专利名称：储热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的储热装置，特别是用于太阳能系统中的储热装置。
在许多能量系统的管理中，以热的形式存储能量非常重要，而对于太阳能系统尤其重要。最成熟的系统是那些基于显热或相变的系统。相变系统对显热系统的优点在于其较高的热容量。例如，基于显热的最优存储材料可提供每摄氏度小于1卡，而无任何温度变化的从固态到液态的相变可以提供每克160卡。然而，由于固体材料趋于沉淀在热交换器上而阻碍热的有效传递，因此，这些系统更难应用。许多的太阳能接收器是管式接收器，而固体材料在管道内的沉淀对系统是致命的。
本发明的目的是提供一种改进的基于两层不同材料的储热方法，其中一层材料用于储热而另一层材料用于从储热层吸热。例如，系统的储热相是相变材料，它与另一相结合，该另一相是具有较存储相高的密度(比重)并且温度远高于熔点的熔化的金属。在热存储于储热相之后，通过液态金属与储热层的直接接触的热交换，可以将热吸出然后传递给另一介质以在多种不同的方式中应用1.液态(熔化)的金属可以循环到另外的环境下，在那里释放热；2.热可以传递给浸入液态金属中的管道。该管道含有在管道内循环并从管道壁上带走热的一液体；3.热传递经浸入液态金属中的管道壁进行，而在管道内有具有高汽压的材料，管道内沸腾的液体从液态转换为气态，伴随着从液态到气态的相变带走大量的热。这样的系统实际是一“热管”。在最终的热传递发生地，在气体冷凝为液体后，该蒸汽可将热传递给另一介质。然后冷凝成的液体返回源头(最好通过重力)以再循环；4.如果从具有高汽压的金属中选择该液体金属，则热管可以通过将一钟形的收集器浸入液体金属中而形成，金属的蒸汽聚集在“钟”的上部而收集在管道中。或者，由于具有高汽压的液体金属必须限定在一密闭的容器中，因此，蒸汽可以收集在该密闭容器中的液相上的剩余空间中。
上述系统的优点在于，在两相间有大的接触面积以提供很有效的热传递，以及液体金属的很大的热导性。此上述最后的系统是最有效的一个，因为它包括了从液态到气态在一大面积上热的传递的非常有效的步骤。
在上述系统的两相的每一相中，利用各相的大容量，通过对流，热有效地扩散。在盛有下相(lower phase)的容器的底部的一轻微的斜度可以增强在层间的界面处该相内的自由对流，在该界面处发生热从存储层到导热层的传递。
如果存储相是一相变系统，则在层间的界面上将有晶体沉淀。如果存储相是固态较液态密度低的材料，则最好从具有较存储相密度高的材料中选择液体金属。液体金属将处于存储相之下，而在界面上形成的固体将流到系统的顶部而不干扰热传递。
如果存储相从固态较液态的密度高的材料中选择，则液体金属应是具有较存储相的密度低的一金属，从而，金属将浮在存储相上，而从液体金属到一外部系统的热交换可以有效地实现。热存储材料的结晶形成的晶体将沉淀在容器的底部而不影响热交换。
如果存储系统是太阳能系统的一部分，则最好的结构是太阳能接收器是存储系统而太阳直接照射存储相的上表面。最好从对太阳光相对透明的材料中选择该相，从而使得光能穿透到主体中，并可以进行非常有效的对流热交换。
如果材料不透明，则金属层可以是一选择物以便于光的吸收。金属层用于吸收太阳光仅限于具有低反射性的金属，并且最好金属层在下层中使用。在一大的中央接收器系统中(基于将太阳光反射到一塔的多个太阳跟踪镜的定日镜场)为了得到上层的照射，则可以使用一反射塔系统，在那里将镜置于塔上以向下反射光。一凸面镜可以置于定日镜的焦点(或瞄准点)下，而一凹面镜则置于该点之上。
在一抛物面反射镜系统中，在焦点附近设置一副镜以将光反射到跟踪系统的主轴，从而，将接收器保持在一固定点，而收集系统将置于该点。在此方式中，沉重的收集系统固定不动而主镜跟踪。或者，副镜不固定不动，而是通过计算机控制以将光反射到一预选的安置收集系统的位置。
根据本发明的新的太阳能系统包括将热能转换为机械能的各种太阳能驱动的热机。这些热机可以是气涡轮机(布雷顿循环)、汽轮机、斯特林机和任何其它的热机。通常，气涡轮机和汽轮机特用于大系统，而抛物面反射镜系统经常用于小的斯特林机。重要的是注意热管的蒸气可以用作热机的一部分，如，在斯特林机的情形下，钠蒸气可以用作机器中的固有成分，而在这样的设置下，选择钠作为热存储和传递系统中的液体金属。
本发明的系统也可以用于将太阳能传递给如太阳能重整炉或太阳能气化系统的太阳能化学反应器，或将太阳能存储以作为过程的热能。
熔盐可以用作显热存储和相变材料的热存储材料。根据本发明，选择金属与同样金属的盐对作为二元系统具有特别的优点。此选择或结合使得层间的化学反应的可能性最小。碱金属具有低熔点和相对高的汽压以及低比重，因此它们特别适于用到这些系统中。许多氟化物具有高的熔解热，在高温下相对很稳定，可以用于本发明的热存储和传递系统中。镁可以与其盐配对使用，镁具有高汽压、低密度，一般较碱金属的使用更安全。铝具有低熔点，但沸点很高，可以在安全性很重要而不需要使用热管时采用。锌是相对重的金属，可以作为下金属层使用。锌的相对高的汽压使得其可用于热管的应用。铅和锡可以在本发明中使用，它们是具有低汽压的重液体金属的范例。
碱金属盐如氯化钠或氟化钠、氯化钾、氯化钙和氯化镁是可以用于本发明的盐的例子。它们的熔融形式可以在本发明的各种应用包括热存储中使用。易熔混合物或混合盐也可用于本发明。这些特定材料的例子显示，有大量的可选择的盐和金属能用于本发明的各种条件和应用。
当在系统中使用重金属时，在系统的下部形成大的液压。此液压可以补偿具有高压系统如气体涡轮机的管式换热器的内压。此作用非常重要，因为在高温下许多材料的机械强度降低。由于两相的直接接触的热交换较之经过管道或其它容器的壁的热交换远为有效，因此在本发明中，使得工作气体作泡状通过重液态层是另一重要之处。
在本发明中，通过系统的各相内的自由对流进行热传递是实现本发明的最好方式。然而，在某些情形下，如加热是在其中一层的上部进行时，或吸热从下层进行时，可以采用强制对流作为一种选择或替换以达到期望的热传递。强制对流可以通过机械系统如循环泵、或混合器、或通过使得惰性气体作气泡状经过液体层中的一层或分别经过每一层而实现。
通过下面结合附图对优选实施例的详细描述，本发明的其它目的和优点将会是显然的。
图1a-d显示了一两层的系统，这里上层是吸热层而下层是储热层。
图1a显示了熔融形式的一层在另一层之上的两层。
图1b显示了用于传递热的吸热层的循环。
图1c显示了浸入吸热相中的管道，管道中有在其中循环以将热传递到一外部系统的液体。
图1d显示了浸入上层用于热传递的一外部热管。
图1e和1f显示了基于吸热相的挥发性的两种热管结构。
图1g显示了在接收系统内装配有微型管而替代如图1d、1e和1f中所示的金属翅片以便于热传递的热管。
图2a、b、c、d和e显示了金属层为下层的类似系统。
图2f显示了一系统，其中在容器的底部设置为一斜坡以增强下层的自由对流。
图3a-d显示了太阳能系统。
图3a显示了一透明热存储系统和一上液体金属层。
图3b显示了一上液体金属层和用于吸收太阳光的金属层。
图3c显示了金属层作为底层而吸光层为上层。
图3d显示了下金属层用于吸光。
图4显示了一太阳能系统，其中太阳光被定日镜场收集而一镜置于塔上以将光反射到存储系统。
图5显示了在转动轴中设置有存储系统使得被抛物面反射镜收集的光被一副镜反射到存储系统的一太阳能抛物面反射镜。
图5b显示了一太阳能抛物面反射镜，其收集系统置于地上，光不断地从面对太阳的抛物面反射镜经一副镜到存储系统，该副镜相应于一单独的控制而移动，该控制不断地定位副镜以使得光被反射到存储系统。
现在详细地参看附图，图1a显示了置于一容器20中的两层系统。上层22是液体金属(吸热)而底层24是液体盐(储热)。材料从上面提到和详细描述到的那些材料中选择。在两层间的界面上出现热交换。图1b显示了插入层22中并引出到容器20外的管26，该管将液体金属导出到进行利用或热交换点并将液体金属送回容器20。图1c显示了浸入上层22中的管28。一合适的液体流经管28以从液体金属上层22中吸热。管28延伸到容器20外并提供根据需要可以关或开的一循环系统。图1d显示了浸入上层22中的一外管30。上层22的液体金属可以流入管30中。管30的上部设置有翅片32，而具有翅片的上部包含在一容器34中，经该容器一液体可以流动而从翅片32吸热。
在图1e中，管30未浸入上层22中，而是位于其上有间隔，管30插入层22上的蒸汽空间36中。在此实施例中，液体金属上层22具有足够的挥发性以使得热蒸气进入管30并经翅片32将热传递给容器34中流动的液体。
在图1f中，管30配置有一口径较大的喇叭口38以便于从上层22收集液体金属或蒸汽。在图1g中，管30的上端配置有微型管40，该微型管插入管30以增加来自蒸汽或液体的热传递。
在2a-e显示了液体金属层位于液体盐层下的系统。相同的部件用相同的参考符号来表示。注意，在图2c和d中，管30现在必须穿过液体盐层24浸入液体金属层22。在图2e中，液体金属层22横向地延伸出液体盐层以提供从外部可以进入的横向的延伸部分50。在此情形下，其下端具有一喇叭口38的管30在横向延伸部分50处浸入层22中。在图2f中，容器20配有一倾斜的底部21以增加下层22中的对流。
图3a-d显示了一太阳能系统中的新的热存储和交换系统。图3a显示了一透明的热存储系统，该系统采用通过隔板60与下液体盐隔开的上液体金属层22，以使得太阳能62直接照射到暴露的液体盐上并被其吸收。在图3b中，上液体金属层是透明的。图3c显示了太阳能62被现在的上液体盐层24吸收。容器20具有一倾斜的底部21，而热交换管28浸入液体金属层22中。太阳能穿过透明部分64进入容器20中。在图3d中，容器20配置有横向延伸部分50，该部分具有透明的顶以允许太阳能62穿过并被液体金属下层22吸收。
图4显示了一太阳能系统，其中，太阳光62被由台座74上的镜72组成的定日镜场70收集，台座74支撑在地上或一合适的平板76上。镜72适当地指向设置在一塔(未显示)上的凸面镜78。镜78将反射的太阳能聚焦到本发明的新的热存储装置80(以前面所述的形式)。
图5a显示了将太阳能62反射到存储装置80的一太阳能抛物面反射镜90。抛物面反射镜90绕轴92转动，并在所有位置上(显示了两个位置)将太阳能反射到聚焦于装置80的副镜94。在图5b中，太阳能抛物面反射镜90绕轴92转动。装置80置于地上。副镜94由适当的电机驱动并联锁在恒定地将来自镜90的光反射到装置80。一传感器检测太阳能从镜90的反射，而控制部件96中的控制器驱动电机连杆98和副镜94以将抛物面反射镜90反射的太阳能指向装置80。
虽然已参考优选的实施例对本发明进行了显示和描述，但对本领域的技术人员而言，各种改变和替代是显而易见的，它们不脱离本发明的教导。这些改变和替代落入如权利要求所述的本发明的范围。
权利要求
1.一种两层的储热系统，包括相互接触的两层，其中一层用于储热，而另一层是用于吸热的中间相。
2.如权利要求1所述的系统，其中的储热层是一相变系统。
3.如权利要求1所述的系统，其中的储热层是一熔盐。
4.如权利要求1所述的系统，其中的吸热层是液体金属。
5.如权利要求2所述的系统，其中相变层的固态具有较其液相高的密度，而中间相是具有较相变层的两相的密度均低的液体金属。
6.如权利要求2所述的系统，其中相变层的固态具有较储热层的液态低的密度，而中间相是具有较相变层的两相的密度均高的液体金属层。
7.如权利要求1所述的系统，其中向一外部系统的热传递通过一热传递液体的循环来实现。
8.如权利要求1所述的系统，其中向一外部系统的热传递通过浸入热传递液体中的管道中的一液体的循环来实现。
9.如权利要求1所述的系统，其中向一外部系统的热传递通过浸入热传递液体中的一外部热管来实现。
10.如权利要求1所述的系统，其中的中间相是可蒸发的液体金属，向一外部系统的热传递通过冷凝液体金属吸热层的蒸汽并靠重力或泵吸将冷凝的金属送回吸热层来实现。
11.如权利要求8所述的系统，其中系统的重力液压用于补偿外部系统中的液体采用的压力。
12.如权利要求11所述的系统，其中热传递通过工作气体与热传递液体层的直接接触来实现。
13.如权利要求1所述的系统，其中的储热系统是一太阳能系统的一组成部分。
14.如权利要求13所述的系统，其中的太阳能系统包括基于一跟踪太阳的轴的一收集系统。
15.如权利要求13所述的系统，其中的太阳能系统是基于两跟踪太阳的轴的一收集系统。
16.如权利要求15所述的系统，其中的跟踪系统是单镜或多镜系统。
17.如权利要求16所述的系统，其中的存储系统置于跟踪镜的焦点附近。
18.如权利要求16所述的系统，其中太阳光被反射到置于跟踪轴处的存储系统，而一固定的镜置于跟踪镜的焦点附近以将太阳光反射到存储系统。
19.如权利要求16所述的系统，其中存储系统置于一固定的位置，而太阳光通过一副镜的方向的独立控制指向目标存储系统。
20.如权利要求16所述的系统，其中太阳能系统是一定日镜场，该场将太阳光反射到一架高的目标(太阳能塔)，在那里太阳光指向存储系统。
21.如权利要求20所述的系统，其中太阳光被置于太阳能塔上的一镜向下反射到一存储系统。
全文摘要
一两层的系统(24)用于热能的吸收和存储，它具有一吸热的上层或下层(36)以及传热的另一层(22)。层(22，36)均可以起相变材料的功能。存储的热传导(32，34)到系统(24)的外部，并在一交换系统中直接使用，即，热能变换为机械能或电能或热能以进一步利用。
文档编号F24J2/04GK1162353SQ95195902
公开日1997年10月15日 申请日期1995年10月4日 优先权日1995年10月4日
发明者阿姆诺恩·约盖夫 申请人:伊达研究和发展有限公司