CN113195999A - 热能储存组件 - Google Patents

Abstract

一种用于储存热能的组件，其包括相变材料(PCM)储存容器和至少一个传热流体(HTF)接受器，该PCM储存容器由导热壁108限定，该PCM储存容器100包括倒锥形部分，该倒锥形部分具有尖端部分和基座部分，该尖端部分的直径小于基座部分的直径，尖端部分相对地布置在基座部分之下，所述至少一个HTF接受器被设置成与PCM储存容器的至少一部分相邻并且热连通，PCM储存容器与至少一个HTF接受器之间经由导热壁发生热连通，并且其中HTF接受器包括用于从外部热能源接收热能的部分，该用于从外部热能源接收热能的部分相邻于倒锥形部分的尖端部分。

Description

热能储存组件

技术领域

本公开涉及一种用于热能储存的组件。特别是，其涉及到一种包括经由导热壁与HTF接受器(receptacle)直接热连通的PCM储存容器的组件。该HTF接受器包括用于从外部热能源接收热能的区域。

背景技术

发电的一个新方面是，在能量生产成本较低时，例如，在白天当阳光容易用于光伏系统时，或者当风力大时用于风力发生系统时，可以将产生的能量储存起来，以便在能量不太容易获得时，例如，阳光或风较少时，可以使用这些能量。

为此，用于储存阳光照射期间产生热能的热能储存系统是已知的，例如，集中式太阳能电力系统。热能储存系统可以包括双箱(two-tank)系统，该双箱系统包括，例如热交换器。双箱中的第一箱是包括能够储存热能的介质的热箱，双箱中的第二箱是包括用于储存热能的介质的冷箱。该系统还包括一种传热流体，其用于经由热交换器将热能从热箱间接传递到用于经由热交换器产生电能的系统或装置。传热流体的能量提取导致传热流体与进入用于电能发生器的热交换器的传热流体相比具有降低的温度，留在较低温度的传热流体中的热能随后被传递到冷箱中的用于储存热能的介质。

用于将热能储存在箱中的能量储存介质可以是相变材料(PCM)。相变材料是一种能够在材料从固态变为液态(以及从液态变为固态)时储存和释放大量能量的材料。PCM通常是一种在加热(当从例如固态到液态的相变)期间吸收能量的材料。PCM在逆向冷却过程期间可以释放能量。在处于固相的PCM加热期间，固体温度升高(显热式能量储存)。在从固态到液态的相变期间，能量以潜热的形式储存。在相变为液态后，能量再次以显热式地被储存，处于液相的PCM温度升高。

PCM的一个问题是其通常具有低的热导率。现有的热能储存系统已经研究了复杂的PCM封装技术以减少对性能的影响。这可能需要将PCM封装在小胶囊或小珠子中，或者将PCM封装在储存容器内的圆柱体(热管)矩阵中。这些封装技术中的每一种都会导致复杂、昂贵的热能储存系统和PCM容器。

上述双箱系统在集中式太阳能电力系统中是已知的，但这种热能储存系统与其他发生系统的结合使用至今还没有实行。此外，人们还在寻求减少生产、安装和维护的复杂性的更简单、成本更低、更稳健的热能储存系统。

US 2013/0192792 Al描述了一种热能储存系统，其包括多个热能储存集装箱。该集装箱具有高发射率的内表面，其该内表面适于将热辐射到储存的热能储存介质中。如上所述，在一系列热管或集装箱中储存PCM是复杂的解决方案，因为由于固态PCM的低热导率，所以必须有若干个狭窄的管。

复杂程度较低的改进系统对于热能储存系统的实际工业使用是必要的。

发明内容

因此，本发明优选地通过提供一种用于储存热能的组件，以单独地或以任何组合方式寻求减轻、缓解或消除上述技术中被认定的一个或更多个缺陷和缺点并且解决上述至少一个问题，该组件包括相变材料(PCM)储存容器和至少一个传热流体(HTF)接受器，该PCM储存容器由导热壁限定，该PCM储存容器包括倒锥形部分，该倒锥形部分具有尖端部分和基座部分，该尖端部分的直径小于基座部分的直径，该尖端部分相对地布置在基座部分之下，该至少一个HTF接受器设置成与PCM储存容器的至少一部分相邻并且热连通，PCM储存容器与至少一个HTF接受器之间经由导热壁发生热连通，并且其中HTF接受器包括用于从外部热源接收热能的部分，所述从外部热源接收热能的部分相邻于倒锥形部分的尖端部分。

还提供了一种用于热能储存的系统，该系统包括多个组件。

还提供了一种从热能产生电能的系统。

另外的有利实施方式在所附的和从属的专利权利要求中公开。

附图说明

根据以下对本发明实施方式的描述，并参考附图，本发明能够实现的这些和其他方面、特征和优点将变得明显并得到阐明，其中

图1是根据一方面的用于热能储存的组件的截面侧视图，该组件包括PCM储存容器和HTF接受器。

图2是根据一方面的PCM储存容器的壁的示意图。

图3是根据一方面的HTF接受器的截面视图。

图4是根据一方面的PCM储存容器和HTF接受器的截面侧视图。

图5是根据一方面的用于热能储存和电能生产的系统的示意图。

具体实施方式

图1示出了一种用于热能储存的组件，该组件包括相变材料(PCM)储存容器100和传热流体(HTF)接受器200，PCM储存容器100由导热壁108限定。HTF接受器200设置成与PCM储存容器100的至少一部分相邻并且热连通。HTF接受器200具有用于从外部热能源400接收热能的部分210。

热能可以在用于从外部热能源400接收热能的部分210处被提供给HTF接受器200中的HTF。此后，热能经由至少来自HTF的传导并通过导热壁108被传递到PCM。热能可以储存在PCM中，以便以后提取和使用。

该组件是一种高效的热能储存装置，与现有的双箱系统相比，其复杂性更低，效率更高。

要输入到热能储存组件的热能理想地是废能、溢流或缩减能，其可以在这种能量可用的时间段期间被输入。当这种废能、溢流或缩减能不可用时，热能可以被提取，以及例如，用于产生电能。

该PCM储存容器包括倒锥形部分101。倒锥形部分101具有尖端部分103和基座部分104。基座部分104相对于尖端部分103更宽。尖端部分103被布置在基座部分104之下。尖端部分103的截面积比基座部分104小。

如图1所示，PCM储存容器100可以是旋转对称的，但是，其不是必须如此。

如图1所示，尖端部分103可以具有平底，使得PCM储存容器100的最底部是平的。如图3和图4所示，尖端部分103可以是圆形的，使得尖端部分103部分地是圆顶状的，或者是凸状的。PCM储存容器100的最低的面107可以形成尖端部分103。

PCM储存容器100由围封PCM储存区域的壁108形成，从而形成PCM102接受器。壁可以包括锥形部分101和非锥形部分。壁108可以包括多个单独的部件，这些部件被联结起来形成单个壁108。例如，壁可以包括上部盖件112或覆盖件112，在PCM储存容器100的(一个或更多个)侧的至少一个横向壁114，以及基座113或底部壁113。PCM储存容器被习惯地设计成具有热绝缘的壁。本PCM储存容器的壁108的至少一部分可以是基本上导热的，即非热绝缘的，使得热可以从PCM储存容器100中的PCM 102传递，通过壁108，并进入与PCM储存容器100的壁有热接触的元件。多个单独的壁部件可以各自具有不同的热导率。多个单独的壁部件可以具有相同的热导率。PCM储存容器的横向壁114可以是壁108的导热部分，即没有绝缘的部分。然而，作为大多数材料，PCM储存容器100的整个壁108可以是导热的。

这里使用的术语锥形是在一般意义上用来描述一种具有如下三维形状的容器：所述三维形状在上部基座部分104处具有较大直径的区域，在下部尖端部分103处具有减小直径的区域。锥形部分101可以是截头圆锥形的锥形部分101，其中锥形是由圆锥体的一部分形成。锥形部分101可以是斜的截头圆锥形部分101，其中锥形是由斜圆锥体的一部分形成的。在图1中，锥形部分101是截头圆锥形的锥形部分。锥形部分形成了用于PCM 102的接受器，锥形部分101的下部尖端部分103被布置在上部较大直径部分104之下，使得较重的颗粒在重力作用下向尖端部分103移动。

图4示出了PCM储存容器100的锥形部分101，其中锥形部分101包括是凸状突出部的尖端部分103。锥形部分101的壁108的基座113可以是凸状的，使得锥形部分101具有是凸状突出部的部分。凸状突出部101可以与PCM储存容器101的中央纵轴L是同轴的。也就是说，凸状突出部101可以位于PCM储存容器100的中央，与PCM储存容器100的横向周界基本等距离。凸状突出部101可以位于与PCM储存容器100的中央横向地偏移的地方。也就是说，凸状突出部101的位置可以使得凸状突出部的中央点的距离与PCM储存容器的中央横向地偏移。由于没有或较少的拐角可能聚集固化的PCM 102，尖端部分103处的凸状突出部相对于PCM储存容器100内的流动动力学是有益处的。

在图4中，PCM储存容器100包括锥形部分101，该部分是截头圆锥形部分101以及在尖端103处有凸状突出部。凸状突出部的益处是如上所述的关于最冷和最稠密的PCM 102在PCM容器100内的在尖端103处的凸状突出部处的区域中聚集。HTF接受器200可以形成为与尖端103处的凸状突出部相对应。也就是说，HTF接受器200可以具有可与PCM容器100相邻布置的上部表面，其以基本凹状的形式弯曲，以对应于PCM容器100的凸状尖端部分103的凸状形状。

PCM储存容器可以包括上部部分110，其基本上是圆柱形的。上部部分110和锥形部分101可以在锥形部分的基座104处连接。上部部分110是在锥形部分101的上方。上部部分110和锥形部分101都可以形成PCM 102的接受器。上部部分110和锥形部分101可以形成单个的接受器。该接受器可以没有内部分隔物。上部部分110的体积容量可以大于锥形部分101。在使用过程中，存在于上部部分110中的PCM 102可能比锥形部分101中多。这可以允许PCM 102的有利的被动循环，同时保持容器100的大体积容量。

PCM储存容器100可以是基本密封的，使得PCM 102不被暴露于储存容器100所在的周围环境。在向PCM 102供应和/或提取热能期间，没有PCM到PCM储存容器100的流入也没有从PCM储存容器100的流出。PCM储存容器100可以在其上部部分110和下部部分111处被密封。可以理解的是，PCM储存容器100的密封并不排除存在包括可打开和可关闭的阀门的出口和入口，这些阀门在操作维护期间可被打开用于输送和/或释放流体，诸如气体。对PCM储存容器100进行密封能够实现容器100内的最小退化(degradation)。密封的PCM储存容器100也可以被描述为围封的PCM储存容器100。在供应或提取热能期间，PCM储存容器100可以是围封的。PCM储存容器可以被打开用于进行维护。用于对PCM储存容器100的上部部分110进行密封的覆盖件112或盖部件112可以是平的覆盖件112。覆盖件112可以是弯曲的，例如部分地为圆顶形。

PCM储存容器100的壁108可以包括金属层181。壁108还可以包括附加层182，该附加层182包括除了金属层181以外的材料。附加层182可以是陶瓷或金属或其任意组合。金属层181和附加层182可以包括多层。金属层181的材料和/或厚度可以被选择成，使得金属层181是导热的。附加层182的材料和/或厚度可以被选择成，使得附加层182是充分导热的而不影响结构支撑。附加层182可以形成内部层。金属层181可以是外部层。附加层182可以布置在壁108的内表面，使得PCM 102与附加层182接触。在这样的布置中，附加层182形成壁108的内表面，以及金属层181形成壁108的外表面。附加层182在导热壁108的内部、湿润部分上形成涂层。

金属层181可以包括，例如包括不锈钢等。金属层181可以被设计为在处于550℃的温度被使用。金属层181的厚度可以是从约0.5mm至约10mm，如从约1mm至约5mm，如约3mm。附加层182可以是基本不湿润的，也就是说，PCM 102不与金属层181接触。

附加层182的厚度可以从约0.01mm到约1mm，例如从约0.2mm到约0.4mm。较厚的附加层182是不利的，因为其可能会分裂或开裂。附加层182可以有或者可以没有比金属层181的热导率大的热导率。附加层182足够薄，基本上是非绝缘的。附加层182与PCM 102接触。此外，附加层182能够实现可能以其他方式与金属壁的容器发生反应的PCM的使用。附加层182可以包括多个子层，其中每个子层包括陶瓷材料，或由陶瓷材料组成。

此外，上述PCM储存容器100的壁108是轻量化设计的，这降低了安装和维护的复杂性和成本。此外，与经由单独的热交换器提取来自PCM 102的热能并需要具有相关损失的流体传输的系统相比，导热PCM储存容器100的壁108能够有效地提取热能。

PCM 102可以是一种已知的相变材料。该PCM可以是无机PCM，如熔融盐、金属合金等。优选地是，在本PCM储存容器100中使用的PCM 102是包括例如铝和硅的合成物(composition)。PCM 102可以是铝-硅合成物。PCM 102熔化的温度可以是从约570℃至约590℃，例如约580℃。与PCM的情况一样，PCM在热能储存和热能提取过程中经历了从固态到液态、以及从液态到固态的相变。在整个PCM储存容器100中，PCM 102可以以固相和液相的形式存在。PCM 102最初可以以固相的形式提供给PCM储存容器100。PCM可以在大于100℃(例如大于200℃)的温度经历固-液相变。由于PCM储存容器的工作温度高，以及热能储存的要求，水不是一种合适的PCM。

熔融和/或固态PCM 102可以自由地在整个PCM储存容器100中被动地循环，例如通过自然对流。PCM 102可以是无封装的，也就是说，它可以没有将PCM 102的各部分彼此分开的任何形式的封装。

PCM储存容器100有利地利用了重力对PCM 102的影响，以致于在PCM 102升温期间，PCM 102的相对较冷的和可能固化的部分会积聚在容器的底部处的在锥形部分101的尖端部分103中。于是，其被HTF接受器200中的HTF所加热，并可在容器100内上升到基座部分104。因此，PCM 102可以在容器100内被动地、有效地、高效地升温。与液相PCM相比，固化的PCM的体积更小。在固化时，在没有锥形部分的PCM储存容器中，PCM储存容器的内壁和固化的PCM之间可能会形成间隙。这些间隙的传热性能非常差。本PCM储存容器100的锥形部分101限制了间隙的形成，因为固化的PCM 102由于重力的作用，被向下引导向尖端部分103的底部。此外，在典型的非锥形容器中，可能在容器内形成具有与容器截面相近的截面的圆柱体或柱状件。本PCM储存容器100的锥形部分101抑制了这种圆柱体或柱状件的形成，因为固化的PCM被引导向尖端部分103的底部。

与现有的PCM储存容器相反，本PCM储存容器100可以基本上没有如下内部结构：诸如用于容纳PCM 102以及将PCM 102进行分割的管、矩阵或类似物。组件中的PCM 102的总质量被围封在单个分区内。PCM储存容器100可以被认为是单个箱，其用于容纳热能储存组件中存在的PCM 102的全部体积。PCM储存容器100的内部体积可以是单个分区。

用于传热流体(HTF)202的接受器200被设置成与PCM储存容器100的至少一部分相邻并且热接触。HTF 200的接受器与PCM储存容器100的至少一部分邻接。因此，提供了一种包括PCM储存容器100和用于HTF 200的接受器的组件。

HTF的接受器200可以环绕PCM储存容器100的至少一部分。接受器200可以在PCM储存容器100的一部分周围形成套筒。HTF接受器200可以环绕PCM储存容器100的上部部分110和/或锥形部分101的一部分。HTF接受器200可以环绕PCM容器100的大部分。

储存在PCM 102中的热能可以经由PCM储存容器100的壁108被传递到HTF 202。

HTF接受器200可以被定义为如下接受器：该接受器具有可布置成与PCM储存容器100的壁相邻的内壁204、外壁205以及将内壁204连接到外壁205的部件206。

HTF接受器的内壁204可以是导热的，使得热能经由PCM储存容器100的壁108和HTF接受器200的内壁204从PCM 102被传递到HTF 202。HTF接受器200的外壁205可以是热绝缘的。

HTF接受器具有用于接收热能的部分210。用于接收热能的部分210从外部(external)热能源400接收热能。本文所用的术语外部是指不与PCM储存容器100直接连通的热能源。它不直接作用于PCM储存容器100。术语外部还指外部热能源也是热能的来源400，而不是PCM储存容器100中的PCM 102。外部热能源400不与PCM储存容器100直接的热连通。外部热能源400经由HTF接受器200，特别地是经由接受器200中的HTF与PCM储存容器100间接热连通。外部热能源400作用于HTF接受器200中的HTF。外部热能源400是这样的：其在运行期间提高了组件中HTF和PCM的平均温度。也就是说，经由外部热能源400增加了储存在组件中的平均热能。

提供给PCM容器100中的PCM 102的热能可以基本上在至少一个HTF接受器200的第一部分200a处被接收。第一部分200a与PCM储存容器100相邻并且热连通。接收热能是指在用于接收热能的部分210处的HTF的温度大于接受器200中的HTF和/或接受器200的第一部分200a的平均温度。也就是说，在用于接收热能的部分210处，HTF的温度升高。

可从PCM储存容器100中的PCM 102中提取的热能基本上是在至少一个HTF接受器200的第二部分200b处被提取的。第二部分200b与PCM容器100相邻并且热连通。为了从HTF接受器200中提取热能，HTF可以被泵送至使用热能的设备。此后，HTF被送回到HTF接受器200。提取热能是指被送回到HTF接受器200的HTF的温度在提取热能后低于接受器200中的HTF和/或第二部分200b的平均温度。

在一些情况下，第一部分和第二部分可以是单独的第一HTF接受器200a和第二HTF接受器200b。其中的组件可被视为包括多个单独的HTF接受器200a、200b。HTF接受器可以通过类似的气隙分开，使得它们不会彼此直接进行热连通。它们经由PCM储存容器100进行间接热连通。每个单独的HTF接受器200、200a、200b都围封了HTF的单独的体积，这些体积在热能储存组件的运行期间不混合。

单独的HTF接受器200a、200b，能够使对接受器200a、200b中的每个接受器的维护可以单独执行。例如，有可能执行对第二接受器200b的维护，而第一接受器200a继续接收热能。单独的接受器还能够使供应热能的过程与从组件提取热能的过程分开，例如，允许供应能量而无需加热组件中HTF的总体积。

第一部分200a通常靠近PCM储存容器100的尖端部分103。由于热能通常在第一部分200a处被提供给组件，并且尖端部分103位于基座部分104之下，即相对较低的位置，因此PCM 102在其下部部分被加热。被加热的PCM 102，由于其密度降低，可以在PCM储存容器100内被动地向上流动。

第二部分200b通常在PCM储存容器100的尖端部分103的远端。因此，第二部分200b接近于PCM储存容器100的基座部分104。热能可以在第二部分200b处被提取。

第一部分200a可以具有与PCM储存容器100的尖端部分103相对应的形状。例如，如果PCM储存容器100的尖端部分103是平的，则第一部分200a可以基本上是平的。如果尖端部分103是圆顶形状或凸状形状的，那么第一部分200a可以相应地是凹状的，使得圆顶被HTF接受器200的第一部分200a所环绕。第一部分200a可以在倒锥形部分101的尖端部分103处。第一部分200a可被认为是与倒锥形部分101的尖端部分103邻接。第一部分200a可被布置为基本上覆盖倒锥形部分101的尖端部分103。

PCM储存容器100和HTF接受器200用于热能储存。热能可以被提供给PCM 102，热能被储存并随后被提取。热能通常是经由HTF 202被提取的。可以提供与PCM储存容器100和/或HTF接受器200连接的电能发生系统500。一般来说，电能发生系统被设置成与HTF接受器200热连接。电能发生转换单元可以与HTF接受器200的第二部分200b热连接。

执行热能的提取以向电能发生系统500供电。电能发生系统500将HTF 202所提供的热能转换为电能。由电能发生系统500产生的电能可以被输入到电网或配电网络中。电能发生系统500可以包括转换单元501，该转换单元501在斯特林循环(Stirling cycle)、朗肯循环(Rankine cycle)、布雷顿循环(Brayton cycle)或任何其他能够从热能有效产生电能的热机上运行。

电能发生系统500的转换单元501与HTF热连接。热交换器可用于将热能从HTF传递到转换单元501。热交换器可以将热能从HTF传递到转换单元501的工作流体。

如上所述，热能可以经由PCM 102被提供给HTF 202，以及特别地是经由PCM 102通过PCM储存容器100被提供给HTF 202。

可以向HTF接受器200提供多个流体导管，用于输送HTF。在用于接收热能的部分210处可以提供与HTF接受器200连接的加热流体导管211。加热流体导管211可以具有与用于接收热能的部分210连接的第一端部212。加热流体导管211可以具有与用于接收热能的部分210连接的第二端部213。HTF可以通过导管，经由外部热能源400从第一端部212被移位到第二端部213。可以由泵来使HTF移位。第一端部212和第二端部213可以布置在尖端部分103处的凸状突出部的基座处，例如基座的外围处。也就是说，它们不必直接处于尖端部分103处的凸状突出部的顶点处。

一般来说，组件中的HTF 202不与PCM储存容器100直接接触。HTF 202被包括在HTF接受器200中，HTF 202和PCM 102之间的热连通是经由PCM储存容器108的导热壁108和HTF接受器200的内壁204发生的。这意味着HTF 102不会弄湿导热壁108的外部层。由于导热壁108的外部层不会被HTF 102弄湿，所以外部层可以从更多种的材料中选择，以使组件的生产成本降低，并提高可靠性。

HTF接受器200只环绕PCM储存容器100的一部分。HTF接受器200不环绕整个PCM储存容器100。由HTF接受器200仅围封PCM储存容器100的一部分，以及将HTF围封在HTF接受器200内，这两种围封都使维护更容易执行，因为在无需排放HTF 202的HTF接受器200的情况下可进入PCM储存容器。

如果HTF接受器200与PCM储存容器100的圆柱形部分相邻布置，那么HTF接受器200，以及特别地是第二部分200b，可以是环形圆柱体的形式，即具有中央孔203的圆柱体。HTF接受器200可以是环形体(toroid)，其具有绕其中央轴旋转的矩形截面。HTF接受器200可以是环形锥形部分的形式，也就是具有中央孔203的锥形部分。如果HTF接受器200，以及特别地是第二部分200b，与锥形部分101相邻布置，或者如果整个PCM容器100是截头圆锥体，则具有环形锥形形式的HTF接受器200是特别适合的。例如，如果PCM储存容器100的锥形部分101是截头圆锥体，则HTF接受器200可以具有带有中央孔203的环形截头圆锥体的形式。第二部分200b可以至少环绕HTF接受器200的倒锥形部分101的基座部分104。第二部分200b未环绕尖端部分103。

HTF接受器200可以包括以下至少一个，例如多个形成单个HTF接受器200的分区208。每个分区208可以是HTF接受器200的整个形状的一部段。例如，每个分区208可以是环形圆柱体的具有中央孔203的一部段。例如，如果HTF接受器200被形成为与PCM容器100的锥形部分101接合，那么每个分区208可以是如下的形式：是锥形部分的具有中央孔203的一部分。

外部热能源400可以是适于向HTF提供热能的设备或系统。外部热能源400可以是例如太阳辐射接收机，阳光在该太阳辐射接收机处被集中。外部热能源400可以是将电能转换为热能的装置。外部热能源400可以是浸入式加热装置，其通过电能到热能的转换来加热HTF。在第一端部212和第二端部213之间的流体导管211处可以设置浸入式加热器。浸入式加热器与HTF热连通。浸入式加热器可以加热在流体导管211中的HTF。

外部热能源400可以是经由电磁辐射提供热能的设备，如红外加热器。如果外部能量源经由电磁辐射供应热能，那么热能源400不需要与HTF直接接触，因为热能是经由辐射被传递的。外部热能源400可以被适配为使得辐射被引导朝向用于接收热能的区域210。外部热能源400也可以适于作用于第一端部212和第二端部213之间的流体导管211。

通过用适于将电能转化为热能的外部能源400来加热HTF，可以用以其它方式无法输入到电力网络或电网的电能来加热HTF。用于为外部热能源400供电的电力可由光伏板提供。光伏板可以设置在PCM储存容器100、HTF接受器200组件附近，以降低传输成本。

外部热源400可以是工业废热源，诸如工业气体燃烧(gas-flare)系统。从气体燃烧产生的热可用于加热HTF，其后加热PCM。

在电的和气体燃烧式的外部热能源400两者中，由于废能被用来加热HTF，则用于加热HTF的热能成本低廉且对环境友好。在可以将电提供给电力网络或电网的时间段内，废能可以被储存在PCM中。

外部热能源400可以适用于在高度大于PCM容器100和HTF接受器200组件的高度的位置加热HTF。在这种情况下，高度是指与地平面相距的距离。也就是说，HTF可能需要竖向地移位到比PCM容器100和HTF接受器200更高的位置。在这种情况下，可使用泵将HTF通过导管211进行传递。

HTF接受器200可以包括至少一个用于供应和/或提取HTF 202的开口。该开口可以是除了流体导管211的第一端部212和第二端部213之外的开口。该开口也可用于在维护期间排空HTF。HTF接受器200可以包括多个开口，例如用于泵的孔，用于泵送的HTF 202的出口，以及流体导管211的第一端部212和第二端部213。

HTF接受器200可由金属制造，诸如不锈钢或不锈钢合金。该金属可被设计为在高于约550℃的温度被使用。HTF接受器的内壁204和/或外壁205可以包括不锈钢，例如由不锈钢组成。

HTF 202是一种流体。HTF 202可以是熔融盐溶液。优选地，HTF 202是熔融金属，诸如熔融钠。由于HTF接受器运行所处的高温，以及热能储存的要求，水不是合适的HTF。在某些情况下，HTF可以是气体。HTF接受器200的第一部分200a可以填充有第一HTF 202。HTF接受器200的第二部分200b可以填充有与第一部分200a中的HTF不同的第二HTF 202。然而，它们可以是相同的HTF 202。在第一部分200a和第二部分200b中的不同的HTF可以根据HTF中的每者的工作温度能够选择不同的和最佳的泵、阀门以及其他元件。

HTF接受器200可以被提供有流体，诸如惰性气体，如氮气(N₂)。HTF接受器200的一部分可以填充有HTF 202，HTF接受器200的没有填充HTF 202的剩余部分，可以填充有惰性气体。

PCM储存容器100可以被提供有流体，诸如惰性气体，如氮气(N₂)。PCM储存容器100的一部分可以被PCM 102填充，PCM储存容器100的没有填充PCM 102的剩余部分，可以填充有惰性气体。

上述惰性气体即使处于高温也能减少PCM 102和/或HTF 202的氧化。

HTF接受器在其上部部分209处可以基本上是气密的，使得来自HTF接受器200的任何气体泄漏被最小化。

提供了一种用于储存热能的系统，其中该系统包括多个PCM储存容器100，以及本文所述的HTF接受器200。多个组件100、200中的每个组件可以相互连接成，使得单个外部热能源400向多个用于接收热能的区域210中的每个区域供应热能。每个组件可以经由其各自的流体导管211相互连接。在系统中的HTF接受器200之间可以设置多个阀门，以便可以控制经由HTF的热能的流动。也就是说，这些阀门能够控制热能流向多个PCM储存容器100和HTF接受器200组件的子设备，该子设备数量少于系统中组件的总数量。

系统中的包括PCM储存容器100和HTF接受器200的组件中的每个组件都可以设置有各自单独的外部热能源400。以这种方式，每个组件的温度和储存在其中的能量都可以被单独控制。

系统中的包括PCM储存容器100和HTF接受器200的组件中的每个组件都可以与各自的能量转换单元501连接，以产生电能。

系统可以被安置在壳体中。该壳体可以是标准运输集装箱。标准运输集装箱是指符合ISO 668:2013系列1标准的集装箱，长6.058m(19英尺10.5英寸，称为20英尺)或12.192m(40英尺)，宽2.438m(8英尺)，以及高2.591m(6英尺6英寸)或高2.896m(9英尺6英寸)(高货柜)。将系统安置在标准运输集装箱中，能够使系统被有效地运输，从而降低热能储存系统的总安装成本。系统可以包括四个组件，每个组件包括PCM储存容器100和HTF接受器200。在这样的系统中，PCM储存容器100和HTF接受器200可以在运输集装箱的第一部分中。(一个或更多个)转换单元501可以存在于运输集装箱的单独的第二部分中。在第一部分和第二部分之间可以设置壁。该壁可作为针对以下各者的屏障：灰尘、辐射热能和与可以被保持在如上所述的500℃以上的温度的HTF 202和PCM 102的体积的安全屏蔽。壳体，如运输集装箱，可以具有一个以上的第二部分。例如，可以在第一第二部分中设置两个转换单元501，以及可以在在包括四个转换单元501的系统中的第二部分中设置两个转换单元501。

如上所述，PCM储存容器100能够实现热能的储存，这些热能可被提取并用于为电能发生系统供电。当可由外部热能源400提供的热能的量大于单个PCM储存容器100中可储存的能量的量，和/或大于由用于将热能转换为电能的转换单元所提取的能量的量时，包括多个相互连接的PCM储存容器100和HTF接受器200的系统是特别有用的。与单个的大型PCM容器100相比，上述系统在降低安装成本方面有许多优点，并且如果每个容器不能同时有效地运行，则上述系统具有对哪个PCM容器100和HTF接受器200组件接收热能进行调制的能力。

包括多个组件的系统可以设置在壳体内。

现在将针对包括PCM储存容器100和HTF接受器200的组件以及外部热能源400来描述热能储存和回收的过程。

包含在HTF接受器200中的HTF 202在用于从外部热能源400接收热能的部分210处接收热能。HTF 202可以经由外部热能源400被连续地泵送通过导管211。

HTF 202可被加热到大于500℃，诸如大于600℃，诸如约650℃。

从HTF 202到PCM 102发生热能传递，从而使PCM储存容器100内的PCM 102被加温。在HTF接受器200的用于接收热能的部分210附近的PCM 102的温度可以大于500℃，诸如大于580℃，诸如约590℃。

HTF接受器200附近的被加温的PCM 102的密度可以低于PCM储存容器100中相对较冷的PCM 102。它可能已经经历了到液态的相变。被加温的PCM 102可以在PCM储存容器100内上升，较冷的、较密的、可能固化的PCM 102可以流向PCM容器100的锥形部分101的区域尖端部分103。这种自由热对流或自然热对流的过程在热能被供应给HTF接受器200的同时继续进行。

在上述过程中，热能可以被供应给HTF接受器200的第一部分200a。

存在于PCM 102中的热能可经由与PCM储存容器100热连通的HTF 202被提取。HTF接受器200中的HTF 202通过PCM储存容器100的壁，以及通过HTF接受器200的壁被加温。被加温的HTF 202可以被泵送到电能发生系统500的转换单元501，用于将热能转换为电能。被加温的HTF 202然后可以将转换单元501的工作流体加温。例如，被加温的HTF可以被泵送到斯特林发动机。该斯特林发动机可以由此将从PCM 102提取的热能进行转换来发电。

从PCM 102提取的热能可以经由HTF 202在HTF接受器200的第二部分200b中被提取。

在一种单独的布置中，HTF接受器200可以包括内部加热器，该内部加热器用于直接加热在PCM储存容器100中的PCM 102。这与瑞典专利申请SE 1851338-2中公开的PCM储存容器100类似。然而，代替用于接收太阳能热能的区域(所参考的申请中的105)，设置了加热器来将针对用于接收太阳能热能的区域(所参考的申请中的105)的PCM101进行加热，使得该区域因此成为用于接收热能的区域。加热器可以是由电能供电的红外加热器。加热器可以被围封在绝缘壁内。HTF接受器200仍然存在，以及PCM 102被用来储存热能。

在另一种单独的布置中，HTF接受器200可以包括至少一个加热器，该至少一个加热器适于直接加热HTF接受器200内的HTF 102，而无需将HTF泵送到外部热源。这种布置包括PCM储存容器100、HTF接受器200和HTF接受器200内的加热器。PCM容器100的导热壁如上所述。热能可被提供给HTF接受器200中的HTF 102，热能此后被传递并储存在PCM容器100的PCM 102中。热能经由PCM储存容器100和HTF接受器200的导热壁被传递。

以上介绍的两种布置的优点是，HTF 102不需要被泵送到外部热能源，因此可以降低安装成本。

虽然，本发明在上文已经参照具体的实施方案进行了描述，但并不意图将其限制在本文所阐述的具体形式中。准确地说，本发明仅受所附权利要求书的限制。

在权利要求中，术语“包括/包含”并不排除其他元件或步骤的存在。此外，尽管各个特征可能包括在不同的权利要求中，但这些特征可以有利地结合，而且包括在不同的权利要求中并不意味着特征的结合不是可行的和/或有利的。此外，单个引用并不排除多个引用。术语“一/一个”、“第一”、“第二”等并不排除多个。权利要求中的附图标记只是作为明晰的示例，并且不应解释为以任何方式限制权利要求的范围。

Claims (19)

1.一种用于储存热能的组件，所述组件包括相变材料储存容器、即PCM储存容器(100)和至少一个传热流体接受器、即至少一个HTF接受器(200)，

-所述PCM储存容器(100)由导热壁(108)限定，所述PCM储存容器(100)包括倒锥形部分(101)，所述倒锥形部分(101)具有尖端部分(103)和基座部分(104)，所述尖端部分(103)的直径小于所述基座部分(104)的直径，所述尖端部分(103)相对地布置在所述基座部分(104)之下，

-所述至少一个HTF接受器(200)被设置成与所述PCM储存容器(100)的至少一部分相邻并且热连通，所述PCM储存容器(100)与所述至少一个HTF接受器(200)之间经由所述导热壁(108)发生热连通，并且其中，所述HTF接受器(200)包括用于从外部热能源(400)接收热能的部分(210)，所述用于从外部热能源(400)接收热能的部分(210)与所述倒锥形部分(101)的所述尖端部分(103)相邻。

2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述外部热能源(400)与所述PCM容器(100)分开且不与所述PCM容器(100)直接连通。

3.根据权利要求1或2所述的组件，所述组件被适配为：使得提供给所述PCM容器(100)中的PCM的热能基本上是在所述至少一个HTF接受器(200)的与所述PCM容器(100)的所述倒锥形部分(101)的所述尖端部分(103)相邻并且热连通的第一部分(200a)处被接收，并且要从所述PCM中提取的热能基本上是在所述至少一个HTF接受器(200)的在所述PCM容器(100)的所述倒锥形部分(101)的所述尖端部分(103)远端的第二部分(200b)处被提取。

4.根据权利要求3所述的组件，其中，所述第一部分(200a)与所述第二部分(200b)是分开的，使得所述第一部分(200a)与所述第二部分(200b)没有直接热连通，并且其中，所述第一部分(200a)与所述第二部分(200b)经由所述PCM储存容器(100)进行间接热连通。

5.根据权利要求4中任一项所述的组件，其中，所述第一部分(200a)和所述第二部分(200b)是单独的HTF接受器(200)，每个HTF接受器用于围封单独的HTF体积。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的组件，其中，所述PCM容器(100)基本上是被围封的。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的组件，其中，PCM储存容器(100)包括PCM(102)，并且所述组件中的PCM(102)的总体积被包括在单个PCM储存容器(100)中。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的组件，其中，所述HTF接受器(200)环绕所述PCM容器(100)的至少一部分。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的组件，其中，所述PCM储存容器(100)包括PCM，诸如所述PCM储存容器(100)包括金属合金，并且所述HTF接受器包括HTF，诸如所述HTF接受器包括钠。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的组件，其中，所述HTF接受器(200)包括用于将HTF传递到所述外部热能源(400)的流体导管(211)，所述流体导管(211)具有与用于接收热能的部分(210)连接的第一端部(212)和第二端部(213)。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的组件，其中，所述外部热能(400)是由适于加热所述HTF的浸入式加热器来提供的。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的组件，其中，提供给所述外部热能源(400)的用于加热所述HTF的能量是来自工业过程的废能和/或来自光伏板的电能。

13.根据权利要求1至11中的任一项所述的组件，其中，提供给所述外部热能源(400)的能量是太阳能热能。

14.根据权利要求3至13中的任一项所述的组件，其中，所述倒锥形部分(101)包括凸状尖端部分(103)，并且其中，所述第一部分(200a)与所述凸状尖端部分(103)邻接。

15.根据权利要求3至14中的任一项所述的组件，其中，所述第二部分(200b)在所述尖端部分(103)远端的区域处基本上环绕所述PCM储存容器(100)的所述倒锥形部分(101)。

16.一种用于热能储存的系统，所述系统包括根据权利要求1至15中的任一项所述的多个组件。

17.一种用于从热能产生电能的系统，所述系统包括根据权利要求1至15中的任一项所述的至少一个组件，所述系统还包括用于从热能产生电能的电能发生系统(500)，所述电能发生系统(500)经由流体导管与所述HTF接受器(200)进行热连通。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，用于产生电能的所述系统(500)包括在斯特林循环、朗肯循环、布雷顿循环或其他能够从热能产生电能的热机上运行的转换单元(501)。

19.根据权利要求1至15中任一项所述的组件，或根据权利要求16所述的系统，或根据权利要求17所述的系统，其中，所述HTF适于被加热到大于500℃的温度，诸如所述HTF适于被加热到大于600℃的温度。

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