ES2985133T3

ES2985133T3 - Ensamblajes de baterías térmicas y sistema de monitorización de los mismos

Info

Publication number: ES2985133T3
Application number: ES14728268T
Authority: ES
Inventors: Andrew Bissell; Santokh Singh Gataora; Maurizio Zaglio
Original assignee: Sunamp Ltd
Current assignee: Sunamp Ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2014-06-02
Publication date: 2024-11-04
Anticipated expiration: 2034-06-02
Also published as: CN105358930B; FI3004775T3; KR20160015290A; WO2014191778A1; GB201309757D0; CA2914680A1; DOP2016000035A; AU2018202778A1; US20190316851A1; SA515370254B1; ZA201508851B; EP3004775B1; CN105358930A; DK3004775T3; US10317146B2; NZ714860A; EP3004775A1; SG11201509942TA; KR102221183B1; AU2014272836B2

Abstract

Se describen en la presente memoria sistemas de almacenamiento de energía. Más concretamente, se proporcionan sistemas de almacenamiento de energía térmica que comprenden conjuntos de baterías que contienen materiales de cambio de fase y un sistema de control para los mismos. Además, se proporcionan acumuladores térmicos que comprenden conjuntos de baterías que tienen medios de control integrados para gestionar la energía térmica proporcionada por el conjunto de baterías. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Ensamblajes de baterías térmicas y sistema de monitorización de los mismos

Campo de la invención

La presente invención se refiere a sistemas de almacenamiento de energía. Más particularmente, la invención se refiere a sistemas de almacenamiento de energía térmica que comprenden ensamblajes de baterías que contienen materiales de cambio de fase y un sistema de monitorización para los mismos. Más particularmente, la presente invención se refiere a acumuladores térmicos que comprenden ensamblajes de baterías que tienen medios de control integrales para la gestión de la energía térmica proporcionada por el ensamblaje de baterías.

Antecedentes de la invención

Hay muchos sistemas de calefacción y refrigeración en el mercado y muchos de ellos dependen de combustibles fósiles. Con la demanda cada vez mayor de sistemas más respetuosos con el medio ambiente, se han propuesto diversos sistemas alternativos con base en la luz solar o el agua, tal como por ejemplo, generadores de electricidad fotovoltaicos, solares térmicos, hidroelectricidad, potencia de las olas y biocombustibles.

Un problema común a todos los dispositivos de conversión de energía renovable accionados por energía solar, algunos dispositivos accionados por energía hidráulica y las turbinas eólicas es que no pueden operar "según demanda", ya que el sol no siempre brilla, las mareas no siempre son altas y el viento no siempre sopla. Esto significa que en algunos momentos estas fuentes denominadas renovables intermitentes generarán electricidad que no se puede integrar fácilmente en sus correspondientes redes eléctricas locales y, como tal, se ha propuesto un número de soluciones de almacenamiento.

El sistema de almacenamiento de energía térmica, propuesto en el documento WO 2009/138771, convierte el excedente de energía eléctrica procedente de fuentes renovables intermitentes en calor o frío cuando está disponible, almacena el calor o frío así convertido en un almacén térmico, y luego ponerlo a disposición como calor o frío útil según demanda utilizando materiales de cambio de fase (PCM) para efectuar la conversión de energía a través de sus propiedades inherentes de cambio de fase sólido-líquido. El documento DE 102011007626 A1 divulga un sistema de almacenamiento térmico que utiliza un material de cambio de fase provisto de sensores de temperatura en la entrada y salida del recipiente de almacenamiento.

En los sistemas de almacenamiento de energía térmica conocidos, que comprenden baterías térmicas que contienen materiales de cambio de fase, el material de cambio de fase dentro de cada batería, durante su fase más activa de almacenamiento y liberación de energía, cambiará de sólido a líquido y viceversa en un rango de temperatura de aproximadamente 6°C. Hasta la fecha, sólo ha sido posible predecir el estado de carga de cualquier batería de este tipo mediante el uso de un gran número de sensores de temperatura dentro de las baterías, lo cual no es práctico ni rentable.

Para aplicaciones prácticas, en situaciones de alta demanda, comerciales o industriales en particular, serían muy deseables sistemas de almacenamiento de energía térmica que incluyan materiales de cambio de fase que tengan medidas de eficiencia determinables para permitir predicciones efectivas de las reservas de energía con fines de planificación y gestión de energía.

Un objeto de al menos un aspecto de la presente invención es proporcionar un sistema de almacenamiento térmico que tenga medios integrales para proporcionar medidas de energía residual.

Un objeto de al menos un aspecto de la presente invención es proporcionar un sistema de almacenamiento térmico que tenga medios integrales para la carga eficiente de baterías dentro de un ensamblaje.

Un objeto de al menos un aspecto de la presente invención es proporcionar un sistema de almacenamiento térmico que tenga medios integrales para predecir el estado de carga de las baterías dentro de un ensamblaje.

Un objeto de al menos un aspecto de la presente invención es proporcionar un sistema de almacenamiento térmico que tenga medios integrales para determinar los niveles de energía relativos dentro de las baterías dentro de un ensamblaje.

Un objeto de al menos un aspecto de la presente invención es proporcionar un sistema de almacenamiento térmico que tenga medios integrales para proteger las baterías dentro de un ensamblaje contra la sobrepresurización. El solicitante ha desarrollado un sistema de almacenamiento térmico novedoso e inventivo que comprende baterías térmicas que tienen intercambiadores de calor internos y PCM en donde dicho sistema incluye medios integrales para proporcionar una variedad de medidas de control que incluyen: medidas generales de eficiencia energética del sistema; medidas de eficiencia de carga de baterías; determinación de niveles relativos de energía dentro de las baterías; y en donde dicho sistema proporciona protección a dichas baterías contra la sobrepresurización.

Resumen de la invención

El Solicitante ha desarrollado un sistema de almacenamiento térmico novedoso e inventivo que comprende baterías térmicas que tienen intercambiadores de calor internos y PCM.

La invención se describe según la reivindicación 1.

Además, la presente invención proporciona un sistema de almacenamiento térmico que comprende un almacén de energía térmica que contiene una única o varias cubiertas de batería que tienen intercambiadores de calor internos y materiales de cambio de fase y medios para controlar la operación de dicho almacén de energía térmica.

en donde cada una de dicha única o dicha pluralidad de cubiertas de batería contiene independientemente una batería que comprende uno o más intercambiadores de calor anclados dentro de dicha única o dicha pluralidad de cubiertas de batería, un material de cambio de fase y medios para protección contra la sobrepresurización de dicha batería, y en donde dicho medio de control es un controlador integral del sistema y en el que la presión y la temperatura promedio de la batería proporcionan una indicación del estado de carga de la batería.

en donde el controlador integral del sistema utiliza sensores de temperatura de entrada y válvulas desviadoras dentro del sistema de almacenamiento de energía térmica para controlar la carga eficiente de las baterías individuales dentro del sistema de energía térmica usando reglas predefinidas,

el controlador integral del sistema también utiliza sensores de temperatura de salida para determinar la energía suministrada por cada batería dentro del sistema de energía térmica y la energía residual en cada una de dichas baterías durante la descarga, y

Los sensores de temperatura también se utilizan para calcular la energía almacenada y la entrada de potencia de cada batería individual dentro del sistema de energía térmica, así como del sistema de batería en general.

Los medios de control pueden adaptarse para proporcionar mediciones de las tasas de flujo del circuito de carga y descarga de dicho sistema a través de uno o más sensores de potencia.

Los materiales de cambio de fase dentro del sistema pueden protegerse del contacto con contaminantes externos o componentes degradantes mediante la provisión de cubiertas de batería selladas.

Las cubiertas de las baterías pueden estar construidas a partir de metales, aleaciones, plásticos, sándwiches compuestos o materiales compuestos.

Las cubiertas de las baterías pueden resistir una presión interna de 0.0 bar a 4.0 bar.

Se pueden apilar múltiples cubiertas de batería sin soportes intermedios.

Los intercambiadores de calor pueden integrarse con intercambiadores de calor de carga y descarga que están anclados dentro de las baterías y en donde el área de contacto entre cada intercambiador de calor y cada cubierta de batería es mínima.

La carcasa de la batería puede incluir medios de protección contra la sobrepresurización a través de una o más válvulas de alivio de presión, o uno o más discos de ruptura de presión.

Los materiales de cambio de fase se pueden utilizar dentro de las baterías para tener un cambio de fase de sólido a líquido dentro de un rango de temperatura de 0°C a 100°C y en donde el rango operativo de dichos materiales de cambio de fase está entre una diferencia de temperatura de 4 y 8 grados.

El sistema puede comprender medios para la gestión de la expansión del material por cambio de fase, en donde dichos medios están en conexión operativa con una barrera de vapor y una válvula de alivio de presión o un ensamblaje de disco de ruptura.

El sistema puede comprender medios para la gestión de la expansión del material por cambio de fase proporcionados por características de compensación de volumen externas o internas, o por características de diseño de cubierta presurizada, en relación con cada batería individual dentro de dicho ensamblaje y en donde dicho medio está en conexión operativa con una barrera de vapor y una válvula de alivio de presión o un ensamblaje de disco de ruptura. El sistema que puede comprender adicionalmente medios para determinar las entradas y salidas de energía de, y el equilibrio dentro de, cualquier batería (8) individual dentro del sistema a través de una serie de sensores para la determinación de QIN, QONy QNen donde

y

en donde

QIN= Entrada de energía a la batería durante el último ciclo de carga;

QON= Salida de energía de la batería durante el último ciclo de descarga;

QN= Energía actual almacenada en la batería;

QN-1= Energía almacenada en la batería antes de la auditoría actual;

FI= Tasa de flujo del circuito de carga;

Fo = Tasa de flujo del circuito de descarga;

ρI= Densidad del fluido del circuito de carga;

ρO= Densidad del fluido del circuito de descarga;

CpI= Calor específico del fluido del circuito de carga;

Cpo = Calor específico del fluido del circuito de descarga;

TCFT= Temperatura de flujo del circuito de carga de la batería X;

TCRT= Temperatura de retorno del circuito de carga de la batería X;

TDFT= Temperatura de flujo del circuito de descarga de la batería X; y

TDRT= Temperatura de retorno del circuito de descarga de la batería X.

El sistema de control puede adaptarse para proporcionar medios para la determinación del estado de las baterías dentro del sistema mediante la siguiente serie de algoritmos:

a) Si QIN= 1 y δP ≤ PL1O QIN= 1 y PBC≤ PA, entonces:

o La cubierta de la batería no es hermética

o Activar la alarma/advertencia adecuada

o Poner esta batería en modo de espera, es decir, detener carga

b) Si (QIN= 1 y δP ≥ PL2) O QIN= 1 y PBC≥ PL3, entonces:

o La presión de la cubierta de la batería excede el límite máximo de operación.

o Activar la alarma/advertencia adecuada

o Poner esta batería en modo de espera, es decir, detener la carga

c) Si (QIN= 0 y TBC≤ TE), entonces:

o Poner esta batería en modo de carga Q=1, es decir, comienza a cargar

o SOC = 0

d) Si (QIN= 1 y δT ≥ TL2) O QIN= 1 y TBC≥ TL3, entonces:

o La temperatura de la cubierta de la batería excede el límite máximo de operación.

o Activar la alarma/advertencia adecuada

o Poner esta batería en modo de espera, es decir, detener la carga

e) Si PAB1≤ ABS(δP) ≤ PAB2O PA≤ PBC≤ PBO TE≤ TBC≤ TFO TEF1≤ AB3(δT) ≤ TEF2, entonces la batería está operando en la zona AB (véase figura 6(a)) correspondiente a la zona EF (véase figura 6(b))

f) Si PBC1≤ ABS(δP) ≤ PBC2O PB≤ PBC≤ Pc O TF≤ TBC≤ TGO TFG1≤ ABS(δT) ≤ TFG2, entonces la batería está operando en la zona BC (véase figura 6(a)) correspondiente a la zona FG (véase figura 6(b))

g) Si PCD1≤ ABS(δP) ≤ PCD2O PC≤ PBC≤ PDO TG≤ TBC≤ THO TGH1≤ ABS(δT) ≤ TGH2, entonces la batería está operando en la zona CD (véase figura 6(a)) correspondiente a la zona GH (véase figura 6(b))

Tabla 2

Descripción de figuras

A continuación se describirán realizaciones de la presente invención, únicamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1(a) es una vista lateral de una cubierta de batería única y su ensamblaje interno para uso en un sistema de almacenamiento térmico como se detalla en este documento. A pesar de que la imagen muestra una sección rectangular, la presente invención no se limita a esto e incluye baterías de diferentes formas, por ejemplo, cilíndricas, triangulares y más. Además, se puede diseñar un único intercambiador de calor para acomodar una capa aislante térmica horizontal entre diferentes partes del intercambiador de calor, para evitar la disipación térmica entre partes del intercambiador de calor a diferentes temperaturas. Puede tratarse de una lámina compuesta o de una película aislante; La figura 1(b) es una vista desde abajo de la cubierta de batería única y el ensamblaje interno de la figura 1(a). A pesar de que la imagen muestra una sección rectangular, la presente invención no se limita a esto e incluye baterías de diferentes formas, por ejemplo, cilíndricas, triangulares y más. Además, se puede diseñar un único intercambiador de calor para acomodar una capa aislante térmica vertical entre diferentes partes del intercambiador de calor, para evitar la disipación térmica entre partes del intercambiador de calor a diferentes temperaturas. Puede tratarse de una lámina compuesta o de una película aislante o de una espuma aislante;

La figura 2 es una vista esquemática de un sistema de almacenamiento térmico de acuerdo con una realización de la presente invención. A pesar de que la imagen muestra intercambiadores de calor con aletas verticales y rectas, la presente invención no se limita a esto e incluye baterías con diferente inclinación, por ejemplo, horizontal u oblicua, y no rectas, por ejemplo, corrugadas. A pesar de que en la imagen se muestran dos circuitos separados de carga y descarga de la batería, la invención también incluye baterías térmicas con un único circuito hidráulico que, alternativamente, se utiliza para cargar y descargar la batería térmica, o con más de dos circuitos hidráulicos. A pesar de que la figura 2 muestra cuatro módulos, esta invención se aplica a todos los sistemas con uno o más módulos; La figura 3(a) es una vista esquemática de la unidad (9) de compensación de volumen como se indica en la figura 2; La figura 3(b) es una vista ampliada del aspecto de la válvula de liberación de presión de la unidad (8) como se indica en la figura 5;

La figura 4 es una vista esquemática de la unidad de compensación de volumen integrada;

La figura 5 es una vista esquemática de un sistema de almacenamiento térmico de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención;

La figura 6(a) es una ilustración de la relación entre la presión interna de la batería y el estado de carga de la batería; y.

La figura 6(b) es una ilustración de la relación entre la temperatura interna de la batería y el estado de carga de la batería;

Descripción detallada

Los nuevos sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con la presente invención se ensamblan a partir de una pluralidad de baterías térmicas, cada una de las cuales contiene intercambiadores de calor de carga y descarga integrados y materiales de cambio de fase, PCM. En la figura 1 se proporciona una ilustración de una batería térmica de acuerdo con la invención. A pesar de que la imagen muestra una forma cúbica, la presente invención no se limita a esto e incluye baterías de diferentes formas, por ejemplo, cilíndrica, esférica, piramidal y más. Además, a pesar de que la imagen muestra solo un PCM en el gabinete, esta invención incluye también la combinación de diferentes PCM en el mismo gabinete y la combinación de PCM y otros materiales, por ejemplo, aceites, ceras y más; Cada batería térmica se puede conectar a la tubería hidráulica que entra o sale de cada puerto a través de diversos medios que aseguran una conexión impermeable, por ejemplo, conector de tanque, soldadura, soldadura fuerte, engarzado;

Los sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con la presente invención incluyen un controlador de sistema integral en donde las funciones de control particulares de dicho controlador pueden adaptarse de acuerdo con la aplicación/utilidad particular del sistema. El controlador utiliza sensores de potencia (como lo indican F1 y F2 en las figuras 2 y 5) para medir las tasas de flujo del circuito de carga y descarga del sistema, respectivamente, cada uno de dichos sensores de potencia puede estar compuesto por una combinación de sensor de flujo, sensores de temperatura y motor de cálculo para derivar potencia térmica. El controlador también utiliza sensores de temperatura de entrada (como se indica por T1 a T5 en las figuras 2 y 5) y válvulas desviadoras (como se indica por DV1 a DV5 en las figuras 2 y 5) para controlar la carga eficiente de las baterías individuales dentro del ensamblaje, utilizando reglas predefinidas, como se detalla a continuación, que dependen de la aplicación y el tipo de PCM en las baterías. Estos sensores de temperatura también se utilizan para calcular la energía almacenada y la entrada de potencia, tanto de las baterías individuales dentro del ensamblaje como del ensamblaje de baterías en general.

El controlador del sistema también utiliza sensores de temperatura de salida (como lo indican T6 a T10 en las figuras 2 y 4) para determinar la energía suministrada por cada batería dentro del ensamblaje y la energía residual en cada una de dichas baterías durante la descarga. Además, el controlador del sistema también puede determinar el estado de carga de las baterías a partir de las presiones medidas por los sensores de presión (como lo indican PS1 a PS4 en las figuras 2 y 5). La función de estos sensores de presión se describe con más detalle a continuación. El controlador también puede utilizar sensores de temperatura global para determinar la temperatura promedio del PCM dentro del gabinete (como lo indican TG1 a TG4 en las figuras 2 y 5).

Una característica particular de los sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con la presente invención es la protección del PCM dentro del ensamblaje de batería contra la entrada de oxígeno y vapor de agua, y similares sellando para evitar que los contaminantes externos/componentes degradantes, tal como el aire fresco o el vapor de agua, entren en contacto con los PCM, o la pérdida de componentes de PCM, por ejemplo, por deshidratación. Esto se logra mediante la provisión de baterías selladas, más particularmente cubiertas de batería selladas, o mediante la adición de una sustancia encima del PCM que actúa como una barrera contra el intercambio de vapor o aire o contaminantes, por ejemplo, aceite. Así, de acuerdo con un aspecto adicional, la presente invención proporciona sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con cualquiera de los aspectos proporcionados anteriormente, en donde la una o más baterías están selladas o se agrega una sustancia adicional encima del PCM que actúa como una barrera de vapor/aire/contaminantes.

Materiales adecuados para la construcción de cubiertas de baterías, a veces llamadas carcasas de baterías, para uso en ensamblajes de baterías dentro de los sistemas de almacenamiento térmico de acuerdo con la presente invención se seleccionan por su doble capacidad de proteger el PCM contra la entrada/salida de vapor de agua y la entrada de oxígeno para minimizar el deterioro del rendimiento térmico de la batería, y también para proporcionar suficiente soporte/resistencia estructural para soportar una o más baterías en un sistema apilado sin necesidad de medios de soporte estructural intermedios. En caso de que se utilice una sustancia adicional como barrera contra el vapor de agua, el oxígeno y otros contaminantes, las cubiertas solo deben proporcionar soporte/resistencia estructural para soportar una o más baterías en un sistema apilado.

Los materiales de cubierta adecuados para su uso en el presente documento incluyen metales y aleaciones, metales y aleaciones recubiertos, plásticos, sándwiches compuestos de materiales y materiales compuestos. Los sándwiches compuestos, como se definen en este documento, significan una cubierta que tiene una capa aislante adicional, ya sea adyacente a una capa de cubierta o intermedia entre dos capas de cubierta. Los sándwiches compuestos de ejemplo incluyen: metal/aislamiento/metal; plástico/aislamiento/plástico; plástico/aislamiento/metal; metal/aislamiento; plástico/aislamiento. Los materiales compuestos como se definen en el presente documento incluyen una cubierta compuesta de plástico con un refuerzo metálico. Los materiales compuestos de ejemplo incluyen plástico con malla metálica encerrada en la capa de plástico. Así, de acuerdo con un aspecto adicional, la presente invención proporciona sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con cualquiera de los aspectos proporcionados anteriormente, en donde la cubierta de la batería es un sándwich de metal, aleación de metal, plástico o compuesto. Por lo tanto, la selección de un metal, metal recubierto, plástico, sándwich o material compuesto en particular estará determinada por una variedad de factores que incluyen: la resistencia para soportar una o más baterías sobre ellas en un sistema apilado, la permeabilidad al aire y al vapor, el PCM particular que se utilizará (incluida su densidad, su temperatura de fusión y sus propiedades de ataque químico con respecto al material compuesto), las propiedades de aislamiento térmico, la utilidad propuesta y/o las condiciones de operación del sistema de almacenamiento térmico y similares. Los metales y aleaciones adecuados incluyen: cobre, latón, aluminio y acero inoxidable, con la selección de un metal preferido para una utilidad específica de acuerdo con el tipo de PCM y las condiciones de operación. Por ejemplo, los metales preferidos para uso en cubiertas de baterías para uso con cloruro de calcio hexahidrato incluyen cobre y latón, mientras que para uso con acetato de sodio trihidrato aluminio, acero inoxidable, cobre o latón. Por ejemplo, los metales recubiertos preferidos para uso con hexahidrato de cloruro de calcio incluyen acero inoxidable con recubrimiento de cobre.

Los plásticos que proporcionan una capa de barrera adecuada al vapor de agua y al oxígeno son adecuados para su uso en la presente invención. Los plásticos adecuados para su uso incluyen: polipropileno, polipropileno expandido, polietileno reticulado, policarbonato, sulfuro de polifenilo, copolímero de alcohol etilenvinílico (EVOH), nailon. Se puede incluir en el plástico un agente de relleno tal como fibra de vidrio.

Los materiales aislantes adecuados para su uso en el presente documento incluyen: polipropileno expandido, aerogel de sílice, aislamiento al vacío y poliuretano expandido.

Los sándwiches compuestos de ejemplo para su uso como materiales de cubierta de batería en el presente documento incluyen: panal de nomex revestido con fibra de carbono, panal de aluminio revestido con carbono o aluminio, panal de aluminio revestido con polipropileno, capa de aluminio encerrada en capas de polipropileno y cualquier combinación de los plásticos y metales mencionados anteriormente.

Los sándwiches compuestos de ejemplo para su uso como materiales de cubierta de batería en el presente documento incluyen: capa de nailon reforzada con red de acero inoxidable, polipropileno reforzado con barra de aluminio y cualquier combinación de los plásticos y metales anteriores.

Los intercambiadores de calor dentro de cada cubierta de batería están anclados para que puedan expandirse y contraerse en los tres planos, dentro de dicha cubierta, sin tensionar la cubierta ni el ensamblaje intercambiador de calor interconectado en su conjunto. Los soportes del intercambiador de calor están dispuestos de modo que el área de contacto entre cada intercambiador de calor y cada cubierta de batería sea mínima (<600 mm<2>para una batería de 2.5 kWh) para minimizar las pérdidas de calor por conducción y así aumentar la eficiencia térmica del sistema en general.

La cubierta de la batería está diseñada para resistir 2.0 veces la presión de trabajo normal del sistema de almacenamiento de energía térmica. Aunque la presión de trabajo dependerá del tamaño, la aplicación y el tipo de PCM utilizado en dicho sistema, normalmente tendrá un rango entre 0.0 bar y 2.0 bar. Así, de acuerdo con un aspecto adicional, la presente invención proporciona sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con cualquiera de los aspectos proporcionados anteriormente, en donde la cubierta de la batería puede resistir una presión interna de 0.0 bar a 4.0 mbar.

Los materiales de la cubierta de la batería se seleccionan con suficiente resistencia para que se puedan apilar hasta una pluralidad de baterías sin soportes intermedios, por ejemplo, 6 baterías. Así, de acuerdo con un aspecto adicional, la presente invención proporciona sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con cualquiera de los aspectos proporcionados anteriormente, en donde la cubierta de la batería es un metal, una aleación metálica, un metal recubierto, una aleación recubierta, un plástico, un sándwich compuesto o un material compuesto que tiene suficiente resistencia para que una batería individual soporte una pluralidad de baterías adicionales en un sistema de baterías de pilas múltiples sin soportes intermedios.

Como se ilustra a continuación en las figuras 2 y 5, los sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con la invención comprenden uno o varios ensamblajes de baterías como se describió anteriormente que pueden disponerse en un sistema apilado, teniendo en particular una disposición de baterías apiladas en la que se pueden seleccionar de forma independiente múltiples baterías apiladas. Esto también incluye la capacidad de colocar las baterías una al lado de la otra en una disposición de una sola capa, o en múltiples capas con dos o más baterías una al lado de la otra en cada capa, y no necesariamente el mismo número de baterías una al lado de la otra en cada capa.

Una característica ventajosa adicional de los sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con la presente invención son los medios para proteger las unas cubiertas de batería contra la sobrepresurización. Como se detalla más adelante, esto se logra por medio de una o más válvulas de alivio de presión, o uno o más discos de ruptura de presión, o mediante una combinación de los mismos, o a través de una abertura con los alrededores en el caso en que una sustancia adicional encima del PCM actúe como una barrera contra el aire, el vapor de agua y los contaminantes. Así, de acuerdo con otro aspecto, la presente invención proporciona sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con cualquiera de los aspectos proporcionados anteriormente, que comprenden además medios para proteger las cubiertas de la batería contra la sobrepresurización.

Las utilidades comerciales e industriales de los sistemas de almacenamiento de energía del presente documento dependerán del punto de fusión de los PCM particulares utilizados. Normalmente, los sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con la presente invención utilizan PCM que tienen puntos de fusión que tienen rangos de entre 0°C y 100°C, aunque este no es un conjunto limitante y otros puntos de fusión de ejemplo son 900°C o -80°C. La selección de los PCM particulares que se utilizarán en cualquier sistema particular de almacenamiento de energía térmica del presente documento dependerá de la aplicación deseada. Los PCM adecuados para su uso en el presente documento se detallan a continuación.

El rango operativo de estos sistemas depende de la banda de temperatura de transición para los PCM particulares utilizados. Normalmente, la banda de temperatura de transición para la mayoría de los PCM está entre una diferencia de temperatura de 4 y 8 grados (°C). Por lo tanto, de acuerdo con un aspecto adicional, la presente invención proporciona sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con cualquiera de los aspectos proporcionados anteriormente, en donde los PCM utilizados tienen puntos de fusión que tienen rangos entre 0°C y 100°C, y/o en donde el rango operativo del PCM utilizado está entre una diferencia de temperatura de 4 y 8 grados. Para evitar dudas, los PCM adecuados para su uso en el presente documento son materiales que tienen un cambio de fase de sólido a líquido o un cambio de fase de sólido a sólido, donde en este último la fase pretende ser un cambio en la estructura cristalina del material. Para evitar dudas, los PCM adecuados para su uso en el presente documento pueden incluir materiales termoquímicos.

La selección de cualquier PCM particular para su uso en cualquier sistema de almacenamiento térmico particular para cualquier utilidad particular dependerá de qué materiales proporcionen el equilibrio más apropiado entre sus propiedades termodinámicas, cinéticas, químicas y físicas inherentes y sus factores económicos. Las propiedades termodinámicas relevantes para dicha selección incluyen: una temperatura de fusión dentro del rango de temperatura de operación deseado; alto calor latente de fusión por unidad de volumen; alto calor específico, alta densidad y alta conductividad térmica; pequeños cambios de volumen en la transformación de fase y pequeña presión de vapor a temperaturas de operación para reducir el problema de contención; fusión congruente. Las propiedades cinéticas relevantes para dicha selección incluyen: alta tasa de nucleación para evitar el sobreenfriamiento de la fase líquida; alta tasa de crecimiento de cristales, de modo que el sistema pueda satisfacer las demandas de recuperación de calor del sistema de almacenamiento. Las propiedades químicas relevantes para dicha selección incluyen: estabilidad química; ciclo completo reversible de congelación/derretimiento; sin degradación después de un gran número de ciclos de congelación/fusión; materiales no corrosivos, no tóxicos, no inflamables ni explosivos. Las propiedades económicas relevantes son el coste relativo del PCM y la disponibilidad comercial en volumen suficiente.

Los PCM adecuados para su uso en el presente documento incluyen: cloruro de calcio/bromuro hexahidrato eutéctico, cloruro de calcio/cloruro de magnesio hexahidrato, cloruro de calcio hexahidrato, bromuro de calcio hexahidrato, tiosulfato de sodio pentahidrato, acetato de sodio trihidrato.

Ventajosamente, los sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con la presente invención incluyen medios para la gestión de la expansión del PCM. Como se ilustra más adelante en las figuras 2, 3, 4 y 5, esto se logra mediante características adicionales de compensación de volumen o mediante características de diseño de cubierta presurizada, en relación con cada batería dentro del ensamblaje. En los sistemas de almacenamiento de energía térmica aquí incluidos, que incluyen un diseño con volumen compensado, es decir, operado por presión atmosférica, la expansión del PCM se gestiona mediante un recipiente de expansión de diafragma o un volumen de expansión de diafragma en cada batería para mantener la presión dentro de la batería al nivel atmosférico porque el otro lado del diafragma está abierto a la atmósfera. Alternativamente, está presente una abertura en el recinto para permitir el equilibrio de presión entre el volumen interno de la batería térmica y el entorno.

En los sistemas de almacenamiento de energía térmica del presente documento que incorporan baterías que tienen medios de volumen compensado para la gestión de la expansión del PCM, cuando el volumen del PCM cambia (en cualquier batería en particular) con la temperatura, el aire en la batería se mueve hacia y desde el recipiente de expansión o el volumen de expansión integrado para mantener una presión atmosférica casi constante en la cubierta de la batería o en el volumen del PCM. Son recipientes de expansión adecuados aquellos que tienen una construcción de membrana. Para evitar dudas, cualquier recipiente de expansión alternativo o diseño de volumen de expansión integrado capaz de una operación equivalente para mantener una presión atmosférica casi constante en la cubierta de la batería o en el volumen de PCM en línea con los cambios de volumen de PCM con la temperatura y el movimiento de aire posterior entre la batería y dicho recipiente o volumen se considera adecuado para su uso en el presente documento. En el presente documento se proporciona un sistema de diafragma de ejemplo y se ilustra en la figura 3(a). En este sistema, una tubería de expansión conecta la batería con el recipiente de expansión. Esta tubería de expansión puede incorporar adicionalmente una barrera de vapor y una válvula de alivio de presión o un ensamblaje de disco de ruptura para proteger el sistema contra la alta presión. Cuando se utiliza una válvula de alivio de presión, el ajuste de alivio suele estar entre aproximadamente 0.25 ba y aproximadamente 0.5 bar. Los sistemas de almacenamiento de energía térmica del presente documento utilizan un recipiente de expansión de calefacción central estándar con una capacidad nominal de 3.0 bar, en donde dicho recipiente tiene un tamaño de acuerdo con la siguiente ecuación:

En donde

La figura 3(a) ilustra la operación de un recipiente de expansión de diafragma que puede incluir una válvula Schrader, en cuyo caso se deja abierta o puede incluir sólo una abertura para ventilar a la atmósfera, y muestra las posiciones relativas del diafragma cuando la batería está completamente cargada y cuando la batería está completamente descargada. Para evitar dudas, se pueden utilizar diseños de válvulas alternativos siempre que se puedan dejar abiertas. En el presente documento se proporciona otro ejemplo de sistema de diafragma integrado, y se ilustra en la figura 4. En este sistema, un diafragma está integrado en la cubierta de la batería. El diafragma puede actuar además como barrera de vapor y barrera de aire. La figura 4 ilustra la operación de un volumen de expansión de diafragma integrado que incluye una válvula Schrader que se deja abierta o, alternativamente, una abertura, y muestra las posiciones relativas del diafragma cuando la batería está completamente cargada y cuando la batería está completamente descargada. Para evitar dudas, se pueden utilizar diseños de válvulas alternativos siempre que se puedan dejar abiertas.

En una realización alternativa, hay un orificio en la superficie de arriba de la cubierta de la batería o, alternativamente, un tubo desde esta cara (que luego puede tomar un trayecto serpenteante siempre que su salida final esté al nivel de dicha superficie de arriba o por encima de él). Un fluido inerte como aceite de silicona flota por encima del PCM para realizar la función del recipiente de expansión del diafragma (incluida la barrera de vapor y/o aire). En la salida final del tubo puede existir un depósito para el fluido inerte.

En los sistemas de almacenamiento de energía térmica que aquí se incluyen un diseño de cubierta presurizada, las cubiertas de las baterías individuales dentro del ensamblaje de almacenamiento están selladas y las cubiertas de las baterías están diseñadas para resistir el aumento de presión cuando las baterías se calientan y se comprime el volumen de aire. Las baterías están equipadas con un sensor de presión y una válvula de alivio de presión o un ensamblaje de disco de ruptura para proteger el sistema contra la alta presión. En la figura 3(b) se muestra una vista detallada de un diseño de cubierta presurizada y en la figura 5 se ilustra un ensamblaje que incorpora baterías que tienen válvulas de liberación de presión. El sensor de presión asociado con cada batería se utiliza tanto para monitorizar la presión dentro de la cubierta de la batería como también para determinar el estado de carga de la batería como se describe más adelante. La altura de la batería está dimensionada para garantizar que el volumen de aire en la cubierta de la batería sobre el PCM sea suficiente para mantener la presión dentro de los límites de trabajo del diseño. La válvula de alivio de presión normalmente se ajusta a 1.5 veces la presión de trabajo de diseño.

Por lo tanto, de acuerdo con un aspecto adicional, la presente invención proporciona sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con cualquiera de los aspectos proporcionados anteriormente que tienen medios de gestión de expansión PCM.

Una ventaja adicional de los sistemas de almacenamiento de energía térmica de la presente invención que tienen un sistema de monitorización como se detalla anteriormente es que son capaces de predecir el estado de carga de las baterías dentro del ensamblaje.

Las entradas y salidas de energía y, por tanto, el equilibrio en cualquier batería individual en una pila de almacenamiento de baterías dentro de un sistema de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con la invención se pueden calcular cuando la pila de almacenamiento está equipada con sensores adecuados. En las figuras 2 y 5 se proporciona una ilustración de cómo se pueden organizar estos sensores. Por ejemplo, la energía en la batería número 4 (como se ilustra) se puede calcular en cualquier momento dado de acuerdo con las siguientes ecuaciones 2, 3 y 4:

En donde

QIN= Entrada de energía a la batería durante el último ciclo de carga, [kWh] QON= Salida de energía de la batería durante el último ciclo de descarga, [kWh] QN= Energía actual almacenada en la batería, [kWh] QN-1= Energía almacenada en la batería antes de la auditoría actual [kWh] FI= Tasa de flujo del circuito de carga, [L/s] FO= Tasa de flujo del circuito de descarga, [L/s] ρI= Densidad del fluido del circuito de carga [kg/L] ρO= Densidad del fluido del circuito de descarga, [kg/L] CpI= Calor específico del fluido del circuito de carga, [kJ/kg.K] Cpo = Calor específico del fluido del circuito de descarga, [kJ/kg.K] T5= Temperatura de flujo del circuito de carga de la batería 4 [°C] T4= Temperatura de retorno del circuito de carga de la batería 4 [°C] T10= Temperatura de flujo del circuito de descarga de la batería 4 [°C] T9= Temperatura de retorno del circuito de descarga de la batería 4 [°C]

Como quedará claro, la medición de cualquier batería seleccionada, X, se puede determinar mediante la sustitución de: T5por los sensores relevantes para la medición de TXCFT, temperatura de flujo del circuito de carga de la batería X; T4por los sensores relevantes para la medición de TX, retorno del circuito de carga de la batería X; T10por los sensores relevantes para la medición de TXDFT, temperatura de flujo del circuito de descarga de la batería X; y T9por los sensores relevantes para la medición de TXDFT, temperatura de retorno del circuito de descarga de la batería X.

Una característica ventajosa adicional de los sistemas de almacenamiento de energía térmica de la presente invención es que están equipados con sensores de presión para monitorizar su integridad y estado. Estos sensores de presión se pueden utilizar como una forma alternativa o adicional de monitorizar el estado de carga de las baterías dentro del sistema, ya que la presión en un diseño de cubierta presurizada cambiará dependiendo del estado de carga a medida que el PCM se derrita o se congele, cambiando así el volumen, cambiando así el volumen del aire en la parte de arriba de la batería, cambiando así la presión del aire interna. La calibración se puede utilizar para crear una tabla de consulta que puede convertir la presión medida al estado de carga.

La relación entre el cambio en el estado de carga del PCM y el cambio de presión interna y temperatura promedio dentro de la batería se ilustra en las figuras 6 (a) y 6 (b), y con referencia a la figura 6(a), esto se explica en consecuencia en el presente documento. Durante una primera zona (o etapa o fase), es decir, entre los puntos 'A' y 'B' en la figura 6 (a), el PCM está sólido, es decir, congelado y, por lo tanto, el cambio de presión dentro de la batería se debe principalmente al cambio de temperatura del aire dentro de la cubierta de la batería, que será función de la temperatura del PCM congelado porque la cubierta de la batería está altamente aislada. El estado de carga aumenta/disminuye lentamente porque la energía se almacena/libera principalmente en la zona sensible, es decir, el PCM sólido aumenta/disminuye su temperatura promedio. En una zona (o etapa o fase) adicional, ilustrada en la figura 6 (a) entre los puntos 'B' y 'C', el PCM cambia de fase de sólido a líquido durante el ciclo de calentamiento de la batería, y de líquido a sólido durante el ciclo de descarga de la batería. Esta denominada banda de temperatura de transición, para la mayoría de los PCM, estará entre 4°C y 8°C. Como tal, el cambio de presión dentro de la batería durante esta fase será directamente proporcional al porcentaje del PCM en estado líquido (es decir, fundido). En esta zona, la energía se almacena/libera en forma de calor latente, debido al cambio de fase del PCM. En la siguiente zona (o etapa o fase), como se ilustra en la figura 6(a) entre los puntos 'C' y 'D', el PCM está completamente derretido y, por lo tanto, el cambio de presión dentro de la batería se debe principalmente al cambio de temperatura del aire dentro de la cubierta de la batería que será proporcional a la temperatura del PCM líquido (fundido) porque la cubierta de la batería está altamente aislada. El estado de carga se almacena principalmente en la zona sensible, es decir, el PCM sólido aumenta su temperatura media. Con referencia a la figura 6(b), esto se explica en consecuencia en el presente documento. Durante una primera zona (o etapa o fase), es decir, entre los puntos 'E' y 'F' en la figura 6 (b), el PCM está sólido, es decir, congelado y, por lo tanto, el cambio en el estado de carga de la batería es función de la temperatura del PCM congelado. El estado de carga aumenta/disminuye lentamente porque la energía se almacena/libera principalmente en la zona sensible, es decir, el PCM sólido aumenta/disminuye su temperatura promedio. En una zona (o etapa o fase) adicional, ilustrada en la figura 6 (b) entre los puntos 'F' y 'G', el PCM cambia de fase de sólido a líquido durante el ciclo de calentamiento de la batería, y de líquido a sólido durante el ciclo de descarga de la batería. Esta denominada banda de temperatura de transición, para la mayoría de los PCM, estará entre 4°C y 8°C. En esta zona, la energía se almacena/libera en forma de calor latente, debido al cambio de fase del PCM. En la siguiente zona (o etapa o fase), como se ilustra en la figura 6(b) entre los puntos 'G' y 'H', el PCM está completamente derretido y, por lo tanto, el cambio en el estado de carga dentro de la batería será proporcional a la temperatura del PCM líquido (fundido). El estado de carga se almacena principalmente en la zona sensible, es decir, el PCM líquido aumenta su temperatura media.

De las figuras 6(a) y 6(b) se desprende claramente que la presión de la batería y la temperatura promedio son complementarias entre sí y dan una indicación exhaustiva del estado de carga de la batería, es decir, la temperatura es un buen indicador del estado de carga de la batería fuera de la zona de fusión/congelación, y la presión es un buen indicador del estado de carga de la batería en la zona de fusión/congelación. La relación entre presión y estado de carga o temperatura y estado de carga puede no ser lineal como en las figuras 6(a) y 6(b), o puede no ser lineal en todas las zonas.

En caso de que el recinto presente una abertura al entorno, la presión sería constante en cualquier estado de carga de la batería. En este caso, además de la temperatura, el nivel del PCM se puede utilizar como indicador complementario del estado de carga de la batería. Como este sistema en particular requiere una sustancia adicional para proteger el PCM contra el vapor de agua, el aire y los contaminantes, por ejemplo, un aceite, esta sustancia podría cambiar su nivel de acuerdo con la expansión y contracción del PCM en una cámara externa al recinto de la batería, por ejemplo, un cilindro graduado, que permite una indicación visual del estado de carga de la batería y/o una medida electrónica a través de un sensor de nivel, por ejemplo un sensor de nivel ultrasónico o un brazo flotante atado a un sensor de rotación. Esto también se podría lograr en el volumen de la cubierta añadiendo un corte transparente en caso de indicación visual o un sensor de nivel en la batería térmica encima del PCM/sistema de sustancias adicionales para medidas electrónicas.

Se prevé que la presión de trabajo máxima será similar para todos los tipos de batería, es decir, el volumen de aire en la batería para absorber la expansión del PCM durante el calentamiento aumentará proporcionalmente al volumen de PCM en la batería. Sin embargo, para fines de utilidad en este caso, cualquier tipo de batería en particular se sometería a pruebas de tipo para determinar las características de presión y temperatura y estos datos se almacenarían en el controlador de almacenamiento PCM.

La potencia nominal de los circuitos de carga y descarga de la batería afectará a la característica de presióntemperatura y por lo tanto estos parámetros se almacenarán en el controlador para corregirlos.

Los algoritmos utilizados para determinar el estado de la batería utilizando el sistema de control aquí detallado se describen a continuación y los símbolos utilizados se detallan en la tabla 1. El estado de carga de la batería se define como una fracción de la energía máxima que se puede almacenar en la batería entre una temperatura mínima y una máxima, que puede variar de acuerdo con la aplicación final, el PCM de la batería y los requisitos de seguridad. La energía máxima almacenable está compuesta por tres cantidades, de acuerdo con la siguiente descripción. Los símbolos utilizados se detallan en la tabla 1:

1) Calor sensible debido a la diferencia de temperatura entre el material en estado sólido al comienzo de la zona de fusión, TFen la Figura 6(b), y la temperatura de referencia base, TEen la Figura 6(b):

2) Calor latente debido al cambio de fase del material durante el proceso de fusión/congelación. Esta es una propiedad de cada PCM y proporcional a la cantidad de PCM en la batería:

3) Calor sensible debido a la diferencia de temperatura entre el material en estado líquido en el límite máximo de temperatura, THen la Figura 6(b), y la temperatura del material en estado líquido al comienzo de la zona de congelación, TGen la Figura 6(b):

4) La energía total almacenable es por tanto:

Tabla 1

Los algoritmos utilizados para determinar el estado de la batería utilizando el sistema de control aquí detallado se describen a continuación y los símbolos utilizados se detallan en la tabla 2.

h) Si QIN= 1 y δP ≤ PL1O QIN= 1 y PBC≤ PA, entonces:

● La cubierta de la batería no es hermética

● Activar la alarma/advertencia adecuada

● Poner esta batería en modo de espera, es decir, detener carga

i) Si (QIN= 1 y δP ≥ PL2) O QIN= 1 y PBC≥ PL3, entonces:

● La presión de la cubierta de la batería excede el límite máximo de operación.

● Activar la alarma/advertencia adecuada

● Poner esta batería en modo de espera, es decir, detener carga

j) Si (QIN= 0 y TBC≤ TE), entonces:

● Poner esta batería en modo de carga Q=1, es decir, comenzar carga

● SOC = 0

k) Si (QIN= 1 y δT ≥ TL2) O QIN= 1 y TBC≥ TL3, entonces:

● La temperatura de la cubierta de la batería excede el límite máximo de operación.

● Activar la alarma/advertencia adecuada

● Poner esta batería en modo de espera, es decir, detener carga

l) Si PAB1≤ ABS(δP) ≤ PAB2O PA≤ PBC≤ PBO TE≤ TBC≤ TFO TEF1≤ ABS(δT) ≤ TEF2, entonces la batería está operando en la zona AB (véase figura 6(a)) correspondiente a la zona EF (véase figura 6(b))

m) Si PBC1≤ ABS(δP) ≤ PBC2O PB≤ PBC≤ Pc O TF≤ TBC≤ TGO TFG1≤ ABS(δT) ≤ TFG2, entonces la batería está operando en la zona BC (véase figura 6(a)) correspondiente a la zona FG (véase figura 6(b))

n) Si PCD1≤ ABS(δP) ≤ PCD2O Pc ≤ PBC≤ PDO TG≤ TBC≤ THO TGH1≤ ABS(δT) ≤ TGH2, entonces la batería está operando en la zona CD (véase figura 6(a)) correspondiente a la zona GH (véase figura 6(b))

Tabla 2

Cuando se incluyen varios intercambiadores de calor en la misma cubierta, los puertos de carga y descarga de cada intercambiador de calor se pueden conectar a los de otro intercambiador de calor para (a) maximizar el aumento (fase de descarga) o la caída (fase de carga) de temperatura desde la entrada a la salida del ensamblaje intercambiador de calor (conexión en serie), o para (b) minimizar el tasa de flujo y la caída de presión relacionada entre la entrada y la salida del ensamblaje intercambiador de calor (conexión en paralelo). En el mismo gabinete se pueden utilizar conexiones en serie y en paralelo para conectar diferentes intercambiadores de calor. Además, cada conexión se puede configurar bajo demanda para que sea paralela o serie de acuerdo con los requisitos y las estrategias de control, por ejemplo, las conexiones normalmente son paralelas para minimizar la caída de presión y se cambian temporalmente a serie a través de válvulas desviadoras cuando se requiere potencia adicional, eventualmente usando una bomba de refuerzo para superar la caída de presión. Además, diferentes intercambiadores de calor en el mismo recinto pueden utilizar circuitos hidráulicos diferentes e independientes. Además, se puede colocar un aislamiento térmico entre intercambiadores de calor individuales en el mismo recinto para evitar la disipación térmica entre diferentes partes del mismo recinto en diferentes estados de carga, por ejemplo, láminas compuestas o aislamiento de celdas de espuma o películas aislantes.

En la figura 1(a) se ilustra una cubierta (1) de batería que contiene uno o más intercambiadores (2) de calor y un PCM (3). El volumen interno A, entre el PCM y la cubierta de la batería, se llena con un gas, por ejemplo, aire o nitrógeno, y varía en volumen de acuerdo con la expansión y contracción del nivel del PCM. Los diferentes niveles de PCM en frío (congelado) y caliente (fundido) se ilustran en los puntos B y C. Los intercambiadores de calor en el interior de la cubierta de la batería están anclados mediante una pluralidad de soportes (4). Diversos puertos de carga y descarga están indicados por (5). Otros puertos de conexión se indican con (6).

En la figura 2 sistema (7) de almacenamiento térmico para la gestión del flujo desde una fuente de calor (no ilustrada) a una carga de calefacción (no ilustrada) que contiene una pluralidad de ensamblajes (8) de batería interconectados, como se indica específicamente por las baterías 1 a 4, estando cada ensamblaje de batería en conexión operativa con al menos una unidad (9) de compensación de volumen que tiene medios para ventilación, y en donde el sistema (10) de control integral gestiona la operación del sistema a través de los sensores F1 y F2, que miden las tasas de flujo del circuito de carga y descarga respectivamente, sensores (T1, T2, T3, T4, T5) de temperatura que miden la temperatura del flujo de calor hacia el ensamblaje de la batería y válvulas (DV1, DV2, DV3, DV4, DV5) desviadoras para controlar la carga eficiente de las baterías individuales, sensores (T6, T7, T8, T9, T10) de temperatura para determinar la energía suministrada por cada batería y la energía residual en cada batería durante la descarga, y válvulas de alivio de presión (PRV).

En la figura 3(a), un recipiente (11) de expansión de diafragma que tiene posiciones relacionadas con un estado completamente cargado o completamente descargado representado por una línea de puntos y una línea engrosada respectivamente, y que tiene una válvula (12) Schrader, una barrera (13) de vapor, una válvula de liberación de presión (PRV) y un puerto de conexión A para una batería (dentro del ensamblaje).

En la figura 3(b) se muestran una barrera (14) de vapor, una válvula de liberación de presión (PRV) y un puerto de conexión A para una batería (dentro del ensamblaje).

En la figura 4, el diafragma está integrado en el gabinete de la batería. Posiciones relacionadas con un estado completamente cargado o completamente descargado representado por una línea de puntos y una línea engrosada respectivamente, y que tienen una válvula (12) Schrader, una válvula de liberación de presión (PRV). En la figura 5, donde se proporcionan componentes o características que tienen los mismos indicios que en la figura 2, estos son representativos de los mismos componentes o características, a menos que se indique específicamente lo contrario. La figura 5 ilustra un sistema (7) de almacenamiento térmico que contiene una pluralidad de ensamblajes (8) de baterías interconectados, se ilustran las baterías 1 a 4, con cada ensamblaje de batería sellado y en conexión operativa con al menos una válvula de liberación de presión (PRV) en conexión operativa con sensores de presión (PS1, PS2, PS3, PSS4) para determinar el estado de carga de las baterías, y en donde el sistema (10) de control integral gestiona la operación del sistema a través de los sensores F1, F2, T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9 y T10, válvulas DV1, DV2, DV3, DV4 y DV5 desviadoras como se detalla en la descripción de la figura 2.

En la figura 6 se indican las siguientes zonas que ilustran la relación entre el cambio de temperatura del PCM y el cambio de presión interna dentro de la batería: entre los puntos 'A' y 'B' el PCM es sólido; entre los puntos 'B' y 'C', el PCM cambia de fase de sólido a líquido durante el ciclo de calentamiento de la batería, y de líquido a sólido durante el ciclo de descarga de la batería; y entre los puntos 'C' y 'D', el PCM está completamente derretido.

Los nuevos sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuerdo con la presente invención se ensamblan a partir de una pluralidad de baterías térmicas, cada una de las cuales contiene circuitos integrados de carga y descarga.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema (7) de almacenamiento de energía térmica que comprende un almacén de energía térmica que contiene una única o una pluralidad de cubiertas (8) de batería que tienen intercambiadores (2) de calor internos y materiales (3) de cambio de fase y medios (10) de control para controlar la operación de dicho sistema (7) de almacenamiento de energía térmica,

en donde cada una de dicha única o dicha pluralidad de cubiertas (8) de batería contiene independientemente una batería que comprende uno o más intercambiadores (2) de calor anclados dentro de dicha única o dicha pluralidad de cubiertas (8) de batería, un material (3) de cambio de fase y medios de protección contra la sobrepresurización de dicha batería, y

en donde dicho medio (10) de control es un controlador integral del sistema y en el que la presión y la temperatura media de la batería proporcionan una indicación del estado de carga de la batería,

en donde el controlador integral del sistema utiliza sensores de temperatura de entrada y válvulas desviadoras dentro del sistema (7) de almacenamiento de energía térmica para controlar la carga eficiente de las baterías individuales dentro del sistema (7) de energía térmica utilizando reglas predefinidas,

el controlador integral del sistema también utiliza sensores de temperatura de salida para determinar la energía suministrada por cada batería dentro del sistema (7) de energía térmica y la energía residual en cada una de dichas baterías durante la descarga, y

los sensores de temperatura también se utilizan para calcular la energía almacenada y la entrada de potencia de cada batería individual dentro del sistema (7) de energía térmica, así como del sistema de batería en general.

2. Un sistema (7) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos medios (10) de control están adaptados para proporcionar medios para la carga eficiente de las baterías individuales dentro del ensamblaje mediante uno o más sensores de temperatura de entrada y una o más válvulas desviadoras.

3. Un sistema (7) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos medios (10) de control están adaptados para proporcionar mediciones de la energía almacenada en el interior y la entrada de potencia de baterías individuales dentro de dicho sistema (7), y del ensamblaje general de batería a través de dicho uno o más sensores de temperatura de entrada de la reivindicación 2.

4. Un sistema (7) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos medios (10) de control están adaptados para proporcionar mediciones de la energía suministrada por cada batería dentro del ensamblaje y la energía residual en cada una de dichas baterías durante la descarga a través de uno o más sensores de temperatura de salida.

5. Un sistema (7) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los materiales (3) de cambio de fase dentro del sistema están protegidos del contacto con contaminantes externos o componentes degradantes mediante la provisión de cubiertas de batería selladas.

6. Un sistema (7) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las cubiertas de batería están construidas a partir de metales, aleaciones, plásticos, sándwiches compuestos o materiales compuestos.

7. Un sistema (7) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las cubiertas de la batería pueden resistir una presión interna de 0.0bar a 4.0bar.

8. Un sistema (7) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se pueden apilar múltiples cubiertas de batería sin soportes intermedios.

9. Un sistema (7) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dichos uno o más intercambiadores (2) de calor son intercambiadores de calor de carga y descarga integrados que están anclados dentro de las baterías y en donde el área de contacto entre cada intercambiador de calor y cada cubierta de batería es mínima.

10. Un sistema (7) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la carcasa de la batería incluye medios de protección contra la sobrepresurización a través de una o más válvulas de alivio de presión, o uno o más discos de ruptura de presión.

11. Un sistema (7) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los materiales (3) de cambio de fase utilizados dentro de las baterías tienen un cambio de fase de sólido a líquido dentro de un rango de temperatura de 0°C a 100°C y en donde el rango operativo de dichos materiales de cambio de fase está entre una diferencia de temperatura de 4 y 8 grados; y/o

medios para la gestión de la expansión del material de cambio de fase, en donde dichos medios están en conexión operativa con una barrera de vapor, y una válvula de alivio de presión, o un ensamblaje de disco de ruptura; y/o