TWI855191B

TWI855191B - 儲熱方法及設備

Info

Publication number: TWI855191B
Application number: TW109142596A
Authority: TW
Inventors: 賽義德薩德; 賜福邱; 俊巢; 拜倫羅斯; 彼得雷米克; 凱西沃爾什
Original assignee: 澳大利亞商葛瑞夫艾特能源資產有限公司
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2024-09-11
Also published as: EP4070026A1; US20220404103A1; AU2020396795A1; EP4070026A4; JP2023509299A; WO2021108846A1; TW202122732A; AR120665A1

Abstract

本發明提供一種儲能設備，其包含：一坩堝，其具有一腔及一通道；一相變材料，其儲存在該坩堝之該腔中；及一熱交換器，其具有一入口及一出口，其中該熱交換器之至少一部分沿著該通道安置。亦提供可逆地儲存及/或提取能量的方法，以及一種包含複數個如上文所描述之儲能設備的儲能陣列。

Description

儲熱方法及設備

本申請案主張於2019年12月3日提交申請的澳大利亞臨時專利申請案第2019904568號的優先權，其內容應理解為併入本文中。

本發明係關於一種儲能設備，其可用於諸如發電機的高溫應用。特定而言，本發明係關於一種儲能設備，該儲能設備可在溫度下操作使得諸如空氣及CO₂之超臨界流體可用於使用例如膨脹式渦輪機發電機及布雷頓循環發電機進行高效發電。

特定而言，本發明係關於一種供布雷頓循環發電機使用的石墨基熱能儲存設備以及一種用於儲存熱能的方法。然而，將瞭解，本發明不限於此等特定使用領域。

提供以下對現有技術的論述，以將本發明置於適當的技術環境中，且使得本發明之優勢得到更充分的理解。然而，應瞭解，在整個說明書中對現有技術的任何論述皆不應視為係對此現有技術為眾所周知的或形成本領域中公知常識之部分的明示或暗示承認。

隨著世界人口的不斷增加，為人們及社會的日常生活提供動力所需的能源消耗亦隨之增加。為了滿足不斷增長的此類能源需求，已開發出不同技術來產生能源，諸如煤、天然氣、核能及石油。由於環境問題(諸如減少來自煤炭及其他化石燃料的污染及二氧化碳排放)，對可再生能源技術的發展特別感興趣。此等可再生能源技術包括水力、風力、太陽能、潮汐及地熱。

可再生能源的能量產生的特定問題為其為間歇性能源。舉例而言，風力渦輪機需要風力，在夜間無法產生太陽能，在乾旱期間水力發電嚴重減少，而波浪發電會受到天氣及海洋條件的限制。如此，可再生技術理想地需要一種儲能以供以後使用的方法。

一種此類儲能的方法為使用諸如鋰離子電池的電池技術，以使得當無法自可再生資源按需生產電力時，可輕鬆滿足能源需求。然而，對於大規模部署而言，電池技術仍可能較昂貴，且當可再生能源生產經長時間延遲時(諸如，當太陽能生產連續陰天時)，所儲存的能量容量有限且可能無法滿足能源需求，等等)。

作為電池技術的替代方案，已開發用於儲能的熔鹽技術。熔鹽可用作保持熱能的熱能儲存介質。此類型的儲存技術已在商業上用於儲存由集中太陽能(例如，自定日鏡)收集的熱量。然後可將熱量轉換為過熱蒸汽，以為習用蒸汽渦輪機提供動力並根據需要發電。已證明各種鹽混合物(諸如硝酸鈣、硝酸鉀及硝酸鈉)的功效。

在用於太陽能有關應用的典型熔鹽能量儲存系統中，鹽在超過220℃下熔融，且在約280℃下維持為液態。隨後將液態鹽泵送至太陽能收集器中，在太陽能收集器處，反射且聚焦的太陽光線將液態鹽加熱至約560℃。然後將此經加熱液態鹽儲存起來，且當需要電力時，將經加熱熔鹽泵送通過外部熱交換器，在外部熱交換器處使用水/蒸汽自熔鹽提取熱量。

另一能量儲存介質為石墨。一種石墨能量儲存形式體現在一種用於以可使用形式收集熱能及/或將其儲存在石墨中的方法及設備中。一種變體為用於藉由感應渦流加熱石墨主體的方法及設備。此外，石墨亦可應用於使用諸如蒸汽的流體將石墨塊中之熱能轉換成電能的方法中。

石墨太陽能儲存技術的進一步迭代係關於一種藉由加熱石墨主體之內部區域來收集及/或儲存熱能的方法及設備；當需要使用能量時，藉由熱交換器自石墨主體回收熱量的方法及設備；以及用於調節自石墨中回收熱能的方法及設備。

非金屬相變材料(PCM)亦已用作熔鹽及石墨的替代品。非金屬PCM包括石蠟、鹽水合物及脂肪酸。然而，用於能量儲存之非金屬PCM的主要缺點係其不適合高溫應用(例如，高於約600℃)。

例如，國際專利揭示案WO 2017/173499中揭示使用SiAl₁₂及SiAl₂₀。在其最廣泛形式中，本文獻揭示一種儲能設備，該儲能設備包含：殼體；至少一個坩堝；至少一個加熱元件，其毗鄰該坩堝；至少一個熱導管，其毗鄰該坩堝，具有一入口及出口；及相變材料，其位於該至少一個坩堝內，該相變材料選自由以下各項組成的群組：鋁矽合金、鋁、氯化鎂、氯化鈉及氯化鉀。在其較佳應用中，WO 2017/173499之儲存裝置用於將液體轉換為氣體(亦即，水轉換為蒸汽)。

WO 2017/173499之設備似乎不適合用於儲存高溫熱能以供用於高溫應用，諸如超臨界二氧化碳(sCO₂)布雷頓循環發電機。

鑒於WO 2017/173499所體現的技術中之此限制，因此可期望開發一種儲能設備及一種用於儲能供用於發電高溫應用(諸如sCO₂布雷頓循環發電機)的方法。

本發明之目的為克服或改善現有技術之缺點中之至少一者，或提供有用的替代方案。

除非上下文另有明確要求，否則貫穿描述及申請專利範圍，措詞「包含」(「comprise」、「comprising」及其類似者)應解釋為在與排他性或窮盡性意義相反之包括性意義上；換言之，在「包括但不限於」之意義上。

儘管將參考具體實例描述本發明，但所屬技術領域中具有通常知識者將理解，本發明可以諸多其他形式體現。

使用熔鹽及非金屬相變材料具有優於目前現有技術的數個優勢，包括長期儲能(長達數週、數月或甚至數年)，與不同可再生能源的相容性以及適應性，使得其可在任何地理位置使用，此係因為其並不限於具有最小陽光、風或潮汐要求的位置。

然而，如上文關於WO 2017/173499及競爭者技術所述，用於儲能之熔鹽及非金屬相變材料已限於較低溫度應用(高達600℃)，此係因為此等材料本身並不適合於較高溫應用(典型地，與太陽能有關的熔鹽在565℃下沸騰)。如此，自此等材料提取用於發電的能量典型地應用於蒸汽渦輪機(藉由將液態水轉換為蒸汽)。

本申請人意外地發現，使用金屬相變材料可提供較高溫度應用(高達1500℃)，且可與使用超臨界CO₂的布雷頓循環發電機一起使用(亦即，所使用流體中無任何相變)，從而適用於範圍自350℃至1500℃，較佳地自400℃至1000℃，更較佳地自400℃至850℃的操作溫度。

儲能設備

在一個態樣中，本發明提供一種儲能設備，其包含：坩堝，其具有腔及通道；相變材料，其儲存在坩堝之腔中；及熱交換器，其具有入口及出口，其中熱交換器之至少一部分沿著通道安置。有利地，本發明之儲能設備提供組合的潛熱及顯熱儲能。

在一個具體實例中，儲能設備為熱能儲存設備。在某些具體實例中，儲能設備包含複數個坩堝。

在某些具體實例中，本發明具有以下優勢中之至少一者：適合於用於高壓布雷頓sCO₂循環發電機的高溫應用；可使用高溫相變材料；顯熱及潛熱儲存的結合；加熱元件可在坩堝內部或外部；及包含高溫相變材料之封閉(視情況，透氣)坩堝。在一些具體實例中，坩堝組件可堆疊以封閉坩堝之腔，同時仍為透氣的(亦即，非氣密的)以允許除氣逸出且惰性氣體進入坩堝腔。

在某些具體實例中，儲能設備包含加熱元件。在較佳具體實例中，坩堝已經調適以接納加熱元件，較佳地藉由提供加熱元件通道。在較佳具體實例中，坩堝包含安置在加熱元件通道內之加熱元件。在此具體實例中，加熱元件在儲能設備的內部，且更較佳地在坩堝內部。在坩堝內部提供加熱元件可提供以下優勢中之至少一者：(a)減少儲能設備的熱量損失且改良熱效率；(b)減少目標溫度所需的加熱元件之數目，此係因為可增加加熱元件表面瓦特密度；(c)在熱能儲存期間提供較均勻溫度曲線；(d)藉由根據需要更換加熱元件，使維護及/或修復較容易；(e)儲能設備之加熱時間更快；及(f)降低成本。

在一些具體實例中，提供兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個或更多個加熱元件。在一些具體實例中，提供十二個或多於十二個、十五個或多於十五個、二十個或多於二十個、二十五個或多於二十五個、三十個或多於三十個加熱元件。在一些具體實例中，加熱元件為包含單個電阻器的電阻器架。在其他具體實例中，加熱元件為電阻器。

在較佳具體實例中，相變材料沿著至少一個軸線安置在熱交換器與加熱元件之間。在此具體實例中，相變材料有利地在加熱元件與熱交換器之間提供熱障，以避免熱交換器過熱且超過熱交換器材料之操作溫度極限。若選擇具有接近於熱交換器材料之最大操作溫度的熔融溫度的合適相變材料，則可將熱交換器溫度上升速率減慢接近於最大操作溫度極限，從而使熱交換器溫度上升速率較容易控制且可確保不超過最高熱交換器操作溫度。

有利地，使用金屬相變材料可提供較高操作溫度，諸如自約350℃至約1500℃，約400℃至約1000℃，及甚至更較佳地約850℃。因此，此可利用布雷頓循環發電機之效率，該發電機典型地在此溫度範圍內具有最大操作效率。此外，此較高溫度範圍超過鹽熔儲存及非金屬PCM(其為表徵現有技術的市售PCM技術)。

在自約400℃至約1000℃的溫度下，可使用超臨界流體，諸如CO₂(sCO₂)(其中在此範圍內加熱時不會發生任何相變)。當儲能設備與諸如布雷頓循環發電機之發電機結合使用時，上述情形允許較高效率。然而，如將瞭解，本發明之儲能設備可與習用渦輪機、膨脹式渦輪機發電機及/或類似物一起使用。

在一些具體實例中，坩堝包含敞開腔。有利地，具有敞開腔之坩堝允許相變材料在加熱時體積膨脹而在冷卻時體積收縮。

在一些具體實例中，坩堝包含密封封閉腔。在此組態中，相變材料經封圍且氣密地密封在腔內。在其他具體實例中，坩堝包含透氣的封閉腔。在此組態中，腔為封閉的，但允許與外部環境進行氣體交換。此提供除氣，同時允許惰性氣體進入儲存相變材料之坩堝之腔。

在一些具體實例中，坩堝包含複數個腔。在一些具體實例中，坩堝包含兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個(或更多個)腔。在某些具體實例中，腔包含至少一個敞開腔及至少一個封閉腔。在其他具體實例中，所有腔可為封閉的，或所有腔可為敞開的。

所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，該(等)腔可採取任何幾何形狀或大小，此取決於欲儲存之相變材料的量。腔可採取任何合適的形狀，且可例如呈球形、立方體、圓柱體、圓錐形、長方體、稜柱、四面體或不規則形狀。

在一些具體實例中，坩堝包含沿著坩堝主體之外表面的一或多個通道，其中熱交換器之一部分沿著一或多個通道中之至少一個安置。

在較佳具體實例中，坩堝包含在坩堝主體內具有至少兩個敞開端之通道。在此等組態中，熱交換器之一部分經圍封在坩堝之通道內，使得在使用中，傳熱介質可藉由坩堝之主體自熱交換器之入口流至出口。

所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，取決於通過熱交換器所需的流率，通道可採取任何幾何形狀或大小。在一個具體實例中，通道為凹部。在其他具體實例中，通道為管狀的。在某些具體實例中，管狀通道具有選自由以下各項組成之群組的剖面形狀：圓形、正方形、矩形、橢圓形、三角形、四邊形、五邊形、六邊形、九邊形、六邊形、七邊形、八邊形或不規則形狀。在較佳具體實例中，管狀通道為圓形或半圓形通道。在一些具體實例中，儲能設備包含複數個通道。在一些具體實例中，儲能設備包含兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個或更多個通道。在一些具體實例中，複數個通道經組態為獨立迴路。

在一些具體實例中，坩堝為單元主體。換言之，坩堝為由單件材料構造的。在較佳具體實例中，坩堝由組件零件組裝。

適用於坩堝之材料包括但不限於碳化矽、石墨、強化聚合物、黏土、瓷器、陶瓷、奈米碳管、氮化鋁、氧化鋁、氮化硼、氮化矽、鋼、銅、富鋁紅柱石(mullite)、氧化鋯、延性鑄鐵(ductile iron)、鑄鐵、不鏽鋼、黃銅、鈮(columbian)合金、鉭合金、鉬合金、鎢合金及其組合。應瞭解，坩堝材料並未在上文窮盡地列出，而僅例示可取決於所選擇操作參數使用的材料類型。

在較佳具體實例中，坩堝由石墨形成。在一些實施方案中，石墨為結晶的，非晶的或其組合。石墨亦具有高熱穩定性以及導電性與導熱性，此使其適合用作高溫應用中之耐火材料。在較佳具體實例中，在環境溫度直至1000℃之間使用石墨，且在較佳具體實例中，操作溫度在約400℃至850℃之間。有利地，使用石墨作為坩堝材料係因為其可自潤滑且亦具有乾潤滑性質。此提供與熱交換器的不同材料的經改良相容性，且可由於模組化構造提供多功能性。

在一個具體實例中，坩堝由碳化矽形成。碳化矽由碳及矽原子的晶格構成，且能夠為坩堝提供結構完整性。碳化矽為相對惰性的，此係因為其在高達800℃的溫度下不與酸、鹼材料或熔鹽反應。此外，碳化矽在1200℃下形成氧化矽塗層，氧化矽塗層能夠承受高達1600℃的溫度。因此，在一個具體實例中，坩堝材料包括氧化矽。碳化矽亦具有高導熱率、低熱膨脹特性及高機械強度，且因此為坩堝提供相對較高抗熱震性品質。應瞭解，由碳化矽製成的坩堝耐化學反應，具有適當的強度，且具有良好的導熱性，該導熱性輔助於加熱相變材料。

在一些具體實例中，坩堝的密度在約1g/cm³與約4g/cm³之間，在約1.5g/cm³與約3.5g/cm³之間，在約2.0g/cm³與約3.5g/cm³之間，在約2.5g/cm³與約3.5g/cm³，較佳地在1.5g/cm³至2.0g/cm³之間。

本發明之儲能設備為通用的，此係因為其可使用任何合適的加熱元件(諸如熱或電加熱元件)來儲能。例示性加熱元件可為定日鏡、熔爐、電阻器或實現體現本發明之操作溫度的任何其他合適構件。替代加熱元件為傳熱流體，該傳熱流體藉由坩堝之通道內的熱交換器循環在坩堝內循環。

在一個具體實例中，儲能設備可使用電阻器來儲能，該電阻器將電能轉換為熱能以直接加熱坩堝及相變材料。替代地，儲能設備可使用熱加熱元件來儲能。在此具體實例中，熱加熱元件將能量傳遞至傳熱介質，該傳熱介質藉由熱交換器加熱坩堝及相變材料。在此具體實例中，諸如定日鏡或熔爐之加熱元件可將能量傳遞至傳熱介質，該傳熱介質藉由熱交換器加熱坩堝及相變材料。在另一替代具體實例中，熱加熱元件為傳熱流體。

在某些具體實例中，用於儲能的加熱元件(諸如熱或電加熱元件)在坩堝的外部。在較佳具體實例中，加熱元件在儲能設備外部。在一些具體實例中，可在儲能設備外部使用複數個加熱元件。在一些具體實例中，提供兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個或更多個加熱元件。在一些具體實例中，加熱元件為包含單個電阻器的電阻器架。在其他具體實例中，加熱元件為電阻器。

應瞭解，取決於所要組態及用途，儲能設備可對大氣敞開或封閉(密封或透氣)。在較佳具體實例中，儲能設備為密封的。此係因為若坩堝為石墨，則在空氣中會在約450℃及較高溫度下發生氧化。在某些具體實例中，儲能設備為氣密密封。在較佳具體實例中，儲能設備用作為周圍環境的空氣密封。在此具體實例中，用空氣密封為最節省成本的方法。

在其他具體實例中，儲能設備使用惰性氣體密封。合適的惰性氣體可選自由氮、氬、氦、氖、氪、氙、氡及其組合組成的群組。在較佳實施方案中，惰性氣體為氮、氬、氦及其組合。出於成本原因，氮為最較佳的。若使用高於1000℃的溫度，則選自由氬、氦及其組合組成的群組的惰性氣體為較佳的，因為超過此等溫度，氮可形成氰化物。有利地，當儲能設備密封時使用惰性氣體可防止或改善由於坩堝之高溫環境而引起的非所要反應，諸如氧化，且可增加儲能設備的壽命。

如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，取決於應用及所需的溫度，熱交換器可具有任何幾何形狀或材料。在較佳具體實例中，熱交換器的形狀將與坩堝之通道互補，使得熱交換器可裝配在該通道中且向坩堝及/或自坩堝傳遞能量。

應瞭解，儲能設備可包含複數個熱交換器。在某些具體實例中，儲能設備包含兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個或更多個熱交換器。在一些具體實例中，每一熱交換器為單獨的獨立迴路，使得每一熱交換器可用於根據需要輸入能量或提取能量。

在一些具體實例中，熱交換器為管狀的。在某些具體實例中，管狀熱交換器具有選自由以下各項組成之群組的剖面形狀：圓形、正方形、矩形、橢圓形、三角形、四邊形、五邊形、六邊形、九邊形、六邊形、七邊形、八邊形或不規則形狀。在較佳具體實例中，管狀熱交換器為圓形熱交換器。在一些具體實例中，熱交換器包含安置在熱交換器之表面上之鰭片(諸如波狀鰭片、銷狀鰭片、筆直鰭片、橫切鰭片、橢圓形鰭片或蜂巢狀鰭片)、金屬絲網或其組合。在一些具體實例中，鰭片為銷狀鰭片。在某些具體實例中，鰭片可為同軸、交錯的或其組合。

在一個具體實例中，熱交換器之材料為合金、鈦或陶瓷。在一些具體實例中，熱交換器之材料為超合金或高溫陶瓷，諸如耐火陶瓷。較佳地，熱交換器之材料在操作溫度下耐氧化或降解。在一個具體實例中，熱交換器之材料選自由硼化物、碳化物、氮化物、過渡金屬之氧化物及其組合組成的群組。在一個實施方案中，過渡金屬之氧化物選自由以下各項組成的群組：二硼化鉿、二硼化鋯、氮化鉿、氮化鋯、碳化鈦、氮化鈦、二氧化釷、碳化鉭及其組合。

在某些具體實例中，熱交換器之材料為選自由以下各項組成的群組的超合金：鎳基超合金，鈷基超合金、鐵基超合金、鉻基超合金及其組合。

在某些具體實例中，超合金選自由以下各項組成的群組：鈦2級合金、TP439、Al29-4C、Al2003、Al2205、Al2507、TP304、TP316、TP317、254SMO、AL6XN、合金309S、合金310H、合金321H、合金600、合金601、合金625、合金602CA、合金617、合金718、合金740H、合金230、合金X、HR214、HR224、IN600、 IN740、海恩斯合金282，海恩斯合金230、347SS、316L、AFA-OC6、C-276、P91/T122、316SS、IN601、IN800H/H、赫史特合金X、CF8C+、HR230、IN61、IN62、253MA、800H、800HT、RA330、353MA、HR120、RA333及其組合。在較佳具體實例中，熱交換器之材料為合金625、合金740H、合金230、合金617、800HT及其組合。表1中示出用於熱交換器的非限制性合適的合金材料。

在一些具體實例中，熱交換器之材料選自由以下各項組成的群組：碳化矽、石墨、強化聚合物、黏土、瓷器、奈米碳管、氮化鋁、氧化鋁、氮化硼、氮化矽、鋼、富鋁紅柱石、氧化鋯、延性鑄鐵、鑄鐵、不鏽鋼、鈮合金、鉭合金、鉬合金、鎢合金及其組合。

本發明之相變材料可為在儲存或提取能量時改變相(亦即，固體、液體、氣體或電漿)的任何合適的材料。相變材料為潛能儲存材料，當材料經歷相變時，其可儲存或提取能量以在幾乎恆定溫度下改變材料之狀態。舉例而言，當在凍結及融化期間經歷相變時，水為潛能儲存材料。

較佳相變材料包括任何金屬，諸如鋁、鋅、鉛、錫、鎂或含有此等金屬中之任何一或多者的合金。最較佳地，相變材料為鋁，或包含鋁的合金，或其鹽水合物。

有利地，相變材料的使用提供更大量欲儲存及提取之能量，從而使其適合於可將能量儲存較長時間段的高效能量儲存系統。此外，取決於所使用之坩堝材料及相變材料，包含坩堝及相變材料的組合之儲能設備可降低資本成本，此係因為需要坩堝材料較少，且相變材料典型地比坩堝材料便宜。

為了避免能量損失至外部環境，儲能設備可包含絕緣體。絕緣體可適當地位於坩堝之表面上，以最小化損失至外部環境之熱能的量。該絕緣體可降低操作者在儲能設備之操作期間燙傷自己的風險。在一些具體實例中，絕緣體可包含使用不同材料之複數個絕緣層。

適合的絕緣材料可選自由以下組成的群組：絕熱板、鹼土矽酸鹽棉、絕熱毛坯、玻璃纖維、礦物棉、聚合物及發泡體。舉例而言，可使用多層不同規格的Carbolane或Superwool®包覆層(摩根先進材料)及板來防止能量損失。亦應瞭解，在儲能設備中可使用能夠適應高溫的任何絕緣體。

在另一態樣中，本發明提供一種可逆地儲存及/或提取能量的方法，該方法包含以下步驟：加熱一相變材料以誘發一相變，從而儲存潛能；及藉由使一溫度低於該相變材料之一溫度的一傳熱介質流動來提取能量，使得能量自該相變材料傳遞至該傳熱介質，從而提供可逆能量儲存及提取。

在一個具體實例中，傳熱介質之溫度低於相變材料之相變溫度。在較佳實施方案中，傳熱介質為傳熱流體(HTF)。

在又一態樣中，本發明提供一種可逆地儲存及/或提取能量的方法，該方法包含以下步驟：加熱包含一相變材料的一坩堝以誘發一相變，從而儲能；及藉由使一溫度低於該相變材料之一溫度的一傳熱介質沿著該坩堝流動來提取能量，使得能量自該相變材料傳遞至該傳熱介質，從而提供可逆能量儲存及提取。

在一個具體實例中，傳熱介質之溫度低於相變材料之相變溫度。在較佳實施方案中，傳熱介質為傳熱流體。

在一個具體實例中，該方法包含加熱儲能設備之坩堝以加熱相變材料。在另一具體實例中，傳熱介質在能量提取期間未經歷相變。

在又另一態樣中，本發明提供一種儲能陣列，其包含：複數個如本文中所描述之儲能設備。每一設備較佳地保持與至少一個毗鄰設備熱、流體及/或電連通。

在一具體實例中，陣列呈模組形式。較佳地，模組為分段組裝的。較佳地，模組經容納在殼體內。在一具體實例中，殼體為運輸容器或其類似物。在另一具體實例中，運輸容器之內部已經調適以接納如本文中所描述之複數個儲能設備(亦即，複數個石墨板，其中每一儲能設備典型地為一個石墨板)。在一個具體實例中，複數個設備經串聯或並聯配置。在一個具體實例中，一20英尺的運輸容器容納8個石墨板及包含約35個電阻器的7個電阻架。在一較佳具體實例中，一20英尺的運輸容器容納兩個石墨板，每石墨板包含32個加熱器。

在其他具體實例中，殼體可如上文所描述經密封及/或絕緣。

有利地，使用儲能陣列的模組化方法提供對可儲存及提取以滿足各種能量需求的總能量的控制。

定義

在描述及主張本發明時，將根據下文所陳述定義使用以下術語。亦應理解，本文中所使用之術語僅係出於描述本發明之特定具體實例之目的，而非意欲為限制性。除非另有定義，否則本文中所使用之所有技術及科學術語具有該本發明所屬領域中具有通常知識者通常所理解的相同含義。

如本文中所使用，片語「由...組成」不包括申請專利範圍中未規定的任何元素、步驟或成分。當片語「由...組成」(或其變體)出現在技術方案之主體之子句中而非緊接在前言之後時，其僅限制彼子句中所闡明之元素；其他元素並未自整個技術方案排除。如本文中所使用，片語「基本上由...組成」將技術方案的範圍限制為規定元素或方法步驟，以及不實質上影響所主張標的物的基底及新穎特性的彼等特定元素或方法步驟。

關於術語「包含」、「由...組成」及「基本上由...組成」，在本文中使用此三個術語中之一者的情況下，當前揭示及所主張標的物可包括使用其他兩個術語中之任一者。因此，在一些未另外明確敍述的具體實例中，「包含」的任何實例可替換為「由...組成」或替代地替換為「基本上由...組成」。

除在操作實例中外或在另有指示的情況下，表達本文中所使用之成分或反應條件的量的所有數字應理解為在所有情況中由術語「約」修飾。實例並非意欲限制本發明的範圍。在下文中，或在另有指示的情況下，「%」將意指「重量%」，「比率」將意指「重量比」，且「份」將意指「重量份」。

除非另有指示，否則如本文中所使用的術語「實質上」應意指包含按質量計超過50%。

使用端點敍述數值範圍包括彼範圍內包括在內的所有數字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5等)。

術語「較佳」及「較佳地」係指在某些情況下可提供某些益處的本發明的具體實例。然而，在相同或其他情況下，其他具體實例亦可為較佳的。此外，對一或多個較佳具體實例的敍述並不意味著其他具體實例無用，且不意欲將其他具體實例排除在本發明的範圍之外。

亦必須注意，如在說明書及所附申請專利範圍中使用，單數形式「一(a)」、「一(an)」及「該」包括複數對象，除非上下文另有明確規定。

本文中所引用之現有技術以引用的方式完全併入本文中。

儘管本文中詳細解釋所揭示技術的例示性具體實例，但應理解，可考慮其他具體實例。因此，並不意欲將所揭示技術的範圍限制於在以下描述中所闡明或在附圖中所說明的組件的構造及配置的細節。所揭示技術能夠具有其他具體實例或能夠以不同方式實踐或進行。

100:儲能設備

102:坩堝

104:通道

106:熱交換器

108:腔

110:相變材料

112:加熱元件

114:儲能陣列

116:加熱元件通道

現在將僅藉由實例的方式參考附圖描述本發明的較佳具體實例，在附圖中：[圖1]示出本發明之儲能設備的具體實例。a)為側透視圖；b)為沿著圖1a的線A-A截取的剖面透視圖；及c)為俯視圖，其中熱交換管/管道保持與相變材料隔離。

[圖2]a示出使用電加熱元件的儲能陣列的透視圖；且圖2b示出藉由熱交換器的熱加熱(無元件)的透視圖。

[圖3]a示出具有在坩堝內部的加熱元件通道的儲能設備的具體實例。圖3b示出圖3a的具體實例的正視圖。圖3c分別示出深腔坩堝組件及淺腔坩堝組件的具體實例。

[圖4]示出在具有電網連接的整個系統中包含本發明的儲能設備的模組的實施方案的代表性實例。

[圖5]示出在不同溫度下鋁能力儲存的體積比比較，(a)為在約400至800℃之間所儲存熱能(千瓦時/公噸)對鋁體積；且(b)為在約400至1000℃之間所儲存熱能(千瓦時/公噸)對鋁體積。

[圖6]示出在鋁對石墨的不同相對量(wt%)下在約400至800℃與約400至1000℃的溫度之間使用鋁進行儲能的體積比比較。

[圖7]示出在對儲能設備的具體實例進行充電時的熱交換器的溫度。(a)加熱器溫度經設定為最高700℃及522kW的總功率。在充電5小時之後，達到最高熱交換器管溫度675℃；且(b)加熱器溫度經設定為最高800℃及522kW的總功率。在無鋁PCM的情況下充電不到3小時，達到最高熱交換器管溫度675℃。然而，在鋁PCM的情況下，溫度上升斜率變平，從而允許加熱器控制有更多時間回應。

[圖8]示出窯爐設置的照片，(a)為在改良門密封性及安裝陶瓷熱電偶之前具有控制器的窯爐的外部；(b)為窯爐內部，示出溫度控制及輔助熱電偶；且(c)示出對石墨坩堝中之相變材料進行測試的組態。

[圖9]示出石墨坩堝中相變材料(鋁)之加熱及冷卻記錄曲線(trace)。圖9示出在預期溫度~679℃下PCM的熱記錄曲線及冷記錄曲線中之明顯「曲折點」。

[圖10]示出使用20mm厚的鋁板觀察作為相變材料的固體鋁片的性能並進一步驗證氬氣流量(3L/分鐘)及氧感測的加熱及冷卻溫度曲線。觀察到加熱及冷卻至~640℃時的明顯曲折點溫度。

[圖11]示出在兩週內對石墨坩堝中之鋁棒執行加熱及冷卻的五項測試，示出鋁相變材料之熔點一致。

所屬技術領域中具有通常知識者將理解，本發明包含本文中所揭示的具體實例及特徵以及所揭示具體實例及特徵的所有組合及/或排列。

本申請人意外地發現，使用金屬相變材料可提供較高溫度應用(高達1000℃)，且可與使用超臨界CO₂的布雷頓循環發電機一起使用(亦即，所使用流體中無任何相變)，從而適用於範圍自約400℃至約1000℃，較佳地在約 400℃至約850℃之間的操作溫度。此表示優於現有技術的顯著進步，現有技術固有地限於藉由使用習用材料在較低溫度下操作。

在一種形式中，本發明提供一種可逆地儲能的方法，該方法包含以下步驟：加熱相變材料以誘發相變從而儲存潛能；及藉由使溫度低於相變材料之溫度的傳熱介質流動來提取能量，使得能量自相變材料傳遞至傳熱介質，從而提供可逆能量儲存及提取。

在又一形式中，本發明提供一種可逆地儲能的方法，該方法包含以下步驟：加熱包含相變材料之坩堝以誘發相變從而儲能；及藉由使溫度低於相變材料之溫度的傳熱介質沿著坩堝流動來提取能量，使得能量自相變材料傳遞至傳熱介質，從而提供可逆的能量儲存及提取。

有利地，相變材料的使用提供更大量欲儲存及提取之能量，從而使其適合於可將能量儲存較長時間段的高效能量儲存系統。

在一個具體實例中，傳熱介質之溫度低於相變材料之相變溫度。

在一個具體實例中，該方法包含加熱儲能設備之坩堝以加熱相變材料。在另一具體實例中，傳熱介質在能量提取期間未經歷相變。在某些具體實例中，可同時執行儲存步驟(例如藉由加熱)及提取步驟(用於發電)。

在一個具體實例中，相變材料之相變溫度高達約1500℃，高達約1300℃，高達約1200℃，或高達約1000℃。在一個具體實例中，相變材料之相變溫度在約80至約1500℃之間，在約200至約1500℃、較佳地在約350至約1200℃之間，較佳地在約500至約1500℃之間，較佳地在約800至約1200℃之間，較佳地在約400至約1000℃之間，更較佳地在約400至約850℃之間，更較佳地在約400至約800℃之間，更較佳地在約550至約1000℃且更較佳地在約600至約800℃。相變材料的使用可增加儲能的成本效益。

相對於儲能設備的總體積(v/v%)，儲能設備可包含任何合適量的相變材料。在一些具體實例中，相變材料為儲能設備之總體積的至少約10v/v%、至少約20%、至少約30v/v%、至少約40v/v%、至少約50v/v%、至少約60v/v%、至少約70v/v%、至少約80v/v%、至少約90v/v%。在一些具體實例中，相變材料為儲能設備之總體積的小於約10v/v%、小於約20v/v%、小於約30v/v%、小於約40v/v%、小於約50v/v%、小於約60v/v%、小於約70v/v%、小於約80v/v%、小於約90v/v%。在一些具體實例中，相變材料為在儲能設備之總體積的約10v/v%至約90v/v%之間、在約10v/v%至約80v/v%之間、在約10v/v%至約70v/v%之間、在約10v/v%至約60v/v%之間、在約10v/v%至約50v/v%、在約10v/v%至約40v/v%之間、在約10v/v%至約30v/v%之間，且更較佳地約20v/v%或約30v/v%。在較佳具體實例中，相變材料在儲能設備之總體積的約10v/v%至約35v/v%之間，更較佳地在約15v/v%至約30v/v%之間。

在某些具體實例中，相變材料之熱導率在約1W/m.K至約300W/m.K之間、在約20W/m.K至約300W/m.K之間、在約50W/m.K至約300W/m.K之間、在約50W/m.K至約250W/m.K之間、在約50W/m.K至約220W/m.K之間，更較佳地在約50W/m.K至約200W/m.K之間。

在某些具體實例中，相變材料之潛熱在約20kJ/kg至約600kJ/kg之間、在約20kJ/kg至約500kJ/kg之間、在約20kJ/kg至約80kJ/kg之間、在約50kJ/kg至約400kJ/kg之間、在約50kJ/kg至約350kJ/kg之間、在約100kJ/kg至約350kJ/kg之間、在約150kJ/kg至約350kJ/kg之間、在約350kJ/kg至約450kJ/kg之間、在約200kJ/kg至約300kJ/kg之間、較佳地在約300kJ/kg至約400kJ/kg之間、較佳地在約150kJ/kg至約600kJ/kg之間、較佳地在約200kJ/kg至約600kJ/kg之間、較佳地在約300kJ/kg至約600kJ/kg之間、更較佳地在約250kJ/kg至約600kJ/kg之間。

在一些具體實例中，相變材料之熔化熱大於約100kJ/kg、在約100 kJ/kg至約1000kJ/kg之間、在約100kJ/kg至約700kJ/kg之間、在約350kJ/kg至約450kJ/kg之間、較佳地在約300kJ/kg至約700kJ/kg之間，較佳地在約450kJ/kg至約600kJ/kg之間，較佳地約560kJ/kg，且更較佳地約400kJ/kg。典型地，熔化熱愈高，對於給定體積的相變材料可儲存能量愈多時愈好。

在一個具體實例中，相變材料為有機、無機或共熔材料。在一個具體實例中，相變材料為金屬、金屬合金、鹽水合物及其組合。有利地，金屬相變材料具有高導熱率，且可改良能量充電、儲存及提取的效率。

在一些具體實例中，相變材料選自由以下各項組成的群組：水、硫酸鈉、月桂酸、三羥甲基乙烷、硝酸錳、矽酸鈉、鋁、銅、金、鐵、鉛、鋰、銀、鈦、鋅、硝酸鈉、亞硝酸鈉、氫氧化鈉、硝酸鉀、氫氧化鉀、氯化鈉、氯化鉀、氯化鋰、氯化鎂、溴化鉀、石蠟14至34碳、甲酸、辛酸、甘油、對乳酸、棕櫚酸甲酯、莰苨酮、二十二烷基溴化物、二庚基酮、苯酚、十七酮、1-環己基十八烷、4-十七酮、對甲苯胺、α-萘酚、戊二酸、對二甲苯二氯化物、苯甲酸及其組合。

在某些具體實例中，相變材料選自由以下各項組成的群組：鋁、鋅、鉛、錫、鎂、矽及其合金。在較佳實施方案中，相變材料選自由以下各項組成的群組：鋁、鋅、鋅合金、鉛、鉛合金、錫、錫合金、鎂、鎂合金、矽、矽合金及其組合。

當相變材料為鋁合金時，該合金可包含在約1重量%與約90重量%之間的鋁、在約1重量%與約80重量%之間的鋁、在約1重量%與約70重量%之間的鋁、在約1重量%與約60重量%之間鋁、在約1重量%與約50重量%之間的鋁，在約40重量%與約60重量%之間的鋁，在約5重量%與約25重量%之間的鋁、較佳地在約10重量%與約20重量%之間的鋁，且其餘為合金。

當相變材料為鋅合金時，該合金可包含在約1重量%與約90重量 %之間的鋅、在約1重量%與約80重量%之間的鋅、在約1重量%與約70重量%之間的鋅、在約1重量%與約60重量%之間的鋅、在約1重量%與約50重量%之間的鋅、在約5重量%與約25重量%之間的鋅，較佳地在約10重量%與約20重量%之間的鋅，且其餘為合金。

當相變材料為鉛合金時，該合金可包含在約1重量%與約90重量%之間的鉛、在約1重量%與約80重量%之間的鉛，在約1重量%與約70重量%之間的鉛、在約1重量%與約60重量%之間的鉛、在約1重量%與約50重量%之間的鉛、在約5重量%與約25重量%之間的鉛、較佳地在約10重量%與約20重量%之間的鉛，且其餘為合金。

當相變材料為錫合金時，該合金可包含在約1重量%與約90重量%之間的錫、在約1重量%與約80重量%之間的錫、在約1重量%與約70重量%之間的錫、在約1重量%與約60重量%之間的錫、在約1重量%與約50重量%之間的錫、在約5重量%與約25重量%之間的錫，較佳地在約10重量%與約20重量%之間的錫，且其餘為合金。

當相變材料為鎂合金時，該合金可包含在約1重量%與約90重量%之間的鎂，在約1重量%與約80重量%之間的鎂，在約1重量%與約70重量%之間的鎂，在約1重量%與約60重量%之間的鎂，在約1重量%與約50重量%之間的鎂，在約5重量%與約25重量%之間的鎂，在約10重量%與約20重量%之間的鎂，且其餘為合金。

在一個具體實例中，相變材料為鋁矽合金，包含12重量%的鋁(亦即，被稱為AlSi12)。AlSi20亦為合適的，其含有20重量%的鋁。

AISi12具有約576℃的熔融溫度及約560kJ/kg之熔化熱，且AISi20具有約585℃的熔融溫度及約460kJ/kg之熔化熱。表2示出AISi12之物理性質，且應清楚，AISi12之熔化熱比AISi12之比熱容高諸多量值。

其他合適的相變材料可選自由以下各項組成的群組：59Al/35Mg/6Zn、60Mg/25Cu/15Zn、52Mg/25Cu/23Ca、54Al/22Cu/18Mg/6Zn、65Al/30Cu/5Si、46.3Mg/53.7Zn、96Zn/4Al、86.4Al/9.4Si/4.2Sb、34.65Mg/65.35Al、60.8Al/33.2Cu/6Mg、64.1Al/5.2Si/28Cu/2.2Mg、68.5Al/5Si/26.5Cu、64.3Al/34Cu/1.7Sb、66.92Al/33.08Cu、83.12Al/11.7Si/5.16Mg、87.76Al/12.24Si、46.3Al/4.6Si/49.1Cu、88Al/12Si及其組合。合金的各別成分的量為w/w%，而非化學計算比率。

應瞭解，合金可包含額外元素作為雜質，諸如鐵、銅、錳、鎂、鉛、鎳、鋅、鈦、錫、鍶、鉻及其類似物。

相變材料的清單並非窮盡性清單，且僅例示相變材料之某些實例。

表3至表8中提供各種相變材料之物理性質。

在某些具體實例中，相變材料的相變可在氣液態、固液態及固氣態之間。

如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，本發明之傳熱介質可為可用相變材料傳遞能量的任何合適的介質。在一些具體實例中，傳熱介質為液體、氣體、固體、超臨界流體、電漿或其組合。

在一個具體實例中，傳熱介質為超臨界流體，諸如空氣或超臨界二氧化碳，較佳地超臨界二氧化碳。在較佳具體實例中，當儲存或提取能量時，傳熱介質不變相。在此等具體實例中，傳熱介質可用於高溫應用，諸如布雷頓循環發電機，其具有範圍自約400℃至約1000℃之操作溫度。

由於在使用超臨界流體時不會發生傳熱介質的相變，因此較高的能量傳遞效率及更高溫度應用的使用皆為合適的。

在一些具體實例中，傳熱流體選自由以下各項組成的群組：液態鈉(Na)；液態鉀(K)、液態NaK、液態錫(Sn)、液態鉛(Pb)、液態鉛鉍(PbBi)及其組合。在一些具體實例中，傳熱流體選自由以下各項組成的群組：液態鈉(Na)；液態鉀(K)、液態NaK(77.8%K)、液態錫(Sn)、液態鉛(Pb)、液態鉛鉍(PbBi)(45%/55%)及其組合。

在某些實施方案中，傳熱介質選自由以下各項組成的群組：水、超臨界二氧化碳、壓縮空氣、壓縮氮氣、有機流體(諸如包括陶氏熱媒A的導熱油)、鹽水合物、液態金屬(諸如汞及鉀)及其組合。

可添加添加劑，諸如乙二醇、二伸乙甘醇、丙二醇、甜菜鹼、六亞甲四胺、苯二胺、二甲基乙醇胺、六氟化硫、苯并三唑、二硫代磷酸鋅、奈米顆粒、聚烷二醇及其組合，或可將該等添加劑與傳熱介質混合以抑制腐蝕、變更黏性且增強熱容量。

傳熱介質之流率可為足以在熱交換器與相變材料之間傳遞能量的任何合適的流率。在某些具體實例中，每坩堝的傳熱介質的流率在約5至約500L/分鐘之間、在約5至約300L/分鐘之間、在約5至約200L/分鐘之間、在約100至約500L/分鐘之間、在約200至約500L/分鐘之間、在約300至約500L/分鐘之間、在約5至約100L/分鐘之間、在約5至約80L/分鐘之間、在約10至約80L/分鐘之間、在約20至約60L/分鐘之間，且較佳地在約20至約50L/分鐘之間。

在某些具體實例中，每坩堝的傳熱介質的流率在約5至約500kg/分鐘之間、在約5至約300kg/分鐘之間、在約5至約200kg/分鐘之間、在約200至約300kg/分鐘之間、在約100至約500kg/分鐘之間、在約200至約500kg/分鐘之間、在約300至約500kg/分鐘之間、在約5至約100kg/分鐘之間、在約5至80kg/分鐘之間、在約10至約80kg/分鐘之間、較佳地在約20至約60kg/分鐘之間、較佳地在約30至約60kg/分鐘之間、較佳地在約20至約40kg/分鐘之間，且較佳地在約50至約70kg/分鐘之間。

取決於所使用的流率及傳熱介質，可根據需要調整用於儲存或提取能量之能量傳遞速率(例如，相變材料或傳熱介質的能量傳遞速率)。在一些具體實例中，能量傳遞速率為在約5至約100℃/分鐘之間、在約5至約80℃/分鐘之間、在約5至約60℃/分鐘之間、在約5至約50℃/分鐘之間，且更較佳地在約5至約30℃/分鐘之間。

在一些具體實例中，與提取能量之前的溫度相比，由於自相變材料提取能量，傳熱介質的溫度增加在約10至約800℃之間、在約50至約800℃之間、在約100至約800℃之間、在約100至約800℃之間、在約100至約700℃之間、在約100至約600℃之間、在約100至約300℃之間、在約200至約500℃之間，較佳地在約100至約300℃之間。

在一些具體實例中，傳熱流體為工作流體。在較佳具體實例中，工作流體為超臨界CO₂。如所屬技術領域中具有通常知識者將理解，傳熱流體為允許被動傳遞能量(典型地為熱能)的介質(諸如氣體或液體)。如所屬技術領域中具有通常知識者將理解，工作流體為主要傳遞力、運動或機械能的介質(諸如氣體或液體)。典型地，工作流體將熱能轉換為機械能，諸如超臨界CO₂，以為布雷頓循環發電機或渦輪機提供動力以發電。

在某些具體實例中，工作流體的操作溫度範圍在約400℃至約1000℃之間、在約400℃至約850℃之間、在約500℃至約800℃之間、在約400℃至約775℃之間及在約400℃至約675℃之間。

在某些具體實例中，工作流體的操作壓力範圍在約50巴至約500 巴之間(約5Mpa至約50Mpa之間)、在約100巴至約400巴之間(約10Mpa至約40MPa之間)、在約150巴至約300巴之間(約15MPa至約30MPa之間)、在約200巴至約300巴之間(在約20MPa至約30Mpa之間)、在約200巴Bar至約260巴之間(在約20MPa至約26Mpa之間)、更較佳地在約220巴至約270巴之間(在約22MPa至約27MPa之間)，亦更較佳在約250巴(約25MPa)。在某些具體實例中，工作流體的操作溫度範圍在250巴(約25MPa)下在約400℃至約775℃之間，且更較佳地在250巴(約25MPa)下在約400℃至約675℃之間。

在又另一形式中，本發明提供一種儲能陣列，其包含：複數個如本文中所描述之儲能設備。有利地，儲能陣列可容易地運輸至所期望位置用於能量儲存。例如，在陣列容納在運輸容器內的情況下，所產生的模組可容易地藉由公路、鐵路、海運或其類似物運輸。

在一些具體實例中，儲能設備可並聯或串聯組態。在一個具體實例中，加熱元件在儲能設備外部。

應瞭解，儲能陣列可根據需要包含任何數目個儲能設備。在某些具體實例中，儲能陣列包含兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個或更多個儲能設備。在較佳具體實例中，儲能陣列包含八個儲能設備。

實例 實例1-坩堝

參考圖1a至圖1c，示出用於能量設備100(未示出)中之坩堝102。坩堝102具有安置在坩堝主體102之外表面中之通道104，其中熱交換器106之一部分沿著該通道安置。坩堝102具有兩個腔108，用於儲存相變材料110(未示出)。熱交換器106與相變材料110隔離。

在替代組態(未示出)中，可使用用於能源設備100之坩堝102，該坩堝102具有通道104，且在坩堝102之主體內具有至少兩個敞開端。在此組態中，熱交換器106之一部分經圍封在坩堝之通道104內，使得在使用中，傳熱介質可藉由坩堝102之主體自熱交換器106之入口流至出口。

實例2-儲能設備的電加熱

為方便起見，已按照圖1維持示出替代組態之其餘圖的編號。

參考圖2a，儲能設備100包含坩堝102(未示出)。儲能設備100外部的加熱元件112經置放成與儲能裝置100熱連通以加熱坩堝102及相變材料110(未示出)。加熱元件112經提供為電阻器架(未示出)中之一系列電阻器。當然，其中加熱元件112與能量儲存設備成整體(未示出)的替代組態亦為可能的。

加熱元件112之電壓對於每一電阻器112a更合適地在約10V至約1000V之間，對於每一電阻器112a更合適地在約20V與約600V之間，對於每一電阻器112a較佳地在約20V與500V之間，且對於每一電阻器112a，最較佳地在約24V與約415V之間。

圖2a示出具有八個儲能設備100及在儲能設備100外部的七個電阻器架的儲能陣列114。每一電阻架具有五個電阻器。儲能陣列114可在諸如運輸容器之容器內使用，以便於運輸。

相變材料110位於坩堝102內，使得當坩堝102由加熱元件112加熱時，熱能傳遞至相變材料110以進行儲能。熱交換器106經圍封在坩堝102內，以使得當需要時該熱交換器可自相變材料110提取熱能。熱交換器106可為高壓管網，其有助於自相變材料110儲存及/或提取熱能並將該熱能轉換成電。熱交換器106具有入口及出口。熱交換器106之入口通常連接至高壓泵(未示出)，且出口通常將連接至渦輪機(未示出)。就此而言，熱交換器106具有入口，若期望或需要，可在該入口處添加傳熱介質。

當傳熱介質流過熱交換器106且自相變材料110提取能量時，該能量可結合布雷頓循環發電機或渦輪機使用。渦輪機在所屬技術領域中為眾所周知的，且所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，可自流動的傳熱材料產生電的任何渦輪機或裝置可與儲能設備100一起使用。

實例3-儲能設備之熱加熱

參考圖2b，儲能設備100包含坩堝102。加熱元件經置放(未示出)在儲能設備100外部。

圖2b示出具有八個儲能設備100之儲能陣列114。儲能陣列114可在諸如運輸容器之容器內使用，以便於運輸及有效地容納。

相變材料110位於坩堝102內，使得當坩堝102由熱加熱元件112加熱時，熱能直接傳遞至相變材料110以進行儲能。此由熱交換器106之一個迴路提供。加熱元件112加熱藉由坩堝102輻射之傳熱介質以進行儲能。

熱交換器106之單獨的獨立迴路經圍封在坩堝102內，以使得其可自相變材料110提取熱能。熱交換器106可為高壓管網，其有助於自相變材料110提取熱能並將該熱能轉換成電。

類似於實例2，可將能量結合布雷頓發電機或渦輪機使用以發電。

實例4-坩堝內儲能設備的電加熱

參考圖3a，儲能設備100包含坩堝102，其中坩堝係藉由較佳地由石墨製成的組件零件組裝，該組件零件具有用以儲存相變材料110之腔108，用以接納熱交換器106(未示出)之通道104以及用以接納加熱元件112(未示出)之加熱元件通道116。提供一系列加熱元件通道以接納複數個加熱元件112。加熱元件112在儲能設備100內部，且更特定地在坩堝102內。加熱元件112與坩堝102熱連通，以便加熱坩堝102及相變材料110。加熱元件112呈電阻器的形式，其可插入至加熱元件通道116中，且視情況加熱元件可與加熱元件通道機械地接合以將加熱元件鎖定在儲能設備中。

相變材料110位於坩堝102內，使得當坩堝102由內部加熱元件112加熱時，熱能被傳遞至相變材料110以進行儲能。熱交換器106經圍封在坩堝102內，以使得當需要時該熱交換器可自相變材料110提取熱能。熱交換器106可為高壓管網，其有助於自相變材料110儲存及/或提取熱能並將該熱能轉換成電。熱交換器106具有入口及出口。熱交換器106之入口通常連接至高壓泵(未示出)，且出口通常將連接至渦輪機(未示出)。就此而言，熱交換器106具有入口，若期望或需要，可在入口處添加傳熱介質或超臨界流體。

相變材料110位於接納加熱元件112(未示出)之加熱元件通道116與接納熱交換器106之通道104之間。在此組態中，相變材料有利地在加熱元件112和熱交換器106之間提供了熱障，以避免熱交換器過熱並且超過熱交換器材料的操作溫度極限。

熱交換器106在sCO₂布雷頓循環發電機之高溫及高壓(典型地為100至250巴或更高且自500℃至800℃或更高)下操作。壓力通常在操作期間為固定的，且因此為了避免熱交換器106達到或超過最大額定操作溫度，對熱交換器106之溫度進行管理及控制。

本發明的儲能設備100可在過量或廉價的可再生能源期間(例如，在峰值日照時段期間)進行充電(儲存熱能)。典型地，存在4小時窗口以對儲能設備100進行完全充電。為了最小化充電時間，期望最大化加熱元件112的功率且最大化加熱元件112的溫度。

藉由在加熱元件112與熱交換器106之間具有相變材料熱障(「壁」)，當相變材料110吸收潛熱時，熱交換器106之耗熱率隨著接近溫度極限而減慢此，從而使得管道處之溫升易於控制及管理。

圖3b為圖3a之儲能設備的具體實例的正視圖。

圖3c分別示出深腔108及淺腔108石墨坩堝組件之組件的具體實例。腔坩堝組件可經設計以完全容納/儲存相變材料110(未示出)，且改善或防止熔融鋁110的滲漏以接觸熱交換器106(未示出)。腔坩堝組件可與其他坩堝組件(諸如熱交換器通道坩堝組件及加熱元件通道坩堝組件)組裝在一起以形成整體坩堝102。

實例5-SCO ₂ 熱交換器管道的材料選擇

申請人基於以下操作準則評估20種適用於超臨界CO₂的潛在熱交換器材料：在500至800℃之間的溫度；自100至250巴(及更高)的壓力

sCO₂及空氣作為傳熱流體；及嵌入在固態石墨坩堝中之熱交換器管道。

為了判定適用性，關於熱交換器材料中之每一者的溫度/壓力效能、耐滲碳性、可焊接性、可彎曲性、可用性、成本、與sCO₂的相容性以及與熔融鋁的相容性進行評估，並對其進行排名。基於上述標準(按遞降次序)篩選及排名的材料為合金625、740H、230、617及800HT。然而，取決於儲能設備之應用，其他熱交換器材料亦可適合用於本發明之儲能設備。

以下合金材料為較佳的：625為較佳熱交換器材料，此歸因於其在大多數類別中排名較高；740H為另一較佳熱交換器材料，此歸因於其在操作溫度下允許應力較高；230仍在考慮作為740H的替代品；617；800HT仍在考慮用於較低溫度及壓力的應用，此歸因於其較低比較成本及現成的可用性，若降低應用之溫度及壓力且可量化滲碳程度，則此材料為合適的。

如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，熱交換器材料的選擇可取決於儲能設備之操作參數。由於諸如操作條件、項目要求及製造環境的因素，較佳熱交換器材料可為應用相關。然而，本發明之儲能設備在很大程度上與熱交換器材料選擇無關(亦即，對於不同管道材料僅需要較小的設計改變)。

為了在儲能設備用於諸如sCO₂的超臨界流體時最大化能量轉換效率，儲能設備可在500至800℃之間(且可能更高)且在自100至250巴(且可能更高)操作。

熱交換器管道嵌入在固體石墨中(由組件零件組裝)，且用作用於排熱導管，其中sCO₂及空氣被認為係在此等高溫及高壓條件下的傳熱流體(HTF)。

本發明之儲能設備可經設計為符合以下標準：ASME BPVC(相關章節)、ASME B31.3及EU壓力設備指令PED 2014/68/EU。

由於熱交換器管道在高溫下與石墨接觸，因此該材料較佳地為耐滲碳的。

申請人正在開發一種模組化系統，以將熱能儲存在固體石墨介質中，其中溫度高達800℃(可為壓力相關)。該系統與能量輸入無關，亦即，其可接受來自過剩或縮減的可再生能源(諸如風能或光伏發電)的電輸入；或它可接受來自諸如聚光太陽能熱(CST)，處理熱/廢熱或專用HTF及其他的來源的直接熱能輸入。然後可經由穿過嵌入在石墨中之熱交換器管道的HTF來提取所儲存熱能，以直接驅動渦輪機，或充當中間HTF，此取決於系統要求。

本發明之儲能設備的優勢中之一者為其在能量充放電期間的操作簡單性。另一優勢為儲能裝置及熱交換器的整合，從而消除在能量儲存與處理流程之間使用中間熱交換器的需求。

儲能模組之「單元」如下文所描述：

儲能設備：包含石墨坩堝及相變材料的單元，用於能量儲存及熱交換器(圖1及圖3)。

陣列：複數個儲能設備的組態，包括以20'HC(20英尺高櫃容器)體積的儀器(圖2)。

模組：靈活陣列配置，其經設計以最大化在所要儲存放電持續時間內的輸出溫度。

系統：針對所選渦輪機及操作模型最佳化的模組配置(圖4)。

系統及單位如圖4中所示出。

儲能設備亦可用作固體石墨儲存介質與HTF(在此具體實例中為空氣或sCO₂)之間的熱交換器。圖1及圖3中示出用於儲能設備的組裝的代表性具體實例。

實例6-評估鋁作為相變材料的益處

本實例量化與將鋁(作為相變材料)封圍在石墨坩堝中相關聯的益處，其中鋁與石墨的比率變化，以用作針對新興的超臨界CO₂布雷頓循環發電機的要求最佳化的高溫儲熱介質。鋁將由石墨封圍或環繞(未經囊封、約束或併入其中-其密封在坩堝的腔中)。

鋁體積比的增加會增加系統的總質量及儲熱能力，同時降低儲存材料成本(在400至1000℃的溫度範圍內)。

使用相變材料(PCM)將熱能儲存為潛熱比顯熱儲存具有諸多優勢，包括：在目標溫度範圍下的高儲熱密度及低儲存體積/重量。

可用PCM的低導熱性阻礙其應用及商業化。由於較高的導熱性，金屬PCM產生有效的儲存系統。由於以下各項，已選擇鋁作為本發明之儲能設備的PCM的較佳具體實例：(a)高熱導率；(b)低成本；(c)合適的熔融溫度(600至680℃)；(d)良好的特性及可預測的熱性質；及(e)易於購得。

在此實例中，進行以下假設：(a)鋁密度不隨溫度而變化，所使用之值假設在「室溫」下為標準大氣條件；(b)鋁的比熱容不隨溫度而變化，所使用之值假設在「室溫」下為標準大氣條件；且(c)熱能儲存操作溫度範圍為自400至1000℃。

在此實例中，已完成比較以評估鋁與石墨的質量及體積比。對於質量比比較，假定總儲存量為1公噸，且對於體積比比較，已經假定總儲存量為1m³。

除非另有說明，否則在本實例中假設鋁的成本為USD $2/kg且石墨的成本為$4/kg，則可預測在不同的鋁-石墨比率下的熱能儲存的成本。

已進行比較以評估鋁與石墨的質量及體積比。已評估以下各項：(a)儲熱容量(kWh)：及(b)儲存費用($)。

體積比比較為最為關注的，此係因為根據體積比而非質量比設計儲能設備更實際。再生鋁每kg比石墨便宜，隨著鋁的體積%增加，所儲存熱能的成本降低。操作溫度範圍愈寬，所儲存熱能之量愈高，從而降低每kWh儲存的成本。此在圖5中予以例示。圖5示出在約400至800℃與約400至1000℃溫度之間使用鋁進行儲能的體積比比較。

圖6示出在鋁對石墨的不同相對量(wt%)下在約400至800℃與約400至1000℃的溫度之間使用鋁進行儲能的體積比比較。表10至12示出體積比比較、材料價格及密度的分析彙總。

如圖6示出，藉由將潛熱與顯熱熱量儲存一起包括在內，可增加儲能設備之能量密度，並提供「調諧」HTF的放電溫度以偏置某些有益於工作流體及發電機循環(例如，布雷頓循環發電機中之sCO₂)的溫度範圍。

表13及14分別示出本發明之具體實例之儲能設備及包含本發明之儲能設備陣列之模組的相對儲能成本。

鋁-石墨儲熱器之最經濟$/kWh/m³為100%的鋁。然而，自可製造性的角度，由於要求允許熱交換器管道自由熱膨脹，因此100%的鋁儲存介質為不實際的。設想，大約高達50%的鋁體積比為較佳具體實例。

增加鋁比(同時維持恆定儲熱體積)會增加系統的總質量及儲熱能力，同時會降低儲存介質成本。在增加鋁體積來增加系統的儲熱容量時，鋁的價格將不得不超過用於系統的石墨的價格，而變得不經濟。

實例7-傳熱流體(HTF)的建模性質

對儲能設備的具體實例進行建模以使用傳熱流體來量測能量充/放電及流率的效能。假定以下設計參數：大約8m³面板(~2m×2m×2m)

大約10公噸石墨/PCM；大約總計160m的DN25 Sch80 HX熱交換器管；具有且沒有PCM(AlSi12及Al)；熱交換器溫度維持低於700℃，符合ASME B31.3；且相變材料相對於面板的總體積的% PCM、0v/v%、15v/v%及30v/v%。

圖7示出在對儲能設備的具體實例進行充電時的熱交換器的溫度。圖7(a)示出加熱器溫度設定為最高700℃，且總功率為522kW。在充電5小時之後，達到最大熱交換器管道溫度為675℃。圖7(b)示出加熱器溫度設定為最高800℃且總功率為522kW。在無鋁PCM的情況下充電不到3小時，達到最高熱交換器管溫度675℃。然而，在鋁PCM的情況下，溫度上升斜率變平，從而允許加熱器控制有更多時間回應。

表15中示出在模型化傳熱流體的平均出口溫度情況下的熱能儲存及釋放的代表性情景。

實例8-相變材料窯爐測試

在此具體實例中，在窯爐中對相變材料(鋁)進行測試。窯爐(Condoblin)用於在空氣中達到~900℃的所需測試溫度。對窯爐進行修改，以併入添加資料記錄器。該窯爐經組態以允許測試石墨坩堝中各種相變材料的熔化及凍結行為，以證明將PCM併入在本發明之儲能設備中之有效性。將氬入口系統添加至窯爐之門，在排氣煙道中安裝氧感測器，且為該門安裝新的密封件。氧感測器為標準的博許(Bosch)大範圍車用感測器及Knödler調節卡。圖8中示出窯爐設置。圖8(c)示出使用金屬絲進行的測試組態，石墨T熱電偶(未示出)嵌入在坩堝中，且坩堝自先前窯爐加熱測試經氧化。測試表明，石墨在空氣(非惰性氣氛)中以高溫(~680℃)經氧化。初步測試表明該窯爐能夠迅速達到所要測試條件。

為驗證資料記錄及窯爐溫度控制而進行的加熱測試的第一系列測試表明，關於加熱及冷卻石墨坩堝中之相變材料的明顯「曲折點」指示在預期溫度~679℃時下發生相變。此在圖9中之加熱及冷卻記錄曲線中示出。在此測試中，鋁線在測試之後並未出現完全熔融，本發明人認為此係由於內部鋁熔化且然後「凝固」(亦即，固化)上鋁線上之氧化層維持其管狀形式的結果。

使用20mm厚的鋁板執行第二系列測試，以觀察固態鋁片作為相變材料的行為，且進一步驗證氬氣流量(3L/分鐘)及用石墨蓋進行氧感測。如在圖10中示出，觀察到類似的結果，加熱及冷卻曲線中之梯度角度，但加熱及冷卻的明顯曲折點溫度仍然為~640℃。第二系列測試表明，儘管氧濃度較高，但石墨蓋的表現亦為可接受的，因此後續測試應在~6L/分鐘氬氣流量下進行。PCM的最終直徑小於坩堝直徑，指示其在其固化之後且在其冷卻之前自壁收縮(與坩堝直徑為190mm相比，冷卻鋁之直徑為186mm)。

使用鋁棒(購自Collier及Miller Griffith)以~6L/分鐘的氬氣流量執行第三系列測試。此測試之目的為獲取關於熱建模校準的測試資料。在~656℃溫度下觀察到關於加熱及冷卻石墨坩堝中之相變材料的明顯「曲折點」。將石墨坩堝加工成兩個區塊，每一區塊的尺寸(mm)為185(w)×150(d)×90(d)。基底坩堝具有孔080及深度50，而蓋子具有孔080及深度35。如在圖11中示出，在兩週內執行五次測試，且表明鋁相變材料的熔點一致。表16示出此第三系列測試的加熱及冷卻循環的結果。

質量量測值為可變的，發明人認為此可歸因於熱電偶仍嵌入在PCM中。大於5%的質量改變已經忽略。

所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，本文中所描述之本發明易於作出除具體描述的彼等變化及修改外的變化及修改。應理解，本發明包括落入本發明之精神及範圍內的所有此類變化及修改。