图。这里，TESS4015由“A+B”(两种化学物质)组成，并且被加热到化学反应温度，在该化学反应温度中“A+B”转化为“C+D”。可使用阿仑尼乌斯方程和平衡常数(例如，K＝[C][D]/[A][B])来计算化学反应温度。在一些实施方式中，正向反应速率(例如，吸热反应A+B+热→C+D)和逆向反应速率(例如，放热反应C+D→A+B+热)处于平衡状态。在这样的实施方式中，加热元件4020可以增加提供至TESS 4015的热，这将会促进正向反应(例如，吸热反应A+B+热→C+D)并减慢逆向反应(例如，放热反应C+D→A+B+热)。因此，操作者可以调节加热元件4020的输出，以影响化学平衡(例如，K＝[C][D]/[A][B])，这也会影响A+B和C+D的形成。
图8B示出了根据本技术的实施方式的对应的温度曲线。当反应处于平衡时，尽管由加热元件4020传送的是宽范围的瞬时热通量，可在加热井4010的外边界处实现了大致等温条件。虽然图8A中示出了四种不同的化学物质(A、B、C和D)，但其他实施方式可包括单一化学物质(例如，A)转变为单一化学物质(例如，具有不同化学结构的A)，或者其他合适的组合(例如，解离反应、水合或脱水反应、或氧化/还原反应)。TESS反应的典型示例包括脱水(例如，)，氢氧化物/氧化物反应(例如，和氧化还原反应。这些反应可能特别合适，因为反应物相对便宜并且化学性质良好，而且具有大约500℃的工作温度。
如图8A所示，加热元件4020的直径为D1，最靠近加热元件4020的区域的直径为D2，并且加热井4010的直径为D3。图8B示出了相应的温度曲线。在图8B中，x轴表示从加热元件4020的中心到及进入地层4090的距离。y轴为温度(例如，摄氏度、华氏度、开尔文度)。如图8A-8B所示，如果加热井处于稳定状态(例如，吸热反应A+B→C+D且逆向放热反应C+D→A+B处于平衡)，则T1＝T2。而且，如图8B所示，从加热元件4020到TESS 4015，由于加热元件4020的材料特性和热传导致使温度降低。在其他实施方式中，取决于在该过程中所使用的加热元件和/或TESS，温度曲线可以不同于图8B中所显示的温度曲线(例如，该曲线可具有从一个区域到另一个区域的更平缓或更迅速的温度变化)。
图9是示出了在太阳能环境中本技术的实施方式的模拟结果的图。在这个模拟中，基于阳光的可用性，太阳能通过以时变速率传送能量来驱动原位蒸馏过程。太阳能由虚线9010表示，并且由TESS传送到地层的输出能量作为太阳能加热的结果由实线9020表示。y轴上的典型能级以MMBTU/h为单位，x轴增量则以小时为单位。因此，图9示出了三个24-小时的时间段。如图9所示，尽管太阳能输入能量存在明显差异，但TESS的热输出通常是一致的。
由以上所述，为了说明的目的，本文中已经描述了本技术的特定实施方式，但可以在不偏离本技术的情况下做出多种改变。例如，其他能源，例如地热能，可用于加热TESS。作为另一个示例，上述太阳能收集器可包括线性聚光镜(1inear concentrating mirrors)、线性菲涅耳(Fresnel)聚光器、聚光塔和/或碟形聚光器等。用于在系统内传递热的介质可以包括除上述之外的封装物质。例如，这种介质可以包括微囊化相变材料(PCM)浆料，其可以填充井以产生向周围地层的有效热传递。在特定的实施方式中，化学反应过程可在多个阶段的过程中进行，每个阶段在不同的过程温度下进行。因此，单个井可包括不同的PCM浆料(或其他PCM组合物)，其维持每个化学反应的适当过程温度。
在另一个实施方式中，PCM浆料可作为热传递流体进行自循环。因此，它可以存储在从太阳能场接收热的罐中，并且井可填充有任何合适的流体。该井可容易地填充有这种流体(例如，液相流体)，并且地面上的罐可以提供适于夜间操作(例如，通过具有适于过夜操作的容量)的自动存储装置。该容量还可以解释太阳日晒的变化(例如，一连串的阴天)。浆料(例如，在液体基质中少量包封和悬浮的PCM材料)没有潜在热传递缺陷，而块体PCM则可能有潜在热传递缺陷，因为液体是高度导热的，而不像可由固体TESS产生的固体PCM“壁”(例如，如图6C所示)不是高度导热的。由于浆料的液体部分，并且由于传导及对流，来自管道的热有效地传递至外壁。
在TESS包含PCM浆料的一些实施方式中，浆料可包括具有多种化学和物理性质的多种PCM物质。例如，浆料中的一种PCM物质可比另一种PCM物质(例如，210摄氏度)具有更高的熔点(例如，250摄氏度)。如此，所公开的技术可在一定温度范围内加热包含PCM浆料的TESS，其中该范围包括包含在浆料中的一些(例如，全部)PCM的熔点(在上述示例中，范围从205摄氏度至255摄氏度)。虽然加热包含PCM浆料的TESS的过程在整个温度范围内可能不是等温过程，但上述所讨论的与TESS的稳定加热速率和熔解热有关的优点依然存在，因为在浆料中每个PCM的熔点处，至少部分浆料将经历等温过程。
本公开包括TESS的至少三个不同实施方式：具有单一熔化或化学反应温度的TESS、具有熔化或化学反应温度范围的TESS、或包含浆料或包含与不同熔化温度的个别PCM进行其它组合的PCM的TESS。尽管TESS的这些不同实施方式可能表现不同或成本不同，但不同的TESS实施方式具有至少一个共同的优点：与潜热相关的热传递或与化学反应相关的吸热及放热。该共同的优点能够实现稳定的热传递，因为操作与潜热或吸热/放热相关的加热过程可以减少热点、热通量的大幅波动、和/或温度变化的大幅波动。
本文详细描述的若干技术可体现为专用硬件(例如，电路)、采用软件和/或固件适当编程的可编程电路、或专用和可编程电路的组合。因此，实施方式可以包括在其上已经存储有指令的机器可读介质，该指令可以执行或用于对计算机(或其他电子设备)进行编程，以执行上述一个或多个过程。机器可读介质可包括但不限于光盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、磁卡或光卡、闪存、或适用于存储电子指令的其它类型的介质/机器可读介质。一些实施方式可包含在其上已经存储有指令的机器可读介质，该指令在由处理器执行时，可引发设备执行本具体实施例中所描述的过程或多个过程。
在特定实施方式的上下文中所描述的技术的某些方面，可进行组合，或可在其他实施方式中去除掉。例如，如果太阳能在延长的时间段内不可用，则处理单元可专门使用电力对加热井加热。此外，虽然在这些实施方式的上下文中已经描述了与所公开技术的某些实施方式相关的优点，但是其它实施方式也可以表现出这样的优点，而且并非所有实施方式都需要表现出这样的优点以落入本技术范围内。因此，本公开和相关的技术可以涵盖未在本文中明确示出或描述的其他实施方式。例如，包括TESS的热传送系统也可用于化学过程(例如，水处理厂过程或烃裂化过程)以保持基本等温条件。
就通过引用并入本文的任何材料与本公开内容冲突而言，以本公开内容为准。

Claims (30)

1.一种用于将热传送至地下位置的方法，包括：
通过多个太阳能收集器将太阳能传递至工作流体；
引导所述工作流体通过循环以至少部分地将能量从所述工作流体传递至地下加热井，
其中所述循环至少部分地延伸穿过所述地下加热井，并且
其中所述地下加热井包含安置在所述工作流体与所述地下加热井的外套管之间的热能存储物质(TESS)；并且
控制所述工作流体的流动以使所述TESS在至少一个相变温度下经历至少部分相变或在至少一个化学变化温度下经历部分化学变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将足够量的TESS安置在所述工作流体与所述地下加热井的所述外套管之间，以减少所述地下加热井的所述外套管与所述地下加热井周围一部分地层之间的热交换中的温度变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制所述工作流体的流动使得所述TESS的所述温度在所述至少一个相变温度的20摄氏度内或在所述至少一个化学变化温度的20摄氏度内。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
接收来自非太阳能能源的能量；和
将来自所述非太阳能能源的能量传递至所述工作流体，
其中至少部分地基于太阳能和非太阳能的相对可用性来执行从所述非太阳能能源传递能量，并且
其中所述非太阳能能源是以下中的至少一个：风、在非高峰时期来自电网的电能、来自电网的电能、天然气或其任何组合。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
接收来自非太阳能能源的能量；和
将来自所述非太阳能能源的能量传递至所述工作流体。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述TESS具有高于250摄氏度的相变温度。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述工作流体已经通过所述地下加热井的至少一部分之后，引导所述工作流体通过热量回收单元；和
将来自回收的工作流体的热能传递至原位过程中。
8.一种热传递的方法，包括：
收集太阳能；
将所述太阳能转换成电能；和
将至少一些所述电能传递至导管内的电加热元件，
其中所述导管运送热能存储物质(TESS)，并且
其中所述TESS安置在所述电加热元件与所述导管的套管之间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述电加热元件是第一电加热元件，并且其中所述方法进一步包括：
将至少一些所述电能传递至所述导管内的第二电加热元件，
其中所述第二电加热元件与所述第一电加热元件间隔开并且与所述第一电加热元件并联电连接，
其中所述第一电加热元件具有第一区，该第一区具有第一电阻，以及
其中所述第二电加热元件具有第二区，该第二区具有与所述第一电阻不同的第二电阻；和
增加提供至所述第一电加热元件或第二电加热元件中的至少一个的功率，以加热与所述第一电加热元件或第二电加热元件中的至少一个热连通的TESS。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
接收来自非太阳能能源的能量；和
将来自非太阳能能源的能量传递至所述第一电加热元件或第二电加热元件中的至少一个。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
增加或减少提供至所述第一电加热元件或第二电加热元件中的至少一个的电功率，以将所述TESS的温度控制在所述TESS的相变温度的3摄氏度内。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述导管至少部分地延伸穿过加热井，并且其中所述加热井位于含有油母岩质的地层中。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述导管位于化学处理设备中，并且其中将所述太阳能转换为电能是通过光伏(PV)电池单元进行的。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述TESS具有熔化温度范围或化学变化温度范围。
15.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
通过控制运送颗粒状固体TESS材料进入所述导管的加压流动空气流将所述TESS传送至所述导管中。
16.一种加热系统，包括：
多个太阳能聚光器，其被设置以将太阳能聚焦在接收器上，所述接收器运送工作流体；
地下加热井；
加热元件，其至少部分地置于所述地下加热井内；
与所述加热元件热连通的热能存储物质(TESS)；以及
控制器，该控制器配置为至少部分地基于目标温度来调节所述加热元件的温度，所述目标温度引发所述TESS在至少一个相变温度下发生相变或在至少一个化学变化温度下经历化学反应。
17.根据权利要求16所述的加热系统，其中，所述TESS安置在所述加热元件和所述地下加热井的外套管之间。
18.根据权利要求16所述的加热系统，其中，所述加热元件包括电加热元件。
19.根据权利要求16所述的加热系统，其中，所述加热元件包括在导管内运送的工作流体。
20.根据权利要求16所述的加热系统，其中所述TESS包括在液体中扩散的气体混合物。
21.一种加热系统，包括：
控制器，其被配置为：
控制地下加热井中的加热元件的温度，以引发安置在所述地下加热井中的热能存储材料(TESS)中至少一部分相变，
其中所述TESS安置在所述加热元件和所述地下加热井的外套管之间。
22.根据权利要求21所述的加热系统，其中所述控制器被配置为：
接收来自光伏电池单元的最大功率点(MPP)信息；
至少部分地基于所接收的MPP信息来修改提供至所述加热元件的功率，
其中修改包括向所述加热元件提供更多功率以使所述TESS吸收热。
23.根据权利要求21所述的加热系统，其中所述控制器被配置为：
接收与太阳能的可用性相对应的第一输入；
接收与非太阳能的可用性相对应的第二输入；以及
至少部分地基于所述第一输入和第二输入来修改用于加热所述加热元件的非太阳能的量。
24.根据权利要求21所述的加热系统，其中所述控制器被配置为：
接收与所述加热元件的温度相对应的输入；以及
至少部分地基于所述输入来修改提供至所述加热元件的电力。
25.一种加热装置，包括：
太阳能收集组件；以及
控制器，其被配置为至少部分地基于引发热能存储物质(TESS)改变相或经历化学反应的至少一个温度来调节加热元件的目标温度，
其中所述TESS被安置在所述加热元件和导管的外套管之间，
其中所述导管与化学反应器或化学处理组件热连通；以及
其中所述加热元件至少部分地由所述太阳能收集器进行加热。
26.根据权利要求25所述的加热装置，进一步包括：
处理单元，其被配置为将热能从工作流体传递至所述加热元件，
其中所述工作流体与所述太阳能收集组件热连通，
其中所述处理单元进一步被配置为接收来自第二能源的能量，并使用来自所述第二能源的能量来进一步加热所述工作流体，以及
其中所述处理单元被耦合至所述控制器，以接收来自所述控制器的指令。
27.根据权利要求25所述的加热装置，其中所述太阳能收集组件包括以下中的至少一个：多个光伏电池单元或多个太阳能聚光器，该太阳能聚光器被配置为将太阳能聚焦在运送工作流体的收集器上。
28.一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，所述指令在由一个或多个处理器执行时，引发所述一个或多个处理器：
监测由太阳能转换而来的热能或电能的可用性；
调整与地下热能存储物质(TESS)热连通的加热元件的温度，
其中调整所述加热元件的所述温度至少部分地基于所述TESS的至少一个熔化温度或至少一个化学变化温度，以及转换的太阳能的可用性。
29.根据权利要求28所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述地下TESS被安置在所述加热元件与导管的外套管之间，并且其中所述导管与化学反应器或化学处理组件热连通。
30.根据权利要求28所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述指令引发所述一个或多个处理器：
从与所述加热元件热连通的热电偶接收温度测量；
接收与太阳能的可用性相对应的第一输入；
接收与非太阳能的可用性相对应的第二输入；以及
至少部分地基于所述温度测量、所述第一输入以及所述第二输入，确定要使用多少太阳能和非太阳能来调节所述地下TESS的所述温度。
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