[发明专利]一种兼具热储及放热功能的热能储存装置及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种热能储存装置，尤指一种兼具热储及放热功能的热能储存装置及其用途。

背景技术

太阳热能发电是利用太阳热能结合热能储存来驱使发电机组持续发电，不受阴雨天候影响外，并且可于夜间发电，是最具潜力的再生能源，而热能储存是太阳热能发电的关键技术。现有技术中的太阳热能储存方式，大致分为使用显热(sensibleheat)储存材料、使用潜热(latentheat)储存材料及使用化学反应式(thermochemicalreaction)储热材料三类。

在太阳热能发电领域中，最常使用的显热储存材料，是使用熔点为221℃且成分含66.3％硝酸钠(NaNO₃)及33.7％硝酸钾(KNO₃)的融熔盐(moltensalt)。现有技术的太阳热能发电系统，除了使用显热型融熔盐作为热能储存的物质外，显热型融熔盐本身也作为热传递流体(Heattransferfluid,HTF)使用。但是，太阳热能发电系统使用显热型融熔盐作为热传递流体(HTF)的缺点，包括：显热型融熔盐温度过低时会凝固，易发生管道阻塞问题，加上显热型融熔盐本身具腐蚀性，温度过高时会分解劣化及腐蚀金属管路。

为了确保显热型融熔盐不会阻塞及腐蚀金属管路，显热型融熔盐的操作温度范围，在太阳热能发电系统中，一般只能限于290～565℃，此限制不但造成太阳热能发电系统的储热温度范围只介于290℃至565℃，更造成太阳热能发电系统释出的热能只能产生温度不超过565℃的蒸汽，在蒸汽温度不超过600℃的条件下，太阳热能发电系统需要搭配使用面积式太阳热能集热器。但是，面积式太阳热能集热器是由垂直金属管路制成，受到金属管路的热应力限制，面积式太阳热能集热器的阳光聚集强度只限于数百个太阳的照射强度，总集热效率约只达57％。当太阳热能发电系统使用面积式太阳热能集热器与效率约达34％的蒸汽涡轮机(steamturbine)搭配发电时，其整体太阳热能发电效率为(0.57×0.34＝)19.5％不超过20％。

潜热(latentheat)是物质在(固态、液态、气态)相变化过程中吸收或释放的能量，而相变化材料(phase-changematerial，下文简称PCM材料)是一种具高熔化热的潜热储热材料，利用在恒温状况下固态/液态/气态相变化过程中吸热及放热来储热。在相变化温度时，PCM材料经由吸收热能会使物质状态从固态熔化成液态，且PCM材料在吸收热能的过程中，PCM材料的温度并没有明显的升高；当外在环境温度降低，PCM材料经由释放热能会使物质状态将从液态固化成固态，故PCM材料具有储存或释放大量能量的能力。

PCM材料在低温状况下为固态，在太阳热能发电系统中是无法直接作为热传递流体(HTF)使用，故使用潜热储热材料的太阳热能发电系统，在集热及储热系统的设计较为复杂。不过，潜热储热材料的潜热储热密度远高于显热储存材料，在储热量及体积上占有相对优势，应用于太阳热能发电系统，将提高太阳热能发电效率。

太阳热能发电系统的储热温度愈高，太阳热能发电效率愈高。当太阳热能发电系统使用高温储热器与相当于1,000至数千个太阳照射强度的体积式太阳热能集热器结合，集热及储热的整体效率为70～80％，温度可达1200℃，所释出的热能用于将气涡轮机(gasturbine)的进气温度加热，以推动气涡轮机复循环(CombinedCycle)发电机组；在气涡轮机出口气体的余热仍高达600℃的状况下，将进一步应用来再推动蒸汽涡轮机发电。当太阳热能发电系统使用前述高温储热器及体积式太阳热能集热器与效率约达50％的气涡轮机复循环发电机组搭配发电时，其整体太阳热能发电效率将达(0.7×0.5～0.8×0.5＝)35～40％。

据此，开发一种使用潜热储存材料的热储存器，并且兼备储热量高、储热温度高、耐高压以及储热/放热热交换效率高的特性，将有助于提高太阳热能发电效率。

现有技术中兼具高热传速率，高热交换效率及耐高压的热交换器，有通道热交换器(micro-channelheatexchanger)及结构类似的印刷线路微管道热交换器(printedcircuitheatexchanger，简称PCHE热交换器)。